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浅议医学超声波图像的三维成像技术研讨【摘要】医学超声波图像的三维成像技术在医学影像领域扮演着重要角色。
本文从超声波成像原理入手，介绍了医学超声波图像的二维成像技术，重点讨论了三维成像技术的原理及优势。
三维成像技术可以提供更加准确和全面的患者信息，有助于医生做出更准确的诊断和治疗方案。
该技术也存在一定的局限性，如成本较高、操作复杂等问题。
未来，随着技术的不断进步和完善，医学超声波图像的三维成像技术将会有更广阔的应用前景，并在临床实践中发挥更大的作用。
为了更好地推动医学超声波图像技术的发展，还需要加大对该领域的研究投入，以解决当前技术面临的挑战，并实现更多的临床价值。
【关键词】医学超声波图像、三维成像技术、超声波成像原理、二维成像技术、优势、局限性、发展前景、临床应用、研究方向、三维视图、声波传播、分辨率、实时成像、医学诊断1. 引言1.1 医学超声波图像的重要性医学超声波图像可以用于检测心脏病变、肝脏病变、肾脏病变、乳腺病变等各种疾病，可以实现胎儿监护、血管检测、导管置入等多种医疗操作。
在急诊医学中，超声波图像还可以快速诊断创伤、出血和其他急危重症，及时采取治疗措施，挽救生命。
医学超声波图像的重要性不言而喻，它不仅可以提高临床诊断的准确性和效率，还可以减少患者的痛苦和风险。
随着医学科技的不断进步和三维成像技术的发展，医学超声波图像在临床应用中的作用将会越来越大，为医生提供更加可靠的医学信息，带来更好的治疗效果。
1.2 三维成像技术在医学超声波图像中的应用医学超声波图像的三维成像技术是近年来发展非常迅速的一项技术，在医学影像领域具有重要的应用价值。
通过三维成像技术，可以获得更加清晰、全面的患者解剖结构信息，为临床诊断和治疗提供更加精准的指导。
三维成像技术可以提供更加具体和准确的空间信息。
传统的二维超声图像只能呈现一层切面的信息，而三维成像可以呈现整个器官或病灶的全貌，使医生可以更好地了解病变的形态和位置。
三维超声成像技术的发展及临床应用(1)自超声技术应用于临床诊断60多年来，随着临床需求和现代电子技术尤其是计算机技术的发展，使超声影像技术，从应用初期的一维A型和M型超声成像发展到了实时灰阶二维B型超声成像，到目前的全数字能实时回放的三维超声影像系统。
超声影像具有无创性，高灵敏度，应用面广，低成本和操作方便等优点，发展速度和普及程度近年已成为医学影像之首。
可以预计实时三维（四维）超声成像必将成为二十一世纪医学影像系统临床应用中一项最为有效的诊断工具而造福于人类。
正是由于这种市场需求，世界上许多知名的有远见的厂商竟相投入高科技开发全数字技术的实时三维（四维）超声影像系统。
东软数字医疗股份有限公司以独特的视角推出了具有世界领先实时三维（四维）技术和软件技术的NAS-2000a，使超声医学影像与当代计算机尖端技术完美结合，在软件上采用了目前临床要求的最新专业软件，实现了动态三维实时回放、实时三维（四维）成像，简化了本来十分复杂的处理过程，提高了效率。
原理与方法成像原理：三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像，动态三维成像由于把时间的因素加进去，用整体显像法重建感兴趣区域准确实时活动的三维图像（又称四维）。
1、立体几何构成法：将人体脏器假设为多个不同形态的几何组合，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。
2、表面轮廓提取法：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，曾用于心脏表面的三维重建。
该技术所用计算机内存少，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）只能重建左、右心腔结构，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。
3、体元模型法：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。
医学超声成像技术的进展及其应用近年来，医学超声成像技术得到了飞速的发展，不仅为医学诊断提供了更加精准的手段，还为医学科研以及手术治疗提供了重要的支持。
