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编号:10272535
不同取样方法的三维超声重建对比研究
http://www.100md.com 《中国超声医学杂志》 1999年第9期
     作者:丛淑珍 张青萍 王连生

    单位:丛淑珍 王连生 510000 广州市广东省人民医院超声科;张青萍 武汉市同济医科大学附属同济医院

    关键词:三维超声重建;不同取样法;实验研究

    中国超声医学杂志/990902

    摘 要 目的:探讨三维超声重建过程中不同取样方法对重建结果的影响。方法:采用扇型、平行、旋转及自由臂扫查方法对11个不同形状的模型进行三维超声重建研究,显示了不同模型的立体图像及内部结构,并与实物进行对比,观察了不同取样方法对重建结果的影响。结果:三维超声重建图像能直观逼真地显示不同模型的形态结构、空间位置关系,与实物基本一致;不同取样方法三维超声容积测定结果与实际值相近,各组间无明显差异;不同取样方法对图像的重建质量无影响。结论:自由臂扫查可任意方向任意部位扫查,给操作者提供了较大的灵活性。但对于小的模型取样时,应用平行、旋转和扇型扫查法更简便实用些,后处理时所需的计算机内存小,处理时间短。
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    A Comparison Study on 3-dimensional Reconstruction by Different Approaches

    Cong Shuzhen,Zhang Qingping,Wang Liansheng

    Dept.Ultrasonography,Guangdong Provincial Peoples Hospital Guangzhou 510000

    ABSTRACT Objective:To investigate the effect of the different acquisition methods on 3-dimensional reconstruction image.Methods:Four acquisition methods were used as follows:fan,parallel,rotation and free hand scanning.We observe the influence of different eleven models on 3D-reconstruction image.to affirm three-dimensional ultrasound (3DUS)may display the morphological and internal structure of the model.The images were compared with actual finds.Results:3DUS can actually demonstrate the morphological characteristics,the model space location.and basically consistent with the realities.The volumes measured by 3DUS are the same as practical number value.There is not obvious difference among the different groups.The quality of the 3D reconstruction was not influenced.Conclusion:Free-hand device scanning may scan randomly on the organ or lesion to provide flexible approaches.The fore mentioned three methods are well suitable for the smaller model.When the raw materials are processed by computer,they need relatively little space.The reconstruction time will be shortened.
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    KEY WORDS Three-dimensional ultrasound reconstruction Different acquiring approach Experimental study

    静态结构的二维超声能够清晰地观察脏器的大小、形态轮廓、内部结构,但仅局限于显示脏器的断面图像,对了解其立体方位仍有一定困难〔1~4〕。本文采用二维、三维超声成像技术对不同形状模型进行定性及定量研究,旨在进一步探讨不同取样方法在三维超声重建中的实用价值,现将结果报告如下:

    资料与方法

    研究对象 本组模型共11个,由充盈液体的气球制成单纯囊肿模型3个(其中形状不规则囊肿模型2个,规则囊肿模型1个);多房囊肿模型2个;内有规则乳头状突起囊肿模型3个;内有不规则乳头状突起囊肿模型3个。乳头由猪肝制成圆形及不规则形。
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    仪器 HDI 3000及Dianosic GatewayⅡ 彩色多普勒血流成像仪,凸阵探头,频率分别为中心频率4~2MHz,3.5MHz;线阵探头,频率7.5MHz,10MHz。TomTec公司 三维成像计算机工作站(Echo-Scan).

    采集方式 采用机械驱动扫查和自由臂扫查技术进行取样。前者又包括扇型、平行和旋转扫查方式。

    Echo-Scan 三维工作站通过导线与机械驱动扫查支架或自由扫查系统相连以控制探头的运动和搜索探头的空间位置信息。扫查时获得的二维图像信息通过超声仪的输出接口不断输入三维工作站。在机械驱动扫查中,探头具有规定的逻辑运动轨迹,计算机对扫查过程中所获得的每帧二维图像进行空间定位。

    扇型扫查(Fan scanning):按操作规程及连接顺序,将探头安装在由计算机控制的步进马达特殊装置内,由步进马达驱动探头进行扇型扫查。扫查角度为90°,扫查时间5~6秒。
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    平行扫查(Parallel scanning):将探头安装在滑动装置内,计算机控制步进马达按预定的速度驱动探头运动,获取平行的等距离的二维图像,扫查范围约6cm。

