三維超聲成像技術的發(fā)展
在過去一二十年里,，超聲診斷設備在技術上有了飛速的進展，系統(tǒng)功能,、圖像質(zhì)量,、成像速度等方面的性能有了明顯的提高。技術的進步又推動了臨床應用的發(fā)展,，超聲掃查幾乎涉及了人體內(nèi)所有的器官,。
然而，當醫(yī)生想更準確地了解臟器結構時,，傳統(tǒng)的二維成像就顯得不能滿足要求了,。由于傳統(tǒng)的B型超聲成像系統(tǒng)僅能提供人體斷面的二維圖像，臨床醫(yī)生是憑自己的經(jīng)驗在腦子里重構出人體的三維結構,。這就在一定程度上影響了臨床診斷的準確性與治療的有效性,。特別是對一些畸形的或病變的臟器，二維圖像的診斷更顯得欠缺,。
與傳統(tǒng)的二維超聲成像相比,，三維超聲成像具有如下優(yōu)勢:
1. 圖像顯示直觀
采集了人體結構的三維數(shù)據(jù)后，醫(yī)生可通過人—機交互方式實現(xiàn)圖像的放大,、旋轉及剖切,，從不同角度觀察臟器的切面或整體。這將極大地幫助醫(yī)生全面了解病情,，提高疾病診斷的準確性,。
2. 精確測量結構參數(shù)
心室容積、心內(nèi)膜面積等是心血管疾病診斷的重要依據(jù),。在獲得了臟器的三維結構信息后,，這些參數(shù)的精確測量就有了可靠的依據(jù)。
3. 準確定位病變組織
三維超聲成像可以向醫(yī)生提供腫瘤(尤其是腹部肝,、腎等器官)在體內(nèi)的空間位置及其三維形態(tài),，從而為進行體外超聲治療和超聲導向介入性治療手術提供依據(jù)。這將有利于避免在治療中損傷正常組織,。
4. 縮短數(shù)據(jù)采集時間
成功的三維超聲成像系統(tǒng)在很短時間里就可采集到足夠的數(shù)據(jù),，并存入計算機,。醫(yī)生可以通過計算機存儲的圖像進行診斷，而不必要在病人身上反復用二維探頭掃查,。甚至在病人離開醫(yī)院后,，醫(yī)生們還可以在一起從不同的角度觀察病變的組織和臟器。
近幾年來,，臨床應用三維超聲診斷的報道迅速增加,，涉及的領域包括心血管疾病、婦產(chǎn)科等,。這一事實一方面表明三維超聲成像在技術上已逐步趨向?qū)嵱?，另一方面也說明三維超聲在臨床上確實有廣泛的應用前景。
二,、三維數(shù)據(jù)采集
三維數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)三維成像的第一步,，也是確保三維成像質(zhì)量的關鍵一步。目前,，大多數(shù)超聲三維數(shù)據(jù)的采集是借助已有的二維超聲成像系統(tǒng)完成的,。也就是說，在采集二維圖像的同時,，采集與該圖像有關的位置信息,。在將圖像與位置信息同步存入計算機后，就可以在計算機中重構出三維圖像,。
已經(jīng)使用或還在不斷研究中的數(shù)據(jù)采集方法有機械定位方式,、可自由操作系統(tǒng)(以下簡稱Free-hand系統(tǒng))以及二維面陣探頭的應用。
1. 機械定位系統(tǒng)
考慮到已有的二維超聲成像技術已經(jīng)非常成熟,，不少研究者想到利用現(xiàn)有的二維B超加上適當?shù)臋C械定位系統(tǒng)來采集三維數(shù)據(jù),。即事先規(guī)定好探頭的移動軌跡，掃查過程中在記錄二維圖像的同時記錄每幅圖像的幾何位置,，將兩者信息存入超聲診斷儀或外部計算機系統(tǒng)，然后由相應的軟件重構三維圖像,。
所設計的機械裝置可以是將已有的二維探頭連同定位系統(tǒng)集成在一個殼子里,，成為所謂的“一體化”探頭。這樣做的好處是整個裝置的體積小,，并可以精心設計讓三維重構獲得最佳的效果,。存在的問題是: 專門設計的“一體化”探頭只能適合于專門的超聲診斷儀。用戶如果不具備該公司的超聲診斷儀,，就無法使用其“一體化”探頭,。
