三维超声成像技术的基本原理及操作步骤

三维超声成像技术的基本原理及操作步骤230031　安徽合肥　解放军105医院　罗福成

1　基本原理

三维超声成像分为静态三维成像(static three2 dimensional imaging)和动态三维成像(dynamic three2dimensional imaging),动态三维成像由于参考时间因素(心动周期),用整体显像法重建感兴趣区域准实时活动的三维图像,则又称之为四维超声心动图。静态与动态三维超声成像重建的原理基本相同。

111　立体几何构成法　该法将人体脏器假设为多个不同形态的几何体组合,需要大量的几何原型,因而对于描述人体复杂结构的三维形态并不完全适合,现已很少应用。

112　表面轮廓提取法　是将三维超声空间中一系列坐标点相互连接,形成若干简单直线来描述脏器的轮廓的方法,曾用于心脏表面的三维重建。该技术所需计算机内存少,运动速度较快。缺点是:(1)需人工对脏器的组织结构勾边,既费时又受操作者主观因素的影响;(2)只能重建比较大的心脏结构(如左、右心腔),不能对心瓣膜和腱索等细小结构进行三维重建;(3)不具灰阶特征,难以显示解剖细节,故未被临床采用。

113　体元模型法(votel mode)　是目前最为理想的动态三维超声成像技术,可对结构的所有组织信息进行重建。在体元模型法中,三维物体被划分成依次排列的小立方体,一个小立方体就是一个体元。任一体元(v)可用中心坐标(x,y,z)确定,这里x,y, z分别被假定为区间中的整数。二维图像中最小单元为像素,三维图像中则为体素或体元,体元素可以认为是像素在三维空间的延伸。与平面概念不同,体元素空间模型表示的是容积概念,与每个体元相对应的数V(v)叫做“体元值”或“体元容积”,一定数目的体元按相应的空间位置排列即可构成三维立体图像。描述一个复杂的人体结构所需体元数目很大,而体元数目的多少(即体元素空间分辨率)决定模型的复杂程度。目前,国内外大多数使用Tom Tec Eeno view computer-work station来进行体元模型三维成像。

此外,随着高档超声仪器软件的不断开发,静态三维成像不经过工作站可直接启动设备软件包三维重建或三维电影回放来完成。

2　操作步骤

任何三维成像的研究均需通过原始图像采集、图像数据后处理、三维图像重建、三维图像显示和定量测量。扫描途径包括经食管、经胸和剑突下及腹壁等,每种方法各有利弊。

211　图像的采集

21111　机械驱动扫查　将探头固定在机械装置上,由计算机控制电动马达,带动探头做某种拟定形式的运动,常见的形式有三种:(1)平行扫查法(Parallel scanning):即探头沿直线做均匀连续的平行位移,获得一系列相互平行等距的二维切面图像。经食管或血管内的超声三维重建所采用的逐步后拉式采样亦属平行扫查。此方法图像易失真,目前已基本废弃。

(2)扇形扫描法(fan-like scanning):扫描平面的近场基本固定,远场沿z轴方向扇形移动,将采集的二维图像做数字存储,建立金字塔形数据库(Pyramid data-bank),而后插补三维像素(voxel),再根据需要任意切割,显示所欲观察的三维图像。此发现主要用于检查静态脏器,有的厂家将换能器封闭于特制的盒套内,操作比较方便。(3)旋转扫描法(rotat2 ing scanning):目前被广泛接受,能较理想地进行三维成像采集。以二维切面图像中声束方向的中心平分线为轴,使探头做180°旋转,获得围绕轴线360°范围内一系列相互均匀成角,且中心平分线相互重叠的二维切面图像,适用于心脏、前列腺、膀胱等。经食管的多平面探头或环形相控阵探头三维成像采样过程亦属此类。

由于机械驱动扫查中,探头具有规定的逻辑运动轨迹,因此,计算机对所获得的每一图像进行空间定位、数据处理及三维成像时速度快,图像重建准确可靠。缺点是采样过程繁琐、机械驱动支架体积大且沉重、与各类探头不易配接、扫查时有机械噪音、

扫查方式固定、取样角度不易确定、扫查范围和时间受限。因而三维超声成像的推广迫切急需方便、灵活的采集方法。

21112　磁场空间定位自由臂扫查(free2hand scan2 ning,以下简称自由扫查)　自由扫查技术主要依靠一套探头空间定位系统,由电磁场发生器、空间位置感测器(或接收器)和微处理器三部分组成。由微处理器控制的电磁场发生器向空间发射电磁场,空间位置感测器被固定在探头上,操作者如同常规超声检查一样,手持带有空间位置感测器的探头进行随意扫查时,计算机即可感知探头在三维空间内的运动轨迹,从而确定所获得的每帧二维图像的空间坐标(x,y,z)及图像方位(α,β,γ),带有空间坐标信息和方位信息6个自由度参数的数字化图像被储存在计算机中,即可对所扫查结构进行三维重建。

