第三节　三维超声成像技术

三维超声成像作为近年来发展的一种医学超声技术，其商用成品由VingMed公司于1990年首先开发出来。它将多幅二维图像存储在数字扫描转换器的存储器里，并给予一定的位置信号，在读出时，按照一定的规律组合起来，形成三维成像。宽景成像也是同样的机制。目前三维超声成像有表面成像、透明成像及多平面成像（切面成像）三种成像模式。严格说来，三维或四维成像是在二维重建的基础上完成的，只不过是帧频的差别而已。所以，三维图像的优劣在很大程度上取决于二维图像质量，即三维超声目前仍未摆脱二维超声。

一、三维超声成像技术采集与操作

（一）静态三维超声（static 3D）

静态三维超声依赖空间分辨率，重建各种图像。相对于屏气时活动幅度较小的器官如肝、肾、脾等，由于不同方位所获取的二维图像上各结构位移小，易于叠加而组成精确清晰的三维图像。这种成像方式比较简单，现已基本成熟。

（二）动态三维超声（dynamic 3D）

动态三维超声依赖于时间分辨率，可以作出三个立体相交平面上的投影图、F型图、俯视图、表面观、透视观和环视观。欲要显示心脏结构的活动，须将同一时相，不同方位上的解剖结构二维信息组成一幅立体图像，再将不同时相的立体图像顺序显示，才能形成动态三维超声图像，成像过程复杂。动态三维成像起初是用在产科做胎儿成像。此种方法基本步骤是利用二维超声成像的探头，按一定的空间顺序采集一系列的二维图像存入二维重建工作站中，计算机对按照某一规律采集的二维图像进行空间定位，并对按照某一规律采集的空隙进行像素差补平衡，形成一个三维立体数据库，即图像的后处理，然后勾画感兴趣区，通过计算机进行三维重建，将重建好的三维图像在计算机屏幕上显示出来。

（三）实时三维超声（realtime 3D，即4D）

矩阵容积扫描是由矩阵容积探头来实现的。矩阵探头是近些年出现的最新一代的三维容积探头，其阵元以矩阵形式排列于长方形平面，是由一块矩形压电晶体，用激光切割成数千个小的阵元排列而成，其阵元数量可达数千个之多。如果矩阵的单边阵元数为96个阵元，则探头总阵元数为9 216个，即96 × 96=9 216（个）振元。三维成像技术的发展趋势是应用矩阵容积探头，在保持超声探头完全不动的情况下，直接获得三维体积的数据。矩阵容积探头用电子学的方法制作，超声声束在三维空间进行扫描，即让二维扫查切面再在侧向进行扫描，就可以实现上述功能。矩阵容积由于其高阵元数能提供实时的高分辨率的三维成像。这是由于矩阵容积探头有横向和纵向两个方向上的多列阵元列阵，这使探头可以在横向和纵向两个方向上有高品质的超声波聚焦。而且近场聚焦及聚焦深度都比传统二维探头更深，在三维空间的分辨率也更好。矩阵探头除了实时三维超声成像之外，多有其三维立体的扫描特性，其采集的数据是规则的矩阵容积数组，方便于三维后处理计算。这使得这种探头产生的各个角度的二维平面图像也有高质量的分辨率。

矩阵探头可实现探头的二维阵列技术，探头可以在两个方向上分隔为纵向探头晶体。这让图像容积的声束偏转和聚焦电子化和同步化。传统的128～256个阵元由一个电缆中的各个细小的同轴缆线驱动，然而对于2 000～8 000个晶体来说是不可能实现的。矩阵声束形成器通过使用新型的专用集成电路（ASICs）将声束形成部分整合在探头内成为可能。晶体组织为100～200个晶体的小块，这要求偏转和聚焦的更小延迟。每一个晶体都通过一个电缆与系统连接，以阻止更大的声束形成数字延迟。这一新技术模糊了被动探头和系统的传统区别，因为现在转换器、预放大、一些声束形成延迟和其他主动激活的电子元件都放在探头壳内。

应用实时三维超声法检查时探头固定不动，切面的间距均匀，取样的时相和切面的方向易于控制，探头体积较小，使用起来较方便，能在较大的容积内提供相当于二维图像扫描线密度的实时三维图像。

二、三维超声成像技术的临床应用

（一）颅脑

经颅三维彩色多普勒超声用于颅内血管做三维空间定位及成像，可显示颅底Willis环及大脑前、中、后动脉的整个位置关系和血管空间的连续性，可帮助定位动脉瘤、血管狭窄、动静脉畸形及与重要结构间的位置关系。术中颅脑三维超声可准确地显示肿瘤的大小、范围、空间关系。