    旋转扫查(Rotational scanning):将探头固定在某一透声窗,探头围绕某一轴心为中心进行旋转获取图像的方法。使用环形相控阵探头,可在180°范围内旋转,顺序获取图像。获取的图像位置关系固定,三维重建图像效果较好。此法目前应用较为广泛,适用于心脏、前列腺、膀胱等,临床应用取得较为满意的效果。

    自由臂扫查(Free-hand scanning):主要依靠一套探头空间定位系统,由电磁场发生器、空间位置传感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整个X、Y、Z空间发射电磁场,其作用半径为一米,空间分辨率是0.1°。空间位置传感器被固定在探头上,操作者象常规超声检查一样,手持带有空间位置传感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的数字化图像被储存在计算机中。
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    检查方法及步骤 (1)图像的获取:将所观测充盈液体的模型放入去气泡水中,进行常规二维超声检查后,调整探头至清晰显示模型的最佳切面。根据所观察区域的范围大小,确定感兴趣区域;选择图像采集方式,保证探头在整个取样过程中均能获得清晰的二维图像;(2)图像的重建:由计算机系统将获取的二维图像数字化后存储并处理,按其空间顺序彼此连接、插补、平滑并进行适当的滤波,以减少伪影或噪音,建立起观测模型某一感兴趣区内的三维信息立体数据库;(3)三维超声测定模型容积:从总体数据库中选择感兴趣区域的图像,确定图像的显示模式,然后对模型图像分别选择不同轴切面进行容积测定。分析结果以二维或三维方式表达。分别计算出模型任意一个切面的面积及整个模型的容积。每一模型均从不同切面分别勾画测量三次,取其均值。实际容积测量用量杯或注射器来测定。

    统计学处理 计量资料以均数±标准差表示,两样本均数t检验处理。

    结果

    1、不同取样方法的重建次数及符合率
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    本文采用不同取样方法扫查不同形状的囊肿模型11个,建立44个立体数据库,重建图像120次,三维重建图像总体符合率95%,重建后的三维图像均能清楚地显示囊肿模型的边缘、边界及内部回声,与实物基本相符。不同取样法间三维重建符合率无明显差异(P>0.05),见表1。

    表1 不同取样方法的三维重建符合率对比 次 数

    扇型

    平行

    旋转

    自由臂

    总体

    重建次数

    满意次数

    符合率(%)
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    31

    30

    96

    26

    24

    92

    28

    28

    100

    35

    32

    91

    120

    114
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    95

    2、不同取样方法结果对比

    四种不同取样方法取样时间无明显差异,扇形、平行、旋转扫查法处理资料时间较短,三者间无明显差异(P>0.05);但三者与自由臂扫查处理所用时间相比差异明显(P<0.05),见表2。表2 三维超声不同取样方法所需时间对比(秒) 时 间

    扇型扫查

    平行扫查

    旋转扫查

    自由臂扫查

    取样时间

    处理时间

    5.4±0.45
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    159.7±12.4

    6.3±0.26

    166.5±10.2

    4.5±0.39

    160.4±14.3

    7.5±0.64

    359.2±22.6

    扇型、平行、旋转扫查取样法所需内存无明显差异;而自由臂取样法与前三者相比所需计算机内存较大。前三种取样方法与自由臂扫查相比,取样及处理资料所需内存间差异明显(P<0.05),见表3。表3 三维超声不同取样方法所需内存对比(MB) 内 存

    扇型扫查
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    平行扫查

    旋转扫查

    自由臂扫查

    取样所需内存

    处理后所需内存

    3.3±0.71

    3.1±0.66

    3.0±0.31

    2.8±0.42

    2.9±0.56

    2.6±0.39

    5.9±0.73
, 百拇医药
    4.8±0.69

    无论模型规则与否,应用不同取样法三维超声容积测定结果无明显差异(P>0.05),见表4。表4 不同取样法三维超声容积测量结果对比(ml) 模 型

    扇 型

    平 行

    旋 转

    自由壁

    实际容积

    规则型

    不规则型

    73.6±5.9

    97.4±12.4
, 百拇医药
    74.2±6.1

    96.6±15.8

    73.9±4.6

    95.5±11.9

    73.5±7.3

    96.9±16.5

    75

    98

    讨论

    二维与三维超声的区别 二维超声能够清晰地观察脏器的大小、形态轮廓、内部结构,但其仅能显示脏器的断面结构,对了解脏器的立体结构及空间关系仍有困难。本文结果表明:三维超声成像所建图像清晰,立体感强,能直观逼真地显示各种不同形状模型的形态结构、位置关系,与实物基本一致。三维超声在观察脏器时,除获得与二维超声相似的结构断面外,还能显示二维超声所无法看到的脏器整体观。三维超声成像可从任一角度对脏器进行模拟剖切观察,多方位判定脏器及病变的位置、大小、与相邻脏器的空间关系。
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    该技术不仅可以对含液性结构或病变,或被液体环绕的结构进行三维图像重建,而且可以采用透明成像技术显示实质性脏器内部结构的空间位置关系。利用血流的多普勒能量信息可以对实质性脏器(如肝、脾、肾、移植肾等)及其病变内的血管结构进行三维重建,从而为疾病的诊断及外科治疗提供更加丰富的组织信息,在一定程度上弥补了二维超声的不足〔1~6〕

