三维超声成像技术的发展
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。技术的进步又推动了临床应用的发展，超声扫查几乎涉及了人体内所有的器官。
然而，当医生想更准确地了解脏器结构时，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。这就在一定程度上影响了临床诊断的准确性与治疗的有效性。特别是对一些畸形的或病变的脏器，二维图像的诊断更显得欠缺。
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
采集了人体结构的三维数据后，医生可通过人—机交互方式实现图像的放大、旋转及剖切，从不同角度观察脏器的切面或整体。这将极大地帮助医生全面了解病情，提高疾病诊断的准确性。
2. 精确测量结构参数
心室容积、心内膜面积等是心血管疾病诊断的重要依据。在获得了脏器的三维结构信息后，这些参数的精确测量就有了可靠的依据。
3. 准确定位病变组织
三维超声成像可以向医生提供肿瘤(尤其是腹部肝、肾等器官)在体内的空间位置及其三维形态，从而为进行体外超声治疗和超声导向介入性治疗手术提供依据。这将有利于避免在治疗中损伤正常组织。
4. 缩短数据采集时间
成功的三维超声成像系统在很短时间里就可采集到足够的数据，并存入计算机。医生可以通过计算机存储的图像进行诊断，而不必要在病人身上反复用二维探头扫查。甚至在病人离开医院后，医生们还可以在一起从不同的角度观察病变的组织和脏器。
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。
二、三维数据采集
三维数据采集是实现三维成像的第一步，也是确保三维成像质量的关键一步。目前，大多数超声三维数据的采集是借助已有的二维超声成像系统完成的。也就是说，在采集二维图像的同时，采集与该图像有关的位置信息。在将图像与位置信息同步存入计算机后，就可以在计算机中重构出三维图像。
已经使用或还在不断研究中的数据采集方法有机械定位方式、可自由操作系统(以下简称Free-hand系统)以及二维面阵探头的应用。
1. 机械定位系统
考虑到已有的二维超声成像技术已经非常成熟，不少研究者想到利用现有的二维B超加上适当的机械定位系统来采集三维数据。即事先规定好探头的移动轨迹，扫查过程中在记录二维图像的同时记录每幅图像的几何位置，将两者信息存入超声诊断仪或外部计算机系统，然后由相应的软件重构三维图像。
所设计的机械装置可以是将已有的二维探头连同定位系统集成在一个壳子里，成为所谓的“一体化”探头。这样做的好处是整个装置的体积小，并可以精心设计让三维重构获得最佳的效果。存在的问题是: 专门设计的“一体化”探头只能适合于专门的超声诊断仪。用户如果不具备该公司的超声诊断仪，就无法使用其“一体化”探头。
也可以设计适合于各种探头使用的外部机械定位装置来实现三维数据的采集。这样做的好处是用户不必购买专门的超声诊断仪就可以获得三维成像的功能。如果用外部计算机来实现三维重构，还很容易在三维成像方面实现系统的升级换代。不足之处是: 外部机械定位系统往往比较庞大且复杂，造成用户操作不方便。
根据探头移动轨迹的不同，机械定位系统有图1所示3种扫描方式: 平移式、倾斜式和旋转式。
平移式采集的数据是一组等间隔的相互平行的二维图像。基于这样的数据，重构三维图像是比较容易的。此外，在多普勒血流成像中，由于平面相互平行，也容易识别声束与血流间的夹角。因此，此类系统已被成功应用于血管成像、颈动脉血流测量等场合。
倾斜式扫描是将探头固定放在病人的皮肤表面，然后让探头绕一条与探头平行的轴摆动。结果是得到了一系列等角度(类似扇形的)分布的二维图像。这类系统的优势是容易手持操作，扫描的视野比较大。而且，因为探头摆动的有关参数是事先设计好的，因此三维图像重构的速度也比较快。缺点是随着探查深度的变化，空间分辨率变差。而且，三维数据在各个方向上分辨率的不一致性也给图像重构带来麻烦。
旋转式的扫描装置是让探头围绕与探头垂直的轴旋转(一般要大于180*)，最后得到类似圆锥型的三维数据。这类系统同样存在空间分辨率不均匀的问题。此外，为了实现准确的三维重构，在数据采集过程中必需保持旋转轴是不动的。否则会直接影响三维重建的精度。
2. Free-hand系统
虽然机械定位系统具有较高的定位精度和重建速度，但是一个不容回避的问题是复杂的机械装置，特别是在大器官检查的时候，就显得不方便。为了克服这一不足，研究人员设计了多种非机械式的位置跟踪系统，即在医生手持B超探头做检查上，系统随时跟踪探头的位置和方向。这样的系统可以让医生根据需要自由地选择扫查的方向，并能在移动探头的过程中自动适应体表形状的变化。这就是所谓的“Free-hand系统”。
