徐辉雄先生，中山大学附属第一医院超声科副教授、硕士研究生导师；吕明德先生，教授、博士研究生导师。2005年8月1日收到。
关键词: 三维超声 方法学
三维超声成像是超声医学发展的重 要方向之一，其方法学一般包括三维图像数据的采集、数据的处理、容积数据库的建立、三维图像的显示等步骤。其中三维图像数据的采集是最基本的步骤，而三维图像的显示则是最终步骤。
三维图像数据的采集
三维图像数据的采集，就是要获得所感兴趣结构整个容积范围内的全部回声信息，即要获得感兴趣区一系列断面的信息。
图像采集过程中最重要的两点是：超声图像定位的易行性及数据采集的速度。焦点问题则是如何将探头的方位信息与二维图像的灰阶或血流信息有机地整合在一起。因此，三维图像数据采集方法的特点是：一是采集一系列距离和角度相等的二维图像；二是采集到的系列二维图像要包括整个感兴趣区，而不能有图像的缺失或遗漏。不同的图像采集方法，实际上是利用了不同的方法来定位某一帧断面图像在容积数据库中的具体位置。
三维超声实际上是由一系列的二维图像经过处理形成的，而图像的采集又可以从任意角度进行，那么图像间的相对位置及角度就需要被精确地记录下来以避免产生伪像。此外，为避免由于呼吸、心跳、患者的移动等因素造成的伪像，图像采集过程应非常迅速并有合适的门控手段。
目前大多数图像采集方法类似于常规二维超声，即采集一系列相互分立的二维图像，形成一个三维数据库，通过某种计算方法来得到三维图像。这就需要一个定位系统能准确地反映每一帧二维图像在三维容积中的准确位置，一般要求其距离分辨力达到0.5cm，角度分辨力达到0.5度。常用的定位装置有步进马达（可为平行、旋转或扇形扫查的方式）或为某种传感装置(感受电磁场、声或光信号)。随着高频超声的应用，对定位系统的精度要求也越来越高，这样才能获得高质量的三维图像。此外，也有一些学者采用其它方法获取图像。
图像采集过程中，已采集到的超声图像及其位置信号即刻存贮于计算机中，经处理后形成容积数据库。根据采集方式的不同，采集到的二维图像可排列为扇形、平行、或围绕某一轴心排列，也可为任意形状(如自由臂扫查时)。尽管最终都可形成容积数据库，但为减少后处理时间和避免伪像，一般仍要求图像间的距离和角度有规律可循。常用的图像采集方法有4种。
1. 一体化的位置感受器及探头阵列(Integrated Position Sensor and Transducer
Arrays)
即我们常说的一体化三维容积探头(Integrated Volume Transducer)，或简称为容积探头。这种采集方法是将位置感受装置与二维探头整合在一起并密封形成三维容积探头，如Voluson 530D、Voluson 730等的探头(图1)。这类探头通常体积较大，稍显笨重。探头前端为一较软的透声材料，其内包裹一个二维探头在步进马达或特殊的伺服系统的作用下做扇形或旋转扫查。在密封的腔内还充填以透声的类似耦合剂的物质。这种探头的好处在于可以避免用其它外设位置感受器时需要的复杂的系统校正过程，同时每帧图像间的位置和角度比较确定，不易出现变形，因此消除了定位不准所致的伪像。此外，这种采集装置通常与整个超声仪整合在一起，因此图像数据采集完后即刻可形成容积数据库，中间无需复杂的投射和处理过程，而直接过渡到三维图像的重建和显示，因此成像时间较短。基于以上优点，此类采集装置目前应用最为广泛。但该方法也存在缺点，主要是观察的视角较小，对一些较大的器官如肝脏的成像需从不同的角度采集多个容积数据库后方能获得完整印象。另外，容积探头扫查方法须配备专门的三维超声成像仪。
2. 机械驱动扫查(Mechanically Driven Scanning)
将传统的二维探头固定于一外设的机械臂装置上，由计算机控制步进马达，驱动探头以特定的形式有规律地运动。常见形式有3种(图2)：
a. 平行扫查法(Parallel Scanning)
