三维超声的成像原理

1、第 一 章 三 维 超 声 的 成 像 原 理宇宙空间包含有三个互相垂 直的方向，即x、y和z 方向。单一方向只能描述一条直线而任何两个垂直 的方向都可以描述一个平面三个互相 垂直的方向则可以描述一个立体，它们 相应提供空间的一维、二维和三维信息。超声成像( ultrasonicimag ing) 是使用超声波的声成像。在超声诊断仪中有传递人体组织一维空间信息的a型、m 型和d型有传递人体组织二维空间信息的b型 、c型、f型和cfm型( 彩色血流图) ； 有传递人体组织三维 空间信息的组织三维成像、血流三维成 像和融合三维成像。目前，所有三维成 像都是以平面显示的方法显现成具有立体感的显示方式

2、这种方式被称为三维显示3 d - s c o p e ）。节 三 维 成 像 的 原 理 及 基 本 方三维成像按成像的维成像可的分原为理原 理三大类：1利用光学原理与系统 进行三维成像2利用光学系统和图像 迭加原理的三维成像；3利用计算机辅助进行三 维重建成像。-* .声全息( a coustical h o lography) 声全息技术是通过 探测波与参考波之间的相互干涉而把 探测波振幅和相位携带的有关探测物结 构的全部信息提取与再现的技术。声全 息技术由于获取和记录全息数据的方式 不同可分为三类：液面全息扫描全息； 布 阵全息。不管哪一类都 是透射成像，并沿用了特激性光 全不息仅的把方

3、超法声波利振用幅超信声息波相记录干 的下 来也反 映出相位信息 。因此在把超 声全息图 重现时 。能逼真/ 、地显示 出人体 的内 部结 构并具有实 时动态、分辨率 高和灰阶丰富等特点八、。图1-1是液面法声全息成像系统结构原 理图 。它 表明声成像的 过程。在 工作时 由换 能器1发射的声束经人体受检部位透过人体的声束由组合透镜2 收集经 反射 器3反射在小油槽5的液面上聚焦7、成像 。同时由换能器4发 射 的参-fz. t=e考声束 也射 到液 面与透过受 检部位的 物波相 干形 成声 全息图。由激光器6发射的激 光经扩散 透镜7和光学部件产生平行激 光照八、射液 面的声全息图受声全 息图

4、调 制的反射 激光发生衍射各级衍 射光经 光学 聚焦7、透镜8后在聚焦7、平面9上分离并 通过 空间滤波器获 取图像由电视 摄 像 机 1 0 摄 像 ， 并 在 显 示 器 上 显 示 三维的声像图图 1-1 液面法声全息成像系统结构原理图三. 容积成像 (volume imag ing )1996 年，日本东芝公司首先推出容积扫描探头，利用常规的b超诊断仪，进行实时三维显像。它采用特制的凸阵探头，利用散射透镜技术收集图像资料实现实时三维成像，使用十分方便。但成像效果较差。图1-2 是它的原理示意和实图。图 1 - 2 容积成像的原理示意图和实图四. 三维重建图像b型、c型 和f型扫描方 式

5、可以从不同角度取得 体内组织的各种三维图但是医生更需 要从. 立体( 三维 ) 图像来观察体内组织 的结构及其病变情况。为此人们通 过各种方法利用许多的二维( 平面) 图像 来重构成个. 立体图像最简单的方法是采用坐标位移法探测出b 型图像的边界，然后将这些图像叠加在 - *起便重构成组织的. 立体图像。但是这种重构速度十分慢。目、八已有多种利用电子计算机进行. 立体图像重构的方法。移动坐标帧常规b 型图像叠加在一起，就可以获得三维图像。如图1-3 所示。图中x 和z 方向组成的是常规b 型切面图，在沿y 轴方向移动电子扫查探头，由于图像位置的移动，很多b 型图像便写进图像存贮器中，这样探头只

6、要沿y 轴方向移动扫查一次，经过三维重建处理，便可得到一幅完整的三维图像。图 1 - 3 三维显示法示意图为了实现三维显示要对图像数据进行处理图1 -4是预处理的流程图。经过实时图像平滑处理实现二维灰阶图像处理实时边界探测和实时内界消除等处理过程然后 进行贮存、迭加和图 1-4 三维显示预处理流程图整个系统由超声传感单元、图像处理单元、数字扫描转换单元和监视器单元组成。如图1-5 所示。图 1 - 5 三维显示系统的结构方框图除 了这种轴向移动 获取 多平面重建三维图 方法外还有轴 旋转 角度获取多平面进 行三维重建的如沿 心脏长轴每转 30。取一切面一周共取6 幅 切面，便可重 建心脏的三维

