郝晓辉高上凯高小榕综述杨福生审校

内容提要介绍三维超声成像的意义，不同的实现方案，并详细剖析了三维超声成像中遇到的图像定位、三维准确重构、不规则采样平面处理以及三维超声图像的分割问题。讨论了现有的发展水平及未来的发展方向。

Development Condition of Three Dimensional Ultrasonic

Imaging and Analysis of Some Key Technologies

Hao XiaohuiGao ShangkaiGao XiaorongYang Fusheng

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University，Beijing100084)

AbstractThis paper introduces the value of three-dimensional ultrasonic imaging and it′s different realizing approaches. It deliberately analyzes the key techniques used in three-dimensional ultrasonic imaging. These techniques include registration of two-dimensional images, accurate reconstruction of three-dimensional volume, projection of irregularly sampled plane and segmentation of three-dimensional image. The development status and future trend are also given in this paper.

Key wordsThree dimensional ultrasonic imagingSegmentationAccurate reconstruction

1三维超声成像概述

1.1回顾

三维超声成像的概念最初由Baun和Greewood^［1］在1961年提出。他们在采集一系列平行的人体器官二维超声截面的基础上，用叠加的方式得到了器官的三维图像。在这之后，很多人进行了这方面的研究工作，试验了各种方法。诸如Dekker^［2］在1974年采用的机械臂方法，1976年Moritz提出的回声定位方法，1979年首次被Raab应用的电磁定位方法^［2］，以及Duke大学Vonn Ramm^［7］等人研制的二维面阵探头体积射束方法等等。这些方法都着眼于获取进行三维重建的超声体积数据。成像方面，Dekker在1974年完成了首例心脏三维重建。1986年，Martin利用经食道超声探头(IEE)获得了静态的三维图像。1990年，Wollschlge用回拉式IEE探头重建了动态心脏三维超声图像。胎儿三维形体的重构^［3］与血管的三维超声成也有许多人在研究，并取得了不少成果。

1.2临床价值和意义

传统的B型超声成像系统所提供的是人体某一断面的二维图像，医生必须根据自己的经验对多幅二维图像在大脑中进行合成以理解其三维解剖结构。这一过程需要长时间的训练和相当的熟练程度，对医生提出了很高的要求，也使某些方面的诊断有一定的局限性。与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有以下明显的优势：

(1)图像显示直观。医生可以在屏幕上直观地看到脏器的解剖结构，这对临床提供疾病的准确诊断有重要意义。

(2)在医学教学和手术规划方面有广泛的应用。通过人-机交互的方式，人们可以从不同的角度观察脏器的解剖结构与疾病状况，并在计算机上研究手术规划，完成模拟手术等。同时，三维超声成像也为医学教学提供了极好的手段和方法。

(3)可以进行医学诊断参数的精确测量。很多医学参数，诸如心室容积^［4］、心内膜面积等的测量只有在三维条件下才能获得准确的定量结果。

(4)可以缩短医生诊断需要的时间。二维诊断中，医生需要长时间检查人体器官以便在大脑中形成病变器官的三维形态。三维检查只需短短几分钟就可采集到足够的数据，重构出很好的病变器官的三维形态。大大减少了诊断所需要的时间。

由于以上原因，超声三维成像一直是用户与开发部门关注的焦点。与其它形式的三维医学成像系统相比，超声成像至今尚未取得突破性进展。尽管如此，由于超声成像具有无创、无电离辐射等明显优势，超声三维成像必将成为今后医学成像系统研究最重要的课题之一。

1.3不同的实现方案

目前，有两种获取三维超声图像的方法。最常见的一种是利用现有的二维超声诊断设备结合某种定位机械获取一系列空间位置已知的二维组织超声图像，进而以离线方式重建三维物体。另一种是利用二维面阵探头^［5］发射金字塔形体积超声束从而获得实时的三维空间数据。

一般来说，基于二维图像重组的三维成像过程主要包括四个步骤：原始图像获取；三维重构；三维图像分割与理解；图像三维显示^［1］。所谓离线，是指图像获取与图像后处理是分开进行的。图像获取有两种方法。一种是随机采样法：需要采集的图像位置和数量由医生现场决定。这种方法造成采样平面在空间的不规则排列，不仅影响了重构图像的分辨率，而且体积重构所需计算量很大，影响了重建的速度。一种是预先确定法：事先规划好采集路线和采样密度，并由确定的定位机构予以保证。

具体采集过程中，关键的问题在于每幅二维图像的空间定位。这方面的研究很多，发展了各种各样的算法，将在下一部分予以详述。

图像分割与理解是三维显示和测量的前提。由于超声图像固有的Speckle噪声问题及超声图像的模糊特性，超声图像的分割一直是一个极为困难的课题。

对超声三维图像，有两种显示需求^{［6，2，3］}。一种是提供组织器官任意二维切面的灰度显示^［7］；一种是提供三维的体积或表面显示^［2］。具体实现的研究尚在进行中。

图1二维面阵探头工作示意图

Fig 1Schmatic diagram showing a 2D array transducer used in the 3D ultrasound system

另一种方案是基于二维面探头的实现方案^［6］。二维面阵探头可以发射金字塔形体积声束对物体进行探测，获得实时的三维图像。如图1所示。这也许是解决三维超声成像最终的方案。然而，复杂的二维面阵探头中传感器的并行处理技术，超声束的极快速发射和接收技术，以及如何显示接收到的三维数据这几个关键问题都是近期内不能很好解决的。

从商业的角度考虑，以现有的二维系统为基础，以现有机器的升级为服务对象，第一种方案具有较低的投资风险，较好的投资效益，因此已被广泛接受。

1.4发展现状

目前，三维超声成像主要应用在心脏及胎儿形体检查。血管内三维重建研究亦较多。另外，三维超声成像对于人体软组织如肾、肝、乳房等部位疾病诊断亦有很大帮助。然而，到1996年底为止，世界上还没有真正成功进入实用阶段的四维超声成像系统。有一些如“一体化”腹部探头三维成像系统，经食道三维超声CT系统，电磁定位的经体外freehand三维超声成像系统等正处于实验室研究和临床试验阶段。

2关键技术问题分析

2.1图像定位问题

上面讲过，基于离线二维重组的三维实现方案中图像采集方法有两种，每种采集方案各有几种定位方法，以下分别论述。

(1)随机采样方案中的几种定位实现方法。实现随机采样的系统又被称为freehand系统。它的优点是医生可自由选择最佳的观察位置和角度。该系统要求位置探测器有足够高的精度和足够快的数据采集速度，以便记录探头每一时刻的空间姿态。目前所使用的位置检测机构有三种(示意图见图2)。

图2a所示为基于声学定位系统的方法^［9］。在超声探头上安装一个相对位置固定的声发射装置，并在病床上方安装麦克风作为声接收装置，通过测量声传播过程中不同的时间延迟就可以推算出探头的空间位置。此类装置中传感器体积较大，声束易被遮挡，不具备实用价值。

图2随机采样方案中的三种定位方法示意图

a)声学定位；b)机械定位；c)电磁定位

Fig 2Schematic diagram showing three basic methods for obtaining the position and orientation of the ultrasound transducer for the free-hand acquisition technique

a) acoustic； b) articulated arm； c)electromagnetic positioners

图2b为使用多自由度机械臂的方法。这一方法中安装在多关节机械臂末端的超声探头可以实现一定空间范围内的六自由度运动。然而，探头定位精度与其活动范围大小成反比，限制了成像体积。且机械臂制造复杂，价格高昂。

图2c所示为基于电磁定位机构的方法^{［5，1，10］}。采用有一定覆盖范