三维超声成像的概念

超声成像模式的分类

超声成像模式的分类主要有以下几种：

B 型超声（Brightness Mode）：也称为二维超声，是最常见的超声成像模式。它通过向体内发射超声波，并接收回声信号，以图像的形式显示组织和器官的结构。B

型超声可以提供实时的静态图像，用于诊断疾病、评估器官的形态和大小等。

M 型超声（Motion Mode）：这种模式主要用于检测心脏的运动。它将超声探头沿着心脏的运动方向移动，显示出心脏的收缩和舒张运动情况。M 型超声可以用于测量心室壁的厚度、评估心脏的功能等。

多普勒超声（Doppler Ultrasound）：包括彩色多普勒和频谱多普勒。多普勒超声可以检测血液流动的方向、速度和性质。彩色多普勒通过颜色编码显示血流的方向和速度，而频谱多普勒则显示血流的频率谱。

三维超声（3D Ultrasound）：通过采集多个二维图像并进行重建，生成三维图像。三维超声可以提供更立体、全面的图像信息，有助于更好地理解器官的空间结构和关系。

弹性成像（Elasticity Imaging）：弹性成像是一种较新的技术，它可以评估组织的硬度或弹性。这种技术常用于检测肿瘤的良恶性、肝脏纤维化等。

contrast-enhanced ultrasound（超声造影）：在静脉内注射造影剂后进行的超声成像。造影剂可以增强血液循环或特定组织的回声，提高对病变的检测和诊断能力。

这些超声成像模式可以单独使用或结合使用，根据不同的临床需求和检查目的选择合适的模式。医生可以通过综合分析不同模式下的超声图像，获得更准确的诊断信息。超声成像具有无创、便捷、实时等优点，在医疗诊断中发挥着重要作用。

.9《中国医疗器械信息》2011年第17卷第7期 Vol.17 No.7技术专题(超声) Thematic Forum(Ultrasound)