7、图 。也 有采用长轴图和短 轴图重建三维图 的。这些方法都要同时 把切面图及它们 之间 的位置与角度信号 送入计算机由 计算 机作相应的组合和 处理后在荧光 屏上再现该器官的三维图。物体: 的- 三维图 可用网格线( w ir e fra1 me ) 来表示物体形 状的外形框架图也可以用灰阶( s ha de s ofgr a y ) 来表示 物体表面形状的.立体 阴影图, 第三种是用减法处理获得的旋转式透明三维 灰 阶 图 ，可 以 显 示 器 官 立 体 的 透 明 图利于观察 器官内部的结构o此外还 有用两个b超 切面( 矢 状面 和冠状面) 和一个等深度切面( c型) 组成静态的三维立

8、体图o如麦迪逊公司的voluson730，能在荧屏上同时显示两个b超切 面图、一个c型切面图以 及由它们组成 的三维立体 图便于了解器官的空间结 构关系o三维重建图像方法由于只需采 用计算机技 术无需任何辅助装置就能 进行三维显示故发展最快应用最多o它利用超声诊断仪在某一器官的几个 不同位置上提取相应的二维切面图像或利用一组的二维切面图像将它们以 及它们之间 的位置与角度信号一起输入 计算机作相 应的组合和处理后在荧光 屏上再现该器官的三维图像o第 二 节 三 维 重 建 成 像 的 特 点三维重建成像的待处理数据量大而且要 求实时处理、长期 保存数据、处理复杂 的任务以及实时管理和显示所处理

9、的结 果。通常需要采用 多处理结构 及并行处 理算法以提高成 像速度。目前商品三维医学成像系统主 要有三类采用通用 计算机配合专用软 件采用三维医学成 像专用的图形加速 器在专用的计算机系统 上用硬 件实现算 法。三维超声重建成像首先要取的一组二维 断层平面图像然 后用计算机 进行三维重建。在x射线、mri的三维重建成像 技术中都是采用多 层平行切片 方法取得一组二维数据再通过插补重建三维图。由于肋骨和肺气 的影响这一方式在 超声心脏成像中不 能采用必须通过适 当的探测a窗口采集所需的一组二维切面 数据。获取一组二维 切面数据在超声 系统中常用的方法有：( 1) 探头旋转法将探头置于合适的探测

10、窗口，在探头每旋转一个角度时获取一个二维切面数据， 旋 转180。即可获取一组二维切面数据。如果按每旋转 1.8。获一幅基本切面数据，这一组二维切面共有 10 0 幅 切 面数据。( 2) 探头摆动法将探头置于合适的探测位置，探头进行一定角度的摆动，如30 6 0 。 每 隔一定摆角取一幅二维图数据。如 每 隔 0.5。摆角取一幅二维数据对一个 60 。摆角的一组二维图数据则共有12 0 幅 。( 3) 平移法 探 头平行移动， 每 移动一段距离取一幅二维数据。如探头共平行移动10cm ， 每 隔1m m取一幅图这组二维数据则 由 1 0 0幅图组成。目前，探头多采用机械探头和一维扫描的电子探

11、头( 如线阵、凸阵或相控阵 ) ， 这 类 探 头 工 作 比 较 简 单 ， 成 本 低 ，但 成像速度 慢。如果对平面阵列 的电子探头采用二维相控系统获取 整个金字 塔形立体角 内的三维数据则 有可能提 高成像速 度。对于 重建的三维图除可以 显示组织 的立体形 态和结 构外还可以 显示该组 织的任j八意剖面包括常规b型 的切面和 近年发展 的c型平 面可以 详尽的了解 组织的剖 面结构 和任一解剖细 节也可 以描绘出 脏器的三维自 然分界 面有利 于提高诊 断水平。只+, 靠b型切面图 对病灶定位多 少有 主观性而三维成像系统可以 更客观地 显示整体 结构因此对病灶和 某一解剖 结构的定

12、位更加 准确。有助于 提高测量 的准确 性和外科医生制定手 术方案。目前 许多高级的超声诊断系 统可以利用 软件来 实现三维重建无需 特殊的探头 和附加 硬件。超声三维重建 技术在心脏和产科中研究和应用最多，其次在妇科、眼科、腹部疾病检查、 、血栓分类血管成 像等 方面也有开展o容积成像 技术则主 要应 用在产科其次在腹部和 泌尿系统 疾病 的检查中也有 应用而声 全息技术 还未 进入临床应用 阶段o最近 采用血管 内探 头对血管的三 维重建比较 成功o飞 利浦 公司采用矩阵 探头的实时 三维成像也取 得t重大的进 展o第二章三维超声的成像技术原理第一节三维超声图像重建系统的基本组成三维超声成