也可以設計適合于各種探頭使用的外部機械定位裝置來實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的采集。這樣做的好處是用戶不必購買專門的超聲診斷儀就可以獲得三維成像的功能,。如果用外部計算機來實現(xiàn)三維重構,，還很容易在三維成像方面實現(xiàn)系統(tǒng)的升級換代,。不足之處是: 外部機械定位系統(tǒng)往往比較龐大且復雜，造成用戶操作不方便,。
根據(jù)探頭移動軌跡的不同,，機械定位系統(tǒng)有圖1所示3種掃描方式: 平移式、傾斜式和旋轉式,。
平移式采集的數(shù)據(jù)是一組等間隔的相互平行的二維圖像,。基于這樣的數(shù)據(jù),，重構三維圖像是比較容易的,。此外，在多普勒血流成像中,，由于平面相互平行,，也容易識別聲束與血流間的夾角。因此,，此類系統(tǒng)已被成功應用于血管成像,、頸動脈血流測量等場合。
傾斜式掃描是將探頭固定放在病人的皮膚表面,，然后讓探頭繞一條與探頭平行的軸擺動,。結果是得到了一系列等角度(類似扇形的)分布的二維圖像。這類系統(tǒng)的優(yōu)勢是容易手持操作,，掃描的視野比較大,。而且，因為探頭擺動的有關參數(shù)是事先設計好的,，因此三維圖像重構的速度也比較快,。缺點是隨著探查深度的變化，空間分辨率變差,。而且,，三維數(shù)據(jù)在各個方向上分辨率的不一致性也給圖像重構帶來麻煩。
旋轉式的掃描裝置是讓探頭圍繞與探頭垂直的軸旋轉(一般要大于180*),，最后得到類似圓錐型的三維數(shù)據(jù),。這類系統(tǒng)同樣存在空間分辨率不均勻的問題。此外,，為了實現(xiàn)準確的三維重構,，在數(shù)據(jù)采集過程中必需保持旋轉軸是不動的。否則會直接影響三維重建的精度,。
2. Free-hand系統(tǒng)
雖然機械定位系統(tǒng)具有較高的定位精度和重建速度,，但是一個不容回避的問題是復雜的機械裝置，特別是在大器官檢查的時候,，就顯得不方便,。為了克服這一不足,，研究人員設計了多種非機械式的位置跟蹤系統(tǒng)，即在醫(yī)生手持B超探頭做檢查上,，系統(tǒng)隨時跟蹤探頭的位置和方向,。這樣的系統(tǒng)可以讓醫(yī)生根據(jù)需要自由地選擇掃查的方向，并能在移動探頭的過程中自動適應體表形狀的變化,。這就是所謂的“Free-hand系統(tǒng)”,。
曾經(jīng)開發(fā)出來和正在研究的Free-hand系統(tǒng)有聲傳感器系統(tǒng)、多關節(jié)機械臂和電磁式的定位系統(tǒng),。其中,，基于6個自由度的電磁式位置傳感器定位系統(tǒng)是近幾年來成功開發(fā)的Free-hand系統(tǒng)。電磁式位置傳感器由發(fā)射器,、接收器及相應的電子裝置構成,。發(fā)射器產(chǎn)生空間變化的電磁場，接收器內(nèi)有3個正交的線圈用于感受所在位置的電磁場的強度,。只要將接收器固定在超聲探頭上,，就可以實現(xiàn)對探頭位置和方向的跟蹤。電磁式定位系統(tǒng)的缺點是對噪聲和誤差比較敏感,。電磁干擾(如CRT監(jiān)視器等),、使用環(huán)境中的鐵磁材料都可以使測量的磁場發(fā)生畸變而引起定位誤差。
也有研究報道不用位置傳感器的Free-hand系統(tǒng),。一種實現(xiàn)方法是要求操作人員均勻,、平穩(wěn)地移動探頭，根據(jù)移動的距離和花費的時間來估計出二維平面的間隔,，然后再重構出三維圖像,。很顯然，這種方法可以大致地指示人體內(nèi)部的結構,，但是不能用來做準確的測量,。更精確的做法是通過二維圖像中斑點模式和圖像特征的相關分析，來跟蹤探頭的移動,。這種做法顯然比完全憑經(jīng)驗的操作更有科學依據(jù),。
Free-hand系統(tǒng)雖然操作比較方便，但是由于缺少約束,，操作人員在采集數(shù)據(jù)時要特別小心，不要在兩個相鄰的平面間留下太大的縫隙,，否則將不能保證重構圖像的質(zhì)量,。