（二）眼

对于玻璃体内条状或膜状病变，三维超声可帮助鉴别视网膜脱离、玻璃体积血、玻璃体后脱离、脉络膜病变等。三维超声对球内及球后肿瘤，也能辅助诊断。

（三）乳腺

三维超声成像判断乳腺肿块的形态、边缘、与周围组织关系较二维超声直观，有助于乳腺肿块良、恶性的鉴别诊断。三维超声还可引导乳腺肿块的穿刺活检。

（四）心脏血管

实时三维超声通过观察心脏结构立体解剖、测量心腔容量、评价心功能及显示心脏组织结构的动态变化，在诊断先天性心脏病、心肌病、心脏瓣膜病、冠状动脉粥样硬化性心脏病、室壁瘤合并血栓和心脏肿瘤方面是重要的辅助手段。实时彩色三维超声能观察反流或分流的路径、范围和程度等，对诊断有很大帮助。实时监控心脏外科和介入手术，可以弥补二维超声的不足。

三维超声除可帮助判断血管畸形的部位、类型外，还可判断血管狭窄程度、分级和斑块体积的大小。

血管内三维超声可发现斑块的位置、形态和大小。三维超声测量斑块的大小能动态观察药物治疗、控制饮食或介入性操作后斑块的变化。

（五）腹部器官

1.肝

在有腹水作为透声窗的情况下，用表面成像方法可清楚显示肝脏的整体形态、轮廓、边缘、表面平滑度等。采用透明成像最小回声模式可清晰显示肝内连续的血管结构，各分支间空间关系明确。多平面成像将中心点固定于感兴趣区的中央位置，可获取因病变位置所致二维超声不易显示的图像；平行切割则可对感兴趣部位进行逐层观察，可获取更多的解剖信息。三维彩色多普勒成像用于肿瘤良、恶性的鉴别诊断及判断肿瘤在治疗后的效果。灰阶与血流信息三维图像的同时显示可更好地对病变区的血供状况进行观察。三维超声造影能显示肝内占位病变血管构架，为疾病诊断提供帮助。也可用于判断肝癌局部手术或介入治疗后疗效。利用三维超声成像测定肝内肿瘤的容积方法简单、重复性高，可更准确反映肝内肿瘤的实际大小。

2.胆、胆管

表面成像可直观显示胆囊结石及息肉的部位、形态、大小、数目，还能显示息肉基底部范围。能显示胆囊癌肿块凸凹不平的表面、不规则的形态及基底部宽度。

利用三维超声测量胆囊的容积，观察其在脂餐前后容积的变化率，可更准确地反映胆囊的收缩功能。

透明成像可整体显示肝内扩张的胆管树，能判断扩张胆管的归属、阻塞部位与胆管树的空间位置关系。

（六）泌尿生殖系统

1.肾脏

三维超声能清楚显示肾囊肿壁的厚薄、内部间隔等细微结构特征，帮助鉴别诊断肾囊肿与其他囊性病变。肾积水时，三维超声首先测量整个肾脏的体积，再测量积水的体积，两者之差即为肾脏实质体积。

三维超声能从多个角度观察肾肿瘤与周围肾实质、集合系统、肾血管的位置关系，对术前手术计划有帮助。移植肾局部梗死时，三维超声血流成像可观察到病变区域血供的减少或消失。三维超声血流成像对移植肾局部血流灌注的显示有助于建立血流与早期排异之间的相关性。

2.输尿管

经腔内三维超声可发现肾盂输尿管连接部的畸形、准确定位狭窄程度和范围，了解输尿管肿瘤的大小和浸润范围。

3.膀胱

膀胱充盈后三维超声显示壁光滑，甚至可见膀胱三角双侧输尿管开口和后尿道开口。三维超声能显示膀胱肿瘤呈菜花状、乳头状或团块状，肿瘤与膀胱壁的空间关系、基底部及表面情况，并有助于膀胱内血凝块与肿瘤的鉴别诊断。

4.前列腺

三维超声成像技术应用于前列腺能精确划分其分区，了解前列腺增生的类型，可准确地测量膀胱残余尿量。前列腺肿瘤时三维超声通过多个角度的观察，能更准确判断肿瘤有无侵犯周围组织及侵犯的范围。

5.尿道括约肌

经直肠三维超声能清楚显示尿道括约肌的整体形态，并且能测量尿道括约肌后缘到后尿道后缘的距离（D），当括约肌松弛时测量的距离（D1）与收缩时测量到的距离（D2）的差值小于1mm时，高度提示尿失禁。

（七）妇产科

1.子宫

经阴道三维超声对子宫畸形、子宫内膜息肉及黏膜下肌瘤等有诊断意义。

三维超声透明成像可以清晰显示宫内节育器的形态、大小及类型，有无变形，在宫内准确的位置及宫内节育器异常植入子宫的情况等。应用三维超声体积测定的方法，测量子宫内膜癌的体积大小。该方法对子宫内膜癌的诊断、分期及预后有重要意义。

2.卵巢

三维超声可观察卵巢囊肿的内部结构，如囊腔是否单一、内壁是否光滑、有无隔膜等。囊肿内小的乳头状物，通过三维超声旋转，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；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。