13、像是采用不同于传统二维超声成像扫查技术的种新的成像部ac st份quisorag组it e) 成.数1 . 数2 . 数据据析采储与集( ( ( datadatad at aio；n) 3显存示据分an alysisa ndrenderi n g )。完成一个标准的三维检 查包括以下 步骤1.自动容积扫查首先进行实时二维定位，确定 检查区( 容积盒volumebox) 的 位置和范围。上一章已经提 到有平行移动、扇角摆动和旋转扫 描三种扫查方法。2.多平面容积分析在容积盒内通过三个 自由移动的正交扫查平面帮 助定位分 析。3.三维重建( 容积显示volumeren de ring) 三维重建的

14、容积显示 技术可以方法o三维超声图像重建系统通常由三是 透 明 模 式 ( t r a n s p ar e n t m o d e ) 或表 面 模 式 ( s u r f a c e m o d e ) 。第 二 节 三 维 超 声 图 像 重 建 的 主 要过程一个三维容积数据包括许 多 二维扫查平面。对于三维重建图像要获取好的三维效果首先取决于二维图像的质量。对上一节提到的三维超声图像重建系统的三个基本组成在本节简要介绍如下一.数据采集与贮存三维超声图的重建必需 获 取足够的图像数据。这些数据的获取首先要进行超声的扫查然后转换成合适的三维数据并贮存以供三维重建之 用。一) 超声扫查的方

15、式要获取维超声图像，必需要进行超声束的二维( x、y方向 ) 扫查。超声束扫查的两个方向，其中一个方向 ( x方 向 ) 是 采 用 b 型 超 声 的 扫 查 模 式 ， 有机械扇扫、电子相控阵和电子线阵 三种方式；而另一个方向( y 方 向 ) ，也有三种方式 ： 1 . 手 动 式，2.机械扇扫，3. 电 子扫查式。采用手动式的可直接使 用常规的b 超探头它成像速度慢，空间扫查不均匀，但成本低采用机械扇扫，一般采用在常规的b超探头 上加一个 y方向的机械扇扫驱动装置如麦迪 逊公司的v o l u so n730，它成本中等采用电子扫查的是采用二维阵列( 矩阵) 的电子探头如飞利浦公司的s

16、onos7500，它成像速度最快可以实现实时成像，但成本高昂。由此可见，采 用第一种方式的可以使用常规b超探头，使用第二种或第三种方式的必需使用专用的三维成像探头。二) 三 维容积大小的调节通常是采用b超( x方向) 的扇扫角 和 y 方 向 的 扇 扫 角 ， 以 及 深 度 大 小 的是信息的载体o 标在体元上的信息可以调 节 ， 来 选 择 三 维 容 积 ( vo l u m e b o x ) 的大小三 ) 成 像 速 度 与 图 像 质 量成像速度除了由y方向扫查方式决定外还受图像质量限制。因为提高成像质量速度必然会降低图像像素的密度而使图像质量变差。这也是三维图像质量远不如二维图

17、像的原因。目前重点八、解决的一个目标是如何在保证图像质量的前提下提高成像速度达到动态成像甚至实时成像。最近飞利浦公司 的 so n o s 7 500 取 得 引 人 注 目 的 进 展 。 ( 四)三维数据的表达在 图 2 - 1 中 ， 通 常 组 成 一 个 二 维 平 面 的 最 基本 单 元 ， 称 之 为 像 素 ( p i x el )，而组成一个立体的最基本单元，则称之为体元( vox el) 假设一个立方体是由一串串称之为 体元的小圆球组成。串之间和体元之间 有相等的距离。这些体元精确 地计算并且每个体元都由它的空间x 、y、z坐标标疋通过它们可以计算纵 径、横径 、冠状 扫

18、查以及任意扫查的面图 2-1 三维数据表达示意图( 五) 上数述据体贮存元的数据可以利用多种的贮存媒体进行贮存，如v o l u so n73 0专用的s o n oview 和 540m b 的m od驱动器。整个容积体元的数据量取决于b型角和容积角即扫查角 ( v o l ume an c1 l es we epa n g l e ) 的大小。 通常一个容积的数据量为4 6 m b 。贮存的数 据可用来研究、比较、 传送和重建三 维显示。二.分析( 一) 数据分析通常b型 超声获取的是人体的 额面或矢状面的二维图，而c型超 声获 取的是冠状面。 对获取容积数据进行分析可以同时获取人体的额面

