静态结构三维超声成像方法学进展
静态结构三维超声成像方法学进展
周玉清 张青萍
关键词：静态结构；三维超声像；方法学
自70年代后期人们已开始研究三维超声成像技术[1]。早期试用于胎儿重量的估计、颈动脉及其粥样斑块的显示和心室容积的测量等[2-5]。从80年代后期开始，由于计算机技术的发展，三维超声成像有了较大进步，并逐步进入临床应用阶段[6，7]。本文对静态结构三维超声成像方法学研究进展作一综述。
三维超声成像早期曾采用立体几何构成法或表面轮廓提取法，但均有其局限性。体元模型法(voxel模型)是目前最具临床使用价值的新技术，它可对结构的所有组织及血流信息进行重建。
三维超声成像的基本步骤包括：图像的采集，图像的后处理，三维图像的重建，三维图像的显示和定量测定。
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图像的采集
图像的采集是三维超声成像的第一步，也是最关键的一步。其扫查采样方式有以下数种。
1. 机械驱动扫查：将探头固定于一机械臂装置上，由计算机控制电动步进马达，带动探头作某种拟定形式的运动，常见形式有三种：平行扫查、扇形扫查和旋转扫查。在机械驱动扫查中，探头具有预先设定的逻辑运动轨迹，计算机容易对所获得的每帧二维图像进行空间定位，数据处理及三维成像速度快，图像重建准确可靠。然而采样过程繁琐复杂，机械驱动支架体积大且沉重，与各类探头不易配接，扫查时有机械噪声，扫查方式固定，取样部位不易确定，扫查范围和时间受限，难以在临床工作中普及。
2.自由扫查(free-handscanning)[8]：①声学定位扫查：在探头上安装一个声发射装置，在病床上方安装若干声接受装置(如麦克风)，通过测量声传播过程中不同的时间延迟就可推算出探头的空间位置。此类装置使采样操作基本不受限制，但其空间定位精确性有限。②磁场空间定位自由扫查：该技术主要依靠一套磁场空间定位系统，由电磁场发生器、空间位置感测器(或接受器)和微处理器组成。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六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。使用自由扫查技术时，可在任何方向移动探头，可根据需要设置扫查时间和调整扫查范围，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，采样操作方便，成为近年三维超声成像研究的关注热点。
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3.一体化三维探头：三维容积探头是将一个二维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的部位，系统就能自动采集三维数据。亦有制造商开发出三维电子相控阵探头及相应的电子学系统。这两种方法使用方便，不用移动探头即可获得三维数据，并能即刻或实时显像，将会促进三维超声在临床实践中的普及。
采集图像有两大类：(1)组织灰阶图像信息用于组织结构的三维重建；(2)血流的彩色多普勒显像或多普勒能量图信息用于血管结构及血流的三维重建[9]。
图像后处理
计算机对按照某一规律采集的一系列分立的二维图像进行空间定位及数字化处理，并对相邻切面之间的空隙进行象素插补平滑，形成一个三维立体数据库(datavolume)。
三维重建
, 百拇医药 利用连续平行切割或任意斜向切割等方式可对三维立体数据库进行任意方位切割和观察，并可选择一个参考切面，对感兴趣结构进行三维重建和显示。二维超声成像无法显示人体结构的冠状面，而三维超声成像可显示冠状面(C平面)上的切面及立体形态。
1. 表面成像：表面成像已经较广泛地用于含液性结构及被液体环绕结构的三维成像[6，7]，由于组织结构与液体灰阶反差较大，因此三维表面成像较清晰。可显示感兴趣结构的立体形态、表面特征、空间位置关系，单独提取和显示感兴趣结构，精确测量容积或体积。
2.透明成像：实质性脏器的内部结构为实质性均质性回声，三维成像时脏器的内部结构无法显示，而透明成像法可解决这一难题。透明成像有几种模式：最大回声模式显示三维数据库内沿每条声束上的最强回声之结构。最小回声模式显示三维数据库内沿每条声束上的最低回声之结构。X线模式显示三维数据库内沿每条声束上的灰阶平均值，重建类似于X线检查的图像。
