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三维超声成像技术的发展及临床应用

发表者:代亚辉 6952人已读

自超声技术应用于临床诊断60多年来,随着临床需求和现代电子技术尤其是计算机技术的发展,使超声影像技术,从应用初期的一维A型和M型超声成像发展到了实时灰阶二维B型超声成像,到目前的全数字能实时回放的三维超声影像系统。超声影像具有无创性,高灵敏度,应用面广,低成本和操作方便等优点,发展速度和普及程度近年已成为医学影像之首。可以预计实时三维(四维)超声成像必将成为二十一世纪医学影像系统临床应用中一项最为有效的诊断工具而造福于人类。保定市第五医院功检科代亚辉
正是由于这种市场需求,世界上许多知名的有远见的厂商竟相投入高科技开发全数字技术的实时三维(四维)超声影像系统。东软数字医疗股份有限公司以独特的视角推出了具有世界领先实时三维(四维)技术和软件技术的NAS-2000a,使超声医学影像与当代计算机尖端技术完美结合,在软件上采用了目前临床要求的最新专业软件,实现了动态三维实时回放、实时三维(四维)成像,简化了本来十分复杂的处理过程,提高了效率。
   原理与方法
 成像原理: 三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像,动态三维成像由于把时间的因素加进去,用整体显像法重建感兴趣区域准确实时活动的三维图像(又称四维)。
1、立体几何构成法:将人体脏器假设为多个不同形态的几何组合,需要大量的几何原型,因而对于描述人体复杂结构的三维形态并不完全适合,现已很少应用。
2、表面轮廓提取法:将三维超声空间中一系列坐标点相互连接,形成若干简单直线来描述脏器的轮廓,曾用于心脏表面的三维重建。该技术所用计算机内存少,运动速度较快。缺点是:(1)需人工对脏器的组织结构勾边,既费时又受操作者主观因素的影响;2)只能重建左、右心腔结构,不能对心瓣膜和腱索等细小结构进行三维重建;(3)不具灰阶特征,难以显示解剖细节,故未被临床采用。
 3、体元模型法:是目前最为理想的动态三维超声成像技术,可对结构的所有组织信息进行重建。
在体元模型法中,三维物体被划分成依次排列的小立方体,一个小立方体就是一个体元。 一定数目的体元按相应的空间位置排列即可构成三维立体图像。
4、随着高档超声仪器软件的不断开发,三维成像不经过工作站可直接启动设备软件包进行三维重建或三维电影回放来完成。

成像方式:动态三维超声成像原理与静态基本相同。
1、 表面成像:提取组织结构的表面灰阶信息,然后采取表面拟合的方式进行图像重组。
2、 透明成像:采用透明算法实现三维重建,淡化组织结构的灰阶信息,使之呈透明显 ,从而显示实质性脏器内部结构的空间位置关系。

三维超声重建方法
图像采集:
1、 机械驱动扫查:
平行扫查法:探头由电动马达驱动以预定的速度和预定的间隔采集图像。
 旋转扫查法:将探头固定于某一透声窗,探头围绕某一轴心旋转获取图像。
扇形扫查法:探头固定于某一位置,由机械驱动呈扇形运动获取图像,其扫查间隔角度可调。
2、 自由臂扫查法
3、 三维探头法:将晶片包容于一个探头内,其内另有一机械装置,可驱动晶片作等距离扇形或环形扫查。
4、 三维电子相控阵方法