实践证明,使用自由扫查技术时,可在任何方向上随意移动探头,根据需要设置扫查时和调整范围并无死角,适用于做一次性较大范围复合扫查,如对肝脏一次性整体成像。该系统可与任何探头方便配接,体积小,重量轻,扫查方式灵活,操作方便,且重建准确可靠,因而成为近年三维超声成像研究的热点。此方法仅用于静态三维重建,用彩色多普勒能量图进行三维重建时,如有余辉滞留,应关闭余辉功能,以免血管结构三维图像变形,如无法关闭余辉功能,应平稳缓慢扫查取样。

21113　“一体化探头”方案　将超声探头和摆动机构封装在一起,操作者只要将此一体化探头指向所需探测部位,系统就能自动采集三维数据。

21114　三维电子相控阵方法　目前,已开发出128×128阵元的超声模块及相应的电子学系统,并成功获得了实时三维超声图像。后二种方法使用方便,不用移动探头即可获得三维数据,并能即刻或实时显像,但该类探头可能单次扫查范围有限,不适合做一次性大范围复合形式的扫查采样,如对较大脏器(如肝脏)或病变的一次性整体扫描成像则受到限制。对大血管及其血流既可做静态三维成像,亦可做动态三维成像,后者必须采用机械驱动扫查方式,并使用心电触发功能,对实质性脏器内血管及血流一般采用静态三维成像。血管三维超声重建时采用的图像有两大类:(1)组织灰阶信息用于大血管组织结构的三维重建;(2)血流的彩色多普勒显像或多普勒能量图信息用于血管内血流的三维重建。

常规彩色多普勒血流成像(CDFI)能区别血流方向、速度及时相,可对较大血管内血流进行动态三维重建。彩色多普勒能量图(color Doppler energy, CDE)显示血流敏感性高,能显示细小终末血管的低速血流,并能较好地显示迂曲血管内血流的连续性,因此,CDE更适用于实质性脏器内小血管的动态三维重建。使用CDFI或CDE时应轻度抑制二维灰阶图像的增益,三维重建时更能突出显示血管及血流。因二维图像是三维重建的基础,故二维图像的好坏关系到三维重建的质量。所以,图像采集过程中应注意:(1)避免呼吸与体位移动造成的影响;(2)根据采样部位大小和体表特征确定扫查采样方式;

(3)采集图像时应去掉无关信息,以减少体元素空间的体元数目,缩短图像储存、处理和重建的时间。21115　动态三维彩色多普勒成像　能显示血流动态、方向、速度及形态,在观察心内血流(包括分流与反流)的位置、时相、轮廓、范围、周径、行程、长度等方面能发挥更大的作用。如对血流束进行垂直切割,可以正确了解缺损、瓣口关闭不全及狭窄处血流束的横断面的大小与剖面形态等。这种新的动态三维彩色多普勒血流成像技术具有很大发展潜力,一旦推广应用,将发挥更大的效能。

21116　实时动态三维成像　美国Duck大学生物医学工程系最近研究成功一种能进行容积测定实时成像(red2time volumetric imaging)的二维阵列换能器(two2dimensional array transducer)。其外形与一般的相控阵探头相类似,但换能器的晶体片呈矩阵形(matrix)排列,被纵向、横向多线场均匀切割,形成众多的微型正方形小格。用于体表探查时,微小的多达40×40=1600、60×60=3600或80×80= 6400个晶片,探头发射声束时按相控阵方式沿y轴进行方位转向,形成二维图像,后者在沿z轴方向扇形移动进行立体仰角转向,形成金字塔数据库(pyramid data2bank)。由于仪器采用特殊的发射与接收方法,扫描速度提高60余倍,在一个心动周期内,即可完整地采集某一心脏结构的三维数据资料,从而真正实现动态三维成像,由于成像速度快,在未来的心脏疾患以及动态脏器(包括胎心和各个部位大小血管)检查中将可能发挥更大作用。

212　图像的后处理　三维工作站通过导线与机械扫查支架或自由扫查系统相连,以控制探头的运动和(或)搜集探头的空间位置信息。扫查时获得二维图像通过超声仪器的输出接口不断输入三维工作站,并储存在计算机内,然后计算机对按照某一规律