三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析
作者：郝晓辉 高上凯 高小榕
单位：(清华大学 电机系，北京 100084)
关键词：三维超声成像；分割；准确重构
生物医学工程学杂志980324
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
, http://www.100md.com
Hao Xiaohui Gao Shangkai Gao Xiaorong Yang Fusheng
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University，Beijing 100084)
Abstract This 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.
, 百拇医药
Key words Three dimensional ultrasonic imaging Segmentation Accurate 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。
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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。
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(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。
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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。
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图1 二维面阵探头工作示意图
Fig 1 Schmatic 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
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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)。
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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 2 Schematic diagram showing three basic methods for obtaining the position and orientation of the ultrasound transducer for the free-hand acquisition technique
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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]。采用有一定覆盖范围的电磁发射器和一个很小的可贴在探头上的接收器组成超声三维成像的电磁定位机构。运行过程中，接收器通过分析发射器发射的电磁矢量，可给出关于探头位置与指向的六自由度参数。由于这套系统具有体积小、使用方便等突出优点，成为近几年来超声三维成像研究的热点。它存在的主要问题是易受周围环境中铁磁材料和磁场的影响。
(2)预先确定采样方案的实现方法。freehand系统虽能提供很大的操作灵活性，但却不可避免地带来了大量的噪声和采样不均匀现象。轨迹确定的条件下，这些问题并不严重，这时，各象素空间位置可预先计算好，采样数据的三维体积重构很方便。具体的采集轨迹有三种形式，如图3所示，包括线性扫描a，扇形扫描b和旋转扫描c。
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图3 预先确定的采集方案的几种实现形式
a)线性扫描；b)扇形扫描；c)旋转扫描
Fig 3 Schematic diagram showing the three basic types of motion used in 3D ultrasound systems making use of mechanical scanning
a) linear； b) fan；c)rotational
线性扫描是将探头装在一机械支架的平移机构[11]上，通过电机带动其沿平行于病人皮肤表面并与图像垂直的直线轨迹移动，采集一系列该器官的平行截面。已进入商品化的三维超声成像系统如Kretz公司的COMBISON 530即采用此种扫描方式。该产品在一个特制的3D探头内安装有机械扇扫装置，可在两个垂直的方向上做扇形扫描。工作时超声换能器沿x，y两个方向做均匀扫描，各采集一系列二维图像。而后根据两个主向的图像重组三维数据。该系统所得三维图像分率较低。线性扫描的方法在母体胎儿三维超声成像系统和经食道后拉式超声CT系统中亦得到了较为成功的应用。
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超声传感器绕过其阵元的轴线旋转可采集一系列角间距相等的扇形扫描平面。这种扫描方式会产生近端过采样和远端欠采样现象，但这个问题可通过减少摆动角度间隔来弥补。
旋转扫描方式中，探头绕穿过自身的空间轴线以确定角度间隔做步进旋转，同时在各停留角度位置采集图像。这一方法要求探头在采样过程中不发生空间位移，否则必须根据位移量对数据进行修正。
2.2 三维准确重构问题
基于离线二维图像重组的三维超声成像系统都以被检测物体在空间的绝对位置不发生变化为前提。只有这样，才能通过从不同角度或不同位置得到的人体器官二维切面重构出器官的三维形态。然而，三维超声成像系统中，被检测器官均受到呼吸等运动的影响，在采集过程中会发生各种形式的运动，使三维重构不易实现。