在本文中，我们将探讨医学超声成像技术的进展以及其在临床应用中的不断拓展。
一、医学超声成像技术的发展医学超声成像技术起源于20世纪50年代，最初是在牙科领域中应用的。
随着科技的发展，医学超声成像技术得到了不断的改进，逐渐成为了影响广泛的医学检查手段。
目前，医学超声成像技术已经发展到了第三代，具有以下几个方面的特点。
1、高分辨率：第三代医学超声成像技术采用了多普勒、三维超声以及声表面波等技术，可以对人体内部的细节进行更加精准的观察和分析，从而得到更为准确的诊断。
2、非侵入性：医学超声成像技术不同于其他检查手段，如X 光、CT等需要进行切开手术，而是通过声波的反弹来进行人体内部构造的观察，不会对人体造成任何侵害。
3、低成本：相较于其他的医学检查手段，如CT、MRI等，医学超声成像具有成本低廉的优势，可以为大众提供更为普惠的服务。
二、医学超声成像技术的应用1、临床诊断：医学超声成像技术可以用于诊断心血管疾病、乳腺肿瘤、胃肠道疾病等多个临床领域，在诊断速度、精度上都具有很大的优势。
举个例子，妇科领域常用的B超检查，是采用高频声波穿透到人体内部，返回来的声波经过电脑的数码转换，显示在医生的屏幕上，这样可以对子宫、卵巢等部位进行观察。
通过B超检查，医生可以对孕妇的胎儿进行观察，了解胎儿的大小、发育情况，从而判断孕妇的妊娠情况是否正常。
2、医学科研：医学超声成像技术还广泛应用于医学科研中。
比如通过超声成像技术可以对小鼠心脏进行观察，研究心脏的功能和病理变化；通过超声成像技术可以对人体内部器官进行三维建模，研究不同病理情况下人体内部构造的变化等。
3、手术治疗：医学超声成像技术在手术治疗中发挥着重要的作用。
比如，通过超声成像技术可以对患者的血管进行观察，帮助医生诊断病变情况；通过超声成像技术可以对折叠在腹腔中的器官进行观察，帮助医生在手术中进行更精细的操作等。
超声成像技术的新突破与应用推广随着科技的不断发展，越来越多的高精度、高效率、低辐射和非侵入性诊疗技术应运而生，其中超声成像技术最为受欢迎。
它已经成为临床应用中最常用的医学成像技术，应用于肝脏、心脏、子宫等多个医学领域。
在这篇文章中，我们将探讨超声成像技术的新突破及其在医学领域中的应用推广。
一、新技术的突破1、三维超声成像技术传统的二维超声成像技术只能提供横切面或纵切面图像，并且在表现很多复杂组织结构时有所不足。
三维超声成像技术能够立体显示人体内部结构，通过旋转扫描，能够得到具有空间感和深度感的图像，从而为医学影像的诊断提供了更为完整和准确的信息。
2、弹性成像技术弹性成像技术是近年来发展起来的新技术，它可以反映组织的硬度和弹性，因此有助于体内组织肿瘤等异常细胞类型早期诊断和区分。
该成像技术可以通过探头在人体特定部位施加压力，然后观察扭曲的图像而识别病理情况。
3、超音速纵波成像技术超音速纵波成像技术是一种新型的成像技术，可以用来诊断人体各种软组织的病变。
它可以通过在1000-2000 MHz范围内发射纵波，再将回波转化成图像，从而检测出人体内部的组成和功能。
二、临床应用1、心血管领域超声心血管成像技术是医学中应用最为广泛的一种超声成像技术，在心内外膜、心腔和血管中成像都很准确。
可以实时监测心脏的运动和心肌操作，形成高清晰度的图像，从而检测心脏疾病，如心房颤动、心室壁运动异常、瓣膜关闭不全等。
2、妇产科领域在妇产科领域，超声成像技术可以达到精确测量孕妇的胎儿大小、胎位以及胎儿的发育情况。
此外，超声检查可以用于检测出胎儿和孕妇的疾病，如孕前糖尿病、孕期高血压等。
3、泌尿生殖领域超声成像技术在泌尿生殖领域应用也非常广泛。
在前列腺、卵巢和子宫颈癌的检测中，三维超声检查可以显示更多更细微的解剖学信息。
超声成像技术还可以用于检测肾脏结石、膀胱壁肿瘤等疾病。
4、其他应用此外，超声成像技术还可以用于检测肝脏、胰腺、骨骼、关节、甲状腺以及淋巴结等。
超声技术现状：影像质量、患者安全和3D/4D的未来医学影像市场当前的发展方向是为患者提供更加舒适和安全的解决方案。
根据最近发布的Frost Sullivan［i］report，，医学影像的当前发展趋势有以下几点：降低和管理电离辐射剂量和暴露量；移动式、便携式、无线解决方案；评估组织硬度的弹性成像技术；致力于开发改善患者舒适度和体验的技术；入门级高级影像设备。
超声检查可实现以上所有特性。
但是，为了使超声检查能够更加广泛地应用并且方便用户使用，必须提高图像质量。
