成像的原理很簡單,大家初中物理課上都學過,我們在此就不詳述了,但是我們在日常生活中的確是可以看到很多這方面的應用。
聲成像的研究開始于20世紀20年代末期。最早使用的方法是液面形變法。隨后,很多種聲成像方法相繼出現,至70年代已形成一些較為成熟的方法,并有了大量的商品化產品。聲成像技術已得到廣泛應用,主要用于地質勘探、海洋探測、工業材料非破壞探傷和醫學診斷等方面。
什么是聲成像?
聲成像是基于傳聲器陣列測量技術,通過測量一定空間內的聲波到達各傳聲器的信號相位差異,依據相控陣原理確定聲源的位置,測量聲源的幅值,并以圖像的方式顯示聲源在空間的分布,即取得空間聲場分布云圖-聲像圖,其中以圖像的顏色和亮度代表聲音的強弱。聲成像方法可分為常規聲成像、掃描聲成像和聲全息。
a、常規聲成像。從光學透鏡成像方法引伸而來。用聲源均勻照射物體,物體的散射聲信號或透射聲信號,經聲透鏡聚焦在像平面上形成物體的聲像,它實質上是與物體聲學特性相應的聲強分布。用適當的暫時性或永久性記錄介質,將此聲強分布轉換成光學分布,或先轉換成電信號分布,再轉換為熒光屏上的亮度分布。如此即可獲得人眼能觀察到的可見圖像。
b、掃描聲成像。通過掃描,用聲波從不同位置照射物體,隨后接收含有物體信息的聲信號。經過相應的處理,獲得物體聲像,并在熒光屏上顯示成可見圖像。
c、聲全息。將全息原理引進聲學領域后產生的一種新的成像技術和數據處理手段。
聲學照相機,又名聲相(像)儀,是利用傳聲器陣列測量一定范圍內的聲場分布的專用設備,可用于測量物體發出的聲音的位置和聲音輻射的狀態,并用云圖方式顯示出直觀的圖像,即聲成像測量。目前國內比較先進的聲相儀,是由中國科學院聲學研究所噪聲振動實驗室自行研制的聲相儀系統,具有世界先進水平。
隨著臨床需求與計算機技術的發展,超聲影像技術經過了應用初期的一維超聲成像(A型和M型)、灰階二維超聲成像(復合成像和實時成像)和三維超聲(靜態、動態和實時成像)等多個發展階段,目前已經非常成熟,在臨床診斷上發揮出巨大的作用。
? ?當然可靠的數據提取是得到精確三維超聲圖像的前提,這就需要對光聲信號能夠高效采集。
三維超聲成像技術原理
三維超聲成像分為靜態三維成像和動態三維成像,動態三維成像由于參考時間因素(心動周期),用整體顯像法重建感興趣區域準實時活動的三維圖像,則又稱之為四維超聲心動圖。靜態與動態三維超聲成像重建的原理基本相同。
1、 立體幾何構成法;該法將人體臟器假設為多個不同形態的幾何體組合,需要大量的幾何原型,因而對于描述人體復雜結構的三維形態并不完全適合,現已很少應用。
2、 表面輪廓提取法;是將三維超聲空間中一系列坐標點相互連接,形成若干簡單直線來描述臟器的輪廓的方法,曾用于心臟表面的三維重建。該技術所需計算機內存少,運動速度較快。缺點是:(1)需人工對臟器的組織結構勾邊,既費時又受操作者主觀因素的影響;(2)只能重建比較大的心臟結構(如左、右心腔),不能對心瓣膜和腱索等細小結構進行三維重建;(3)不具灰階特征,難以顯示解剖細節,故未被臨床采用。
3 、體元模型法(votelmode);是目前最為理想的動態三維超聲成像技術,可對結構的所有組織信息進行重建。在體元模型法中,三維物體被劃分成依次排列的小立方體,一個小立方體就是一個體元。任一體元(v)可用中心坐標(x,y,z)確定,這里x,y,z分別被假定為區間中的整數。二維圖像中最小單元為像素,三維圖像中則為體素或體元,體元素可以認為是像素在三維空間的延伸。與平面概念不同,體元素空間模型表示的是容積概念,與每個體元相對應的數V(v)叫做“體元值”或“體元容積”,一定數目的體元按相應的空間位置排列即可構成三維立體圖像。描述一個復雜的人體結構所需體元數目很大,而體元數目的多少(即體元素空間分辨率)決定模型的復雜程度。
三維超聲成像技術研究