    不同取样方法间的比较 三维超声取样方式有四种,腹部二维图像的采集常用扇形、旋转和自由臂扫查法。前二者探头分别在90°和180°范围内扫查,处理重建时间短,所需内存小;所获二维、三维图像均很满意,应用广泛,但对大的病变扫查不完全,连接装置较繁琐。自由臂扫查法可对任意部位进行任意方向扫查,可以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,重量轻,操作灵活方便。但后处理及重建时间较长,所需内存大,系统校正较费时。平行扫查适用表浅小器官如眼睛,此方法是探头仅在6cm范围内平行切割,不适合大的脏器或病变。
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    图像的采集及重建时的注意事宜 三维超声重建是建立在二维所获得影像学资料基础之上,二维取样的图像质量直接影响三维超声成像重建的效果。采集图像时,根据所要观察脏器的部位,感兴趣区的范围来选择图像采集的方式。为保证所取各帧图像具有良好的清晰度,在机械扫查取样的过程中探头应始终置于能清晰显示模型的部位,并保证90~180°范围内能扫查到完整图像。机械驱动扫查方式具有规定的逻辑移动轨迹、数据处理及成像速度快、图像重建准确可靠的优点。但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,取样部位不易确定以及扫查范围和时间受限。平行扫查时放置水囊的大小要适宜。自由臂扫查时探头移动间隔要均匀一致,平稳缓慢,避免不必要的复杂运动,可从模型的一侧向另一侧扫查或往返扫查,但必须在规定时间内完整取样。规定扫查时间适宜,过长或过短均影响取样效果。电磁场发生器尽量靠近探头和位置传感器。位置传感器要尽量靠近探头顶端的晶体所在部位。每隔一段时间要进行系统校正。图像重建时根据重建部位和观察结构,对重建时的阈值、透明度、旋转切面数、间隔角度、X、Y轴分辨率进行适当选择,并采用提取功能如重建感兴趣区、图像锐化、钝化、反转、镜向、低通、高通等许多颇具特点的局部图像处理方法,可获得较细腻的三维重建图像。总体显示时综合使用距离、阶差、纹理编码技术能增强图像立体感,逼真地显示脏器的自然结构,较单独采用任何一种编码技术效果好。
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    三维超声局限性 静态结构三维超声成像可以为多种疾病的临床诊断提供更加丰富的信息〔1~5〕。但三维超声重建时,需要脏器的周围有良好的透声区,才能使所观察的脏器或病变得以清晰显示。重建图像质量的优劣,取决于二维图像的质量〔4~6〕,采样过程繁琐复杂,如能缩短图像的处理和重建时间,提高图像分辨力,简化系统校正过程,加速数据处理速度,使取样方法更灵活、实用、简捷,相信三维超声将会为疾病的诊断和鉴别诊断提供更可靠的形态学依据。

    参考文献

    [1] 王连生,王新房,陈汉荣.三维超声成像评估膀胱肿瘤重量的实验研究.中华超声影像学杂志,1998,(7):180~183

    [2] 张青萍,周玉清,乐桂蓉,等.静态结构三维超声成像临床应用研究.中华超声影像学杂志,1998,7(1):3~6

, 百拇医药     [3] 王新房.静态三维和动态三维超声成像临床应用展望.中国超声医学杂志,1995,11(4):260~262

    [4] 王连生,王新房,李治安,等.三维超声成像在膀胱肿瘤检查中的应用.中华泌尿外科杂志,1997,18(7):394~397

    [5] Rankin RN,Fenster A,Downey D,et al:Three-dimensional sonographic reconstruction:Techniques and diagnostic applications.AJR,1993,161:695~699

    [6] Hamper UM,Transpanotto V,Sheth S,et al.Three-dimensional us:Preliminary clinical experience.Radiology,1994,191:397~400

    (1999-03-02收稿), http://www.100md.com