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实质性脏器内部结构三维透明成像可有以下临床用途：①显示脏器内血管结构病变的立体形态。②显示脏器内组织结构或病变与血管结构的空间位置关系。以肝脏为例，利用最强回声透明成像模式可显示强回声占位病变(如肝血管瘤)的立体形态及其与周围血管结构的空间位置关系。利用最低回声透明成像模式可显示肝静脉、门静脉等无回声管道结构的立体形态，可显示无回声占位病变(如囊肿)或低回声占位病变(如肝癌)的立体形态及其与周围血管结构的空间位置关系。实质性脏器内部结构三维透明成像有助于疾病的定位及定量诊断，对选择手术方式或模拟手术径路有一定的指导意义。如病灶与周围组织结构间的反差小或呈等回声，在三维成像时病灶与周围组织结构在灰阶图像上较难区别，透明成像效果不理想，此时则须通过对三维数据库内一系列连续二维图像中的病灶进行手动勾画标定边界并伪彩标记予以显示。
3.多普勒血流信息的三维成像：借助于多普勒血流成像或能量图重建脏器血管的立体结构，可评价脏器血供状况。如从整体上评价移植肾的血流灌注，诊断早期排斥反应。对诊断实质性脏器的局部梗塞亦应有其实用价值。亦可借助于多普勒血流成像或能量图重建肿瘤滋养血管的立体结构，判断肿瘤的大体形态和位置。
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三维图像的显示
早期采用轮廓显示，包括网格型成像法和薄壳型成像法。从体元模型三维重建技术出现后即开始采用总体显示法，显示组织结构的所有灰阶信息。
在三维重建过程中，可从任意角度和方向对重建组织结构进行观察。而且，可在设置的任意角度范围内使三维图像作动态显示，这一功能使组织结构的空间位置关系显示得更为清楚。
三维定量测量
二维超声成像测量某结构的体积时，须假设该结构的立体形态接近某规则的几何模型，然后利用某数学公式进行计算。然而人体内结构的立体形态通常复杂且不规则。三维超声成像测量体积时无须对所扫查结构的立体形态进行假设[11]。
结语
三维超声成像在保留二维超声成像所有信息的同时，提供形象直观的三维立体图像，有助于疾病的定性、定位及定量诊断。而且，多种三维超声成像新技术的相互结合，以及三维超声成像技术与其他超声成像技术的结合可能开辟许多新的研究领域。随着三维超声成像技术的进一步改进以及临床应用研究的不断深入，三维超声成像必将成为超声诊断学的一个重要组成部分，在临床上发挥重要作用。
作者单位：430030 武汉，同济医科大学附属同济医院超声科
参考文献(略)
(收稿 1997-08-25 修回 1998-08-01), 百拇医药
周玉清 张青萍
关键词：静态结构；三维超声像；方法学
自70年代后期人们已开始研究三维超声成像技术[1]。早期试用于胎儿重量的估计、颈动脉及其粥样斑块的显示和心室容积的测量等[2-5]。从80年代后期开始，由于计算机技术的发展，三维超声成像有了较大进步，并逐步进入临床应用阶段[6，7]。本文对静态结构三维超声成像方法学研究进展作一综述。
三维超声成像早期曾采用立体几何构成法或表面轮廓提取法，但均有其局限性。体元模型法(voxel模型)是目前最具临床使用价值的新技术，它可对结构的所有组织及血流信息进行重建。
三维超声成像的基本步骤包括：图像的采集，图像的后处理，三维图像的重建，三维图像的显示和定量测定。
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图像的采集
图像的采集是三维超声成像的第一步，也是最关键的一步。其扫查采样方式有以下数种。
1. 机械驱动扫查：将探头固定于一机械臂装置上，由计算机控制电动步进马达，带动探头作某种拟定形式的运动，常见形式有三种：平行扫查、扇形扫查和旋转扫查。在机械驱动扫查中，探头具有预先设定的逻辑运动轨迹，计算机容易对所获得的每帧二维图像进行空间定位，数据处理及三维成像速度快，图像重建准确可靠。然而采样过程繁琐复杂，机械驱动支架体积大且沉重，与各类探头不易配接，扫查时有机械噪声，扫查方式固定，取样部位不易确定，扫查范围和时间受限，难以在临床工作中普及。
2.自由扫查(free-handscanning)[8]：①声学定位扫查：在探头上安装一个声发射装置，在病床上方安装若干声接受装置(如麦克风)，通过测量声传播过程中不同的时间延迟就可推算出探头的空间位置。此类装置使采样操作基本不受限制，但其空间定位精确性有限。②磁场空间定位自由扫查：该技术主要依靠一套磁场空间定位系统，由电磁场发生器、空间位置感测器(或接受器)和微处理器组成。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六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。使用自由扫查技术时，可在任何方向移动探头，可根据需要设置扫查时间和调整扫查范围，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，采样操作方便，成为近年三维超声成像研究的关注热点。