2.3 不规则采样平面的三维重构问题[4，12，14，15]
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不规则采样是freehand系统必然的结果。所谓不规则采样平面是指由于采集路线的随机性，获得的空间位置随机的二维图像。这种条件下得到的不规则采数据的三维体积重构存在几个问题：
(1)如何将位置不规则的二维平面数据转换为三维体积数据才能满足精度要求。
(2)采用不规则采样方法可能造成三维笛卡尔坐标中有些点未被采样，而有些点则被采样不只一次，这就带来了未采样点的插补和过采样点的灰度处理问题。由于未采样点位置未知，只能通过逐点搜索得到，因此对未采样点插补运算的工作量很大。过采样点各次采样结果灰度值可能不同，重构过程这一点的灰度如何确定就成为一个重要的问题。
(3)还有一个采样密度的选取问题。在规则采样条件下，采样密度可由预先确定的分辨率确定；不规则采样条件下，采样密度应如何选取才能满足分辨率要求却不是一件容易的事。
, 百拇医药 2.4 三维超声图像的分割
图像分割是三维超声成像中最困难的问题之一。超声图像往往分辨率、对比度较低，分割尤为困难。一个主要原因是超声图像固有的Speckle噪声问题。Speckle噪声是由于超声束散射回波相互干扰产生的。它限制了超声图像的细节显示能力，同时使得超声图像的分割陷入困境。
超声成像还有一个回声失落问题。回声失落是指当超声束与被探测物体表面相切时，没有反射回波，被切表面无法被检测到的现象。在图像分割和解释过程中这种现象容易被误认为是病变空洞。
另外，人体生理超声图像是极为复杂的。即使图像中的器官我们可预先熟知和精确了解，病态目标亦可借鉴专家经验知识，一般的分割方法仍难以奏效。依赖于专家勾边的人工和半人工分割方法又极麻烦和费时。
现在已有很多超声图像分割方法，其中二维分割方法可归为三类：
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*由有经验的医生根据对图像的视觉理解进行人工勾边和分割
*半人工的分割方法
*自动分割方法
其中，人工方法十分繁琐。半人工方法虽已进入实用阶段，但仍常常需要医生对由图像噪声[16]引起的分割误差做一些修正。自动分割方法主要有两方面的尝试：一种是在应用传统方法的同时结合目标的先验知识完成图像的分割处理。如Jain[17]在心室容积测量中发展的基于心室形状的分割方法。一种是神经网络方法。如Tom Brotherton[18]用于超声心动图的FMM(模糊极大极小)神经网络法。这两种方法仍处于理论研究阶段，离实用还很遥远。
三维超声图像分割有两种途径，一种是对二维切面图像做二维分割，而后将各切面重组得到图像的三维分割结果。另外一种途径是体积意义下的三维分割。即直接从三维角度进行分割。这两种方法对于结构比较简的器官的三维超声图像尚能适用，但无法处理复杂器官的三维图像。
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尽管超声图像分割是如此的困难，由于将感兴趣的目标(如心脏或血管、心室等)从周围的组织结构(如血池和肺)中分离出来是对其表面和解剖结构进行显示的必要步骤，又因为图像分割是某些医学参数如心室容积、心内膜面积等进行三维定量测量的前提，它仍然是最具有挑战性和迫切性要求的课题之一。
超声图像的三维显示由于可利用现有的很多工程化软件，实现较为容易，这里不做为重点讨论的问题。
3 值得研究的问题及发展方向
尽管三维超声成像系统被企业界、工程界人士视为一项技术飞跃，但医学界人士尚未完全认可此项技术。这一方面是由于经验丰富的医师利用二维超声成像设备就可以获得对病变器官的详细了解，另一方面也是由于现有三维超声成像系统在功能和实用性上远未满足临床要求。
就目前来看，三维超声成像的实现和应用过程中还有许多技术问题未能解决。其中最值得研究的有如下几条：
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3.1 发展良好的临床操作界面
现有的三维超声成像系统操作过程大都很专业化。执行每一步时都要求操作者对其中的技术原理有相当的了解才能最终获取较好的三维图像。并且，系统的操作界面也不够友好。研究并生产对医生而言可称为“傻瓜型”的三维超声成像系统是三维超声成像真正进入实用化的前提。
3.2 加快三维重建的速度
目前已处于临床试验阶段的三维超声成像系统的三维重建速度都比较缓慢，主要原因一个是重构过程中数据运算量太大。另一个重要原因是为了显示三维立体图像必须进行图像分割。目前，超声图像的分割免不了人工参与。在人工参与情况下，获得某一角度的直观三维映像所需时间一般在一小时以上。若从不同角度以不同方式进行观察则还需再次重建。这与临床对实时性的要求相去甚远。因此，在不增加硬件成本的前提下，尽量提高三维重建的速度已成为当前研究的重要目标。解决途径一是研究快速的重构算法，一是发展快速的分割与显示算法。
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3.3 提供在三维基础上进行医学参数测量的方法
虽然利用三维图像将能完成许多医学参数的精确测量，但是真正实现测量还需解决两个问题：(1)目前的三维超声系统得到的图像还很粗糙，其后期的分割与显示处理也不完善，难以提供精确测量所需的三维图像基础；(2)在三维基础上诸如体积、表面积等参数的测量方法还不成熟。所以，具体参数的三维测量方法及其应用还有待进一步研究。
随着计算机技术、电子技术、图像处理技术的发展，三维及四维超声成像系统一定会逐步进入临床实用阶段，成为继1952年B型超声成像技术出现后医学诊断技术的又一次飞跃。
参 考 文 献
1 Detmer PR, Lipscomb K, Blomqvist CG et al. 3D Ultrasonic Image Feature Localization Based on Magnetic Scanhead Tracking: In vitro Calibration and Validation, Ultrasound in Med & Biol, 1994;20(9)∶923
