三维超声成像技术的基本原理及操作步骤.doc

1、三维超声成像技术的基本原理及操作步骤230031安徽合肥解放军 105 医院罗福成1 基本原理三维超声成像分为静态三维成像(static three 2 dimensional imaging和 动 态 三维 成 像 (dynamic three 2dimensional imaging ,动态三维成像由于参考 时间因素 (心动周期 , 用整体显像法重建感兴趣区 域准实时活动的三维图像 , 则又称之为四维超声心 动图 。 静态与动态三维超声成像重建的原理基本相 同 。111 立体几何构成法 该法将人体脏器假设为多 个不同形态的几何体组合 , 需要大量的几何原型 , 因 而对于描述人体复杂结构的

2、三维形态并不完全适 合 , 现已很少应用 。112 表面轮廓提取法 是将三维超声空间中一系 列坐标点相互连接 , 形成若干简单直线来描述脏器 的轮廓的方法 , 曾用于心脏表面的三维重建 。该技 术所需计算机内存少 , 运动速度较快 。缺点是 :(1 需人工对脏器的组织结构勾边 , 既费时又受操作者 主观因素的影响 ; (2 只能重建比较大的心脏结构 (如左 、 右心腔 , 不能对心瓣膜和腱索等细小结构进 行三维重建 ; (3 不具灰阶特征 , 难以显示解剖细节 , 故未被临床采用 。113 体元模型法 (votel mode 是目前最为理想的 动态三维超声成像技术 ,可对结构的所有组织信息 进

3、行重建 。 在体元模型法中 , 三维物体被划分成依 次排列的小立方体 , 一个小立方体就是一个体元 。 任一体元 (v 可用中心坐标 (x ,y ,z 确定 , 这里 x ,y , z 分别被假定为区间中的整数 。二维图像中最小单 元为像素 , 三维图像中则为体素或体元 , 体元素可以 认为是像素在三维空间的延伸 。与平面概念不同 , 体元素空间模型表示的是容积概念 , 与每个体元相 对应的数 V (v 叫做 “体元值 ”或 “体元容积 ” 一,定数 目的体元按相应的空间位置排列即可构成三维立体 图像 。 描述一个复杂的人体结构所需体元数目很 大 , 而体元数目的多少 (即体元素空间分辨率 决

4、定 模型 的 复 杂 程 度 。目 前 , 国 内 外 大 多 数 使 用 Tom Tec Eeno view computer -work station 来进行 体元模型三维成像 。此外 , 随着高档超声仪器软件的不断开发 , 静态 三维成像不经过工作站可直接启动设备软件包三维 重建或三维电影回放来完成 。2 操作步骤任何三维成像的研究均需通过原始图像采集、 图像数据后处理 、 三维图像重建 、 三维图像显示和定 量测量 。 扫描途径包括经食管 、 经胸和剑突下及腹 壁等 , 每种方法各有利弊 。211 图像的采集21111 机械驱动扫查 将探头固定在机械装置上 , 由计算机控制电动马达

5、, 带动探头做某种拟定形式 的运动 , 常见的形式有三种 :(1 平行扫查法 (Parallelscanning :即探头沿直线做均匀连续的平行位移, 获 得一系列相互平行等距的二维切面图像 。 经食管或 血管内的超声三维重建所采用的逐步后拉式采样亦 属平行扫查 。 此方法图像易失真 , 目前已基本废弃 。 (2 扇形扫描法 (fan -like scanning :扫描平面的近 场基本固定 , 远场沿 z 轴方向扇形移动 , 将采集的二 维图像做数字存储 , 建立金字塔形数据库 (Pyramid data -bank ,而后插补三维像素 (voxel , 再根据需要任意切割 , 显示所欲观察

6、的三维图像 。此发现主 要用于检查静态脏器 , 有的厂家将换能器封闭于特 制的盒套内 , 操作比较方便 。 (3 旋转扫描法 (rotat 2 ingscanning :目前被广泛接受 , 能较理想地进行三 维成像采集 。 以二维切面图像中声束方向的中心平 分线为轴 , 使探头做 180 旋转 , 获得围绕轴线 360 范围内一系列相互均匀成角 , 且中心平分线相互重 叠的二维切面图像 , 适用于心脏 、 前列腺 、膀胱等 。 经食管的多平面探头或环形相控阵探头三维成像采 样过程亦属此类 。由于机械驱动扫查中 , 探头具有规定的逻辑运 动轨迹 , 因此 , 计算机对所获得的每一图像进行空间 定