有了更好的图像质量，就可以在不影响患者安全和舒适度的情况下进行更快、且更准确的诊断。
超声设备可用于各种类型的检查，无论是产科和妇科成像，还是心脏或放射学成像。
随着超声系统变得更加先进和完备，用户也变得越来越专业并且能够熟练地使用这些系统。
超声设备的小型化有助于扩大床旁应用范围，尤其是当临床医师使用超声设备在床旁进行诊断时。
由于超声检查相比其他检查方法更需要使用者做很多实际专业化的操作，因此经验在超声检查中必不可少。
如果医生无法获得诊断所需要的图像，患者将被转移，接受额外的MRI或CT检查。
这样不仅浪费时间和资源，还使患者在CT检查中暴露在不必要的辐射剂量下，从而引发安全问题。
超声技术发展路线图借助这一趋势的持续发展，以及超声市场在新应用领域的扩展，新的超声使用方法层出不穷。
现在，超声技术可用于心脏病学、乳腺活组织检查、胃肠病学科、头颈部外科、新生儿学科、神经学科、眼科、血管、肺病学科、泌尿学科、骨骼肌肉科、急诊学，以及其他领域。
进行床旁检测时，临床医师希望只需一个按钮即可获得最佳图像质量。
这就要求超声系统必须更加直观且不依赖操作者，让超声经验较少的医生更加快速和轻松地获得最佳图像质。
医学超声影像技术及其发展现状摘要】二十世纪以来随着医学、机械工艺、计算机、电子技术的快速发展，超声诊断仪器在性能上、功能上、用途上都不断地得到加强，全新的成像技术更是不断地出现并且被及时的应用到新型医疗设备中，这也拓展了超声成像技术的临床应用范围。
超声影像技术由于有着高分辨率、高实时性、操作方法简便、无损伤、代价小等特点已成为临床中不可缺少的影像诊断技术之一。
针对这种，本文对现有的成像技术进行了分析，并展望了其未来发展趋势。
【关键词】超声影像技术三维成像谐波成像彩色多普勒血流成像1 引言超声医学是结合声学、医学和电子工程技术的一门新兴学科。
具有医、理、工三种专业知识结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗、康复、监护和普查人体疾病中有较高的实用价值。
医学超声影像技术是超声医学重要技术之一，它是指运用超声波的物理特性，通过高科技电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析、处理和显象，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态作出判断的一种非创伤性检查方式。
随着临床医学发展的要求，超声影像技术领域正在发生着巨大的变化，主要有性能得到提高、功能得到完善、范围得到拓展等。
2 医学超声影像技术的现状近几年来，医学超声成像系统向更高层次发展，有以下三个目标：(1).通过采集更多的声学参数来获取体内更多的病理信息；(2).通过提高图像质量来获得更为清晰的图形；(3).通过多种技术结合显示更细微的组织结构。
下面对具有代表性的超声影像技术做出初步的评价。
2.1 彩色多普勒血流成像技术血流参数的测量依次历经了三种方法：连续多普勒(CWD)血流测量，脉冲多普勒(PWD)血流测量，彩色多普勒 (CFM) 测量。
彩色多普勒血流成像技术是通过把得到了与血流信息有关的参数经过相位检测、自相关处理等多种信号处理方式，然后将得到的结果显示在B型灰阶图像上，可以很直观的显示血流，同时能够对血流的性质、流速的大小、血管内的分布等予以感官上的显示。
超声技术的发展趋势和挑战主要体现在以下几个方面：
1. 超声技术不断进步：随着科技的不断进步，超声技术也在不断发展。
目前，高分辨率超声、三维超声、超声造影等技术已经广泛应用，未来还将出现更多新技术，进一步提高超声的准确性和可靠性。
2. 智能化发展：随着人工智能和机器学习技术的不断发展，超声设备的智能化程度越来越高。
未来的超声设备将更加智能化，能够自动识别病变、自动分析图像，为医生提供更准确的诊断信息。
3. 多模态成像融合：目前，超声已经不再是单一的成像技术，与其他影像技术（如MRI、CT等）的融合成为趋势。
多模态成像融合可以相互补充，提高诊断的准确性和可靠性。
4. 个性化治疗：随着精准医学的发展，超声技术在个性化治疗方面也取得了很大的进展。
通过超声引导的精准介入治疗，可以实现个体化的治疗效果，提高患者的生存率和生活质量。
5. 远程医疗：随着互联网技术的发展，远程医疗也逐渐成为趋势。