19、、矢状面和冠状面。例女口voluson730 , 在同一画面上，可以显示三个正交平面和一个帮助定位的锥体图。如图2-2 所示。图 2- 2 三维定位及平面分析图图中左上 方显示额面图右上方是矢状面左下 方是冠状面右下方是疋位锥体 图而且 用红线 表示x轴蓝线表示y 轴黄 线表示z轴。对一个病变组织用两个正交平面显示可以更充分了解病变组织 的解剖关系。例如常规的经阴 道探头只能显示子宫的横切面和矢状 面不厶匕冃能显示冠状面但是采用三维分析技术却可 以同时获取三个正交平面 。( 二) 容积旋转环 绕感兴趣 的中 心通过可以自由旋转的平面以获取合适 的或所需的解剖切面 。在应用时将三个正交平面的交点

20、八置于检查 目标 区的 中心并相应分别旋转三个正交平面，以获取所需的解作用容积显示( in teractive volume如图 2-3 所示图 2- 4 容积移位示意图显示在、八面已经假设在二维影像中最基本的信息单元是像素而在三维容积图中最基本的信息单元是体元。容积显示是利用三维数据的a体元的视觉工具。目前不少超声诊断仪，便可借软件进行三维显示voluson730 型超声诊断仪，通过“互( 三) 容积 移位某些组 织结构容 易在三个正交平面上辨认也 有利于临 床分析。我 们可以利用容积移 位分别 平移三个平 面使中心点八置于 诊断区域的中央。如图2 -图 2- 3 容积旋转示意图所示o4（二

21、 ） 显示模式显示模式有表面显示和透视图。进步分类有7 种方式：1 . 表面方式2 . 表面平滑方式3 . 透明最大方式在成像区内要去除亮的伪像回声. 要不然这些伪像会在三维影像中显示仪采集 的容积 数据进行表 面和透 视图三维显示并可 对一组图像 进行转 动显示回放。 使用者 可根据需要 调节三 维容积显示的 大小位置的移动 或转动 。a容积显示是由二 维图像 的容积扫查进 行三维重构的计算过程 。用几何信息( 边、线等: ), 通 过投 影方法 从容积盒的三 维数据库的a像素去分 析感兴趣的a体元。如图2-5所示。 具 体算法由所采 用的显示模式而疋 。ren d e r ing ) o三

22、维显示可利用超声诊断图 2-5 “容积显示”原理图或线性打印机o4 透 明 最 小 方 式被高回声结构包围的感兴趣目标（如血管、囊）的标记。在成像区内要除 去 暗 区 （ 由 于 衰 减 导 致 的 声 影 ）， 不 然 三维影像大部分显示为暗的。5 x 线 方 式标记在被显示的成像区中所有的灰阶。所以，要扩大成像区内结构的对比，并需要将成像区深度尽可能调节得浅。6 光 方 式7 梯 度 光 方 式显示的图像可以放大，例如分五级。显示的图像可以与“容积数据”一起存贮在大规模存贮装置中。三维演示图像的丫系数取决于二维的丫系数。三 维 图 像 的 文 本 传 输 去 v c r 、 视 频三）决定

23、重建图像质量的因素1 二 维 图 像 的 质 量 决 定 三 维 图 像 的质量。2 容 积 扫 查 的 效 果 决 定 三 维 图 空 间的几何形态和定位的真实性，即定位需准确。3 仅 利 用 感 兴 趣 区 （ 容 积 盒 ） 的 超 声 数 据进 行 计 算 和 显 示 ，这 往 往 是“ 体示 ， 如 v o l u s o n 7 3 0 达 到 0 . 3 秒 一 幅飞 利 浦 公 司 在 2 0 0 2 年 底 推 出 的 s o n o s7 5 0 0 ，由 于 采 用x m a t r i x电子矩阵探头（ 3 0 0 0 阵 元 或 以 上 ） 和 多通道平行工作( 通 道 数 3 0 0 0个或以上）加快了采样速 度 ， 成 像 速 度达 5 0 毫 秒基本是准实元”密度和取受制的原因。 时 间 要 3 0 秒重建一幅图像前三维成像显 因。目前，比样速度（影响 一幅三维图像而利用容积扫可以快 到 0 . 3 示无法达到实较多的是实现成像速度）的扫查取样查数据进行 秒。这是目时显示的原动态三维显时成像参考文献1周永昌、郭万