三维重建:将采集的原始图像进行模数转换后存储并对图像间的间隔进行插补、平滑,形成立体数据库。

临床应用
一、在产科的应用
二维超声通常只对胎儿结构进行切面观察,因而有许多不足。三维超声不仅可以对胎儿体表结构进行表面重建,还可以用透明成像对胎儿体内结构进行三维成像,可从整体上对胎儿形体结构进行观察,提高胎儿畸形的产前诊断率,确定不同孕龄胎儿正常及病理形态。
1、 不同孕龄的胎儿各器官的成像特点
对64例孕5-40周的胚胎及胎儿不同阶段进行了详细的观察。结果发现:孕5周可显示卵黄囊,第六周可见胚胎;并清晰显示原始心管;第八周可以辨认手、手指和脚趾;11周可见张嘴胎儿;12周可辨认男性外生殖器;13周上下肢和面部可完全显示。
2、 胎儿生物学测量
估计孕周;评价胎儿生长发育情况,了解有无宫内发育迟缓(IUGR);诊断胎儿畸形。
3、 胎儿泌尿生殖系统
 通过三维超声三个平面的平行移动,可以清晰显示多囊肾、肾脏发育不良等疾病。三维超声表面成像能直观准确地显示胎儿外生殖器的立体形态,对判断两性畸形及阴囊裂等疾病有重要价值。
4、 胎儿中枢神经系统
许多学者通过大量的临床实践通过三维超声成像诊断神经管畸形(无脑儿、脑脊膜膨出、脉络膜囊肿等),利用血流彩色多谱勒信息建立的三维图像可清晰显示胎儿颅低Willis动脉环结构,对血管畸形等疾病的判断有一定价值。
5、 胎儿腹壁缺损
6、 胎儿面部
 胎儿面部观察是高危妊娠超声检查的重要组成部分。面部畸形通常是染色体异常或胎儿其它异常的一个指征。二维仅能显示前额、眼、鼻、唇和耳朵,三维更能清晰地观察胎儿面部解剖极其相互关系。唇裂和腭裂是用常规二维难以确定的畸形,10-15%胎儿唇裂和腭裂与其它畸形或染色体异常有关。
Pretorius等对71例胎儿进行面部观察,结果可显示68例胎儿面部唇结构,其中5例唇部畸形。(图4)
7、 骨骼发育及畸形
三维较二维更容易全面观察脊柱和胸廓连续性极其曲率,从不同角度来观察胎儿脊柱和胸廓有无异常,正确诊断脊柱侧弯、脊椎骨缺损、胸廓变形等多种畸形。
8、 胎儿心脏及血管
胎儿心脏的动态三维图像在准确估计心室容积及其动态变化、测量射血分数、判断宫内胎儿心脏先天性复杂畸形等方面可能提供一些有帮助的信息,但与MRI胎儿心脏三维重建相比,尚不成熟,测量的精确性需提高。
9、 脐带
可直观地显示胎儿脐带有无饶颈(饶体、饶肢)极其圈数,直观显示脐带的缠绕、打结等。
二、在妇科的应用
1、子宫疾病
应用三维超声显像可获取二维超声不能得到的冠状面的回声信息,并能通过相互垂直平面上的平行移动及旋转,对感兴趣结构做全面分析,如子宫畸形、子宫内膜息肉、黏膜下肌瘤等的判断有较高价值。
子宫畸形:弓形子宫:子宫腔近宫底处有弧形内凹;
纵隔子宫:宫腔近宫底处有隔形成并向子宫下段延伸,但未达宫颈处;如宫底部有切迹形成,其深度必不超过1cm。
双角子宫:见相互独立的子宫内膜图像。上畸形的区别主要有二项指标:宫底部切迹的深度和宫腔内纵隔的长度。
三维超声可以方便直接地测量这两项指标,对上述子宫畸形的诊断能达到量化的标准。而以往经腹或经阴道超声对上述二项指标不能直接测量。有报道三维超声用于判断子宫畸形的敏感度与特异性均达100%,与传统的子宫输卵管X线造影术相当,具有非侵入性、无创等优点。
子宫内膜息肉及子宫黏膜下肌瘤
由于病变较小常规二维超声难以作出诊断,经阴道超声已提高了检出率,但对二者不易鉴别,经阴道三维超声增加了C平面的回声信息,对二者的鉴别诊断能提供更多的帮助。
子宫内膜癌
应用三维超声测量容积的方法可以准确测量子宫内膜癌的容积大小,该指标对子宫内膜癌的诊断、分期及预后有重要意义。在三维超声出现之前,尚无一种方法能准确测量子宫内膜癌的容积。有报道以子宫内膜容积大于13ml作为判断子宫内膜癌的标准,其敏感性高达100%, 特异性为98.8%,阳性预测率为91.7%, 明显高于二维超声以子宫内膜厚度作为判断子宫内膜癌标准的指标。