超声设备可以通过远程控制实现远程诊断和治疗，为患者提供更加便捷的服务。
然而，超声技术的发展也面临着一些挑战：
1. 技术更新换代快：随着科技的不断进步，超声技术的更新换代也越来越快。
医疗机构需要及时更新设备和技术，跟上技术发展的步伐。
2. 诊断标准不统一：由于不同品牌、不同型号的超声设备差异较大，诊断标准不统一，这给临床医生和影像科医生带来了一定的困扰。
需要建立统一的标准和规范，提高诊断的准确性和可靠性。
3. 患者安全问题：在超声诊断和治疗过程中，如果操作不当或误诊可能会对患者造成伤害。
需要加强医生的培训和监管，提高患者的安全意识。
超声成像技术的应用和发展前景随着科技的发展和应用领域的拓展，各种先进的技术也在不断推陈出新，其中超声成像技术无疑是近年来备受瞩目的科技成果之一。
在医学、生物医学、工业领域等多个领域都有着广泛的应用。
本文将介绍超声成像技术的原理、应用情况、未来发展趋势等内容。
一、超声成像技术的原理超声成像技术是利用声波在不同介质中的传播速度和反射强度差异，通过超声探头发射和接收声波的方法，对物体进行成像的一种非侵入性检查技术。
超声成像技术可以成像软组织、血管、器官等内部结构，成像过程无辐射、无损伤、无痛苦等优点，可以帮助医生在实际临床中诊断病患的疾病。
二、超声成像技术的应用情况超声成像技术已广泛应用于医疗、生物医学、工业等多个领域。
在医疗领域中，超声成像技术可以用于检测胎儿发育、卵巢、乳腺、前列腺等器官结构、判断病灶部位和病变程度，近年来也越来越常用于心脏和血管系统的检测和治疗。
此外，生物医学领域中的超声技术也可以用于药物输送、细胞修复等方面。
在工业领域中，超声成像技术可以用于检测材料的质量，如金属材料中的表面裂纹和内部缺陷等。
三、超声成像技术的未来发展趋势随着医疗技术的不断发展，人们对超声成像技术的应用多个方面存在更高的期望。
因此，未来超声成像技术的发展也面临许多挑战。
首先，超声成像技术的分辨率和灵敏度仍有提升的空间，这需要新的成像技术的发展。
其次，超声成像技术在成像过程中对探头在物体表面的位置和角度有一定要求，只有相对正确的位置和角度才能获得清晰的图像，因此，探头的设计和定位需要不断进行改进和优化。
同时，超声成像技术在应用过程中所面临的挑战还包括如何突破成像物理原理的限制，进一步扩大应用范围，以及通过人工智能、大数据等技术的结合，为临床诊断提供更好的解决方案等。
总之，超声成像技术是一项非常重要的技术，具有广泛的应用前景。
未来的发展需要综合考虑多种技术因素，为超声成像技术在医疗、生物医学、工业等领域的应用提供更好的支持。
超声成像技术发展趋势及其应用随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术被应用于医疗领域中。
其中，超声成像技术是一种常见的医学影像学技术，它具有无辐射、操作简单、价格低廉等诸多优点，因此在医学临床中得到了广泛应用。
本文就超声成像技术的发展趋势及其应用进行探讨。
一、超声成像技术的概念和发展历程超声成像技术是利用声波变化的方式来对人体内部进行成像的技术。
它通过超声波对人体组织进行探测，从而获得人体内部结构和功能的信息。
超声成像技术的发展历程也是从20世纪初开始的，最早的超声成像技术是利用超声波通过人体组织的反射和散射，来获得人体内部的形态结构信息。
在技术的不断推进和创新的推动下，如今的超声成像技术已经发展到了可以获得人体内部微小结构和功能的信息，如心脏、血管、肝脏等组织的血流信息和代谢信息等。
二、超声成像技术的应用范围及发展趋势超声成像技术在医学临床中的应用范围非常广泛，如肿瘤和血管病变的筛查、妇产科检查、心脏和血管的检查、消化系统疾病诊断及术后检查等。
未来，超声成像技术在医学临床中的应用也将更加广泛。
首先，超声成像技术将会成为医学影像学中的主流技术。
其次，超声成像技术将会进一步发展成为一种便捷的无创诊断技术，通过获得更加精密的诊断信息，能够更有效地帮助医生做出更准确的诊断和治疗决策。
三、超声成像技术的发展瓶颈及解决方案超声成像技术作为一种医学影像学技术，也存在一些瓶颈问题。
一个主要问题是分辨率问题，尤其在对细微的组织结构和病变的检测中，分辨率的提高尤为重要。
此外，目前超声成像仍然存在噪声干扰等问题。
为了解决这些问题，一方面可以通过优化超声成像设备的硬件、提高扫描速度等方式来提高超声成像的质量和效率。
