医学超声波图像的三维成像技术研究

　　摘要：由于超声波诊断系统具有非侵入性、实时产生器官动态图像以及移动方便等优点，超声波成像已经成为现代医疗诊断中不可或缺的系统之一，其中三维成像技术在其中占据非常重要的作用。本文在分析二维超声波成像的基础上，分析了现有的医学超声波三维成像技术。

　　【关键词】超声波图像，三维成像，表面成像法，体积成像法

　　1引言

　　超声波诊断系统具有非侵入性、能实时产生器官动态图像以及移动方便等优点，因此在现代医疗应用，超声波成像已经成为现代医疗诊断中不可或缺的系统之一。超声波图像是一个二维的？面断层扫描图像，其成像原理如下：当采用超声波探测系统导入组织后，由于不同的组织各部分对声波的阻抗？同，会产生不同的反射波，因此形成了超声波图像。与传统X光投射式图像？同，超声波图像中通常需要分析图像所代表的组织/器官的意义，需要有足够的人体结构解剖学方面的知识，对人体内组织与器官三维结构具有充份的了解与空间分布的概？，才能正确从中解译出超声波图像中各个组织的情况。利用超声波图像进行诊断，则需要？积足够的超声波图像解译经验，才能快速且准确地判断出图像所代表的生理现象。

　　超声波图像也会因设定而产生？同的结果，包括：探头频率、扫描方向、扫描深度。因此解译一张超声波图像，不只要有对图像范围内组织与器官特性的了解，还要配合仪器的操作与设定，才能顺利解译图像所代表的意义。此外，超声波图像会受到音波散射与干涉效应的影响，使得成像效果不清晰，图像边界模糊，因此更加需要具备充份的专业训练与经验，以解译超声波图像。由于超声波图像是以二维扫描切面方式呈现，因此在解译超声波图像时，需结合结构学、解剖学、生理学等专业知识，以及对人体各部位清楚的解剖及空间相关概念。在超声波成像中，三维超声波图像是一个非常重要的应用。通过三维立体成像，能让人清楚地得知各个器官组织的形状、大小及位置，以提供在医疗上的疾病判断标准，因此，三维超声波图像技术在现代医学中具有相当重要的作用。本文在分析二维超声波成像的基础上，分析了现有的医学超声波三维成像技术。

　　2三维超声波成像

　　近年来，在临床的应用上，由于三维超声波成像系统的技术大幅改善，使得许多医疗研究领域不断地被开发，因而对病人的诊断以及管理上造成很大的影响。到目前为止，胎儿、心脏以及妇科方面等领域最受到大家广泛的关注。

　　在三维超声波成像中，首先建立三维结构的人体组织及器官。在临床上虽然医生或专业人员对人体结构？有了充份的了解，可是人体结构复杂，对超声波切面图像所代表的意义不能完全记忆；因此在超声波设备旁，常常都会附上辅助的？面图像，对应各主要部位超声波图像所代表的组织或器官切面位置，方便医生进行对比。近年来，计算机的运算速度不断提升，现在已经能在计算机上展现出逼真的3D？体效果与多屏幕输出功能；在计算机所呈现虚拟现实中，创造出与真实空间相类似的环境。通过对象物？引擎的开发，更以可在虚拟环境中仿真物体的真实物？特性，进而发展虚拟现实等工具与系统，并广泛应用于建筑、工业、娱乐等领域。最典型的取得三维超声波图像的方法，是通过移动探头，以线性扫描（LinearScan）、扇形扫描（SectorScan）或是箭形扫描（SagittalScan）的方式，连续取得多张二维图像后，再给予图像间应有的相对空间位置，最后利用表面成像法或是体积成像法来实现三维成像。这种情况下获得的三维超声波图像是由多张二维图像组合而成的，所以必须知道每张图像间相对的空间位置才能组合出正确的三维图像。目前得知图像彼此对应的位置与方向的方法，传统上可将探头加装上一额外的空间定位系统，当探头移动时，定位系统即可记录下探头移动的位置与方向，再对应于所取得的二维图像。

　　通过上述的介绍可知：在求得二维图像间彼此的相对空间位置后，即可使用表面成像法（SurfaceRendering）或体积成像法（VolumeRendering）予以三维图像的重建。表面成像法简单地说是将物体的表面部份投影到二维平面上，因此在做表面成像之前，必须从每一张二维图像中圈选出感兴趣的区域（RegionofInterest），以找出立体对象之表面部份，并将这些表面之曲面利用诸如三角形、矩形或多边形之贴图来近似。表面成像法由于只粹取出物体的表面部份，因此数据量大幅减少，节省许多做三维立体成像的运算时间，但目前最大的瓶颈在于超声波图像要准确地分割出有兴趣的部位并不容易，以致于在实际应用上可能会因物体图像的小特征和分支没办法精确的分割出来，而导致产生不正确的表面。同时由于一般在做图像分割时，只粹取出物体边缘部份，因此对于物体的内部成像或是含有多个物体同时重迭的成像均不易实现。在体积成像法，（AlanWatt.，1993）、（，lSweet，2000），其成像的主要原理为重新取样、梯度计算、求明亮度、归类以及组合成像，首先，假设以观察点为基准朝三维物体作观测，随着从观察点发射的光线前进路线，可以看到光线会通过物体，并且会在物体内部相交，由于这些相交点常常不会刚好落在三维数据的取样点上，因此必须通过邻近取样点的灰阶值以线性内插的方式来求得可能的灰度值。

　　3结论

　　临床应用日益增加的需求使得三维超声波成像技术越来越受关注，在胎儿、心脏以及妇科方面等领域最受到广泛的关注。本文在分析二维超声波成像的基础上，分析了现有的医学超声波三维成像技术。

　　作者简介；肖波（1971.4-），女，重庆人，泸州医学院生物医学工程系，电气工程硕士，讲师，从事医疗仪器、医学图像处理、DSP及在医疗仪器中的应用研究。本文来自《中国医学计算机成像》杂志