7、位 、 数据处理及三维成像时速度快 , 图像重建准确 可靠 。缺点是采样过程繁琐 、 机械驱动支架体积大 且沉重 、 与各类探头不易配接 、 扫查时有机械噪音 、 ? 324?(扫查方式固定 、 取样角度不易确定 、 扫查范围和时间 受限 。 因而三维超声成像的推广迫切急需方便 、 灵 活的采集方法 。21112 磁场空间定位自由臂扫查 (free 2hand scan 2 ning ,以下简称自由扫查自由扫查技术主要依靠 一套探头空间定位系统 , 由电磁场发生器 、 空间位置 感测器 (或接收器 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空间发射电磁场 , 空间 位置感测器被

8、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 ( ,带有空间坐标信息和方位信息 6 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。 实践证明 , 使用自由扫查技术时, 可在任何方向上随意移动探头, 根据需要设置扫查时和调整范围并无死角 , 适用于做一次性较大,范围复合扫查 , 如对 肝脏一次性整体成像 。 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 , 操作方便 ,

9、且重 建准确可靠 , 因而成为近年三维超声成像研究的热 点 。 此方法仅用于静态三维重建 , 用彩色多普勒能 量图进行三维重建时 , 如有余辉滞留 , 应关闭余辉功 能 , 以免血管结构三维图像变形 , 如无法关闭余辉功 能 , 应平稳缓慢扫查取样 。21113 “一体化探头 ”方案 将超声探头和摆动机 构封装在一起 , 操作者只要将此一体化探头指向所 需探测部位 , 系统就能自动采集三维数据 。21114三维电子相控阵方法目前 , 已开发出 128 128 阵元的超声模块及相应的电子学系统 , 并成 功获得了实时三维超声图像 。后二种方法使用方 便 , 不用移动探头即可获得三维数据 , 并能

10、即刻或实 时显像 , 但该类探头可能单次扫查范围有限 , 不适合 做一次性大范围复合形式的扫查采样 , 如对较大脏 器 (如肝脏 或病变的一次性整体扫描成像则受到限 制 。 对大血管及其血流既可做静态三维成像 , 亦可 做动态三维成像 , 后者必须采用机械驱动扫查方式 , 并使用心电触发功能 , 对实质性脏器内血管及血流 一般采用静态三维成像 。 血管三维超声重建时采用 的图像有两大类 :(1 组织灰阶信息用于大血管组织 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内血流的三维重建 。 常规彩色多普勒血流成像 (CDFI 能区别血流 方向 、 速度及时相 , 可对

11、较大血管内血流进行动态三 维重建 。 彩色多普勒能量图(color Doppler energy , CDE 显示血流敏感性高, 能显示细小终末血管的低 速血流 , 并能较好地显示迂曲血管内血流的连续性 , 因此 ,CDE 更适用于实质性脏器内小血管的动态三 维重建 。 使用 CDFI 或 CDE 时应轻度抑制二维灰 阶图像的增益 , 三维重建时更能突出显示血管及血 流 。 因二维图像是三维重建的基础 , 故二维图像的 好坏关系到三维重建的质量 。所以 , 图像采集过程 中应注意 :(1 避免呼吸与体位移动造成的影响 ; (2 根据采样部位大小和体表特征确定扫查采样方式 ; (3 采集图像时应

12、去掉无关信息 , 以减少体元素空间 的体元数目 , 缩短图像储存 、 处理和重建的时间 。 21115 动态三维彩色多普勒成像 能显示血流动 态 、 方向 、 速度及形态 , 在观察心内血流 (包括分流与 反流 的位置 、 时相 、 轮廓 、 范围 、 周径 、 行程 、 长度等 方面能发挥更大的作用 。如对血流束进行垂直切 割 , 可以正确了解缺损 、 瓣口关闭不全及狭窄处血流 束的横断面的大小与剖面形态等 。 这种新的动态三 维彩色多普勒血流成像技术具有很大发展潜力一 旦推广应用 , 将发挥更大的效能 。,21116实时动态三维成像美国 Duck 大学生物 医学工程系最近研究成功一种能进行