文章编号：1006-6586(2011)07-0009-06 中图分类号：R445.1 文献标识码：A

收稿日期：2011-07-01作者简介：韩志会，中国科技大学电子科学与技术系教授0 引言传统的B型超声成像系统仅能提供人体某一断面的二维图像，具有一定的局限性[1~3]。例如，临床医生要根据自己的临床经验对多幅二维图像在自己脑子里合成其三维结构，这个过程需要长时间的训练和相当熟练的B超操作手法，这就给医生提出了很高的要求。为了解决二维超声成像的不足，人们提出三维超声成像的概念。三维超声成像具有图像显示直观、可以进行生物器官参数的精确测量，缩短医生诊断所需要的时间，提高诊断的准确性等优点。此外，由于三维超声成像可以从任意角度观察被测物体，因此能够模拟手术。由此可见，对3D超声成像技术的研究解决了二维超声成像的一些不足，具有更高的临床应用价值[4~5]。由于三维成像这些特点，三维成像的研究成为超声成像领域一个长期的热点。经过了近半个世纪的研究[6~10]，人们已取得了一些进展。但是由于传感器工艺水平的限制，电路规模庞大，成像算法复杂且耗时长，3D图像不易显示等因素，目前的3D超声成像技术仍有许多不足，比如成像系统不仅空间分辨率差，时间分辨率(即帧率)也非常低，不利于对运动器官(如心脏)的成像。本文从成像仪器最主要的技术指标成像帧率和分辨率的角度，综述了当前3D成像存在的问题以及当前的研究现状，并对基于有限衍射波的新的成像模式进行了介绍。1 3D超声成像原理及存在的问题用于三维成像的超声传感器也称为容积探头，它主要有两种[11][12]：机械扫描方式超声传感器、2D超声传感器(图1)。机械扫描方式是采用机械的方式来控制一维传感器的移动，从而获得各个切面的图像，然后将这些图像使用计算机和图像处理算法转换成3D图像。缺点三维超声成像综述韩志会1 郑驰超2 彭虎11 中国科学技术大学电子科学与技术系 (合肥 230027)2 合肥工业大学生物医学工程系 (合肥 230009)内容提要： 三维(3D)超声成像是医学超声工程领域的一个研究热点，目前市场上已有专用的三维超声成像产品。本文从成像仪器最主要的技术指标即成像的帧率和分辨率角度，综述了当前三维超声成像存在的问题以及当前的研究现状，并对基于有限衍射波的高帧率(HFR)成像模式进行了介绍。关 键 词： 三维超声成像 高帧率 HFRA Review of the 3D Ultrasound Imaging HAN Zhi-hui1 ZHENG Chi-chao2 PENG Hu11 Department of Electronic Science and Technology, USTC (Hefei 230027)2 Department of Biomedical Engineering, Hefei University of Technology (Hefei 230009)Abstract: Three-dimensional (3D) ultrasonic imaging is a focus in the medical ultrasound engineering, and the special product has appeared in the market. In this paper, the 3D ultrasonic imaging is reviewed from the point of frame rate and resolution which are important in the imaging system. This review includes the current problems and the researches in the imaging systems, and a high frame rate (HFR) imaging model which is based on the limited diffraction beams is also introduced.Key words: three-dimensional ultrasonic imaging, high frame rate, HFR.10《中国医疗器械信息》2011年第17卷第7期 Vol.17 No.7技术专题(超声)Thematic Forum(Ultrasound)是图像在移动方向的分辨率较低，同时由于采用了机械扫描的方式，用于实时成像比较困难。机械扫描方式超声传感器一般有线性扫描、扇形扫描和旋转扫描三种类型。在当前一种常用的成像系统(Freehand系统)中，传感器的移动使用手动方式，并通过光学等方式来进行定位，但基本原理与机械扫描方式一样。2D传感器结构是在一个平面或曲面上分布大量传感器阵元，比如128×128个阵元。使用2D传感器是获得3D图像的最好方式，既可以得到很好的空间分辨率，又可以用于实时3D超声成像。缺点是传感器阵元数目大，密度高，制作难度很大，不易实现。例如，设计一个128×128阵元的2D传感器，此时阵元数目就高达16384个，同时还要设计具有相当数目的发射/接收信号通道，这在现有的技术条件下几乎无法实现。下面从成像仪器最主要的技术指标成像帧率和分辨率的角度来看当前3D成像存在的一些问题。帧率(或帧频)是指单位时间内超声成像系统重建图像的帧数。帧率越高，系统的时间分辨率就越强，系统也就具有较好的动态特性。现在的二维B超成像速度基本上每秒30帧左右，3D成像的速度则更低，基本上少于每秒10帧，很难满足临床诊断、特别是心脏诊断的实际需要。影响超声成像帧率的主要原因有如下几点：a、超声在人体中传播速度有限，只有1500m/s左右[13~14]。如果对在200mm处的目标点成像，超声波从发射到目标点再到接收阵元所需要时间为267µS。现有的超声成像系统采用聚焦成像方式，传感器每发射一次聚焦声场只能获得一个(即逐点聚焦成像)或若干个成像点(或像素)，对于一个Nx×Nz像素的2D成像，成像系统要发射多次聚焦声场，在不同平面目标区域聚焦，才能完成重建一帧图像的要求。而对于一个Nx×Ny×Nz像素3D数字成像，要在不同立体目标区域聚焦，发射次数激增，总发射/接收时间将在秒级左右，从而导致了成像系统帧率的下降；b、对于采用机械传感器的3D成像，传感器的扫描运动也需要一定的时间；c、对于采用2D传感器的3D成像，如果传感器阵元个数是Nx1×Ny1，对于成像像素为Nx×Ny×Nz，则理论上需要Nx×Ny×N×Nx1×Ny1次延时叠加(delay and sum)计算[14]，如此大的计算量也会消耗一定的计算时间。为了能获得更高的成像帧率(或时间分辨率)，近年来国际超声工程界进行了很大努力[15~17]，并取得了一定的进展。但从根本上说，由于无法改变超声波传播速度有限的物理限制，且多波束成像技术没有原理性突破，现有的超声成像系统的帧率一直没有很大的提高。空间分辨率是成像系统所能区分的最近物体的距离，它受传感器尺寸、发射信号的频谱范围限制。现有很先进的2D成像仪器的分辨率已可以做到在1mm以下。当利用机械扫描的一维传感器的移动将2D切面图像转换成3D图像时，由于传感器的声场实际上并不能限制在一个切面内(图2)，传感器在不同切面处的接收信号不仅包含了该切面的图像信息，也包含了其他切面的图像信息。因此，这种3D成像方式的空间分辨率自然不好。 图1 三维超声成像传感器结构