或称为线性扫查(Linear Scan-ning)。探头由电动步进马达驱动以预定的速度和预定的间隔运动采集图像，获得一系列相互平行等距的二维断面图像。这种方法多用于颈部、小器官的扫查，也可应用于心脏的检查，如经食管扫查时，采用探头后退的方式也可得到系列平行的二维图像。
b. 旋转扫查法
(Rotational Scanning)
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，获得一系列相互均匀成角且中心轴相互重合的二维断面图像。它多用于心脏、前列腺、子宫等扫查。在中心轴的近端，图像间的间距较小，因此分辨率较高，而在离轴较远的地方则分辨率较低。此外，应用该方法扫查时，应保证良好的中心轴重合性，以避免产生伪像。如在扫查过程中患者移动或探头移动，中心轴不重合，则将不可避免地产生伪像。
c. 扇形扫查法(Fan Scanning)
探头固定于某一位置，以手动装置或计算机控制的电动马达驱动，做扇形运动获取图像，其扫查间隔角度可调。可获得一系列相互均匀成角的二维断面图像。它多用于腹部及妇产科的扫查。因为二维图像间的角度固定，所以图像间的距离与深度相关。在探头的近侧，图像的分辨率较高，而在远侧图像的分辨率较低，因为在远侧图像间的间距较宽。因此，采用该方式扫查三维图像的分辨率并不均匀。如选择较小的角度，可将这种不均匀的程度降低。
机械驱动扫查能精确地定位二维图像间的位置关系，因此它的最大优点是定位准确、重复性高、所得到的三维图像清晰。而且它可以与各类二维超声仪器配合使用，有利于节约医学资源。但人体体表凸凹不平，探头附于体表时不易完全作到平行移动或扇形移动，扫查范围受限制，同时需要作校正，操作也显繁琐，因此临床应用受到一定的限制。
3. 自由臂扫查法(Free-hand Scanning)
a. 外附于探头上的位置传感装置(Externally Attached Position
Sensing Device)
也有人称之为追踪自由扫查法，或循迹自由扫查法(Tracked Free-hand System)。此种扫查法是将位置传感器贴附于常规二维探头上，操作者如同二维超声检查一样扫查感兴趣的解剖部位，探头扫查时传感器可感受探头的位置和空间运动轨迹。这种采集方式的优点是操作者可以按照自己的意愿选择任意位置及角度扫查，而不必担心受到人体体表凸凹不平因素的影响。但在采集时仍需要避免图像与图像之间的间距过大，而且必须作连续的扫查。自由臂扫查的缺点是图像间常存在间隙，因此最终影响了三维图像的质量，特别在应用高频探头检查一些小的结构时上述表现更明显。常用的有人工臂装置、电磁场发射/接收装置、利用麦克风的声学方法、基于二极管发光及激光寻迹的光学方法，每种方法都有其优缺点。
(1) 声场定位(Acoustic Positioner)
常规二维探头上贴附着三个声发射装置，相互间的位置固定。在患者的上方(如天花板上)安装有一组麦克风组成的阵列。检查者手持探头作自由扫查时，探头上的声发射装置被激活。由于空气中的声速相对固定、麦克风的位置已知、声音的脉冲可以测量，所以探头的位置和角度信息能被连续地获取。为得到准确的位置信息，患者周围的声场中不能有障碍物，而且麦克风须离探头足够近。此外，空气中声速受温度及湿度的影响，因此使用前须作校正。
(2)人工关节臂定位(Articulated Arm Postioner)
探头固定在一个机械性的人工关节臂上，后者包括有多个可活动的关节。操作者可手持探头以多种复杂的方式扫查，或选择所需要的观察角度。在关节内安装有电位计，能记录探头运动时产生的电压变化，这些数据转化为数据信号后输入到计算机中。通过这种方式图像的位置信息被获取，进而记录探头的空间运动轨迹。将关节臂的臂缩短可提高精度，但却是以牺牲扫查的范围为代价。
(3)磁场空间定位(Electromag-netic Positioner)
