三维超声的成像原理

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（Ultrasonic Imaging）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，这种方式被称为三维显示（3D-scope）。

第一节 三维成像的原理及基本方法

一. 三维成像的原理

三维成像按成像的原理可分为三大类：

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。

二．声全息（Acoustical Holography）

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，并沿用了激光全息的方法，利用超声波相干的特性，不仅把超声波振幅信息记录下来，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。

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的液面上聚焦成像。同时由换能器4发射的参考声束也射到液面，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射液面的声全息图，受声全息图调制的反射激光发生衍射，各级衍射光经光学聚焦透镜8后在聚焦平面9上分离，并通过空间滤波器获取图像，由电视摄像机10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 imaging）

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）图像来重构成一个立体图像，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一起，便重构成组织的立体图像。但是这种重构速度十分慢。目前已有多种利用电子计算机进行立体图像重构的方法。

有一种用移动坐标位置的方法将数帧常规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、迭加和显示。

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（wireframe）来表示物体形状的外形框架图，也可以用灰阶（shades of gray）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。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）组成静态的三维立体图。如麦迪逊公司的VOLUSON 730，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。

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。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。

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“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100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。~60。。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120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1mm取一幅图，这组二维数据则由100幅图组成。

目前，探头多采用机械探头和一维扫描的电子探头（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。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。最近采用血管内探头对血管的三维重建比较成功。飞利浦公司采用矩阵探头的实时三维成像也取得了重大的进展。

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

三维超声成像是采用不同于传统二维超声成像扫查技术的一种新的成像方法。三维超声图像重建系统通常由三部份组成：1.数据采集（Data

acquisition）；2.数据储存（Data storage）；3.数据分析与显示（Data

analysis and rendering）。

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——Volume box）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——Volume Rendering）

三维重建的容积显示技术可以是透明模式（Transparent mode）或表面模式（Surface mode）。

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） 超声扫查的方式

要获取三维超声图像，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VOLUSON 730，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SONOS 7500，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，以及深度大小的调节，来选择三维容积（Volume box）的大小。

（三） 成像速度与图像质量