扇形掃描三維超聲成像系統(tǒng)體積測量

冉國芳，石清，邱武，丁明躍＊

1 華中科技大學生命科學與技術(shù)學院，圖像信息處理與智能控制”教育部重點實驗室，湖北，武漢，430074

2 武漢工程大學化工與制藥學院，武漢工程大學湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室、綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室，湖北，武漢，430074

超聲波屬于非電離輻射，在一定功率內(nèi)對人體無害，對軟組織成像具有較高的分辨率，臨床上應用已普及。目前，超聲技術(shù)已從傳統(tǒng)的二維超聲發(fā)展到了三維超聲，可提供更直觀、更精確的測量結(jié)果，是未來醫(yī)學超聲發(fā)展的主要趨勢之一[1]。自1961年Baun和GreenWood等人提出三維超聲以來[2]，國內(nèi)外的醫(yī)學超聲工作者們在三維超聲方面進行了卓有成效的工作。2001年，東軟集團推出了我國首臺三維超聲系統(tǒng)[3]。牛鳳岐撰文[4]指出，按照國際通行的原則，對醫(yī)療器械的基本要求是安全和有效，且這兩項是并行不悖，貫穿研制、生產(chǎn)、銷售、使用、維修和法制監(jiān)管等全過程的。由于三維超聲在體積測定方面能夠提供更為直觀及精確的結(jié)果，因此探討有關(guān)三維超聲的體積參數(shù)的測定標準顯得尤為重要。在超聲系統(tǒng)性能測試方面，國內(nèi)外學者研制了用于二維超聲的仿組織超聲體模[4-7]，并用于二維超聲的性能參數(shù)測定；三維超聲系統(tǒng)性能參數(shù)的測定雖然也開展了一些研究[8-11]，但缺乏統(tǒng)一的標準和評價體系。本項研究旨在為三維超聲系統(tǒng)體積測量提供方法與途徑，為三維超聲系統(tǒng)檢測標準及評價建立基礎(chǔ)，以滿足超聲技術(shù)發(fā)展的需要[12]。

1 儀器和方法

1.1 實驗儀器與裝置

1.1.1 基于扇掃容積探頭三維超聲系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 二維超聲成像儀Fig.1 2D Ultrasound imaging instrument

本文所采用的三維超聲系統(tǒng)由北京天惠華公司提供的TH-300超聲診斷儀(圖1)、法國Vermon提供的三維扇掃容積探頭(圖2)及本實驗室研制的三維超聲軟件等部分組成，它包括圖像采集、三維重建和三維圖像顯示等模塊。

圖2 三維扇掃容積探頭Fig.2 3D fan-scan volume probe

1.1.2 實驗材料

φ0.3 mm±0.05 mm尼龍靶線，蒸餾水，甘油，瓊脂粉，Symacell纖維素等。

1.1.3 圓柱體體模的制作

采用文獻[13]中配方，將400 mL蒸餾水，16 mL甘油和7-10 g瓊脂粉(Agar powder)混合加熱至85oC，并保持該溫度，周期性地攪拌，直到混合物變清澈后，停止加熱。加入適量Sigmacell纖維素，用于調(diào)節(jié)體模的硬度和增加體模在超聲波下的反射能力，將此混合溶液導入一規(guī)則的圓柱體模具中，冷卻凝固后取出待用。圓柱體體模如圖3所示，體積為V，用于在水中測定體積誤差。將該體模放入水中不同深度，重建出三維超聲圖像，再按下面(1)式計算體模在水中的體積測量誤差：

式中，r為圓柱體圓半徑上的像素點個數(shù)與像素大小的乘積，H為圓柱體高的像素點個數(shù)與像素大小的乘積。

1.1.4 立方體體模的制作

在如圖4所示的容器模具中固定尼龍繩，構(gòu)成一個立方體的形狀(如圖5所示)，制作Agar體模[6]。采用1.1.3所述方法將蒸餾水、瓊脂粉、甘油及適量纖維素混合加熱后，將此混合溶液導入模具中，冷卻凝固待用(圖4)。ABCD-A’B’C’D’為待測目標立方體，然后在水中進行三維掃描重建，可以按下式計算出立方體模體積測量的誤差大小。