三維超聲成像技術采用二維面陣超聲探頭,使超聲束在三維掃查空間中進行擺動,即可直接得到三維體數據。但二維面陣換能器的制作工藝限制了陣元數,使得三維圖像的分辨率受到了一定的限制。目前已有使用二維陣列的超聲成像系統面世。目前三維超聲數據的提取仍廣泛采用一維陣列探頭。用一維陣列探頭提取三維超聲數據,需要外加定位裝置,如目前臨床廣泛采用的一體化探頭。該探頭是將一個一維超聲探頭和擺動機構封裝在一起,操作者只要將該探頭放在被探查部位,系統就能自動采集三維數據。還有一種新型探頭專門用于解決定位問題。該探頭有三個陣列,中間的主陣列用于超聲成像,與主陣列垂直的兩個側陣列用于提取定位圖像。由于探頭移動的連續性,所以定位圖像兩兩重疊部分很大,可以通過兩側的定位圖像確定兩次采樣間的位移、旋轉,從而確定圖像的空間位置。
1 、胃、腸道疾病。囑受檢者適量飲水或灌腸后可建立良好的透聲窗。清楚顯示胃腸道隆起性病變與潰瘍的大小、深度、邊緣形態,觀察惡性腫瘤的浸潤深度、范圍及與鄰近組織、血管的立體位置關系,進行術前TNM分期,對協助臨床制定相應的治療方案,具有重要意義。3D-CDE(彩色多普勒能量圖CDE)對潰瘍出血和胃底靜脈曲張的診斷,也可提供較大的幫助。
2 、膀胱疾病。膀胱充盈后可形成極佳的透聲窗,三維超聲與二維超聲一樣清晰顯示病變的形態、大小、數目、內部回聲,同時三維超聲還能顯示病變的整體、表面形態及腫瘤對膀胱壁的浸潤情況,從而提高了其診斷的準確性,并有助于腫瘤術前方案的抉擇。對慢性膀胱炎癥、憩室、結石、凝血塊等膀胱疾病的診斷,也顯示出優越性。
3、 在實質性臟器中的應用
肝臟疾病。肝囊腫與肝膿腫二維超聲診斷準確性較高,而肝癌與肝內其它性質占位性病變相互間的鑒別有時較為困難。三維超聲可從不同方位觀察肝表面和邊緣輪廓,腫三維超聲成像在臨床上有廣泛的應用前景。可用于精確測量和定位在產科臨床上,三維超聲成像可用于鑒別早期胎兒是否存在畸形以及檢查各個孕期胎兒的生長發育情況;在心血管疾病診斷中,可用于多種心臟疾病以及血管內疾病的檢查。隨著實時三維超聲成像(一般要求幀頻必須大于20幀/s)的研究成功,三維超聲有望在心臟疾病檢查中發揮更大的作用。盡管如此,由于價格和技術上的原因,目前三維超聲成像尚未達到臨床廣泛應用的水平,也還有不少值得研究的問題。
4、 在婦科的應用
三維超聲對子宮實質性腫瘤的斷,有一定輔助作用。對卵巢和輸卵管病變(特別囊性變),可清晰顯示其立體外形輪廓、內部結構、有無分隔與性突起、液體渾濁度等。對盆壁轉移性病灶合并腹水的人,三維較二維超聲的診斷價值更大。文獻報道三維超聲診斷附件區惡性腫瘤時,其敏感性由二維超聲的80%增87%。此外,三維超聲于術前可清晰顯示惡性腫瘤浸及圍臟器的情況,評價腫瘤與子宮、盆壁及髂血管的關系,為中能否切除腫瘤提供有價值的資料。與此同時,應用3CDE可以顯示腫瘤內血管空間結構,并計算單位體積內的瘤血管密度,為腫瘤的定性診斷增加新的參考指標。
5、在心血管系統的應用
心臟為具有復雜三維形態的動態器官 三維超聲心動圖能夠提供心臟的三維立體結構,直觀顯示心臟內部結構的解剖形態、空間關系、立體方位及血流變化等,為各種瓣膜疾病、心肌疾病和先天性心臟復雜畸形的診斷與治療提供幫助。RT-3DE能實時總體評估一個心動周期心臟的解剖、功能及活動狀況,測定心腔容量,估測心室重量及各項心功能指標,分析室壁節段運動等,在冠心病、先天性心臟畸形等心血管疾病的定性和定量診斷方面發揮重要作用。
總結:超聲成像是臨床上廣泛使用的一種成像模式,在某些場合甚至是最好乃至唯一可用的成像模式。各種新技術新方法的開發和利用,使超聲儀器的檢測和診斷更為有效,應用范圍也不斷延伸,如用于觀察病程的發展情況、細胞的代謝情況等。超聲成像技術在過去、現在和將來都是醫學影像研究的重點內容之一。隨著技術的發展、研究的深入,將會有更多新發現和新技術用于超聲成像。
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