目前应用最为广泛的自由臂技术，该技术在TomTec三维成像系统中有较好的体现。它是利用电磁场遥控装置的方法来确定探头的位置与角度，因此称为磁场空间定位自由扫查。由电磁场发生器，空间位置感测器(或接收器，磁传感器)和微处理器三部分组成(图3)。探头柄上装有小的磁传感器，大小通常为16cm3，这样就能容易地贴附在探头上，并且不影响检查者的操作。磁传感器内有三个相互垂直的线圈，能感受六个自由度的磁场信息。由微处理器控制的电磁场发生器产生一空间变化磁场，磁传感器可接受磁场信号并产生信号提供磁源附近磁传感器的位置和方位。磁传感器测量探头移动时不同方位和角度的磁场强度，测量频率为100Hz，因此能连续地记录磁场强度的变化。操作者可如同常规超声检查一样，手持附有磁传感器的探头扫查时，计算机即可感知探头在三维空间内的运动轨迹，从而获得每帧二维图像的空间坐标及图像方位信息，这些信息被贮存于计算机之中，即可对所扫查结构进行三维重建。该技术已应用于标准的二维探头及内腔探头，也有应用于血管内探头的报道。
该方法操作简便，扫查范围和角度可调，适于做一次性较大范围复合形式的扫查取样。检查时需要将磁传感器放置在病人附近的磁场范围内，在检查前须先对系统进行校正。理论上该技术的扫查范围可无限大，但常受制于计算机的运行速度及存贮容量。缺点是磁场周围的金属物体会导致局部电磁场扭曲而使定位不准确，而且目前仅适用于静态三维超声成像。
b. 非循迹自由扫查法(Untracked Free-hand System)
这一类的自由扫查方法无需借助任何辅助定位系统、特殊的探头或支架，利用普通的探头即可实现三维重建。如HDI5000、HDI3000、LOGIQ7等仪器上的三维重建功能即属于此类。该技术对操作者来说非常方便、扫查方式如同常规二维超声检查，可作扇形、平行及旋转扫查。探头在体表作稳定、平滑的移动时，二维图像被数字化后存贮，经过处理后形成三维数据库。但该方法的图像质量不稳定，在很大程度上取决于操作者移动探头的平滑性及稳定性，不同的操作者或同一操作者不同时间检查得到的三维图像都可能会出现较大的偏差。也正是因为没有获得图像间的直接位置信息，应用该技术作定量的测量(径线、面积或体积测量)是不准确的，在临床上不能直接采用。
4. 二维阵列换能器(Two-dimensional Transducer Arrays)
美国Duke大学最近提出一种新的三维数据采集方式，能进行容积测定实时成像(Real-time Volumetric Imaging)，即将晶体片按纵向、横向多线均匀切割成众多的微型矩阵型排列的二维阵列换能器(Two-dimensional Array Transducer)。也称作多维阵列探头(Multi-dimensional Arrays)。用于体外扫查时，微小的晶片多达60×60= 3600或80×80=6400个。探头发射声束时按相控阵方式沿Y轴进行方位转向(Azimuth Steering)形成二维图像，后者再沿Z轴方向扇形移动进行立体仰角转向(Elevation Steering)形成三维数据库(图4)。应用此法检查时探头不需移动，切面的间距均匀，取样的时相和切面的方向易于控制，探头体积较小，使用起来较方便。
前面提到的三种扫查方法中，与探头表面相平行的方向的信息都是对容积数据库处理后方可得到，而不是直接得到冠状面的回声信息；因此，在此过程中可能有信息的损失，而且不是一个实时的过程。二维阵列探头产生的超声脉冲呈金字塔形或圆锥形发散，回声经过处理后能实现实时三维成像。目前已有该技术用于实时三维超声心动图成像的报道。
目前多数学者认为该技术将替代前述的几种图像采集方法，代表了各种图像采集方法的发展方向，最具临床应用前景。但二维阵列探头仍是一项发展中的技术，迄今为止该技术只能用于同时得到容积内的多个断面图像，特别是与探头表面相平行的断面，而不是得到整个容积数据库。在技术上最需要解决的问题是在实时采集容积数据时仪器的带宽不够，尽管多个平行通道的技术已广为应用。二维阵列探头的视角范围通常较小，在观察大的组织或器官时会受到一定的限制。
三维超声图像的显示