3. 二維面陣探頭
前面介紹的機械定位系統(tǒng)或Free-hand系統(tǒng)都是在先獲得二維圖像的基礎上實現(xiàn)三維圖像重構的。更理想的方法應該是保持超聲探頭完全不動,，直接獲得三維體積的數(shù)據(jù),。二維面陣探頭用電子學的方法控制超聲束在三維空間的指向,，就可以實現(xiàn)上述功能。在工程實現(xiàn)時,，由于二維面陣的陣元數(shù)量很大,，每個陣元都要配置相應的通道，因此無論從技術的復雜性,，還是系統(tǒng)的代價來說,，都還有許多問題需要研究解決。
最后,，由于三維數(shù)據(jù)采集往往需要較長的時間,，因此要注意解決病人呼吸、心跳等原因引起的偽像或失真,。
綜上所述,，不管采用什么方法，數(shù)據(jù)采集必須充分考慮以下3個因素:
(1) 要盡可能縮短數(shù)據(jù)采集的時間,，以避免由于運動(包括呼吸,、心跳等不可避免的運動)引起的偽像。必要時應使用同步的門控信號,。
(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各部件的幾何關系必需清晰,，并經(jīng)過嚴格的校準，以避免圖像的幾何失真及由此造成的測量誤差,。
(3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必需易于操作,，不給醫(yī)生和病人造成不便。
三,、三維圖像重建
對于機械定位或Free-hand系統(tǒng),，在獲得了一系列二維圖像和相應的位置信息后，就可以將其重組成三維數(shù)據(jù)結構,。準確意義上的重建應該是把二維平面圖像中的每一個象素轉換到一個三維坐標系中,，這種方法被稱為基于象素的三維重構方法。
如果二維圖像的位置是事先定義好的(例如,，機械定位系統(tǒng)中的位置信息),，這一轉換就比較容易完成。但是,，對于Free-hand系統(tǒng),，采集到的數(shù)據(jù)是一系列空間不規(guī)則分布的二維圖像，要將其轉換成規(guī)則的三維晶格數(shù)據(jù)就比較復雜,，其中涉及一系列坐標變換和校正,。
以電磁式定位系統(tǒng)中三維圖像的重建為例，三維重構涉及4個坐標系: 二維超聲圖像平面所處的坐標系(x1，y1,，z1); 電磁定位系統(tǒng)中接收器坐標系(x2,，y2，z2); 電磁定位系統(tǒng)發(fā)射器坐標系(x3,，y3,，z3); 以及最終重構出來的三維晶格圖像坐標系(x4，y4,，z4),。在實際操作中，經(jīng)常假設(x3,，y3,，z3)與(x4，y4,，z4)為一個坐標系,。要將二維圖像平面中每一個象素轉換到三維晶格坐標系，需要完成從(x1,，y1,，z1)開始，經(jīng)過(x2,，y2,，z2)、(x3,，y3,，z3)坐標系，直至(x4,，y4,，z4)坐標系的轉換。原則上講,，每一次空間坐標系的轉換都涉及兩個坐標系間原點坐標位移量(3個坐標值)及坐標軸旋轉角(3個旋轉角)共6個參數(shù),。這其中(x2，y2,，z2)到(x3,，y3，z3)的轉換關系由電磁式定位系統(tǒng)本身給出,。但實現(xiàn)從(x1,，y1，z1)到(x2,，y2,，z2)的轉換則遇到了困難,。這是由于電磁定位系統(tǒng)中的發(fā)射器、接收器以及超聲探頭都是密封的,，其坐標原點無法用物理的方法直接測量獲得。為了得到(x1,，y1,，z1)與(x2，y2,，z2)間的坐標系轉換關系,，需要設計另外的輔助裝置來完成。尋找(x1,，y1,，z1)到(x2，y2,，z2)轉換關系的過程稱為系統(tǒng)的定標或校準,。定標的過程一般是對一個事先設計的模型進行反復測量，從所獲得的超聲圖像及相應的位置信息中推算出(x1,，y1,，z1)與(x2，y2,，z2)間的坐標系轉換關系,。