曾经开发出来和正在研究的Free-hand系统有声传感器系统、多关节机械臂和电磁式的定位系统。其中，基于6个自由度的电磁式位置传感器定位系统是近几年来成功开发的Free-hand系统。电磁式位置传感器由发射器、接收器及相应的电子装置构成。发射器产生空间变化的电磁场，接收器内有3个正交的线圈用于感受所在位置的电磁场的强度。只要将接收器固定在超声探头上，就可以实现对探头位置和方向的跟踪。电磁式定位系统的缺点是对噪声和误差比较敏感。电磁干扰(如CRT监视器等)、使用环境中的铁磁材料都可以使测量的磁场发生畸变而引起定位误差。
也有研究报道不用位置传感器的Free-hand系统。一种实现方法是要求操作人员均匀、平稳地移动探头，根据移动的距离和花费的时间来估计出二维平面的间隔，然后再重构出三维图像。很显然，这种方法可以大致地指示人体内部的结构，但是不能用来做准确的测量。更精确的做法是通过二维图像中斑点模式和图像特征的相关分析，来跟踪探头的移动。这种做法显然比完全凭经验的操作更有科学依据。
Free-hand系统虽然操作比较方便，但是由于缺少约束，操作人员在采集数据时要特别小心，不要在两个相邻的平面间留下太大的缝隙，否则将不能保证重构图像的质量。
3. 二维面阵探头
前面介绍的机械定位系统或Free-hand系统都是在先获得二维图像的基础上实现三维图像重构的。更理想的方法应该是保持超声探头完全不动，直接获得三维体积的数据。二维面阵探头用电子学的方法控制超声束在三维空间的指向，就可以实现上述功能。在工程实现时，由于二维面阵的阵元数量很大，每个阵元都要配置相应的通道，因此无论从技术的复杂性，还是系统的代价来说，都还有许多问题需要研究解决。
最后，由于三维数据采集往往需要较长的时间，因此要注意解决病人呼吸、心跳等原因引起的伪像或失真。
综上所述，不管采用什么方法，数据采集必须充分考虑以下3个因素:
(1) 要尽可能缩短数据采集的时间，以避免由于运动(包括呼吸、心跳等不可避免的运动)引起的伪像。必要时应使用同步的门控信号。
(2) 数据采集系统中各部件的几何关系必需清晰，并经过严格的校准，以避免图像的几何失真及由此造成的测量误差。
(3) 数据采集系统必需易于操作，不给医生和病人造成不便。
三、三维图像重建
对于机械定位或Free-hand系统，在获得了一系列二维图像和相应的位置信息后，就可以将其重组成三维数据结构。准确意义上的重建应该是把二维平面图像中的每一个象素转换到一个三维坐标系中，这种方法被称为基于象素的三维重构方法。
如果二维图像的位置是事先定义好的(例如，机械定位系统中的位置信息)，这一转换就比较容易完成。但是，对于Free-hand系统，采集到的数据是一系列空间不规则分布的二维图像，要将其转换成规则的三维晶格数据就比较复杂，其中涉及一系列坐标变换和校正。
以电磁式定位系统中三维图像的重建为例，三维重构涉及4个坐标系: 二维超声图像平面所处的坐标系(x1，y1，z1); 电磁定位系统中接收器坐标系(x2，y2，z2); 电磁定位系统发射器坐标系(x3，y3，z3); 以及最终重构出来的三维晶格图像坐标系(x4，y4，z4)。在实际操作中，经常假设(x3，y3，z3)与(x4，y4，z4)为一个坐标系。要将二维图像平面中每一个象素转换到三维晶格坐标系，需要完成从(x1，y1，z1)开始，经过(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)坐标系，直至(x4，y4，z4)坐标系的转换。原则上讲，每一次空间坐标系的转换都涉及两个坐标系间原点坐标位移量(3个坐标值)及坐标轴旋转角(3个旋转角)共6个参数。这其中(x2，y2，z2)到(x3，y3，z3)的转换关系由电磁式定位系统本身给出。但实现从(x1，y1，z1)到(x2，y2，z2)的转换则遇到了困难。这是由于电磁定位系统中的发射器、接收器以及超声探头都是密封的，其坐标原点无法用物理的方法直接测量获得。为了得到(x1，y1，z1)与(x2，y2，z2)间的坐标系转换关系，需要设计另外的辅助装置来完成。寻找(x1，y1，z1)到(x2，y2，z2)转换关系的过程称为系统的定标或校准。定标的过程一般是对一个事先设计的模型进行反复测量，从所获得的超声图像及相应的位置信息中推算出(x1，y1，z1)与(x2，y2，z2)间的坐标系转换关系。
在将一系列空间不规则排列的二维图像转换到三维晶格坐标系的过程中还有以下问题需要处理:
(1) 由于随意移动超声探头可能有一些空间位置上未被采样，这部分未被采样点上的数据需通过插补运算获得;
(2) 对那些不可避免地被重复采样的点，必须确定一个准则来决定该点的灰度值。
从原理上讲，上述问题并不难解决，但是在实践中，由于三维数据量十分庞大(针对不同用途典型的三维数据文件容量可达到16MB到98MB)，对其做任何操作带来的运算量都是十分惊人的。因此，如何提高三维图像重构的速度是一个必须解决的问题。
上述基于象素的三维重构方法保存了三维数据采集中获得的全部原始资料，医生可以根据需要观察任意切面上的图像。而且，在进行适当的图像分割后可以获得脏器的边界，并进行体积测量。不少商品化的三维重构软件使用的就是这种基于象素的三维重构方法。