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2 Salusri A. Ultrasonic Three-Dimensional Reconsruction of the Heart, Ultrasound in Med. & Biol,1995；21(3)∶281
3 Nelson TR. Three-Dimensional Echocardiographic Evaluation of Fetal Heart Anatomy and Function: Acquisition, Analysis, and Display, Journal of Ultrasound in Med, 1996；15∶1
4 Hughes SW. Volume Estimation From Multiplanar 2D Ultrasound Images Using a Remote Electromagnetic Position and Orientation Sensor, Ultrasound in Med. & Biol, 1996；22(5)∶561
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5 Smith SE. High-Speed Ultrasound Volumetric Imaging System-Part I: Transducer Design and Beam Steering, IEEE Trans of Ultrason. Ferrolec. Freq. contr,1991;38(2)∶100
6 Capinery L. Nearly Real-Time Visualization of Arbitrary Two-Dimensional Sections from Three-Dimensional Acquisition, Ultrasound in Med, & Biol, 1996；22(3)∶319
7 Hodges TC. Ultrasonic Three-Dimensional Recontruction: In vitro and in vivo Volume and Area Measurement, Ultrasound in Med. & Biol, 1994；20(8)∶719
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8 舒先红，沈学东，施纯敏等.血管腔内超声显像三维重建实验研究.中国超声影像学，1996；9∶224
9 Sapin PM. Three-Dimensional Echocardiography, Cardiol Rev, 1995；3(4)∶205
10 Belohlavek M. Three-and Four-Dimensional Cardio Vascular Ultrasound Imaging: A New Era for Echo Cardiography,Mayo Clin. Proc, 1993；68∶221
11 Nelson TR. Visualization of 3D Ultrasound Data,IEEE Computer Graphics & Applications,1993∶50
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12 吕 清，王新房，李治安等.二尖瓣狭窄的四维超声显示，Chin J Ultrasonogr, 1997；6(1)
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14 Yagle YE. Analogues of Split Levision, Schur, and Lattice Algorithms for Three-Dimensional Random Field Estimation Problems, SIAM Journal of Appl.in Math, 1990；50(16)∶1780
, 百拇医药 15 Pei SP. Efficient Fast Design of Three-and Higher-Dimensional FIR Digital Filters by Analytical Least Squares Method, IEEE Trans. on Cir.& Sys-II:Analog and Digital Signal Processing, 1996；43(4)∶339
16 Kofidis E. Segmentation-Based L-filtering of Speckle Noise in Ultrasonic Images, SPIE Nonlinear Image Processiong, 2180∶280
17 Jain AK.Fundamentals of digital Image Processing. Prentice Hall, 1989
18 Brotherton T, Classifying Tissue and Structure in Echocardiograms, IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1994；754
(收稿：1997-05-12 修回：1997-10-05), 百拇医药
单位：(清华大学 电机系，北京 100084)
关键词：三维超声成像；分割；准确重构
生物医学工程学杂志980324
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
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Hao Xiaohui Gao Shangkai Gao Xiaorong Yang Fusheng
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University，Beijing 100084)
Abstract This 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.
