三维超声成像技术的基本原理及操作步骤.docx

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三维超声成像技术的基本原理及操作步骤

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（staticthree2dimensionalimaging和动态三维成像（dynamicthree2dimensionalimaging,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（votelmode　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定模型的复杂程度。

目前,国内外大多数使用TomTecEenoviewcomputer-workstation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,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-likescanning:

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（Pyramiddata-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（rotat2ingscanning:

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、・3

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（

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（free2handscan2ning,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,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,可对较大血管内血流进行动态三维重建。

彩色多普勒能量图（colorDopplerenergy,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容积测定实时成像（red2timevolumetricimaging的二维阵列换能器（two2dimensionalarraytransducer。

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,形成金字塔数据库（pyramiddata2bank。

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

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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（datavolume。

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,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（conicaldata2bank立体方位像素（voxel,建立某一血流束的三维立体数据库（datavolume,再用总体显示法（vol2umerenderingdisplay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（α,β,γ,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・524

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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;（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87~117cm,躯干高为48~57cm,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,还可利用背心的子母扣及系带调节松紧度。

由于气体在气囊内分布均匀,并行软性压迫,对局部压力较适宜,不影响血液循环。

经测定气囊平面承受压力为130kg,气体最大容量为4L

。

附图　多用途医用充气背心

112　制作材料　薄层布料、子母扣、塑料气囊、注气

筒。

2　应　用

211　用途及使用方法

21111　用于手术创面压迫　手术切口覆盖无菌纱

布后,给患者穿好背心,将气囊注入适量气体后,将左右的子母扣及布带依据体形拉紧相系,拉力以病人呼吸不受限为宜。

21112　替代胸、腹带　可将背心折叠作为胸、腹带

使用。

如系胸外伤合并浮动胸壁者,可将气囊注入气体压于浮动处,以限制胸壁浮动,利于气体交换,为伤员抢救和后送创造了条件。

21113　替代锁骨固定带　如作为锁骨固定带,折叠后按锁骨带固定法,将一端布带穿入扣鼻中,再与另一端布带拉紧相系即可。

21114　替代救生衣　遇有水灾等意外情况时,可将背心两侧及后背气囊注足气体,系好扣及布带,以代替救生衣。

212　临床应用　用于乳腺癌改良根治术后76例的

充气加压固定。

其中,35~45岁21例,46~65岁47例,66岁以上8例;均为女性。

一般穿着3~5d。

仅3例切口出现少量皮缘坏死,其余均一期愈合,有效避免了皮下及腋窝积液、皮瓣坏死等并发症。

锁骨骨折23例实施固定后经X线证实,固定效果满意,且比用绷带固定简单、方便,节省时间。

3　讨　论

长期以来,胸、腹部创伤清创、手术后固定或加压固定,一直采用绷带或腹带等固定,常因松脱或包扎过紧影响固定效果,甚至出现严重并发症。

为此,我们利用气囊充气加压均匀、充分和可定量加压的

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