13、容积测定实时成像 (red 2time volumetric imaging 的二维阵列换能器(two 2dimensional array transducer。其外形与一 般的相控阵探头相类似 , 但换能器的晶体片呈矩阵 形 (matrix 排列 , 被纵向 、 横向多线场均匀切割 , 形 成众多的微型正方形小格 。用于体表探查时 , 微小 的多达 40 40=1600、 60 60=3600 或 80 80= 6400 个晶片 , 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 , 后者在沿 z 轴方向扇 形移 动 进 行 立 体 仰 角 转 向 , 形 成 金 字

14、 塔 数 据 库 (pyramid data 2bank。 由于仪器采用特殊的发射与 接收方法 , 扫描速度提高 60 余倍 , 在一个心动周期 内 , 即可完整地采集某一心脏结构的三维数据资料 , 从而真正实现动态三维成像 , 由于成像速度快 , 在未 来的心脏疾患以及动态脏器 (包括胎心和各个部位 大小血管 检查中将可能发挥更大作用 。212 图像的后处理 三维工作站通过导线与机械 扫查支架或自由扫查系统相连 , 以控制探头的运动 和 (或 搜集探头的空间位置信息 。 扫查时获得二维 图像通过超声仪器的输出接口不断输入三维工作 站 , 并储存在计算机内 , 然后计算机对按照某一规律?424

15、?(采集的一系列分立的二维图像进行空间定位 , 并对 相邻切面之间空隙进行像素插补平滑后 , 形成三维 立体数据库 (data volume 。 被插补像素的灰阶质为 其相邻两像素灰阶的均值 , 图像采集间隔越小 , 则充 填像素点越小 , 图像失真度越小 。213 三维重建 利用连续平行切割或任意方向切 割方式对三维数据库进行任意的切割和观察 , 并可 在三维数字库内选择一个参考切面 , 对感兴趣结构 进行三维重建和动态显示 。 二维超声成像无法显示 人体结构的冠状面 , 而三维超声成像可对三维数据 库进行冠状面切割 , 从而显示冠状面 (C 平面 上的 立体形态 。 动态三维血流图像重建

16、, 即采集的二维 彩色多普勒数据是以黑白灰阶形式接收 , 并在三维 计算机系统内进行格式化 、 数据化转换和贮存 。根 据每幅图像的时间和空间位置 , 计算机抽取心动周 期中同一时相的多个方位上的二维图像 , 按照其空 间位置进行重组 , 彼此相互连接 、 插补 (conical data 2 bank立体方位像素 (voxel , 建立某一血流束的三 维立体数据库 (data volume , 再用总体显示法 (vol 2 ume renderingdisplay 重建某时相异常血流束的立 体图像 。 而后计算机将这些不同时像的立体图像按 心动周期的先后顺序连续放映 , 即形成二维实时动 态

17、三维血流图像 。214 三维图像显示 三维成像最终目的是获得一 个清晰的立体图像 , 而对三维数据库的多方位切割 , 以及多切面显示与分析 (如冠状 、 矢状和水平切面同时显示 , 也是三维超声成像观察内容之一 。 早期采 用轮廓显示 , 包括网络型成像法和薄壳型成像法 ; 体 元模型三维重建技术出现后即开始采用总体显示 法 , 又称为立体显示法 , 显示组织结构的所有灰阶信 息 。 使用图像分辨率调节 、 灰阶域值调节及距离 、 阴 影和纹理处理技术等 , 可提高三维重建图像的质量 和增强立体感 , 三维成像后使心脏组织具有多层次 、 不同结构三维图像 , 能以静态或动态的形式按心动 周期的

18、先后顺序放映 。21411动态显示在三维成像过程中, 通过调节图 像显示的 3 个方位角 ( , , 可从,任意角度和方向 对重建组织结构进行观察 , 可在设置任何角度范围 内使三维图像做动态显示 , 这一项功能使组织结构 的空间位置关系得以更清楚地显示 。21412表面成像表面成像已经较广泛用于含液结构及被液体环绕结构的三维成像 , 即可显示病变 的位置 、 大小 、 形态 、 数目 、 表面特征及与内壁之间关 系等 。 由于组织结构与液体灰阶反差较大 , 因而三 维成像较清晰 。可显示感兴趣结构立体形态 、 表面 的回声信息与特征 、 空间位置关系 , 单独提取和显示 感兴趣结构 , 精确

