体元模型法三维超声成像及其应用

２００６伍　安阳师范学院学报　６５　体元模型法三维超声成像及其应用　李秀平　（安阳市第六人民医院，河南安阳４５５０００）　［摘要］三维超声成像是当前超声研究的一个热点。本文首先介绍了三维超声成像的发展现状。讨论了三维超声　成像的研究内容与其中的关键技术，阐述了三维图像超声技术在临床医学的应用发展前景。　［关键词】三维成像；超声；三维重建；体元模型　［中图分类号］ＴＰ３９１．４１　［文献标识码］Ａ　［文章编号】１６７１．５３３０｛２００６）２．０００６５．０２　元容积”，一定数目的体元按相应的空间位置排列即可构　在过去一二十年里，超声诊断设备在技术上有了飞速　的进展，系统功能、图像质量、成像速度等方面的性能有了　明显的提高。然而，当医生想更准确地了解脏器结构时，　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，因此，体元素空间模型法需要相当高精度　和速度的计算机系统。　传统的二维成像就显得不能满足要求了。由于传统的Ｂ　型超声成像系统仅能提供人体断面的二维图像，临床医生　是凭自己的经验在脑子里重构出人体的三维结构。这在　一成像方式目前多用体元模型的总体显示法，即利用总　体结构内的全部信息建立一个具有实体感的三维图像，显　示组织结构的所有灰阶信息。具体有以下两种成像方式：　１）表面成像：提取组织结构的表面灰阶信息，然后采　取表面拟合的方式进行图像重组。　２）透明成像：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，使之呈透明显示。该方法使重建　定程度上影响了临床诊断的准确性与治疗的有效性。　与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有如下　优势：　１）图像显示直观　２）精确测量结构参数　３）准确定位病变组织　４）缩短数据采集时间　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。　近几年来，临床应用三维超声诊断的报道迅速增加，　涉及的领域包括心血管疾病、妇产科等。这一事实一方面　表明三维超声成像在技术上已逐步趋向实用，另一方面也　说明三维超声在临床上确实有广泛的应用前景。　２三维重建　２．１图像的采集　１）机械驱动扫查：①平行扫查法探头由电动马达驱动　１原理与方法　成像原理目前的三维超声显像已能从计算机图形学　以预定的速度和预定的间隔采集图像。②旋转扫查法将　探头固定于某一透声窗，探头围绕某一轴心旋转获取图　像。③扇形扫查法探头固定于某一位置，由机械驱动呈扇　形运动获取图像，其扫查间隔角度可调。　转向三维物体的计算机立体模型重建。重建基于以下三　种方法实现：立体几何钩成法（ＧＣＳ模型）、表面提取法（轮　廓提取法）和体元模型法（Ｖｏｘｅｌ模型）。ＧＣＳ模型由于需　要大量的几何原物，现已很少应用。　２）自由臂扫查法：此种扫查法利用声或磁遥控装置来　确定探头的位置与角度，其中利用磁遥控装置的方法称为　体元模型法（ＶＯＸｅ］模型）体元模型法是目前最具临床　使用价值的新技术，可对结构的所有组织信息进行重建。　磁场空间定位自由扫查。后者电磁场发生器、磁传感器和　微处理器三部分组成，该方法操作方便、扫查范围和角度　可调，适于作一次性大范围复合形式的扫查取样。　３）三维探头法：Ｋｒｅｔｚ　５３０Ｄ三维探头将晶片包容于一　个探头内，其内另有一机械装置，可驱动晶片作等距离扇　形或环形扫查。　在体元模型法中，三维物体被划分成Ｎｖ个依次排列的小　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　［１，Ｎｖ］中的整数。二维图像中的最小单元为像素，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　问的延伸。与平面概念不同，体元素空问模型表示的是容　积概念，与每个体元相对应的数ｖ（ｖ）叫做“体元值”或“体　［收稿日期］２００５—０５—２７　４）三维电子相控阵方法：目前已有制造商利用该系统　成功获取了实时的三维超声图像。　后２种方法使用方便，不用移动探头即可获取精确的　［作者简介］李秀平（１９６３一）女，安阳市第六人民医院主治医师，从事超声成像研究与应用。　维普资讯 http://www.cqvip.com