2、 卵巢疾病
★三维超声可以观察囊性肿块的内部结构(内腔是否单一、内壁是否光滑、有无隔膜等);
囊肿内小的乳头状物,二维超声容易漏诊,而三维超声通过旋转可直观显示其内壁是否有乳头状突起、形态是否规则,能清晰观察到乳头状物的表面、大小、数目以及与囊壁的关系;内腔有隔膜时,三维超声能清晰显示隔膜的厚薄、隔膜表面是否光滑、是否有局限性的增厚、表面是否有赘生物等;在判断内容物性质方面三维比二维更优越,如发现囊性肿块内有血凝块,其表面皱缩, 多为巧克力囊肿;如呈砂粒状的皮脂液,多为皮样囊肿;如其内有实变的结构,可观察实变区的范围及表面形态,范围大、基底宽、表面明显凹凸不平,多为恶性,反之则为良性。
★三维超声在判断妇科肿块与周邻脏器如膀胱、直肠等的空间关系,对恶性肿瘤的浸润范围及深度等方面可直观显示。
★卵巢肿瘤的体积是良恶性判断、手术指征及疗效判定必不可少的参数之一。
Bonilla-Musoles对76名卵巢肿瘤妇女应用二维和三维测定瘤体体积, 同时用水置换法测定肿瘤术后的瘤体体积进行比较,结果三维超声体积测量更接近实际测量值。
3、 监测卵泡发育
三维能更准确地测量卵巢及卵泡容积,清晰观察卵泡边界、饱满程度,准确指导和监测排卵,指导临床用药、治疗不孕症。
4、 宫内节育器(IUD)
可清晰显示IUD的形态、大小及类型,在宫内的准确位置及异常植入子宫等。
 三、在腹部、小器官血管成像的应用
1、正常脏器三维图像的表现
(1)血管树及其分支显示充分:三维图像从不同角度显示正常肝、肾、脾血管树分支,较彩色多普勒血流显像和能量图增多、完整、清楚,由浅入深有层次感。并可见二维图像难以显露的微小血管,如肾弓形动脉,门静脉的四级分支。
(2)血管的立体空间结构清楚:三维动态图像以血管树主干为中心,主干到末梢连续成像,从不同方位分别出现单或多个血管树的分支,如门脉树右前叶、右后叶下段支相互对应,较二维彩超更有立体感。血管树局部放大可清晰显示具体的细节,如肾脏的叶动脉,三维血管造影呈鱼刺样对称的排列。肝内门静脉与肝静脉两种血管、肾、脾动静脉的2、3、4级分支, 三维图像可动态显示从主干到大支,再到小分支逐渐增多;两种血管树的分支呈相互交叉或平行的空间结构。相邻脏器如肝、脾与两肾的血管树同时动态转动,层次深度不同,衬托出脏器相邻,肝脾覆盖肾脏上极的立体解剖关系。
(3)增强小器官血管树的显示:正常小器官血管细小,走行弯曲,二维图像仅部分可见;
三维重建后形成相对完整的血管结构。如乳腺血管外侧来自腋动脉,内侧为乳内动脉的小分支,血流朝向乳头,妊娠晚期血管增粗,血流更加丰富。正常甲状腺、眼底视网膜中央动脉的血管树均较二维彩色多普勒超声清楚。
(4)血管三维动态造影:三维重建是图像叠加的过程,似X线血管造影时造影剂充盈血管的表现。三维成像由动脉主干开始,依次到分支至末稍的过程似动脉相,从末稍逐级增粗到主干似静脉相,为血管三维动态造影。妊娠子宫见子宫动脉及胎盘内的血流自基底部穿过胎盘进入脐带。
2、病变脏器三维图像的表现
(1)多血管型肿瘤:实质性脏器的多血管型肿瘤,三维图像显示恶性肿瘤如肝癌血管增多、粗细不等、杂乱,血流丰富,供血动脉增粗并朝向肿瘤病灶,其周围有粗大的动静脉血流包绕。少血管型癌瘤仅供血动脉增粗或血流包绕,肿瘤本身回声模糊。
(2)功能亢进性、血流旺盛病变:脾功能亢进、甲状腺机能亢进三维图像显示血管树主干粗大,分支和末稍小支增多如网状。而甲亢伴腺瘤局部血管充盈缺损。妊娠胎盘内外血管树随妊娠时间而增加, 妊娠晚期子宫、胎盘血管树多于早期。