三维超声的显示是成像过程中的关键环节，迄今仍有一些问题未能解决。其中最大的难点是容积数据库中包含了大量的非零信息，这些信息可能有用、对诊断无帮助或为无用信息，因此在实际应用中难以界定一个准确的阈值来区分相邻的不同结构。特别是不同的组织通常有相似的回声特性，使这种区分更为困难。因此，容积数据库的显示通常要求其视化工具具有互动性，便于观察者根据情况选择最佳的观察方向。
在三维超声的显示中有两个基本的概念，即数据的分类(Classification)与分割(Segmentation)。前者是指在表面拟合时选择恰当的阈值或在容积重建中选择合适的亮度或透明度。后者是指如何将具有不同回声特征的数据区分开来，准确而自动的数据分割算法是三维研究所追求的目标。
现今三维超声一般有三种显示方法：
1. 平面投射(Slice Projection)
也有学者称之为多平面成像方法(Multi-planar Mode)、超声CT或断面显示法。它是一种互动的显示技术。该方法无需进行三维重建，通过平行移动、旋转等方法可对感兴趣区进行逐层、多角度的观察，能得到容积数据库中任意角度的平面图像。运用该技术可以得到二维超声由于患者体位限制或解剖部位限制而不能得到的断面图像，如与探头表面相平行的平面(C平面或冠状面)。该技术的互动性使得操作者即使在患者离开诊断间后仍能自如操作，可缩短检查时间，便于相关资料的分析、复习与存贮。多平面成像方式常用的有两种观察方式：
a. 直交平面显示(Orthogonal Planes)
该观察方式见于大多数三维超声成像系统中，通常显示三个相互垂直的平面上的断面图像，对理解感兴趣区的解剖关系非常有用。这里的二维图像常被称为重新格式化的二维图像(Refor-matted 2D Image)，它与经二维超声采集得到的断面图像有所区别。经过恰当的插补、平滑等技术处理后，一般认为这种二维图像与经二维超声采集得到的断面图像间的区别可以忽略不计。Tong等对这一问题进行研究，认为重新格式化的二维图像与真正的二维图像相比，图像分辨力约降低3±3%，作者认为该现象对实际临床应用影响较小。但在我们的实践中，发现冠状面的回声信息的损失常较严重，导致分辨率有所下降，而另两个平面的分辨率也有不同程度的下降。
在实际应用中，直交平面显示方式常与重建后的三维立体图像结合在一起使用，以帮助判断不同平面在容积数据库中的具体位置。该显示方法目前被广泛应用。
b. 纹理映射法(Texture Mapping)
这种方式应用相对较少，主要见于加拿大的Life Imaging Systems公司生产的三维成像系统中。
在这种显示方法中，三维图像以一个多面体来表示，以此来与周围的组织结构区分，多面体内部则包含有感兴趣的结构。在多面体的每一个面上，有采用纹理映射技术处理得到的二维图像。多面体可以作任意角度的旋转以得到所需的平面，同时多面体的每一个面都可以以平行移动或旋转的方式来显示多面体内部任意平面的二维图像。这种显示方法的优点是操作者能较直观地观察到所选择的平面在整个容积数据库中的空间位置信息。
2. 表面拟合(Surface Fitting)
即我们常说的表面成像(Surface Mode)，其基本特征是：对于图像数据中具有不同特征的数据如灰阶值等进行分割，并对每一被分割的部分构造轮廓，然后采取用类似表面拟合的方式进行图像重组。系统仅显示每一声束方向距离探头最近的界面的回声信号，这些回声信号在空间上形成一个大体轮廓，即感兴趣结构的表面轮廓，因此主要用于描述感兴趣结构的表面特征。因为其提取的数据点相对较少，通常只须穿过整个容积数据库一次以提取表面信息，因此该方法速度较快，而后述的容积重建则须反复调用容积数据库中的每个体素。
表面拟合有两种基本的方法：
a. 几何原物模拟(Geometric Prototype Simulating)
几何原物模拟的方法是在容积数据库的数据分割中，利用一些平面的几何原物(如多边形、斑片等)来模拟被分割的图像资料。