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Key words Three dimensional ultrasonic imaging Segmentation Accurate 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。
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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。
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(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。
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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。
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图1 二维面阵探头工作示意图
Fig 1 Schmatic 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
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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)。
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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 2 Schematic diagram showing three basic methods for obtaining the position and orientation of the ultrasound transducer for the free-hand acquisition technique
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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]。采用有一定覆盖范围的电磁发射器和一个很小的可贴在探头上的接收器组成超声三维成像的电磁定位机构。运行过程中，接收器通过分析发射器发射的电磁矢量，可给出关于探头位置与指向的六自由度参数。由于这套系统具有体积小、使用方便等突出优点，成为近几年来超声三维成像研究的热点。它存在的主要问题是易受周围环境中铁磁材料和磁场的影响。
(2)预先确定采样方案的实现方法。freehand系统虽能提供很大的操作灵活性，但却不可避免地带来了大量的噪声和采样不均匀现象。轨迹确定的条件下，这些问题并不严重，这时，各象素空间位置可预先计算好，采样数据的三维体积重构很方便。具体的采集轨迹有三种形式，如图3所示，包括线性扫描a，扇形扫描b和旋转扫描c。
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图3 预先确定的采集方案的几种实现形式
a)线性扫描；b)扇形扫描；c)旋转扫描
Fig 3 Schematic diagram showing the three basic types of motion used in 3D ultrasound systems making use of mechanical scanning
a) linear； b) fan；c)rotational
线性扫描是将探头装在一机械支架的平移机构[11]上，通过电机带动其沿平行于病人皮肤表面并与图像垂直的直线轨迹移动，采集一系列该器官的平行截面。已进入商品化的三维超声成像系统如Kretz公司的COMBISON 530即采用此种扫描方式。该产品在一个特制的3D探头内安装有机械扇扫装置，可在两个垂直的方向上做扇形扫描。工作时超声换能器沿x，y两个方向做均匀扫描，各采集一系列二维图像。而后根据两个主向的图像重组三维数据。该系统所得三维图像分率较低。线性扫描的方法在母体胎儿三维超声成像系统和经食道后拉式超声CT系统中亦得到了较为成功的应用。
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超声传感器绕过其阵元的轴线旋转可采集一系列角间距相等的扇形扫描平面。这种扫描方式会产生近端过采样和远端欠采样现象，但这个问题可通过减少摆动角度间隔来弥补。
旋转扫描方式中，探头绕穿过自身的空间轴线以确定角度间隔做步进旋转，同时在各停留角度位置采集图像。这一方法要求探头在采样过程中不发生空间位移，否则必须根据位移量对数据进行修正。
2.2 三维准确重构问题
基于离线二维图像重组的三维超声成像系统都以被检测物体在空间的绝对位置不发生变化为前提。只有这样，才能通过从不同角度或不同位置得到的人体器官二维切面重构出器官的三维形态。然而，三维超声成像系统中，被检测器官均受到呼吸等运动的影响，在采集过程中会发生各种形式的运动，使三维重构不易实现。
2.3 不规则采样平面的三维重构问题[4，12，14，15]
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不规则采样是freehand系统必然的结果。所谓不规则采样平面是指由于采集路线的随机性，获得的空间位置随机的二维图像。这种条件下得到的不规则采数据的三维体积重构存在几个问题：
(1)如何将位置不规则的二维平面数据转换为三维体积数据才能满足精度要求。