超声科普之产科超声二维、三维及四维的区别

随着人们生活节奏逐渐变快，生活压力也在不断变大，这使得人们的身心都承受着很大的负担，身体状况也处于一种亚健康状态，疾病成为了日常生活中最常见的现象。一旦患上疾病，就会给人们的生活带来困扰，危害人们的身体健康，这也使得人们的就诊意识渐渐提高了。人们在出现疾病后会第一时间去医院进行身体检查，所以很多人认为超声大多是在身体出现了明显问题之后进行检查的，一般情况下，检查后所带来的结果也都是一些疾病。

这些检查机器不仅对于这些“坏事”进行检查，还能够检查一些“好事”，就像孕妇。在产科经常会需要孕妇进行身体检测，这是为了观测孕妇的身体情况是否良好和胎儿的生命体征是否正常，通过检查能够让医生有效了解状况，并制定接下来的孕期方案，让孕妇顺利的剩下健康的婴儿。超声检查就是这样一种检查仪器，孕妇在检查的时候可能会面临二维、三维及四维的选择，但是由于对其不够了解，无法做出准确判断。为了避免这种情况，本文就将带大家了解一下产科超声二维、三维及四维的区别。

超声检查是什么

首先说一下超声的概念。人们的耳朵能够接收到的声波是有限制的，一旦声波的频率超过了这个限制，就被称作是超声波。一般人们能听到的最高的声波频率有两万赫兹，所以超声波的声波频率就会高于两万赫兹。

超声检查就是用这种超声波来发射到人体上，人的体内会对这些声波进行反射，计算机将这些反射的信息收集起来并形成图像呈现出来，由于人体的器官能够全方面的反射声波，所以超声检查能够很好的将人体内部结构进行成像。 由于超声检查对于人体没有什么伤害，所以很适合于孕妇进行产科检查，并且超声检查的成像清晰，能够帮助孕妇看到自己的孩子，满足孕妇心愿，让孕妇保持一个良好的心态度过孕期。

超声检查对于胎儿状况的直观呈现也有助于医生随时了解胎儿情况，一旦胎儿出现问题或者畸形就需要及时纠正、干预治疗，第一时间把危害降到最低，保证胎儿健康发育，顺利生产。

三维超声成像是什么？

超声诊断是医院对相关疾病进行检查确诊的常用手段，三维超声成像，目前临床上的一种超声诊断新技术，为超声医学成像领域探讨的热点问题之一，相比二维超声，三维超声会对更多疾病信息进行了解，并可直观图像观察，精准测量病人器官组织的参数，诊断准确性更高，已在胎儿畸形、心脏疾病等的诊断方面展现出明显价值［1］。本文对三维超声成像的概念、操作程序、相关疾病应用、临床优势等方面加以阐述，以增加人们对此技术的了解：

一、三维超声成像的概念是什么？

三维超声成像，即人们常说的立体图像，是一种三度空间成像，应用在检查诊断中能够将人体的解剖结构进行真实再现，其发展过程经历了静态三维、动态三维到实时三维的转变。而三维超声成像原理，指的是对动态二维切面图进行持续采集，用计算机实施一系列操作处理，顺序法对人体器官组织三维图像排列、重组，主要过程、步骤为：原始图像采集、处理——三维图像重建、显示——三维图像分割、理解——图像三维显示，这其中，原始图像采集为三维成像初始步骤，同时也是最关键的步骤。

二、三维超声成像技术的种类、显示方法有哪些？

在本质上，三维超声成像共有实时三维成像、三维重建成像两大类，其中的实时三维属于直接三维成像，在超声技术领域是一种新突破，无需通过电脑软件来进行三维重建；而三维重建为静态成像，同时也可在三维重建成像后高帧频回放，从而显示其动态三维成像。而关于三维超声成像显示方法有两种，即表层显示方法、容积显示方法。表层显示方法只会对表面轮廓、外形等显示器官外壳进行显示，无法将内部结构复杂的层次显示出来；容积显示法则不同于表层显示法，能够将被检测器官内部的结构显示出来，更加实用。临床上亦有学者将三维超声成像显示方式分为透明成像、结构成像、表面成像三种，其中表面成像会呈现出外科视野，应用更为理想，可有效对胎儿心脏大体结构、卵圆孔瓣等精细结构予以显示。

三、三维超声成像的操作程序是什么？