三維超聲數(shù)據(jù)采集技術(shù)及發(fā)展

郭境峰 蔡澤杭 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

0.引言

早在1961 年，Baun 和Greewood 就提出了三維超聲成像的概念[1]，然而，由于超聲成像和計算機(jī)技術(shù)的限制，直到上世紀(jì)90 年代中后期，全數(shù)字超聲成像技術(shù)和計算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展到一定的高度后，才真正開始有三維超聲的商用產(chǎn)品面世[2]。經(jīng)過這一二十年的發(fā)展和臨床實踐，超聲三維成像技術(shù)得到了長足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于臨床診斷領(lǐng)域。

三維超聲成像技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集和重建后處理兩部分，即將一系列二維超聲數(shù)據(jù)以及它們在空間上的彼此位置關(guān)聯(lián)關(guān)系采集入系統(tǒng)，再通過軟件運算的方法將這些圖像數(shù)據(jù)根據(jù)其位置關(guān)系重新構(gòu)建成一個三維體，以恢復(fù)在二維圖像獲取過程中丟失的第三維信息。因此，數(shù)據(jù)采集是三維成像的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

三維超聲數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展至今經(jīng)歷了自由臂、輔助裝置、機(jī)械容積探頭和電子面陣探頭四個階段。

1.自由臂

圖1. 自由臂運動方式

自由臂，即操作者單純用手拿著探頭以盡量勻速定速的方式進(jìn)行掃掠、擺動、轉(zhuǎn)動等較為規(guī)則的手法進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集，如圖1 所示。這是最簡單經(jīng)濟(jì)的采集方法，無需對探頭進(jìn)行任何改裝，也無需外加任何輔助裝置，即可完成數(shù)據(jù)的采集。但其缺點也是顯而易見的，自由臂采集時超聲數(shù)據(jù)的定位是否準(zhǔn)確完全依賴于操作者的采集手法，這是非常不可靠的，但因為這種采集方式幾乎毫無成本，所以目前依然有產(chǎn)品在市面上銷售。

2.輔助裝置

為了彌補(bǔ)自由臂定位的缺陷，人們又采用增加輔助裝置的方式進(jìn)行采集，有三種比較常見的方式，分別是電磁定位、陀螺儀定位和探頭夾具。

電磁定位是在探頭上加裝一個定位信號的發(fā)射裝置，再在附近安裝一個感應(yīng)裝置，以此確定探頭的位置從而確定所采集的二維圖像的位置。這種方式的主要缺陷是發(fā)射裝置會對超聲探頭里的回波信號產(chǎn)生干擾，而且該方式未能把探頭的擺動角度也一并識別出從而影響定位的精確性。

陀螺儀定位是在探頭上安裝一個陀螺儀傳感器，以此獲取探頭的擺動角度、加速度等參數(shù)，并以此計算出所采集到二維圖像的位置。這種方式的主要缺陷是陀螺儀定位的準(zhǔn)確度不能滿足需求，而且價格在當(dāng)時也比較昂貴。

探頭夾具即使用一個夾具將探頭固定在一個電驅(qū)動的機(jī)械運動裝置上，使探頭能按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行運動，從而確定所采集到的二維圖像的位置。這種方式規(guī)避了電磁定位和陀螺儀定位的缺陷，能比較準(zhǔn)確地獲得采集到的二維圖像位置，結(jié)構(gòu)上很簡單，在成本上也比較經(jīng)濟(jì)。

但無論是哪種附加裝置，歸根到底還是在已有的超聲系統(tǒng)上面額外附加一個裝置，與原有超聲系統(tǒng)配合還是不夠密切，并受外部環(huán)境影響較大，所以在定位的準(zhǔn)確性和采集速度上還是比較低，基本無法滿足臨床使用，卻又具備一定的成本，因此目前市面上這種產(chǎn)品已經(jīng)非常少見了。

3.機(jī)械容積探頭

在探頭夾具的基礎(chǔ)上，一些超聲儀器廠商推出了機(jī)械容積探頭，機(jī)械容積探頭是在探頭內(nèi)部增加了步進(jìn)電機(jī)和傳動裝置，超聲主機(jī)發(fā)送驅(qū)動脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，再通過傳動裝置促使探頭芯部運動。

圖2. 機(jī)械容積探頭芯部運動方式

探頭芯部的運動方式有三種，分別為平移、擺動和旋轉(zhuǎn)，如圖2 所示。

平移一般配合線陣探頭芯部，用于待檢查部位位于淺表，不會受骨骼遮擋、體表與探頭接觸面比較平整的情況，如乳腺容積成像，其傳動裝置一般為皮帶或絲桿；

擺動一般配合凸陣探頭芯部，用于待檢查部位較深、體表與探頭接觸面可能不太平整的情況，如腹部容積成像，其傳動裝置一般為齒輪；

旋轉(zhuǎn)一般配合相控陣探頭芯部，用于待檢查部位較深，受骨骼遮擋較嚴(yán)重，如心臟容積成像，為了避開骨骼遮擋的問題，這種探頭一般做得比較小巧，傳動裝置也很簡單，一般直接把芯部固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上即可。為了解決采集速度低于臟器運動速度的問題，例如在進(jìn)行三維心動圖成像時，往往還會配合使用心電圖模塊采集心電信號用于對超聲圖像進(jìn)行同步定位。

機(jī)械容積探頭是一種非常簡潔且有效的三維超聲數(shù)據(jù)采集方式，早在2008 年汕頭超聲儀器研究所就率先實現(xiàn)了機(jī)械容積探頭的純國產(chǎn)化，促進(jìn)了機(jī)械容積探頭的普及，目前機(jī)械容積探頭是市面上應(yīng)用最普遍的三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

4.電子面陣探頭

為了進(jìn)一步提高定位精度和采集速度，更進(jìn)一步滿足臨床使用，隨著探頭制作工藝和電子器件集成規(guī)模的提高，市面上開始出現(xiàn)了電子面陣探頭。

電子面陣探頭用電子切換的方式代替原來機(jī)械容積探頭的探頭芯部機(jī)械運動，以此實現(xiàn)在不同的預(yù)先設(shè)置的位置發(fā)射采集超聲二維圖像，甚至可以不以二維圖像為單位，而是以超聲線為單位進(jìn)行發(fā)射和采集，如圖3 所示。在定位精度和采集速度上相比機(jī)械探頭有明顯的提升，即使在三維心動圖成像時也可滿足速度的要求，不需再額外配合心電模塊進(jìn)行同步定位了。

電子面陣探頭的缺點在于需要非常高的制作加工工藝和收發(fā)控制技術(shù)，生產(chǎn)制作的成本非常高，再加上這些工藝和技術(shù)非常尖端，只有少數(shù)一兩家廠家可以生產(chǎn)制作，在一定程度上造成了壟斷，價格也更加昂貴，影響了其普及。

圖3. 電子面陣容積探頭的發(fā)射和采集

5.總結(jié)

從自由臂采集到輔助裝置采集，再到機(jī)械容積探頭，最后到電子面陣探頭，三維超聲采集技術(shù)始終沿著采集精度更高、采集速度更快、采集裝置與主機(jī)結(jié)合更加緊密的方向發(fā)展。電子面陣探頭是目前最先進(jìn)的采集技術(shù)，雖然因價格昂貴難以普及，但隨著科技的發(fā)展，在國內(nèi)超聲研發(fā)人員的不懈努力下，相信在不久的將來，電子面陣探頭也必將實現(xiàn)國產(chǎn)化，最終實現(xiàn)全面的普及。

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