19、测量容量和体积 。21413透明成像实质性脏器的内部结构为实质性均质性回声 , 且组织结构间的反差太小, 因此 , 在 三维成像时实质性脏器的内部结构无法显示, 晚近 透明成像技术的发展可望解决这一难题。 该技术采 用透明算法实现三维重建, 淡化组织结构的灰阶信 息 , 使之呈透明状态 , 而着重显示感兴趣区域的结 构 , 同时部分保留周围组织的灰阶信息 , 使重建结构 具有透明感和立体感 , 从而显示实质性脏器内部结 构的空间位置关系 。透明成像的最小回声模式 、 最 大回声模式及 X 线模式 , 可相互组合形成混合模 式 。 透明成像最小回声模式仅接收声束方向上最小 回声信息 , 适合于观

20、察血管 (肝静脉 、 门脉等 、 扩张 胆管 、 无回声或低回声病灶的立体形态 。最大回声 模式仅接收声束方向最大回声信息 , 适合于观察实 质性脏器内强回声结构 (如肝血管瘤 、 肝癌等 立体 形态 。 X 线模式接收声束方向上所有信息总和的几 何平均值 , 其成像效果类似于 X 线平片的效果 。混 合模式则有利于观察病变组织与周围结构的空间毗 邻关系 , 如肝内占位性病变内血管树与周围血管的空间位置关系 。为诊断和治疗提供更加丰富信息 , 在一定程度上弥补了二维超声的不足 。此外 , 三维成像的病灶还可根据肿瘤滋养血管 的立体结构来判断肿瘤的大体形态和位置 ,CDE 有 助于肿瘤供血血管的

21、三维重建 , 亦可通过 CDE 对移 植脏器 (肝移植 、 肾移植 血供状况进行总体评价 , 判 断早期排斥反应 。215 三维定量测量 二维超声成像测量某些结构 体积时 , 须假设该结构的立体形态接近某规则的几 何模型 , 然后利用数字公式进行计算 。 况且 , 人体结 构的立体形态通常是复杂而不规则的 。 三维超声成 像测量体积时无须对所有扫查结构的立体形态进行 假设 , 可将组织结构某一感兴趣部分从三维数据库 中单独提取分析 , 显示其三维形态 , 并测量该结构的 容积和体积 。 可用于测量血管内粥样斑块或血栓的 体积 , 及异常血管腔的容积等 。纵观三维超声成像 特点 , 各种图像显示

22、模式的综合运用 , 可以有效地取 得以下信息 :(1 可以直观地观察感兴趣结构和病变 的立体形态 ; (2 能清晰显示病变内部结构及内容物特征 ; (3 能清晰显示病变内部的空间位置关系; (4 ?5 2 4?(能清晰反映感兴趣结构或病变的表面特征 ; (5 可以 单纯提取感兴趣结构 , 精确地进行容积的测量 ; (6 能从不同方向观察感兴趣结构 ; (7 能进行常规检查 后的后处理分析 ; (8 能模拟手术径路 , 为外科医师 提供更多的术前信息 。三维超声成像与CT 、 MR 相比 , 三维超声成像具有独特的优点:(1 采样时间短 , 病人一次屏气期间即可完成 , 避免脏器移动导致的误差;

23、 (2 无须静 脉注射造影剂可显示血管结构 , 无电离辐射及创口 ; (3 经济方便 , 减少了对操作者技术水平的依赖 , 增 强了可重复性 。(编校 :王宁收稿 :2000 11 24多用途医用充气背心的制作与应用山东胶州解放军 135 医院杨永臣何风秀刘蕾刘炳东杨颍莉王艾华宋波目前 , 对躯干等部位的创伤、 术后固定尚无理想的方法 , 如胸外伤合并浮动胸壁固定不确切 , 乳腺癌 根治术后的创面包扎 、压迫易致皮下及腋窝积液 、 皮 瓣坏死等并发症 , 锁骨骨折固定不方便等 。 为此 , 我 们设计了一种多用途医用充气背心 , 经临床对乳腺 癌根治术后 76 例和销骨骨折 23 例的固定效果观 察 , 证明该背心具有固定效果确切 , 可克服绷带敷料 包扎的繁琐 、 束缚感和易松脱等缺点 , 且穿着舒适 、 方便 。1制作111制作要求背心分左右 、 前后片 , 靠子母扣及布带相系 , 根据体形确定子母扣相系的松紧度, 其胸围为 87117cm , 躯干高为 4857cm , 肩宽 40cm (附图 。 气囊置于双层布料内 , 呈哑铃形延伸至腋 窝 , 气囊压力除与注气量多少有关外 , 还可