2　三维成像的基本原理

任何三维超声成像过程均是由三维数据采集与处理、三维图像的重建与显示两大部分组成。

2. 1　三维数据的采集与处理　根据所采用的仪器设备、操作方式的不同,三维数据的采集方式可分为以下几种类型。

2. 1. 1　自由臂式　是利用常规B超探头在被检查者体表通过手动扫查的方式再配合某种定位装置,从而获得一系列感兴趣区域整体、全面、规律、稳定的按顺序排列的二维图像的方法。根据具体扫查方式不同,又分为旋转扫查和平移扫查,前者用于心脏扫查,后者用于腹部或妇产科检查。所采用的定位装置有磁场定位和声学定位两种,前者是基于Raab提出的利用电磁定位方式进行图像定位的随机采样技术,该系统是由电磁发射器、电磁接收器和微处理器组成的^{[ 2, 9 ]}。目前声学定位系统应用较少。

自由臂式方法探测脏器的范围较大,能适应体表形状的变化,避免了探头挤压所造成的脏器变形;但对操作人员的技术要求高,要求操作过程十分专业,必须均匀、平稳地移动探头,而且每个二维图像之间存在时间差,难以实现实时显示。

2. 1. 2　非自由臂式　采用容积探头,通过机械的或电子学的方法获取三维图像数据,其中比较成熟的技术有美国Kretz公司Combison530采用的线性扫描固定轨迹采样技术和德国TomTec 公司Rotation 采用的旋转扫描固定轨迹采样技术^{[ 1, 2 ]}。前者是将一个用于二维成像的探头和微型机械装置安装在特制的三维探头内,通过该机械装置驱动换能器在两个相互垂直的方向上进行扇形摆动扫查,这种探头的视野较大,主要用于妇产科和腹部;后者是将换能器固定在一个机械臂上,由机械臂驱动换能器进行等角度旋转扫描,这种探头可以通过较小的声窗,适用于心脏或经腔内三维成像。这类一体化探头均采用机械驱动,驱动参数可以预先设定,三维采集和重构速度快,能实现动态三维成像^{[ 10 ]}。

非自由臂系统中还有一种基于二维面阵探头以相控阵的原理控制声束,发射“金字塔形”超声束探测组织的电子式扫查方式。所用探头的换能器晶片由按纵向、横向多线均匀切割为细如发丝的正方形微小阵元组成,阵元数量大,成像速度比机械式的更快,接近实时三维图像要求的速率,即每秒24帧图像,特别适用于心脏检查。高质量三维数据的采集是后续图像处理、重建和显示的前提条件,也是决定重建图像质量好坏的关键。

2. 2　三维图像的重建与显示　三维图像的重建包括数据的加工、分类、成像等过程,加工包括插补、平滑去噪等步骤。发展到目前为止有两种三维图像重建方法,一种是基于特征的三维图像重构法,通过对感兴趣脏器边界的识别,特征的提取和分析进行重建;一种是基于体素的三维图像重构法,将原始二维图像中的每一个像素转换到一个三维坐标系中,用连续平行切割或任意方向切割方式, 对感兴趣区进行三维重建^{[ 9, 11 ]}。

三维图像的显示方式有两种:断面显示法和总体显示法。前者无需进行三维重建,可以弥补二维超声成像的不足,通过对三维数据库的任意切割,显示感兴趣区横切面、矢状切面,尤其是冠状切面即C平面上的立体形态。后者又可以分为以下两种模式:

2. 2. 1　表面成像模式　对不同数据如灰阶值等进行分割,勾画出部分构造的轮廓,用表面拟合的方式进行图像重建,从而显示感兴趣区立体形态、表面特征、空间位置关系。这种方式广泛地用于含液性结构或被液体环绕结构的三维成像。利用实质性组织与液体之间较大的灰阶反差,以获取较清晰的三维表面成像。