另一方面也可以通过算法优化等方式来提高超声成像的信息处理能力和精度。
四、超声成像技术的前景展望可以预见的是，随着科技的不断发展和创新技术的不断涌现，超声成像技术将有更为广泛的应用和更为重要的地位。
未来，随着5G、物联网、云计算等新技术的发展和应用，超声成像技术将会更好地应对多方面的医疗诊断需求，具有更加先进、智能的医学价值。
超声成像技术发展现状及应用第一篇：超声成像技术发展现状及应用超声成像技术的发展现状及应用引言超声成像以其使用安全、成像速度快、价格便宜和使用方便等优势在临床诊断中被大量使用，是临床诊断的重要工具之一[1]。
随着超声在医学诊断领域的广泛而深入的应用，以及微电子技术、计算机技术、图像处理技术和探头技术等工程技术的进步，促进了超声诊断技术不断发展。
不仅仪器的图像质量明显提高，而且诊断的模式和方法也更加丰富。
国内外很多研究人员从事着超声的研究，使超声技术从模拟技术扩展到数字技术，即数字声束形成技术[2]；从低帧率成像扩展到高帧率成像[3]；从二维成像扩展到三维成像[4]；从线性技术扩展到非线性技术[5]，以适应临床不同的需求。
本文着重对多普勒血流成像、三维成像技术和谐波成像技术作一下介绍，并对各自在临床方面的应用进行概括。
超声多普勒成像技术超声多普勒技术主要应用于心脏和血管疾病的诊断。
它是无损诊断血管疾病的一种重要手段，对超声多普勒血流信号的分析处理可以为疾病诊断提供重要依据[6]。
当超声源与人体内运动目标之间存在相对运动时,接收到的回波信号将产生多普勒频移,由此确定其运动速度大小、方向以及在断层上的分布。
2.1多普勒成像技术简介目前应用于临床的有一维连续多普勒、一维脉冲多普勒、彩色多普勒、能量多普勒和多普勒组织成像[7]。
下面就多普勒组织成像技术及其应用做一个简单的介绍。
多普勒组织成像技术[7]是将低速高振幅的心肌运动信息进行彩色编码显示心脏运动信息的图像诊断技术。
该技术能够直观的观察心动周期内各时相的室壁运动方向，并定量分析心脏各节段的室壁运动速度。
与传统超声目测分析室壁运动相比，能够更为客观地评价心脏的运动特点。
但多普勒组织成像无法克服多普勒声束与室壁运动方向夹角所产生的影响[8]。
2.2 超声多普勒成像技术应用关于超声多普勒成像技术的临床应用的报道有很多。
学者经研究发现二维及彩色多普勒超声对甲状腺良恶性肿瘤的鉴别有一定的诊断价值[9]。
生物医学工程学杂志J Biomed Eng 1998∶15(3)∶311～316三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析郝晓辉 高上凯 高小榕 综述 杨福生 审校(清华大学电机系,北京100084) 内容提要 介绍三维超声成像的意义,不同的实现方案,并详细剖析了三维超声成像中遇到的图像定位、三维准确重构、不规则采样平面处理以及三维超声图像的分割问题。
讨论了现有的发展水平及未来的发展方向。
关键词 三维超声成像 分割 准确重构Development Condition of Three Dimensional UltrasonicImaging and Analysis of Some Key TechnologiesHao Xiaohui Gao Shangkai Gao Xiaorong Yang Fusheng(Depar tment of Electr ical Engine ering,Ts inghua Uni ver sity,Beij ing 100084) Abstract This paper introduces the value of three-dimensional ultrasonic imaging and it′s different realizing ap-proaches.It deliberately analyzes the key techniques used in three-dimensional ultrasonic imaging.These techniques include registration of two-dimensional i mages,accurate reconstruction of three-dimens ional volume,projection of ir-regularly sampled plane and segmentation of three-dimensional image.The development status and future trend are al-so given in this paper.Key words Three dimensional ultrasonic imaging Segmentation Accurate reconstruction1 三维超声成像概述1.1 回顾三维超声成像的概念最初由Baun和Gree-wood[1]在1961年提出。
