三维超声成像的原理与应用

摘 要：由于传统的B型超声成像系统仅能提供人体断面的二维图像，临床医生是凭自己的经验在脑子里重构出人体的三维结构，这就在一定程度上影响了临床诊断的准确性与治疗的有效性，特别是对一些畸形的或病变的脏器，二维图像的诊断更显得欠缺。

关键词：三维超声； 成像原理

中图分类号：R445.1 献标识码：A 文章编号：1006-3315（2011）3-167-001

三维超声是将连续不同平面的二维图像进行计算机处理，得到一个重建的有立体感的图形。而最新发展的真正的实时三维超声，数据采集和显示的速率与标准的二维超声系统相接近，即每秒15～30帧，被称作高速容积显像。技术的进步又推动了临床应用的发展，传统的二维成像就显得不能满足要求了。

一、与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有如下优势

1.图像显示直观

采集了人体结构的三维数据后，医生可通过人——机交互方式实现图像的放大、旋转及剖切，从不同角度观察脏器的切面或整体。这将极大地帮助医生全面了解病情，提高疾病诊断的准确性。

2.精确测量结构参数

心室容积、心内膜面积等是心血管疾病诊断的重要依据。在获得了脏器的三维结构信息后，这些参数的精确测量就有了可靠的依据。

3.准确定位病变组织

三维超声成像可以向医生提供肿瘤(尤其是腹部肝、肾等器官)在体内的空间位置及其三维形态，从而为进行体外超声治疗和超声导向介入性治疗手术提供依据。这将有利于避免在治疗中损伤正常组织。

4.缩短数据采集时间

成功的三维超声成像系统在很短时间里就可采集到足够的数据，并存入计算机。医生可以通过计算机存储的图像进行诊断，而不必要在病人身上反复用二维探头扫查。甚至在病人离开医院后，医生们还可以在一起从不同的角度观察病变的组织和脏器。

二、二维图像的采集和三维图像的重建

进行操作时必须先采集二维图像，而后经数字化存储，再重建为三维图像，常用的方法有以下几种：

1.平行扫查法

扫描平面沿Z轴方向垂直移动，将采集的多幅二维图像数字化后予以存储，建立立方体形数据库，观察三维图像。平移式采集的数据是一组等间隔的相互平行的二维图像。基于这样的数据，重构三维图像是比较容易的。由于此法要求有较大的声窗，图像易于失真，目前已基本废弃。

2.扇形扫查法

扇形扫查是将探头固定放在病人的皮肤表面，然后让探头绕一条与探头平行的轴摆动。结果是得到了一系列等角度(类似扇形的)分布的二维图像。将采集的二维图像做数字存储，建立金字塔形数据库，而后插补三维像素。这类系统的优势是容易手持操作，扫描的视野比较大。而且，因为探头摆动的有关参数是事先设计好的，因此三维图像重构的速度也比较快。缺点是随着探查深度的变化，空间分辨率变差。而且，三维数据在各个方向上分辨率的不一致性也给图像重构带来麻烦。

3.旋转扫描法

旋转式的扫描装置是让探头围绕与探头垂直的轴旋转180度，从而在一锥形扫描区内获得一系列轴心不变、夹角均为2度，共90个方位（或夹角为3度，60个方位）的二维切面。最后得到类似圆锥型的三维数据。这类系统同样存在空间分辨率不均匀的问题。此外，为了实现准确的三维重构，在数据采集过程中必需保持旋转轴是不动的，否则会直接影响三维重建的精度。

4.自由臂扫描法

自由臂装置又称电磁位置感受器。电磁式位置传感器由发射器、接收器及相应的电子装置构成。发射器产生空间变化的电磁场，接收器内有3个正交的线圈用于感受所在位置的电磁场的强度。只要将接收器固定在超声探头上，就可以实现对探头位置和方向的跟踪。电磁式定位系统的缺点是对噪声和误差比较敏感。

5.实时动态三维成像法

利用二维阵列换能器，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，后者再沿Z轴方向扇形移动进行立体仰角转向，形成金字塔形数据库。更理想的方法应该是保持超声探头完全不动，直接获得三维体积的数据，扫描速度可提高60倍。

三、三维图像的显示

1.表面成像模式

采用此方法能够建立组织结构的表面立体图像。例如去除羊水内的低回声，突出胎儿表面高回声，滤过时还可以突出胎儿骨骼结构，显示出高回声结构的立体图像；应用图像自动回放的旋转功能，可以从不同角度观察立体图像；另外还可以调节图像的明亮度和对比度，使图像立体感更强。

2.透明成像模式

将实质性的组织结构的所有三维回声数据投射到一个平面上，选择性地显示出高回声或低回声结构的特征。采用这种模式，要求感兴趣结构的回声特征较周围组织回声高或低，例如骨骼、血管或囊性结构。

3.彩色模式

在扫查中采用多普勒方式，可以进行血管内彩色血流三维重建。三维多普勒能量图不但能够观察组织结构内的血流情况，还可以提供一定容积内血细胞量的间接资料，三维血管成像方法能够跟踪血管走向，区分重叠血管。

三维成像的基本步骤：

1.确定成像范围：在所扫查的三维容积资料中选定出感兴趣区域(即容积箱)，容积箱外的结构将不会被成像。

2.选择成像模式：根据感兴趣区域的回声特征合理选择成像模式，以能够突出病灶特征为原则。

3.图像的滤过处理：表面成像时利用滤过功能对周围低回声结构进行适当的抑制，以突出表面结构特征。

4.旋转三维图像：进行图像定位，使立体图像处于最佳显示角度，从而得出最佳三维图像。

5.立体电影回放：采用电影回放的功能，可以从不同角度动态地观察图像，立体感更强。

6.电子刀的选择：利用电子刀的功能，能够去除与感兴趣结构表面无关的立体回声结构，以及不规则的周边，使图像从任何角度上看都更为清晰、重点突出。

上述基于象素的三维重构方法保存了三维数据采集中获得的全部原始资料，医生可以根据需要观察任意切面上的图像。而且，在进行适当的图像分割后，可以获得脏器的边界，并进行体积测量。动态三维超声心动图像能够让医生观察到心脏跳动过程中的心脏空间位置、解剖结构、血液循环情况等等。这将使医生能够更方便地诊断先天性室间隔缺损、房室瓣关闭不全等疾病。

参考文献：

［1］钱蕴秋主编．超声诊断学，第四军医大学出版社

［2］周永昌，郭万学主编.超声医学，科学技术文献出版社