几何原物模拟方法的最大问题是容易出现表面碎片的假阳性或假阴性，对细微特征的处理不理想，容易产生伪像。当使用大量的几何原物时对表面细微特征的显示可得到改善，但却使显示过程更复杂。因此，尽管表面拟合能直观显示感兴趣区的空间关系，目前的应用仍然较少。
b. 表面重建(Surface Rendering)
是目前应用最为广泛的表面成像方式。与前述拟合方式不同的是，表面重建利用的是原有的回声信息，而不是几何原物。在实际应用中一般要求感兴趣结构周围应被无回声区包绕或内部被无回声区充填。通过阈值的调节和观察方向的调节，表面成像也可用于观察感兴趣区的内部结构特征(图5)。
3. 容积重建(Volume Rendering)
容积重建方法将三维空间内的多个体元直接投射到荧光屏上，而不需要几何原物的模拟，它要求整个容积数据库一次全部取样完毕，而不能有遗漏或缺失。容积重建方法可对所扫查结构的所有组织灰阶信息和血流多普勒信息进行重建，能显示解剖结构细微特征。
最常用的获得高质量三维图像的容积重建方法是声束投射法(Ray-casting)。在这里声束的概念不是图像采集时的声束，而是由多个体元组成的条状体元簇，它可以为任意方向，最后则投射到荧光屏上，因此在这里声束的含义较广泛。声束投射法充分利用了容积数据库中某一声束方向上的全部体元的灰阶(或血流多普勒信息)及透明度信息。声束的轨迹则由观察者及容积数据库的方向确定。沿某一方向投射到荧光屏上的象素的强度由这条声束方向上的所有体元决定。
容积重建技术能淡化周围组织结构的灰阶信息，使之呈透明状态，而着重显示感兴趣区域的结构，同时部分保留周围组织的灰阶信息，使重建结构具有透明感和立体感，从而显示实质性脏器内部感兴趣区域的空间位置关系。
a. Voluson系列三维超声成像仪一般将容积重建习惯性地称为透明成像(Transparent Mode)，按其算法的不同又分为以下几种模式：
(1) 最小回声模式(Minimal Mode)。透明成像最小回声模式仅显示容积数据库中每一声束方向上最小回声信息，适合于观察血管、扩张的胆管等无回声或低回声病灶等结构(图6)。
(2) 最大回声模式(Maximal Mode)。仅显示容积数据库中每一声束方向的最大回声信息，适合于观察实质性脏器内强回声结构，譬如肝内强回声的肝癌或血管瘤等病变、胎儿的骨性结构(包括颅骨、脊柱、胸廓、四肢等)(图7)、子宫腔内高回声的子宫内膜层、宫内节育器等。
(3) X射线模式(X-ray Mode)显示声束方向上所有灰阶信息总和的平均值，其成像效果类似于X射线平片的效果。
以上几种模式相互间及与表面成像间可以相互组合，形成混合模式。可用于观察病变组织与周围结构的空间毗邻关系，譬如肝内占位病变与周围血管的空间毗邻关系。
b. 其它的一些仪器生产厂家将容积重建方式按计算方法的不同分为：
(1) 密度加权模式(Density-wighted Mode)即对容积数据库中每一声束投射方向上的体元值作加权后相加。应用这种方式能对解剖结构作透明显示。
(2) 最大强度投射模式(Maxi-mum Intensity Projection)仅显示容积数据库中每一声束投射方向上最大强度的体元，类似前面的最大回声模式。
最近，有些超声仪器上出现了一种“二维＋三维(2D+3D)”的显示方法，该方法的优点是能直观地观察到任意断面图像与整个三维图像之间的位置和方位关系。
三维超声的显示方法除了上述提到的几种外，也可以根据提取回声信息的不同，将三维超声分为基于灰阶或彩色多普勒血流信息两种不同的显示方式。后者是利用彩色多普勒血流成像或彩色多普勒能量图的血流信息，对血流的走行、方向、范围等进行三维成像，可用于判断血管的走行、与周围组织的关系及感兴趣区血流灌注的评价，可帮助区分二维超声上重叠在一起的血管。其中彩色多普勒能量图由于能显示低速血流、无角度依赖性、无混叠现象、显示的血管连续性好等特点，尤其适于进行三维超声成像。彩色多普勒血流三维超声可单独显示或与灰阶超声同时显示。
来源：《世界医疗器械》
出版日期：2005年9月
