超声成像原理简介

生物医学超声三维成像简介

姓名：黄金盆学号：MG1423074超声（简称US）医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程，所以超声医学具有医、理、工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。

超声医学影像技术作为医学影像学的一门新兴学科，经历了从A超、M超、B超、彩色多普勒超声几个阶段。三维超声成像技术（three-dimensional ultrasono-graphy）的研究始于20世纪70年代，由于成像过程慢，使用复杂限制了其在临床上的使用。最近随着计算机技术的飞速发展，三维超声成像取得长足进步，已经进入临床应用阶段。

三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像[1]，动态三维成像由于参考时间因素，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[2]。

1、1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。

1、2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。

1、3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。

常规三维成像包括以下步骤：

1．自动容积扫查：以三维容积探头进行扫查，获取三维数据。三维数据是通过超声探头扫查平面的移动而获取的大量连续二维断面图。现有的三维探头都配有内置的凸阵或扇形探头，探头内电磁感应器可以感应出每一断层的相对位置和方向。每一断面的二维图像信息连同其空间方位信息都被数字化后输入电脑。实时二维扫查是基础，根据感兴趣区域的空间范围，任意调节断面的角度、扫查深度和扫查角度，确定三维容积箱（volume box）的位置和大小后进行扫查。在扫查时可以根据感兴趣区的回声和运动特征调整扫查速度。对运动的目标可选用快速扫查，但获得的图像空间分辨力低；低速扫查图像分辨力最高，但易受运动影响；正常速度扫查的空间分辨力介于两者之间[3]。

2．三维数据库的建立：探头扫查获得的数据是由许许多多的断面组成的合成数据，作为三维数据库输入电脑，可以通过滤过干扰信息改善数据的质量。三维数据库包含一系列的体积像素，每一体积像素既是灰度值也是亮度值。

3．三维图像重建：应用三维数据库可以重建出各种图像，包括三维切面重建和立体三维的观察[4]。

（1）切面重建：成像最简单，通过旋转三维数据库可以选定任意一个平面的二维图像，进行多平面图像分析。尽管得到的是断面图，有时对诊断却非常有用，因为许多平面（例如子宫的冠状面）是二维超声难以观察到的。可以选择各种切面显示的方式：三个正交平面显示、图像的自由旋转、图像的移动和壁龛立体定位显示模式。

（2）容积成像（volume rendering）：是一种基于体积像素（voxel）的三维数据库的视觉工具。一个像素（pixel）是二维图像的最小的图像信息单位，一个体积像素则是三维容积数据中最小的图像信息单位。在二维的有立体感的图像上的每一个像素都代表着一组三维体积像素，沿着投射线的多个体积像素经过分析处理后得出有立体感图案的二维像素，二维像素值来源于根据特定的容积运算式得出的综合的体积像素。容积成像方法有表面成像模式和透明成像模式。前者显

示的是周围被液体包绕的结构图像，例如胎儿体表结构的表面成像；后者显示的是最大（如骨骼）或最小（如单纯囊肿）的回声结构的内部图像。结合彩色多普勒还有彩色血管成像模式。成像模式有：表面成像模式、透明成像模式、彩色模式。

三维超声成像与CT、MR相比，三维超声成像具有独特的优点:（1）采样时间短，病人一次屏气期间即可完成，避免脏器移动导致的误差；（2）无须静脉注射造影剂可显示血管结构，无电离辐射及创口；（3）经济方便，减少了对操作者技术水平的依赖，增强了可重复性。

参考文献：

[1]余薇,胡佑伦,刘昌慧.医学超声成像技术方法学进展[J].北京生物医学工程,2001,20(3),225-228

[2]李曦,陈光杰.三维超声成像原理及其发展[J].中国医学物理学杂志,2001,18(3):136-140

[3]高上凯,高小榕,张志广等.三维超声成像方法的研究[J].中国医疗器械信息,2000,6(3),29-31

[4]郝晓辉,高上凯,高小榕.三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析[J].生物医学工程学杂志1998,15(3),311-316