(2)采用不规则采样方法可能造成三维笛卡尔坐标中有些点未被采样，而有些点则被采样不只一次，这就带来了未采样点的插补和过采样点的灰度处理问题。由于未采样点位置未知，只能通过逐点搜索得到，因此对未采样点插补运算的工作量很大。过采样点各次采样结果灰度值可能不同，重构过程这一点的灰度如何确定就成为一个重要的问题。
(3)还有一个采样密度的选取问题。在规则采样条件下，采样密度可由预先确定的分辨率确定；不规则采样条件下，采样密度应如何选取才能满足分辨率要求却不是一件容易的事。
, 百拇医药 2.4 三维超声图像的分割
图像分割是三维超声成像中最困难的问题之一。超声图像往往分辨率、对比度较低，分割尤为困难。一个主要原因是超声图像固有的Speckle噪声问题。Speckle噪声是由于超声束散射回波相互干扰产生的。它限制了超声图像的细节显示能力，同时使得超声图像的分割陷入困境。
超声成像还有一个回声失落问题。回声失落是指当超声束与被探测物体表面相切时，没有反射回波，被切表面无法被检测到的现象。在图像分割和解释过程中这种现象容易被误认为是病变空洞。
另外，人体生理超声图像是极为复杂的。即使图像中的器官我们可预先熟知和精确了解，病态目标亦可借鉴专家经验知识，一般的分割方法仍难以奏效。依赖于专家勾边的人工和半人工分割方法又极麻烦和费时。
现在已有很多超声图像分割方法，其中二维分割方法可归为三类：
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*由有经验的医生根据对图像的视觉理解进行人工勾边和分割
*半人工的分割方法
*自动分割方法
其中，人工方法十分繁琐。半人工方法虽已进入实用阶段，但仍常常需要医生对由图像噪声[16]引起的分割误差做一些修正。自动分割方法主要有两方面的尝试：一种是在应用传统方法的同时结合目标的先验知识完成图像的分割处理。如Jain[17]在心室容积测量中发展的基于心室形状的分割方法。一种是神经网络方法。如Tom Brotherton[18]用于超声心动图的FMM(模糊极大极小)神经网络法。这两种方法仍处于理论研究阶段，离实用还很遥远。
三维超声图像分割有两种途径，一种是对二维切面图像做二维分割，而后将各切面重组得到图像的三维分割结果。另外一种途径是体积意义下的三维分割。即直接从三维角度进行分割。这两种方法对于结构比较简的器官的三维超声图像尚能适用，但无法处理复杂器官的三维图像。
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尽管超声图像分割是如此的困难，由于将感兴趣的目标(如心脏或血管、心室等)从周围的组织结构(如血池和肺)中分离出来是对其表面和解剖结构进行显示的必要步骤，又因为图像分割是某些医学参数如心室容积、心内膜面积等进行三维定量测量的前提，它仍然是最具有挑战性和迫切性要求的课题之一。
超声图像的三维显示由于可利用现有的很多工程化软件，实现较为容易，这里不做为重点讨论的问题。
3 值得研究的问题及发展方向
尽管三维超声成像系统被企业界、工程界人士视为一项技术飞跃，但医学界人士尚未完全认可此项技术。这一方面是由于经验丰富的医师利用二维超声成像设备就可以获得对病变器官的详细了解，另一方面也是由于现有三维超声成像系统在功能和实用性上远未满足临床要求。
就目前来看，三维超声成像的实现和应用过程中还有许多技术问题未能解决。其中最值得研究的有如下几条：
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3.1 发展良好的临床操作界面
现有的三维超声成像系统操作过程大都很专业化。执行每一步时都要求操作者对其中的技术原理有相当的了解才能最终获取较好的三维图像。并且，系统的操作界面也不够友好。研究并生产对医生而言可称为“傻瓜型”的三维超声成像系统是三维超声成像真正进入实用化的前提。
3.2 加快三维重建的速度
目前已处于临床试验阶段的三维超声成像系统的三维重建速度都比较缓慢，主要原因一个是重构过程中数据运算量太大。另一个重要原因是为了显示三维立体图像必须进行图像分割。目前，超声图像的分割免不了人工参与。在人工参与情况下，获得某一角度的直观三维映像所需时间一般在一小时以上。若从不同角度以不同方式进行观察则还需再次重建。这与临床对实时性的要求相去甚远。因此，在不增加硬件成本的前提下，尽量提高三维重建的速度已成为当前研究的重要目标。解决途径一是研究快速的重构算法，一是发展快速的分割与显示算法。
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3.3 提供在三维基础上进行医学参数测量的方法
虽然利用三维图像将能完成许多医学参数的精确测量，但是真正实现测量还需解决两个问题：(1)目前的三维超声系统得到的图像还很粗糙，其后期的分割与显示处理也不完善，难以提供精确测量所需的三维图像基础；(2)在三维基础上诸如体积、表面积等参数的测量方法还不成熟。所以，具体参数的三维测量方法及其应用还有待进一步研究。
随着计算机技术、电子技术、图像处理技术的发展，三维及四维超声成像系统一定会逐步进入临床实用阶段，成为继1952年B型超声成像技术出现后医学诊断技术的又一次飞跃。
参 考 文 献
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17 Jain AK.Fundamentals of digital Image Processing. Prentice Hall, 1989
18 Brotherton T, Classifying Tissue and Structure in Echocardiograms, IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1994；754
(收稿：1997-05-12 修回：1997-10-05), 百拇医药