三维超声成像

三维超声成像包括数据采集、三维重建运算和三维成像3个步骤。

（一）图像扫描方式

图像扫描方式通常有五种：①线性平扫；②扇形扫描；③旋转扫描；④自由扫描；⑤容积扫描。容积扫描可快速获得体数据，但对探头性能要求高，是目前重点发展的方向。

（二）图像定位方式

1．机械驱动法 机械驱动法是最早出现的定位法，它是将一常规二维超声探头固定在一个机械驱动装置上，该装置带动超声探头平移（图3-8）、摆动或旋转以获得扫查区域的序列二维超声图像，再经重建获得超声体数据库。此方法在扫描途径中遇到检测对象形状不规则或声阻隔结构，常难以获得准确而完整的感兴趣区的图像。

图3-8　机械臂扫描装置

2．自由臂法 在自由臂方法中，超声探头上附着一传感器（图3-9），操作者可以像进行常规超声探测一样，手持超声探头对感兴趣区进行慢慢的扫查。在存储二维图像的同时，从传感器上获取该二维图像的空间位置和取向，一系列二维超声影像与位置传感器的位置信息结合起来，构成三维体数据库。该方法可自由地对目标进行扫查，操作比较方便；但成像质量受扫查技巧的影响。

图3-9　自由臂扫描的探头附带定位器和自由臂扫查

3．二维阵列法 二维阵列法则是采用二维阵列探头发出宽带超声波直接扫查整个感兴趣空间范围，进行体数据采集，无须配准图像与空间位置关系，探头不用动就可以获得三维图像。但对探头的技术含量要求极高。

飞利浦公司率先推出的实时三维商用机Sonos7500配的X4矩阵探头由纵、横均匀切割成60×60＝3600个细如发丝的正方形阵元组成（图3-10），经过10 000多条通道进行超声信号采集，大大提高三维成像速度，声束扫描时以16∶1的并行处理方式，多声束扫描金字塔型容积，在单位时间内获得更多的空间图像数据；可以实时显示在X、Y平面具有60°扫描角宽、Z轴30°厚类似金字塔型的立体图像（图3-10），三维最高帧频达到28Hz，此方式称为实时三维（Live-3D）成像。晚近研制的矩阵其扫描宽度和厚度可达103°× 100°，显著提高了三维成像的容积；高频矩阵探头具有探头更小、图像分辨率更高的特点，可用于小儿心脏病的实时三维成像。

图3-10　矩阵三维探头（中国飞利浦公司赠图）和金字塔型容积扫描

（三）采集部位

扫描采集部位是决定临床应用潜力的重要条件之一。已有的方法包括体表和腔内采集。腔内采集包括经阴道、经直肠、经血管腔和经食管等，腔内采集可消除胸、腹壁衰减和声阻隔结构的影响，获得清晰的图像，是最佳数据源获取途径。但腔内超声需检查前空腹或清肠，有的则属于微创检查，有一定的风险，限制了在重症、老年及儿童患者中的应用，难以成为常规手段。体表采集是临床上常规使用的方法，避免了腔内采集给患者带来的不适和甚至轻微的损伤；主要问题是采集受感兴趣区的限制，如心脏前方有胸骨和肺气的阻挡。探头的小型化使小声窗区三维超声成像成为可能，体表三维超声重建的图像也获得了较为满意的结果。

（四）体数据的三维显示

空间数据获取后，重要的就是按一定的交互方式进行展示，而体视化（volume visualization）就是研究体数据的表示、变换、操作和显示的学科。传统的计算机图形学只关心物体表面信息的几何表示、变换和显示问题；而体视化则包含物体内部信息的表示、操作和显示。因此，体数据比表面显示所含的信息更丰富、更完整。

体数据的表示有二维显示和三维显示，二维显示有正交切面和自由切面显示。通过二维自由切面的显示可以获得特征性的、甚至常规扫描无法准确获得的断面图像，因而能提供更多的信息。体数据的三维显示又可分为两类：面绘制方法（surface rendering）和体绘制方法（volume rendering）。面绘制方法采用了纹理映射、浓淡和照明等复杂技术来显示器宫的表面。可显示感兴趣结构的表面特征、空间位置等（图3-11）。

图3-11　胆囊壁隆起样病变的二维（A）和表面三维图像（B）

体绘制技术是利用光线投射（ray casting）原理显示体数据。首先利用每个体素（voxel）点及其邻域内的体素点的灰度信息，给所有体素赋予一个颜色值和阻光度值，然后从观察者眼中发出一条光线，该光线穿过像平面，射入体数据空间中，并与遇到的每一个体素点相互作用。将所有作用累计之后，就得到像平面上一个点的灰度值，如此重复，就可以得到像平面上所有点的灰度值，从而得到最终重建结果（rendered Image），可显示感兴趣区的立体形态、空间位置和关系等。