超声心动图动态三维重建的图像采集方法
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中国超声医学杂志
超声心动图动态三维重建的图像采集方法
王春云 李 涛
关键词：超声心动图 三维心脏
常规的二维超声心动图图像可以实时地观察心脏内部的正常和病理结构，成为一种极为有效的无创临床诊断方法，特别是对先天性心脏病、瓣膜病、心肌心包病、心内占位性病变等疾病的诊断与治疗。具有简便、快速和准确等特点并越来越成为临床医师依赖的工具。但是,二维超声只能提供立体心脏的平面图像。这就要求超声诊断医师必须非常熟悉心脏的正常解剖、病理解剖，并具备相当强的空间思维立体构图能力，从而使每一幅来自心脏不同角度的图像组合成一个脑力的三维心脏。
三维超声心动图是超声诊断学的发展趋势。进行三维超声的全心重建，客观地观察心脏正常解剖和病理解剖不但可以更好地理解心脏疾病特点的空间关系，而且可以准确地测量心脏结构和功能，作出定量分析。从七十年代起，人们不断地进行三维重建的探索和研究〔1～3〕，直到近年来才从轮廓三维进入了灰阶三维阶段，从而摆脱了单纯描述结构边界，提供心室容积定量和部分结构信息的简单三维〔4〕，逐步成功地接近理想三维。被利用的信息越来越多，混入的人工伪象越来越少。
, 百拇医药
目前，普遍采用采集二维超声图像后脱机处理进行三维重建的方法。随着计算机技术的发展，图像处理和显示方法已经相当成熟。所以，如何采集二维图像就成了最大的技术攻关前提。由于心脏的搏动和呼吸运动，心脏处于一个连续的运动和位置变化状态。如果采图过程不可能在足够短的时间内一次完成，那么就不可避免地要出现一个连续误差。所以，准确地采集二维图像必须控制好时间和空间的定位。
1、时间的控制
心跳和呼吸是周期性的。假设人体在静息平卧状态下的某一段时间内生理指数相对恒定，心率、呼吸频率和潮气幅度稳定。那么，心脏空间位置运动的变化就呈稳定的节律性。同一时相的心脏可以看作是相对固定的。
目前，三维重建采图装置系统普遍采用计算机控制的心电图和呼吸触发装置〔5〕，收集落在指定周期长度和指定呼吸时相内的二维图像，从而确保图像的时间控制，同时避免了因心脏运动产生人工伪象。方法是在心前区连接心电图电极和胸壁感受器用以触发心动及呼吸周期。观察1～2分钟，测得受试者的RR间期平均值。以平均值±40msec作为心动周期的触发间隔。胸壁感受器通过测量胸壁的声阻抗判断呼气末。当图像落在RR间期范围限度的规定值和呼吸末时，被捕获并贮存。
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2、空间的控制
对于一个完整的心脏，重建三维图像所需的二维图像必须是相对连续的。目前的扫描方式有数种，归结起来，大多采用沿着或围绕长轴的连续扫描。
平行切面法：在探头上或探头内安装马达，计算机根据预先设置向马达发出指令，驱动探头以相同的间隔(一般是1mm或0.5mm)作直线运动。沿心脏长轴将心脏切成连续的宽度相等的平行切面。每一切面根据时间控制条件采集图像送计算机贮存〔6，7〕。
旋转扫描法：用带有圆形齿轮的马达驱动探头，使之可按精确的角度旋转。计算机控制心动呼吸触发与之配合。每一角度采图完毕时，发出指令驱动探头旋转进入下一角度，直到完成180°。将心脏切成类似桔子瓣形状的图像〔8，9〕。
在一定范围内的扇形扫描法：在探头末梢固定一个精密的显微操纵器，可使图像在中立位置±30°的范围内扫描。在探头的手柄上配置一个测量图像平面角度的旋转传感器控制微型操纵器。以一定的角度间隔作连续扫描，从而得到一组金字塔形图像〔10〕。
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血管内重建的回抽探头平行切面扫描：类似于经食管平行切面扫描，沿血管长轴每隔0.3mm采集二维图像送计算机〔11，12〕。
3、扫描途径
扫描途径是决定临床应用潜力的重要条件之一。已有的方法包括经食管、经胸和剑突下。每种方法都各有利弊，尚未形成统一。
从文献中看，目前应用和研究最多的是经食管。毫无疑问，经食管可以没有顾虑地使用高频探头，提供十分清晰的二维图像，并且不受声窗限制，能方便地取得心脏每一部分的图像。无论是做平行切面扫描、旋转扫描或是沿一定的弧度扫描都可以灵活地使探头作较理想的机械运动。容易成功地重建出清晰的三维图像，但对于临床应用，经食管的方法限制了重症的、年老的以及儿童患者，很难成为常规手段。
由于经食管超声的应用范围受到限制，因此，经胸便成为常规采用的方法。最初的三维重建均是经胸途径，各种精巧的机械设计被用在固定的驱动探头上，逐步接受计算机指令的控制。这不仅可以方便地应用在各种患者身上，而且避免了经食管给患者带来的不适和甚至轻微的损伤。虽然由于探头近场显示不清、使用探头频率的限制以及呼吸时胸壁的运动等原因，图像质量总是受到干扰，但最近的研究中，有人成功地使用了经胸成像方法重建了正常青少年、正常成人和成年患者的左室并取得了精确的定量资料〔13、14〕。
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以上多种方法均成功地提供了超声心动图的三维数据，并经脱机后图像处理再现。
4、实时三维超声心动图