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3.一体化三维探头：三维容积探头是将一个二维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的部位，系统就能自动采集三维数据。亦有制造商开发出三维电子相控阵探头及相应的电子学系统。这两种方法使用方便，不用移动探头即可获得三维数据，并能即刻或实时显像，将会促进三维超声在临床实践中的普及。
采集图像有两大类：(1)组织灰阶图像信息用于组织结构的三维重建；(2)血流的彩色多普勒显像或多普勒能量图信息用于血管结构及血流的三维重建[9]。
图像后处理
计算机对按照某一规律采集的一系列分立的二维图像进行空间定位及数字化处理，并对相邻切面之间的空隙进行象素插补平滑，形成一个三维立体数据库(datavolume)。
三维重建
, 百拇医药 利用连续平行切割或任意斜向切割等方式可对三维立体数据库进行任意方位切割和观察，并可选择一个参考切面，对感兴趣结构进行三维重建和显示。二维超声成像无法显示人体结构的冠状面，而三维超声成像可显示冠状面(C平面)上的切面及立体形态。
1. 表面成像：表面成像已经较广泛地用于含液性结构及被液体环绕结构的三维成像[6，7]，由于组织结构与液体灰阶反差较大，因此三维表面成像较清晰。可显示感兴趣结构的立体形态、表面特征、空间位置关系，单独提取和显示感兴趣结构，精确测量容积或体积。
2.透明成像：实质性脏器的内部结构为实质性均质性回声，三维成像时脏器的内部结构无法显示，而透明成像法可解决这一难题。透明成像有几种模式：最大回声模式显示三维数据库内沿每条声束上的最强回声之结构。最小回声模式显示三维数据库内沿每条声束上的最低回声之结构。X线模式显示三维数据库内沿每条声束上的灰阶平均值，重建类似于X线检查的图像。
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实质性脏器内部结构三维透明成像可有以下临床用途：①显示脏器内血管结构病变的立体形态。②显示脏器内组织结构或病变与血管结构的空间位置关系。以肝脏为例，利用最强回声透明成像模式可显示强回声占位病变(如肝血管瘤)的立体形态及其与周围血管结构的空间位置关系。利用最低回声透明成像模式可显示肝静脉、门静脉等无回声管道结构的立体形态，可显示无回声占位病变(如囊肿)或低回声占位病变(如肝癌)的立体形态及其与周围血管结构的空间位置关系。实质性脏器内部结构三维透明成像有助于疾病的定位及定量诊断，对选择手术方式或模拟手术径路有一定的指导意义。如病灶与周围组织结构间的反差小或呈等回声，在三维成像时病灶与周围组织结构在灰阶图像上较难区别，透明成像效果不理想，此时则须通过对三维数据库内一系列连续二维图像中的病灶进行手动勾画标定边界并伪彩标记予以显示。
3.多普勒血流信息的三维成像：借助于多普勒血流成像或能量图重建脏器血管的立体结构，可评价脏器血供状况。如从整体上评价移植肾的血流灌注，诊断早期排斥反应。对诊断实质性脏器的局部梗塞亦应有其实用价值。亦可借助于多普勒血流成像或能量图重建肿瘤滋养血管的立体结构，判断肿瘤的大体形态和位置。
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三维图像的显示
早期采用轮廓显示，包括网格型成像法和薄壳型成像法。从体元模型三维重建技术出现后即开始采用总体显示法，显示组织结构的所有灰阶信息。
在三维重建过程中，可从任意角度和方向对重建组织结构进行观察。而且，可在设置的任意角度范围内使三维图像作动态显示，这一功能使组织结构的空间位置关系显示得更为清楚。
三维定量测量
二维超声成像测量某结构的体积时，须假设该结构的立体形态接近某规则的几何模型，然后利用某数学公式进行计算。然而人体内结构的立体形态通常复杂且不规则。三维超声成像测量体积时无须对所扫查结构的立体形态进行假设[11]。
结语
三维超声成像在保留二维超声成像所有信息的同时，提供形象直观的三维立体图像，有助于疾病的定性、定位及定量诊断。而且，多种三维超声成像新技术的相互结合，以及三维超声成像技术与其他超声成像技术的结合可能开辟许多新的研究领域。随着三维超声成像技术的进一步改进以及临床应用研究的不断深入，三维超声成像必将成为超声诊断学的一个重要组成部分，在临床上发挥重要作用。
作者单位：430030 武汉，同济医科大学附属同济医院超声科
参考文献(略)
(收稿 1997-08-25 修回 1998-08-01), 百拇医药