在將一系列空間不規(guī)則排列的二維圖像轉換到三維晶格坐標系的過程中還有以下問題需要處理:
(1) 由于隨意移動超聲探頭可能有一些空間位置上未被采樣，這部分未被采樣點上的數(shù)據(jù)需通過插補運算獲得;
(2) 對那些不可避免地被重復采樣的點,，必須確定一個準則來決定該點的灰度值,。
從原理上講，上述問題并不難解決,，但是在實踐中,，由于三維數(shù)據(jù)量十分龐大(針對不同用途典型的三維數(shù)據(jù)文件容量可達到16MB到98MB)，對其做任何操作帶來的運算量都是十分驚人的,。因此,，如何提高三維圖像重構的速度是一個必須解決的問題。
上述基于象素的三維重構方法保存了三維數(shù)據(jù)采集中獲得的全部原始資料,，醫(yī)生可以根據(jù)需要觀察任意切面上的圖像,。而且，在進行適當?shù)膱D像分割后可以獲得臟器的邊界,，并進行體積測量,。不少商品化的三維重構軟件使用的就是這種基于象素的三維重構方法。
一種較為簡單的三維重構與顯示的方法是基于圖像特征的方法,。這種方法在實現(xiàn)三維重構之前首先要對二維圖像做分析處理,，從中提取出有關的特征。例如，在產(chǎn)科診斷中,，胎兒體表與周圍的羊水之間有較明顯的界限,。于是，可以用計算機自動地將二維圖像中的這一邊界識別出來,，并在圖像中用特定的輝度或色彩將其表示出來(圖像中不屬于邊界的部分可以被忽略掉或用別的色彩表示),。將二維圖像中的輪廓線集成在一起，就可以將臟器結構的表面形象地表示出來,。這種方法還被廣泛地應用于心臟各腔室的三維重構,。有了腔室表面的準確形態(tài)就可以進行三維容積的測量。
顯然,，基于圖像特征的三維重構方法將三維解剖結構的數(shù)據(jù)簡化成僅用一些特征邊界來表示,。由于數(shù)據(jù)量減少，極大縮短了三維重構的計算時間,。此外,，提取輪廓特征的方法實際上是人為地增加了圖像的對比度，這將有利于解剖結構的觀察,。不過,，與基于象素的三維重構方法相比，簡單的基于圖像特征的方法忽略了組織的細微結構與紋理,。此外,，由于超聲圖像本身固有的斑點噪聲，如果用計算機自動識別邊界很可能會出現(xiàn)偏差; 而人工勾邊的方法則是相當費時的,。
四,、三維圖像的可視化與定量分析
三維圖像的可視化是指將三維數(shù)據(jù)投影到二維顯示平面上。它除了要求達到形象逼真的顯示效果外,，還要求能提供快速的人—機交互功能,，以便使醫(yī)生能快速完整地理解病人臟器的解剖結構與功能。目前,，常用的三維超聲圖像的顯示方法有: 二維切片投影顯示,、三維表面繪制和體繪制方法。
二維切片投影顯示是一種比較簡單卻被廣泛使用的方法,。它采用標準的坐標變換方法提取任意位置和方向上的二維圖像,。在商品化的超聲診斷儀上，通常能用人機交互的方式在顯示器上同時顯示多個不同視角下的二維圖像,，并給出二維圖像在三維體數(shù)據(jù)中的相對位置,。表面繪制與體繪制方法的原理可參見計算機圖形學方面的有關書籍。
雖然從原則上講,，在獲得了三維晶格數(shù)據(jù)后,，三維超聲圖像的顯示可借用現(xiàn)有的比較成熟的技術來實現(xiàn),。但是，實現(xiàn)三維超聲圖像的顯示仍有一些特殊的困難,。主要的問題有:
1. 與X-CT或磁共振圖像不同,，超聲圖像中的輝度并不具有“密度”的意義，超聲圖像反映的是超聲波在人體中傳播路徑上聲阻抗的變化(聲阻抗有明顯變化的界面就比較明亮),。因此,，在X-CT或磁共振圖像處理中成功的方法并不能簡單地沿用到超聲圖像的處理中。
2. 原始三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量會直接影響圖像顯示的效果,。由于超聲圖像中存在固有的斑點噪聲，圖像的信噪比較低,，給圖像的邊緣檢測與分割帶來了困難,。