一维图像的产生是在一条直线上作单一发射及接受所获得的信息，只能得到很少的空间数据；二维图像的获得归功于线阵探头的成功应用(超声波发射的方向与晶片交替的方向构成平面)。根据类似的原理，有人成功地研制了矩阵扫描探头(Duke探头)〔15〕，将许多压电晶片组装成矩形方阵，通过多条接收线集合在一起为每一个单个发射作连续接收。这样，任何一个连续发射都能得到更多的数据。在平行的连续发射和连续接收中得到与发射方向垂直的平面，连续平面被叠加后后就形成金字塔样的容积结构。这种扫描方式被称为C一型扫描。它大胆地设想了通过探头改进在联机状态下实时地获取心脏立体数据，构思十分巧妙。但是，无论是在方法还是在工艺上都需要进一步改进。试验发现，由于探头上的晶片太小，信号的干扰太大，完成的三维图像类似模糊的二维图像并且歪曲物体的本来面目。
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五、未来的发展方向
无论联机方法如何不成熟，脱机方法的花样如何繁多，三维图像肯定是超声心动图的未来，并且一定是联机的、实时的、灰阶的。理想的扫描方式所得到的数据在处理时的算法应该是最简单最准确的；扫描途径应该是最实用的、无创的；采图时间是瞬间的、连续的。严格控制了干扰因素的实时三维才是真正的理想三维。上述方法的建立已经使得三维时代越来越近。
作者单位：266000 山东省莱西市人民医院
参考文献
[1]Dekker DL,Piziali R et al.A system for ultrasonically imaging the human heart in three dimensions.Compt.Biomed Res,1974,7:544～553
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[2]Nikravesh PE,SKorton DJ,et al.Computerized three-dimensional finte element reconstruction of the left ventricle from cross-sectional echocardiograms.Ultrasonic imaging,1984,6:48～59
[3]Martin RW,Bashein G.Measurement of stroke volume with three-dimensional transesophageal ultrasonic scanning:Comparison with thermodilution measurement.Anesthesiology,1989,70:470～476
[4]Azevedo J,Chapmen J,Angelsen B,et al.Three-dimensional reconstruction of the left ventricular cavity from transthoracic and multiplane transesophageal echocardiograms within minutes after echo examination.Circulation，1992
, 百拇医药
[5]Pandian NG,Nanda NC,Schwartz SL,et al.Three-dimensional and four-dimensional transesophageal echocardiographic imaging of the heart and aorta in humans using a computed tomographic imaging probe.Echocardiography,1992,9:677～687
[6]Fulton DR,Marx GR,Pandian NG,et al.Dynamic three-dimensional echocardiographic imaging of congential heart defects in infants and children by computer-controlled tomographic parallel slicing using a single integrated ultrasound instrument.Echocardiography,1994,11:155～163
, 百拇医药
[7]Schwartz SL,Cao QL,Azevedo J,et al.Simulation of intraoperative visualization of cardiac structures and study of dynamic surgical anatomy with real-time three-dimensional echocardiography.Am J Cardio,1994,73:501～507
[8]Roslandt J,ten Cate FJ,Bruining N,et al.Transesophageal rotoplane echo-CT:A novel approach to dynamic three-dimensional echocardiography.The Thorax J,1993,94(6):4～8