他们在采集一系列平行的人体器官二维超声截面的基础上,用叠加的方式得到了器官的三维图像。
在这之后,很多人进行了这方面的研究工作,试验了各种方法。
诸如Dekker[2]在1974年采用的机械臂方法,1976年Moritz提出的回声定位方法,1979年首次被Raab应用的电磁定位方法[2],以及Duke大学Vonn Ra mm[7]等人研制的二维面阵探头体积射束方法等等。
这些方法都着眼于获取进行三维重建的超声体积数据。
成像方面, Dekker在1974年完成了首例心脏三维重建。
1986年,Martin利用经食道超声探头(IEE)获得了静态的三维图像。
1990年,Wollschlge用回拉式IEE探头重建了动态心脏三维超声图像。
胎儿三维形体的重构[3]与血管的三维超声成也有许多人在研究,并取得了不少成果。
1.2 临床价值和意义传统的B型超声成像系统所提供的是人体某一断面的二维图像,医生必须根据自己的经验对多幅二维图像在大脑中进行合成以理解其三维解剖结构。
这一过程需要长时间的训练和相当的熟练程度,对医生提出了很高的要求,也使某些方面的诊断有一定的局限性。
与传统的二维超声成像相比,三维超声成像具有以下明显的优势:(1)图像显示直观。
医生可以在屏幕上直观地看到脏器的解剖结构,这对临床提供疾病的准确诊断有重要意义。
(2)在医学教学和手术规划方面有广泛的应用。
通过人-机交互的方式,人们可以从不同的角度观察脏器的解剖结构与疾病状况,并在计算机上研究手术规划,完成模拟手术等。
同时,三维超声成像也为医学教学提供了极好的手段和方法。
(3)可以进行医学诊断参数的精确测量。
很多医学参数,诸如心室容积[4]、心内膜面积等的测量只有在三维条件下才能获得准确的定量结果。
(4)可以缩短医生诊断需要的时间。
二维诊断中,医生需要长时间检查人体器官以便在大脑中形成病变器官的三维形态。
三维检查只需短短几分钟就可采集到足够的数据,重构出很好的病变器官的三维形态。
大大减少了诊断所需要的时间。
由于以上原因,超声三维成像一直是用户与开发部门关注的焦点。
与其它形式的三维医学成像系统相比,超声成像至今尚未取得突破性进展。
尽管如此,由于超声成像具有无创、无电离辐射等明显优势,超声三维成像必将成为今后医学成像系统研究最重要的课题之一。
1.3 不同的实现方案目前,有两种获取三维超声图像的方法。
最常见的一种是利用现有的二维超声诊断设备结合某种定位机械获取一系列空间位置已知的二维组织超声图像,进而以离线方式重建三维物体。
另一种是利用二维面阵探头[5]发射金字塔形体积超声束从而获得实时的三维空间数据。
一般来说,基于二维图像重组的三维成像过程主要包括四个步骤:原始图像获取;三维重构;三维图像分割与理解;图像三维显示[1]。
所谓离线,是指图像获取与图像后处理是分开进行的。
图像获取有两种方法。
一种是随机采样法:需要采集的图像位置和数量由医生现场决定。
这种方法造成采样平面在空间的不规则排列,不仅影响了重构图像的分辨率,而且体积重构所需计算量很大,影响了重建的速度。
一种是预先确定法:事先规划好采集路线和采样密度,并由确定的定位机构予以保证。
具体采集过程中,关键的问题在于每幅二维图像的空间定位。
这方面的研究很多,发展了各种各样的算法,将在下一部分予以详述。
图像分割与理解是三维显示和测量的前提。
由于超声图像固有的Speckle 噪声问题及超声图像的模糊特性,超声图像的分割一直是一个极为困难的课题。
对超声三维图像,有两种显示需求[6,2,3]。
一种是提供组织器官任意二维切面的灰度显示[7];一种是提供三维的体积或表面显示[2]。
具体实现的研究尚在进行中。
图1 二维面阵探头工作示意图 Fig 1 Schmatic diagram showing a 2D array transducerused in the 3D ultrasound system另一种方案是基于二维面探头的实现方案[6]。