一种较为简单的三维重构与显示的方法是基于图像特征的方法。这种方法在实现三维重构之前首先要对二维图像做分析处理，从中提取出有关的特征。例如，在产科诊断中，胎儿体表与周围的羊水之间有较明显的界限。于是，可以用计算机自动地将二维图像中的这一边界识别出来，并在图像中用特定的辉度或色彩将其表示出来(图像中不属于边界的部分可以被忽略掉或用别的色彩表示)。将二维图像中的轮廓线集成在一起，就可以将脏器结构的表面形象地表示出来。这种方法还被广泛地应用于心脏各腔室的三维重构。有了腔室表面的准确形态就可以进行三维容积的测量。
显然，基于图像特征的三维重构方法将三维解剖结构的数据简化成仅用一些特征边界来表示。由于数据量减少，极大缩短了三维重构的计算时间。此外，提取轮廓特征的方法实际上是人为地增加了图像的对比度，这将有利于解剖结构的观察。不过，与基于象素的三维重构方法相比，简单的基于图像特征的方法忽略了组织的细微结构与纹理。此外，由于超声图像本身固有的斑点噪声，如果用计算机自动识别边界很可能会出现偏差; 而人工勾边的方法则是相当费时的。
四、三维图像的可视化与定量分析
三维图像的可视化是指将三维数据投影到二维显示平面上。它除了要求达到形象逼真的显示效果外，还要求能提供快速的人—机交互功能，以便使医生能快速完整地理解病人脏器的解剖结构与功能。目前，常用的三维超声图像的显示方法有: 二维切片投影显示、三维表面绘制和体绘制方法。
二维切片投影显示是一种比较简单却被广泛使用的方法。它采用标准的坐标变换方法提取任意位置和方向上的二维图像。在商品化的超声诊断仪上，通常能用人机交互的方式在显示器上同时显示多个不同视角下的二维图像，并给出二维图像在三维体数据中的相对位置。表面绘制与体绘制方法的原理可参见计算机图形学方面的有关书籍。
虽然从原则上讲，在获得了三维晶格数据后，三维超声图像的显示可借用现有的比较成熟的技术来实现。但是，实现三维超声图像的显示仍有一些特殊的困难。主要的问题有:
1. 与X-CT或磁共振图像不同，超声图像中的辉度并不具有“密度”的意义，超声图像反映的是超声波在人体中传播路径上声阻抗的变化(声阻抗有明显变化的界面就比较明亮)。因此，在X-CT或磁共振图像处理中成功的方法并不能简单地沿用到超声图像的处理中。
2. 原始三维数据的质量会直接影响图像显示的效果。由于超声图像中存在固有的斑点噪声，图像的信噪比较低，给图像的边缘检测与分割带来了困难。
3. 在三维超声图像数据的采集过程中(特别是在Free-hand系统)，很可能在相邻的二维平面中出现缝隙。如果不采用诸如空间插值的方法，存在的缝隙将直接影响显示的质量。
为了克服上述困难，科研人员提出了不少有益的方法。如，借助运动的血流信息来区分血管与软组织; 用各种滤波的方法减小斑点噪声等等。
最后应该强调一下人—机交互在三维图像可视化中的重要性。临床医生对三维超声的认可在很大程度上与系统提供的用户界面有关。良好的人—机交互应该能快速响应用户的命令，能保证用户非常方便地实现图像的旋转、大小与视角的变换以便从一个最佳的位置上来观察人体解剖结构，最好还能迅速地提取病人诊断中需要的各种参数。由于超声图像中固有的斑点噪声及信噪比低等问题，全自动的图像分割与数据分类并不可靠，这个问题严重的时候还可能造成临床中的误诊。为此，不断开发可靠、适用的可视化方法(如借助多模式图像融合分析方法等)还是非常必要的。当然，给临床医生提供一个能参与三维图像处理与显示过程的环境也是必要的，这样的环境可以让医生根据自己的经验不断优化图像的分割与显示，以确保临床诊断的准确性。
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查平面中。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。
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。
三维超声测量的精度与准确度取决于二维图像的间隔、分辨率及组织的复杂程度。一般经验是离体的测量精度可达到2~5%，在体测量为5~10%。
五、结束语
虽然三维超声成像领域的研究工作近年来取得了长足的进步，但是要把它作为临床的常规检查工具来用还有不少工作要做。
从工程实现的角度上看，大幅度提高三维图像数据采集、重建与显示的速度是必须要解决的问题。显然，新型超声探头的设计以及大规模集成电路的应用对未来的发展来说是十分必要的。对于临床应用来说，一方面应要求工程人员尽可能设计易于操作的计算机界面，提高临床接受的程度。另一方面，医务人员也需要努力完成从习惯于观察二维平面图像到适应三维图像操作的转变。
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。
三维超声成像最终是否能成功地应用于临床将取决于它是否真的能提供比二维图像明显优越的性能与诊断效果。不过，随着相关技术突飞猛进的发展，可以相信此类系统真正进入常规的临床应用已不会是太遥远的事了。