[9]Roelandt J,ten Cate FJ,Vlette WB,et al.Ultrasonic dynamic three-dimensional visualization of the heart with a multiplane transesophageal imaging transdure.Journal of the American society of echocardiography.1994,7:217～229
, 百拇医药
[10]Martin RW,Bashein G.Zimmer R,Sutheland J.An endoscopic micromanipulator for transeophageal imaging.Ultrasound Med Biol,1986,12:965～975
[11]Chandrasekaran K.,Sehgal S.,Hsn TL,et al.Three-dimensional intravascular ultrasound imaging of arterial athesosclerosis and its complications.J Am Coll Cardiol,1991,17:233A
[12]Evans JL,Kok-Hwee Ng.Spatially correct 3-D Reconstruction of intravascular ultrasound data.Circulation,1991,84:Ⅱ-685
, 百拇医药
[13]Mele D,Nahle J,Pratola C,et al.Application in patients of a new simplified system for 3DE reconstruction of the left ventricle.J Am Socie of echocardio,1995,8:343
[14]Lee MY,Jiang L.Gilon D,et al.Quantiative transthracic three-dimensional voxel imaging of the left ventricle in normal children and adolescents.J Am Soc Echo,1995,8:343
[15]Sheckh KH,Smith SW,et al.Real time,three-dimensional echocardiography:Feasibility and initial use.Echocardiography.1991,8:119～125
(1998-10-26收稿), 百拇医药
王春云 李 涛
关键词：超声心动图 三维心脏
常规的二维超声心动图图像可以实时地观察心脏内部的正常和病理结构，成为一种极为有效的无创临床诊断方法，特别是对先天性心脏病、瓣膜病、心肌心包病、心内占位性病变等疾病的诊断与治疗。具有简便、快速和准确等特点并越来越成为临床医师依赖的工具。但是,二维超声只能提供立体心脏的平面图像。这就要求超声诊断医师必须非常熟悉心脏的正常解剖、病理解剖，并具备相当强的空间思维立体构图能力，从而使每一幅来自心脏不同角度的图像组合成一个脑力的三维心脏。
三维超声心动图是超声诊断学的发展趋势。进行三维超声的全心重建，客观地观察心脏正常解剖和病理解剖不但可以更好地理解心脏疾病特点的空间关系，而且可以准确地测量心脏结构和功能，作出定量分析。从七十年代起，人们不断地进行三维重建的探索和研究〔1～3〕，直到近年来才从轮廓三维进入了灰阶三维阶段，从而摆脱了单纯描述结构边界，提供心室容积定量和部分结构信息的简单三维〔4〕，逐步成功地接近理想三维。被利用的信息越来越多，混入的人工伪象越来越少。
, 百拇医药
目前，普遍采用采集二维超声图像后脱机处理进行三维重建的方法。随着计算机技术的发展，图像处理和显示方法已经相当成熟。所以，如何采集二维图像就成了最大的技术攻关前提。由于心脏的搏动和呼吸运动，心脏处于一个连续的运动和位置变化状态。如果采图过程不可能在足够短的时间内一次完成，那么就不可避免地要出现一个连续误差。所以，准确地采集二维图像必须控制好时间和空间的定位。
1、时间的控制
心跳和呼吸是周期性的。假设人体在静息平卧状态下的某一段时间内生理指数相对恒定，心率、呼吸频率和潮气幅度稳定。那么，心脏空间位置运动的变化就呈稳定的节律性。同一时相的心脏可以看作是相对固定的。
目前，三维重建采图装置系统普遍采用计算机控制的心电图和呼吸触发装置〔5〕，收集落在指定周期长度和指定呼吸时相内的二维图像，从而确保图像的时间控制，同时避免了因心脏运动产生人工伪象。方法是在心前区连接心电图电极和胸壁感受器用以触发心动及呼吸周期。观察1～2分钟，测得受试者的RR间期平均值。以平均值±40msec作为心动周期的触发间隔。胸壁感受器通过测量胸壁的声阻抗判断呼气末。当图像落在RR间期范围限度的规定值和呼吸末时，被捕获并贮存。
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2、空间的控制
对于一个完整的心脏，重建三维图像所需的二维图像必须是相对连续的。目前的扫描方式有数种，归结起来，大多采用沿着或围绕长轴的连续扫描。