二维面阵探头可以发射金字塔形体积声束对物体进行探测,获得实时的三维图像。
如图1所示。
这也许是解决三维超声成像最终的312生物医学工程学杂志 第15卷方案。
然而,复杂的二维面阵探头中传感器的并行处理技术,超声束的极快速发射和接收技术,以及如何显示接收到的三维数据这几个关键问题都是近期内不能很好解决的。
从商业的角度考虑,以现有的二维系统为基础,以现有机器的升级为服务对象,第一种方案具有较低的投资风险,较好的投资效益,因此已被广泛接受。
1.4 发展现状目前,三维超声成像主要应用在心脏及胎儿形体检查。
血管内三维重建研究亦较多。
另外,三维超声成像对于人体软组织如肾、肝、乳房等部位疾病诊断亦有很大帮助。
然而,到1996年底为止,世界上还没有真正成功进入实用阶段的四维超声成像系统。
有一些如“一体化”腹部探头三维成像系统,经食道三维超声CT系统,电磁定位的经体外freehand三维超声成像系统等正处于实验室研究和临床试验阶段。
2 关键技术问题分析2.1 图像定位问题上面讲过,基于离线二维重组的三维实现方案中图像采集方法有两种,每种采集方案各有几种定位方法,以下分别论述。
(1)随机采样方案中的几种定位实现方法。
实现随机采样的系统又被称为freehand系统。
它的优点是医生可自由选择最佳的观察位置和角度。
该系统要求位置探测器有足够高的精度和足够快的数据采集速度,以便记录探头每一时刻的空间姿态。
目前所使用的位置检测机构有三种(示意图见图2)。
图2a所示为基于声学定位系统的方法[9]。
在超声探头上安装一个相对位置固定的声发射装置,并在病床上方安装麦克风作为声接收装置,通过测量声传播过程中不同的时间延迟就可以推算出探头的空间位置。
此类装置中传感器体积较大,声束易被遮挡,不具备实用价值。
图2 随机采样方案中的三种定位方法示意图a)声学定位;b)机械定位;c)电磁定位Fig2 Schemati c diagram showing three basic methods for obtaining the position and orientation of the ultrasound trans ducer for the free-hand acquisition techni qu ea)acoustic;b)articulated arm;c)electro magnetic positioners 图2b为使用多自由度机械臂的方法。
这一方法中安装在多关节机械臂末端的超声探头可以实现一定空间范围内的六自由度运动。
然而,探头定位精度与其活动范围大小成反比,限制了成像体积。
且机械臂制造复杂,价格高昂。
图2c所示为基于电磁定位机构的方法[5,1,10]。
采用有一定覆盖范围的电磁发射器和一个很小的可贴在探头上的接收器组成超声313第3期 郝晓辉等. 三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析三维成像的电磁定位机构。
运行过程中,接收器通过分析发射器发射的电磁矢量,可给出关于探头位置与指向的六自由度参数。
由于这套系统具有体积小、使用方便等突出优点,成为近几年来超声三维成像研究的热点。
它存在的主要问题是易受周围环境中铁磁材料和磁场的影响。
(2)预先确定采样方案的实现方法。
free -hand 系统虽能提供很大的操作灵活性,但却不可避免地带来了大量的噪声和采样不均匀现象。
轨迹确定的条件下,这些问题并不严重,这时,各象素空间位置可预先计算好,采样数据的三维体积重构很方便。
具体的采集轨迹有三种形式,如图3所示,包括线性扫描a ,扇形扫描b 和旋转扫描c。
图3 预先确定的采集方案的几种实现形式a )线性扫描;b )扇形扫描;c )旋转扫描Fig 3 Schemati c diagram showing the three basic types of motion us ed i n 3D ultrasound sys tems making use of mechanical s canninga )linear ;b )fan ;c )rotational 线性扫描是将探头装在一机械支架的平移机构[11]上,通过电机带动其沿平行于病人皮肤表面并与图像垂直的直线轨迹移动,采集一系列该器官的平行截面。