(3)血管树移位、狭窄、中断:占位病灶侵犯血管时, 三维图像显示血管树移位,走向异常,或狭窄变细,分支中断。腹膜后肿瘤使肠系膜上动脉向前移位、抬高、压迫,并加宽血管与腹主动脉的间距。 门静脉内多发性癌栓三维图像显示血流细狭或血流间断。
(4)少血管和无血管型病变三维图像血管无特征性或减少:转移性肾脏肿瘤三维图像血管较少 ,因呼吸运动界面改变,形成病灶大小的相对轮廓。肝囊肿仅见周围组织的血管;脂肪肝的血管分支减少 ,似枯树枝。随病理病因的不同,各病变脏器表现各异。因其对超声图像分析与鉴别诊断有较大辅助价值,故结合病史与临床表现将提高超声诊断水平。病变脏器三维血管能量图表现可归纳如下:
*实质性脏器恶性多血管型及浸润进展中肿瘤,病灶部位血管明显增多、杂乱。
 *功能亢进血流旺盛疾病,血管弥慢性增多似网状,如甲状腺机能亢进、脾功能亢进。
 病变的病理性质不同三维血管重建的表现各有特征。如肝硬化门脉高压,
肿大脾脏的血管树脾门部增粗最明显,向脾实质内逐渐扩展;而白血病所致脾脏肿大,血管树分支增多,但脾门与脾实质内均无明显增粗,两病表现不同。
*多血管脏器或多血管病变,三维血管重建出现血管稀少、变细、狭窄、萎缩,提示内部血液循环障碍,血流受阻。如脂肪肝三维图像示血管减少似枯树枝样,与其病理变化肝静脉变细相符合。血管增多合并良性少血管病变时在增多似网状中出现局部血管缺损。
 *少血管、含液性占位病变无血管树;病灶较大侵犯血管时,三维图像显示脏器原有的血管树受压、变细、移位,走向与空间结构失常,或分支中断。
 *病灶较小或二维能量图血管显示不佳者,三维图像血管显示亦差。
 四、在颈动脉与脑的应用
彩色多普勒血流三维重建颈动脉,能详细显示颈动脉粥样硬化程度,如斑块的部位、质地、附着关系、颈动脉狭窄的情况,对临床上评估粥样硬化有帮助。
三维超声在颅脑的应用包括肿瘤和动静脉畸形的定位及其与周围重要结构的比邻关系,术中颅脑肿瘤三维超声可准确显示肿瘤的大小、范围、空间关系。
 五、眼球及眶内疾病眼球的生物学特性使之成为三维超声重建的理想部位,三维超声能清楚显示玻璃体内条状及膜状病变,如视网膜脱离、玻璃体内机化物、玻璃体炎症、脉络膜病变、晶体后脱位等。视网膜脱离时,三维超声不仅能直观显示网膜脱离的起止部位、大小、范围,而且能显示出视网膜破口的形状、数目。
  随着高频超声的应用,三维超声对球后的病变也能较好地显示,能准确评价球后病变(如肿瘤)与眼球视神经及眼外肌之间的关系,对于手术医师选择合适的治疗方案颇为重要。与MRI和CT相比较,三维超声更省时,费用低、无放射性,并可反复检查而不必担心放射线诱发白内障。另外,三维超声能更准确计算肿瘤的大小、容积,并可能对病变作出较精确的定位以指导手术医师及放射治疗医师的工作。
 六、泌尿生殖系
 对肾脏肿物,尤其是孤独肾的患者,其手术方法必须保留部分肾脏,因此精确描述肿物与血管树、集合系统和肾包膜的空间关系至关重要。对移植肾的成像,三维超声对肾脏局部血供的可视可能建立其与早期排异之间的相关性,因为排异早期的变化可能是节段性的或部分性的。此外,移植肾容积的判定及其随时间的变化也可能对排异的诊断有帮助。
 三维超声显示膀胱肿瘤呈菜花状、乳头状或团块状,能显示肿瘤与壁的空间关系、基底部及表面情况,肿瘤的数目、大小、方位、与输尿管开口的空间关系也能清晰显示。前列腺肿瘤的容积对其预后有重要意义,据估计肿瘤转移容积一般会超过1.5cm 3 ,绝大多数容积大于3.0cm 3 的肿瘤将向前列腺外播散。

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发表于:2009-11-22 14:17

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