平行切面法：在探头上或探头内安装马达，计算机根据预先设置向马达发出指令，驱动探头以相同的间隔(一般是1mm或0.5mm)作直线运动。沿心脏长轴将心脏切成连续的宽度相等的平行切面。每一切面根据时间控制条件采集图像送计算机贮存〔6，7〕。
旋转扫描法：用带有圆形齿轮的马达驱动探头，使之可按精确的角度旋转。计算机控制心动呼吸触发与之配合。每一角度采图完毕时，发出指令驱动探头旋转进入下一角度，直到完成180°。将心脏切成类似桔子瓣形状的图像〔8，9〕。
在一定范围内的扇形扫描法：在探头末梢固定一个精密的显微操纵器，可使图像在中立位置±30°的范围内扫描。在探头的手柄上配置一个测量图像平面角度的旋转传感器控制微型操纵器。以一定的角度间隔作连续扫描，从而得到一组金字塔形图像〔10〕。
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血管内重建的回抽探头平行切面扫描：类似于经食管平行切面扫描，沿血管长轴每隔0.3mm采集二维图像送计算机〔11，12〕。
3、扫描途径
扫描途径是决定临床应用潜力的重要条件之一。已有的方法包括经食管、经胸和剑突下。每种方法都各有利弊，尚未形成统一。
从文献中看，目前应用和研究最多的是经食管。毫无疑问，经食管可以没有顾虑地使用高频探头，提供十分清晰的二维图像，并且不受声窗限制，能方便地取得心脏每一部分的图像。无论是做平行切面扫描、旋转扫描或是沿一定的弧度扫描都可以灵活地使探头作较理想的机械运动。容易成功地重建出清晰的三维图像，但对于临床应用，经食管的方法限制了重症的、年老的以及儿童患者，很难成为常规手段。
由于经食管超声的应用范围受到限制，因此，经胸便成为常规采用的方法。最初的三维重建均是经胸途径，各种精巧的机械设计被用在固定的驱动探头上，逐步接受计算机指令的控制。这不仅可以方便地应用在各种患者身上，而且避免了经食管给患者带来的不适和甚至轻微的损伤。虽然由于探头近场显示不清、使用探头频率的限制以及呼吸时胸壁的运动等原因，图像质量总是受到干扰，但最近的研究中，有人成功地使用了经胸成像方法重建了正常青少年、正常成人和成年患者的左室并取得了精确的定量资料〔13、14〕。
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以上多种方法均成功地提供了超声心动图的三维数据，并经脱机后图像处理再现。
4、实时三维超声心动图
一维图像的产生是在一条直线上作单一发射及接受所获得的信息，只能得到很少的空间数据；二维图像的获得归功于线阵探头的成功应用(超声波发射的方向与晶片交替的方向构成平面)。根据类似的原理，有人成功地研制了矩阵扫描探头(Duke探头)〔15〕，将许多压电晶片组装成矩形方阵，通过多条接收线集合在一起为每一个单个发射作连续接收。这样，任何一个连续发射都能得到更多的数据。在平行的连续发射和连续接收中得到与发射方向垂直的平面，连续平面被叠加后后就形成金字塔样的容积结构。这种扫描方式被称为C一型扫描。它大胆地设想了通过探头改进在联机状态下实时地获取心脏立体数据，构思十分巧妙。但是，无论是在方法还是在工艺上都需要进一步改进。试验发现，由于探头上的晶片太小，信号的干扰太大，完成的三维图像类似模糊的二维图像并且歪曲物体的本来面目。
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五、未来的发展方向
无论联机方法如何不成熟，脱机方法的花样如何繁多，三维图像肯定是超声心动图的未来，并且一定是联机的、实时的、灰阶的。理想的扫描方式所得到的数据在处理时的算法应该是最简单最准确的；扫描途径应该是最实用的、无创的；采图时间是瞬间的、连续的。严格控制了干扰因素的实时三维才是真正的理想三维。上述方法的建立已经使得三维时代越来越近。
作者单位：266000 山东省莱西市人民医院
参考文献
[1]Dekker DL,Piziali R et al.A system for ultrasonically imaging the human heart in three dimensions.Compt.Biomed Res,1974,7:544～553
, http://www.100md.com
[2]Nikravesh PE,SKorton DJ,et al.Computerized three-dimensional finte element reconstruction of the left ventricle from cross-sectional echocardiograms.Ultrasonic imaging,1984,6:48～59
[3]Martin RW,Bashein G.Measurement of stroke volume with three-dimensional transesophageal ultrasonic scanning:Comparison with thermodilution measurement.Anesthesiology,1989,70:470～476
