三维超声的成像原理

第一章三维超声的成像原理

宇宙空间包含有三个互相垂直的方向，即X、Y和Z方向。单一方向只能描述一条直线，而任何两个垂直的方向都可以描述一个平面，三个互相垂直的方向则可以描述一个立体，它们相应提供空间的一维、二维和三维信息。

超声成像（U l t r a s o n i c I m a g i n g）是使用超声波的声成像。在超声诊断仪中，有传递人体组织一维空间信息的A型、M型和D型；有传递人体组织二维空间信息的B型、C型、F型和C F M型（彩色血流图）；有传递人体组织三维空间信息的组织三维成像、血流三维成像和融合三维成像。目前，所有三维成像都是以平面显示的方法显现成具有立体感的显示方式，这种方式被称为三维显示（3D-s c o p e）。

第一节三维成像的原理及基本方

法

一.三维成像的原理

三维成像按成像的原理可分为三大类：1．利用光学原理与系统进行三维成像；

2．利用光学系统和图像迭加原理的三维成像；

3．利用计算机辅助进行三维重建成像。

二．声全息（A c o u s t i c a l H o l o g r a p h y）声全息技术是通过探测波与参考波之间的相互干涉，而把探测波振幅和相位携带的有关探测物结构的全部信息提取与再现的技术。声全息技术由于获取和记录全息数据的方式不同，可分为三类：①液面全息；②扫描全息；③布阵全息。不管哪一类，都是透射成像，并

沿用了激光全息的方法，利用超声波相干的特性，不仅把超声波振幅信息记录下来，也反映出相位信息。因此，在把超声全息图重现时。能逼真地显示出人体的内部结构，并具有实时动态、分辨率高和灰阶丰富等特点。

图1-1是液面法声全息成像系统结构原理图。它表明声成像的过程。在工作时由换能器1发射的声束经人体受检部位，透过人体的声束由组合透镜2收集，经反射器3反射在小油槽5的液面上聚焦成像。同时由换能器4发射的参考声束也射到液面，与透过受检部位的物波相干形成声全息图。由激光器6发射的激光经扩散透镜7和光学部件产生平行激光照射液面的声全息图，受声全息图调制的反射激光发生衍射，各级衍射光经光学聚焦透镜8后在聚焦平面9上分离，并通过空间滤波器获取图像，由电视摄像机10摄像，并在显示器上显示三

维的声像图。

三．容积成像（v o l u m e i m a g i n g）1996年，日本东芝公司首先推出容积扫描探头，利用常规的B超诊断仪，进行实时三维显像。它采用特制的凸阵探头，利用散射透镜技术收集图像资料，实现实时三维成像，使用十分方便。但成像效果较差。图1-2是它的原理示意和实图。

四．三维重建图像

B型、C型和F型扫描方式可以从不同角度取得体内组织的各种三维图，但是医生更需要从立体（三维）图像来观察体内组织的结构及其病变情况。为此，人们通过各种方法利用许多的二维（平面）图像来重构成一个立体图像，最简单的方法是采用坐标位移法探测出

B型图像的边界，然后将这些图像叠加在一起，便重构成组织的立体图像。但是这种重构速度十分慢。目前已有多种利用电子计算机进行立体图像重构的方法。

有一种用移动坐标位置的方法将数帧常规B型图像叠加在一起，就可以获得三维图像。如图1-3所示。图中X和Z方向组成的是常规B型切面图，在沿Y 轴方向移动电子扫查探头，由于图像位置的移动，很多B型图像便写进图像存贮器中，这样探头只要沿Y轴方向移动扫查一次，经过三维重建处理，便可得到一幅完整的三维图像。

为了实现三维显示，要对图像数据进行处理，图1-4是预处理的流程图。经过实时图像平滑处理，实现二维灰阶图像处理，实时边界探测和实时内界消除等处理过程，然后进行贮存、迭加和

显示。

整个系统由超声传感单元、图像处理单元、数字扫描转换单元和监视器单元组成。如图1-5所示。

除了这种轴向移动获取多平面重建三维图方法外，还有轴旋转角度获取多平面进行三维重建的，如沿心脏长轴每转30。取一切面，一周共取6幅切面，便可重建心脏的三维图。也有采用长轴图和短轴图重建三维图的。这些方法都要同时把切面图及它们之间的位置与角度信号送入计算机，由计算机作相应的组合和处理后，在荧光屏上再现该器官的三维图。物体的三维图可用网格线（w i r e f r a m e）来表示物体形状的外形框架图，也可以用灰阶（s h a d e s o f g r a y）来表示物体表面形状的立体阴影图，第三种是用减法处理获得的旋转式透明三

维灰阶图，可以显示器官立体的透明图，利于观察器官内部的结构。此外，还有用两个B超切面（矢状面和冠状面）和一个等深度切面（C型）组成静态的三维立体图。如麦迪逊公司的V O L U S O N 730，能在荧屏上同时显示两个B超切面图、一个C型切面图以及由它们组成的三维立体图，便于了解器官的空间结构关系。

三维重建图像方法，由于只需采用计算机技术，无需任何辅助装置就能进行三维显示，故发展最快，应用最多。它利用超声诊断仪在某一器官的几个不同位置上提取相应的二维切面图像，或利用一组的二维切面图像，将它们以及它们之间的位置与角度信号一起输入计算机作相应的组合和处理后，在荧光屏上再现该器官的三维图像。

第二节三维重建成像的特点

三维重建成像的待处理数据量大，而且要求实时处理、长期保存数据、处理复杂的任务以及实时管理和显示所处理的结果。通常需要采用多处理结构及并行处理算法，以提高成像速度。目前商品三维医学成像系统主要有三类：采用通用计算机配合专用软件；采用三维医学成像专用的图形加速器；在专用的计算机系统上用硬件实现算法。

三维超声重建成像，首先要取的一组二维断层平面图像，然后用计算机进行三维重建。在X射线、M R I的三维重建成像技术中都是采用多层平行切片方法取得一组二维数据，再通过插补重建三维图。由于肋骨和肺气的影响，这一方式在超声心脏成像中不能采用，必须通过适当的探测“窗口”采集所需的一组二维切面数据。

获取一组二维切面数据，在超声系