６６　安阳师范学院学报　２００６拄　三维数据，并能即刻或实时显像。图像采集时要尽量避免　呼吸、体位移动而造成的影响。根据取样部位和所观察区　域的大小，选择采集方式，确定观察区域范围，同时去掉无　血管腔内超声：三维超声能直接显示管腔容积，斑块　体积和管腔的容积狭窄率。能清晰显示管壁及粥样硬化　斑块的空间形态，提供了二维图像所不能得到的信息。　关的信息。　４　展望　２．２　三维重建　将采集的原始图像进行模数转换后存贮并对其图像　图像定量分析的基础是基本参数的测量包括距离、　，面积、体积以及这些参数随时间的变化。与二维成像系统　间的间隔进行插补、平滑，形成立体数据库。三维重建时，　根据所要显示的脏器结构的部位和方向及在整个图像中　的位置，从中确定一个参考点和一条过点的参考线。　确定最佳观察切面，即可进行三维重建。　重建后的图像通过距离、纹理、灰阶等后处理可改变　相比，三维成像的一个重要优势就是它能提供更准确的测　量。例如，在二维成像系统中，直线与面积的测量都是在　二维超声扫查平面中进行的，而反映脏器特征的距离或面　积未必一定是在超声扫描平面中。有了三维图像后，直线　测量的两个端点或面积测量的平面完全可以不在原始采　三维重建图像立体感的强弱。而且可在设置的任意角度　范围内使三维图像作动态显示。　集的二维平面图像中，而是从三维重构图像中重新提取出　来的最佳测量平面，这将保证测量的有效性。　３　临床Ｊ立用　三维超声成像自应用于ｆ临床以来，已在以下方面显示　其临床应用价值。对含液性结构和病变可显示其立体形　态、内部结构和内壁特征；采用透明成像技术可显示实质　性脏器内部结构的形态和空间位置关系；利用血流彩色多　普勒信息可重建实质脏器内的血管三维图像。　颈动脉与脑：彩色多普勒血流三维重建颈动脉能详细　显示颈动脉粥样硬化程度。如斑块的部位、质地、附着关　在临床诊断中，直接测量病变组织的体积参数是十分　重要的。在传统的二维成像系统中，体积测量需要假设一　个几何模型，然后用有限的平面测量参数去近似体积测量　参数。这样的结果难免存在较大的偏差。由于三维超声　成像提供了整个脏器的结构，用户可以做各种适型测量，　这就保证了测量的准确性及可重复性。三维超声成像最　终的研究目标应该是动态三维成像。例如，动态三维超声　心动图像能够让医生观察到心脏跳动过程中的心脏空间　系、颈动脉狭窄的情况．对临床上评估粥样硬化较有带助。　三维超声在颅脑的应用包括肿瘤和动静脉畸形的定位及　其与周围重要结构的毗邻关系。术中颅脑肿瘤三维超声　可准确显示肿瘤的大小、范围、空间关系。　泌尿生殖系：三维超声至少在两个方面对肾脏疾病的　诊断有帮助，其一是肾内肿物．尤其是孤独肾的患者，其手　位置、解剖结构、血液循环情况等等。这将使医生能够更　方便地诊断先天性室间隔缺损、房室瓣关闭不全等疾病，　同时也使医生有条件对左心室容积、射血分数等重要的心　功能参数进行精确测量。　随着计算机技术和图形处理技术的不断进步、三维超　声有望在以下方面有所突破，从而不断扩展其ｆ临床应用范　术方法必须保留部分肾脏。因此精确描述肿物与血管树、　集合系统和肾包膜的空间关系至关重要。另外一个方面　是对移植肾的成像．三维超声对肾脏局部血供的可视可能　围。三维容积探头将缩短检查时问，使操作更为简便；脏　器或肿瘤容积的定量分析；更精确地评价血管的情况（如　颈动脉粥样硬化斑块的大小和狭窄程度）；监测对治疗的　建立其与早期排异之间的相关性．因为排异早期的变化可　能是节段性的或部分性的。此外。移植肾窖积的确定及　反应；三维实时显像；三维彩色血流成像；三维腔内超声检　查；三维实时经皮导向穿刺。　其随　竺的　肝脏！　．。…　．。　：三维超声肝内血管树的重建，有助于肝内肿块　的定位。可以为临床医师制定手术方案提供参考。三维　超声透视肝内肿瘤内部结构及其对肿瘤与血管的关系显　示优于二维图像，同时三维超声能显示进入瘤体内的滋养　血管、周围被压迫移位或变窄的血管，这些较二维图像增　【参考文献］　。。　。　‘　［１］刘华．实时三维超声检查１８１５例胎儿结果报告［Ｊ］．医　学新知杂志，２００５／０４．　［２］邢晋放．三维超声成像研究概述［Ｊ］．中华超声影像学　杂志，２００５，（８）．　加的信息是ｆ临床医师术前制定手术方案而极需了解的。　［３］滕淑琴．三维超声成像在肾肿块诊断中的应用［Ｊ］．中　国超声诊断杂志，２００５，（４）．　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ＬＩ　Ｘｉｕ—ｐｉｎｇ　（　ｅ　Ａｎｙａｎｇ　Ｃｉｔｙ　Ｓｉｘｔｈ　Ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ　Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ａｎｙａｎｇ　４５５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｔｔｅｓｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｌｅａｓ　ｉｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｕＩｔｒａｓｏｕｎｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　３Ｄ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ；ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｎｄ　ｉｍａｇｅ　ｒｅｂｕｉｌｄ　［责任编校：弘扬］