[4]Azevedo J,Chapmen J,Angelsen B,et al.Three-dimensional reconstruction of the left ventricular cavity from transthoracic and multiplane transesophageal echocardiograms within minutes after echo examination.Circulation，1992
, 百拇医药
[5]Pandian NG,Nanda NC,Schwartz SL,et al.Three-dimensional and four-dimensional transesophageal echocardiographic imaging of the heart and aorta in humans using a computed tomographic imaging probe.Echocardiography,1992,9:677～687
[6]Fulton DR,Marx GR,Pandian NG,et al.Dynamic three-dimensional echocardiographic imaging of congential heart defects in infants and children by computer-controlled tomographic parallel slicing using a single integrated ultrasound instrument.Echocardiography,1994,11:155～163
, 百拇医药
[7]Schwartz SL,Cao QL,Azevedo J,et al.Simulation of intraoperative visualization of cardiac structures and study of dynamic surgical anatomy with real-time three-dimensional echocardiography.Am J Cardio,1994,73:501～507
[8]Roslandt J,ten Cate FJ,Bruining N,et al.Transesophageal rotoplane echo-CT:A novel approach to dynamic three-dimensional echocardiography.The Thorax J,1993,94(6):4～8
[9]Roelandt J,ten Cate FJ,Vlette WB,et al.Ultrasonic dynamic three-dimensional visualization of the heart with a multiplane transesophageal imaging transdure.Journal of the American society of echocardiography.1994,7:217～229
, 百拇医药
[10]Martin RW,Bashein G.Zimmer R,Sutheland J.An endoscopic micromanipulator for transeophageal imaging.Ultrasound Med Biol,1986,12:965～975
[11]Chandrasekaran K.,Sehgal S.,Hsn TL,et al.Three-dimensional intravascular ultrasound imaging of arterial athesosclerosis and its complications.J Am Coll Cardiol,1991,17:233A
[12]Evans JL,Kok-Hwee Ng.Spatially correct 3-D Reconstruction of intravascular ultrasound data.Circulation,1991,84:Ⅱ-685
, 百拇医药
[13]Mele D,Nahle J,Pratola C,et al.Application in patients of a new simplified system for 3DE reconstruction of the left ventricle.J Am Socie of echocardio,1995,8:343
[14]Lee MY,Jiang L.Gilon D,et al.Quantiative transthracic three-dimensional voxel imaging of the left ventricle in normal children and adolescents.J Am Soc Echo,1995,8:343
[15]Sheckh KH,Smith SW,et al.Real time,three-dimensional echocardiography:Feasibility and initial use.Echocardiography.1991,8:119～125
(1998-10-26收稿), 百拇医药