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 three 2 dimensional imaging 和动态三维成像 (dynamic three 2dimensional 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 (rotat 2 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、・ 3

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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 (free 2hand scan 2 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