3. 在三維超聲圖像數(shù)據(jù)的采集過程中(特別是在Free-hand系統(tǒng))，很可能在相鄰的二維平面中出現(xiàn)縫隙,。如果不采用諸如空間插值的方法,，存在的縫隙將直接影響顯示的質(zhì)量。
為了克服上述困難,，科研人員提出了不少有益的方法,。如，借助運動的血流信息來區(qū)分血管與軟組織; 用各種濾波的方法減小斑點噪聲等等,。
最后應該強調(diào)一下人—機交互在三維圖像可視化中的重要性,。臨床醫(yī)生對三維超聲的認可在很大程度上與系統(tǒng)提供的用戶界面有關。良好的人—機交互應該能快速響應用戶的命令,，能保證用戶非常方便地實現(xiàn)圖像的旋轉,、大小與視角的變換以便從一個最佳的位置上來觀察人體解剖結構，最好還能迅速地提取病人診斷中需要的各種參數(shù),。由于超聲圖像中固有的斑點噪聲及信噪比低等問題,，全自動的圖像分割與數(shù)據(jù)分類并不可靠，這個問題嚴重的時候還可能造成臨床中的誤診,。為此,，不斷開發(fā)可靠、適用的可視化方法(如借助多模式圖像融合分析方法等)還是非常必要的,。當然,，給臨床醫(yī)生提供一個能參與三維圖像處理與顯示過程的環(huán)境也是必要的，這樣的環(huán)境可以讓醫(yī)生根據(jù)自己的經(jīng)驗不斷優(yōu)化圖像的分割與顯示,，以確保臨床診斷的準確性,。
圖像定量分析的基礎是基本參數(shù)的測量，包括距離,、面積,、體積以及這些參數(shù)隨時間的變化,。與二維成像系統(tǒng)相比，三維成像的一個重要優(yōu)勢就是它能提供更準確的測量,。例如,，在二維成像系統(tǒng)中，直線與面積的測量都是在二維超聲掃查平面中進行的,，而反映臟器特征的距離或面積未必一定是在超聲掃查平面中,。有了三維圖像后，直線測量的兩個端點或面積測量的平面完全可以不在原始采集的二維平面圖像中,，而是從三維重構圖像中重新提取出來的最佳測量平面,，這將保證測量的有效性。
在臨床診斷中,，直接測量病變組織的體積參數(shù)是十分重要的,。在傳統(tǒng)的二維成像系統(tǒng)中，體積測量需要假設一個幾何模型,，然后用有限的平面測量參數(shù)去近似體積測量參數(shù),。這樣的結果難免存在較大的偏差。由于三維超聲成像提供了整個臟器的結構,，用戶可以做各種適型測量,，這就保證了測量的準確性及可重復性。
三維超聲測量的精度與準確度取決于二維圖像的間隔,、分辨率及組織的復雜程度,。一般經(jīng)驗是離體的測量精度可達到2~5%，在體測量為5~10%,。
五,、結束語
雖然三維超聲成像領域的研究工作近年來取得了長足的進步，但是要把它作為臨床的常規(guī)檢查工具來用還有不少工作要做,。
從工程實現(xiàn)的角度上看,，大幅度提高三維圖像數(shù)據(jù)采集、重建與顯示的速度是必須要解決的問題,。顯然,，新型超聲探頭的設計以及大規(guī)模集成電路的應用對未來的發(fā)展來說是十分必要的。對于臨床應用來說,，一方面應要求工程人員盡可能設計易于操作的計算機界面,，提高臨床接受的程度。另一方面,，醫(yī)務人員也需要努力完成從習慣于觀察二維平面圖像到適應三維圖像操作的轉變,。
三維超聲成像最終的研究目標應該是動態(tài)三維成像。例如,，動態(tài)三維超聲心動圖像能夠讓醫(yī)生觀察到心臟跳動過程中的心臟空間位置,、解剖結構,、血液循環(huán)情況等等。這將使醫(yī)生能夠更方便地診斷先天性室間隔缺損,、房室瓣關閉不全等疾病,，同時也使醫(yī)生有條件對左心室容積、射血分數(shù)等重要的心功能參數(shù)進行精確測量,。
三維超聲成像最終是否能成功地應用于臨床將取決于它是否真的能提供比二維圖像明顯優(yōu)越的性能與診斷效果,。不過，隨著相關技術突飛猛進的發(fā)展,，可以相信此類系統(tǒng)真正進入常規(guī)的臨床應用已不會是太遙遠的事了,。