圖3 圓柱體體模Fig.3 The cylinder phantom

圖4 立方體體模Fig.4 The cubic phantom

圖5 立方體體模示意圖Fig.5 The marked volume is determined in agar

式中，L為圖像中立方體長度上像素點個數(shù)與像素大小的乘積，W為圖像中立方體寬度上像素點個數(shù)與像素大小的乘積，H為立方體高度上像素點個數(shù)與像素大小的乘積。

2 實驗結(jié)果與分析

超聲需在介質(zhì)中傳播，本實驗分別以水為介質(zhì)測定圓柱體體積，以瓊脂為介質(zhì)測定由尼龍線構(gòu)成的立方體體積。

在水介質(zhì)中，由于Agar做成的體模成像效果較好，所以，考慮使用Agar制作成一個圓柱形的物體來測量其在水中不同深度下的體積。圓柱體的大小為直徑50 mm，高20 mm。圖6是該圓柱形體在水中不同深度下的三維超聲圖像。

在Agar介質(zhì)中，用尼龍線拉制成了20 mm×20 mm×10 mm的立方體，圖7是Agar模型中立方體在不同深度下的三維超聲圖像。其它圖像數(shù)據(jù)及通過SPSS17.0統(tǒng)計軟件處理結(jié)果見表1。

表1 不同深度下體積測量精度結(jié)果Tab.1 The results of measurement accuracy of volume in different depth

圖6 水介質(zhì)中不同深度體積測量精度Fig.6 Measurement accuracy of volume in different depth in water

圖7 Agar介質(zhì)中不同深度體積測量精度Fig.7 Measurement accuracy of Volume in different depth in agar

從圖6、圖7及表1中可以看出，在水和Agar中，該三維超聲系統(tǒng)的體積測量精度與實際值的均值相差不大，測量精度與深度無關(guān)，精度范圍分布分別位于4%-7%和6%-10%之間，能較好地反映物體真實的體積大小。

從本實驗可以看出，Agar制作成的目標體在水中反射能力較強，通過改變纖維素的含量，增大反射能力。與在水中測量的體積測量精度相比，在Agar介質(zhì)中的測定誤差比在水中的大。

3 結(jié)論

本實驗設(shè)計制作了水中體模與Agar體模，探討建立扇掃三維超聲成像系統(tǒng)的體積測定標準，并用于評價三維超聲成像系統(tǒng)的性能參數(shù)，為超聲醫(yī)學提供參考。

三維超聲成像由于具有比二維成像提供更好的空間結(jié)構(gòu)信息，使得在醫(yī)學成像領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。特別是在三維超聲成像技術(shù)用于測量心室容積和心內(nèi)膜面積等參數(shù)時，對定量的評價疾病的治療具有很重要的意義。

目前，二維超聲體模測量系統(tǒng)參數(shù)技術(shù)已經(jīng)很成熟[5,6]，并且已經(jīng)產(chǎn)品化。但是三維超聲體模的發(fā)展還處于實驗階段，各相關(guān)研究機構(gòu)都還處于采用自己的方案進行測定，沒有一個統(tǒng)一的標準，所以設(shè)計三維超聲系統(tǒng)參數(shù)測定的實驗裝置和方案，并形成統(tǒng)一標準具有重要的意義。本文設(shè)計并制作了幾種測定體積參數(shù)的裝置和實驗方法，并進行了測試，取得了較好的實驗結(jié)果。

三維超聲體模的研究還處于初步階段，還需要得到醫(yī)生和專家的認可，同時還沒有一個統(tǒng)一的評價三維超聲系統(tǒng)的性能的標準，所以以后的研究可從以下幾方面努力：

(1) 三維超聲體模裝置合理設(shè)計；

(2) 三維超聲系統(tǒng)評價標準的制定；

(3) 三維超聲體模的產(chǎn)品化。

隨著計算機、電子技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，三維超聲成像技術(shù)會越來越成熟，相應三維超聲體模的研究和產(chǎn)品化也會有很大的突破，確立起性能參數(shù)的評價標準。

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