3.不孕症

三维超声可测量卵巢及卵泡容积，清晰观察卵泡边界、成熟程度，帮助判断卵泡的发育程度及成熟卵泡的数目，从而指导和监测排卵、指导临床用药。

三维超声造影输卵管成像，能帮助判断输卵管通畅性，有无狭窄及狭窄程度。三维超声可指导穿刺针进入卵泡内部，提高穿刺吸取卵母细胞的成功率。

（八）女性盆底

经会阴三维超声扫查盆底，能直接观察盆底功能解剖、盆底肌肉和盆底平面结构，测量逼尿肌厚度、静息状态下膀胱颈位置、Valsalva动作时膀胱颈位置、尿道旋转角度等参数。

三维超声多平面模式可以得到会阴部肛提肌及盆膈裂孔的冠状切面信息，适合于观察女性尿道周围组织结构，可显示尿道周围的括约肌，对尿道括约肌进行体积测量，从而反映有无压力性尿失禁。此外，对尿道憩室等也能很好地显示。

（九）妊娠

1.正常妊娠

三维超声可显示孕5周以后不同孕期的结构生理变化，在孕10～14周时，可增加测量颈部透明层厚度（nuchal translucency，NT）的准确度和成功率。

孕10周前，应用三维超声可以测量孕囊的体积，该指标比孕囊直径更有价值。孕10周后，三维超声测量双顶径、股骨长、头围、腹围等指标。

2.胎儿先天性畸形

三维超声显示胎儿中枢神经系统，如神经管缺损（无脑畸形和脑膜膨出）、前脑无裂畸形、脑积水等。显示胎儿泌尿生殖系统畸形，包括肾盂积水、Potter综合征、肾母细胞瘤（又称Wilms瘤）、梨状腹综合征（又称Prune Belly综合征）、囊肿、膀胱外翻等。三维超声表面成像还能直观地显示胎儿外生殖器官的立体形态，可帮助判断两性畸形、围巾样阴囊、小阴茎等。

三维超声切面显示法可以作出胎儿腹壁缺损的诊断，判断裂口的位置及范围，还能直观显示脐膨出的形态及范围。

三维多平面超声成像可获得胎儿上唇、腭的切面图像，用于判断唇、腭裂的有无及其程度。

利用三维超声透明成像最大模式能全面观察胎儿颅骨板的形态结构，发现颅骨疾病，还可鉴别病理性的颅骨缺损（脑脊膜膨出和脑组织膨出）与颅骨缝未闭。

三维超声较全面观察脊柱和胸廓连续性及其曲率，帮助诊断脊柱侧弯、脊柱裂、脊膜膨出、偏侧脊椎发育不全、蝶形椎骨、尾侧脊椎退化综合征（骶椎和下段腰椎缺如，常合并肾、骨骼、单脐动脉等畸形）、脊椎骨缺损、胸廓变形、肋骨过短及节段性肋骨缺如等多种畸形。

三维超声诊断四肢畸形有助于产前诊断一些染色体异常。约60%的唐氏综合征患者可见小指中间的指节发育不全。

三维超声多平面成像可获得胎儿牙槽嵴的切面图像，显示牙槽的形态及排列，可帮助提示外胚层发育不全综合征，常有少牙或无牙畸形，四肢或皮肤的畸形。此外，牙槽嵴的直观显示还有助于判断腭裂的位置及其严重程度。

胎儿心脏的实时三维成像在估计心室容积及其动态变化、测量射血分数、判断宫内胎儿先天性心脏复杂畸形等方面可提供可靠的信息。时间空间关联成像（spatiotemporal image correlation，STIC）三维应用技术可在2s内采集胎儿心脏容积数据，较好地解决了心脏三维重建中空间与时间的对应关系，提高了胎儿先天性心脏复杂畸形的诊断能力。

应用三维超声表面成像可以直接观察胎儿的脐带，可判断有无脐带绕颈（或绕体、绕肢）及绕颈（或体、肢）的圈数，对于脐带的缠绕、打结等也能直观地显示，并能帮助判断脐带有无过长或过短等现象。

三维超声彩色多普勒成像可显示脐带血流的方向，识别脐带各段之间的空间位置关系，有可能对脐带打结与假性脐带打结鉴别诊断提供重要帮助。

三维超声整体显示脐带-胎儿循环，能帮助判断脐动脉在胎儿体内及体外的走行，准确地诊断单脐动脉。

三维超声可从不同的方向观察胎盘，能帮助了解胎盘的大小、厚度、钙化程度、血管分布及血供情况，对前置胎盘或胎盘早剥的诊断可提供帮助。

三维超声多普勒血流成像可直观显示胎盘的血流灌注情况，帮助判断有无胎盘梗死及植入性胎盘。

（十）介入性超声引导

1.术前计划

三维超声可计算肿瘤体积，能大致了解需要穿刺的针数及需要消融的点数。计算过程多由三维虚拟器官计算机辅助分析（virtual organ computer-aided analysis，VOCAL）模块实现，它能自动勾画出肿瘤边缘并计算出肿瘤体积，又能准确勾画出肿瘤立体形态，反映肿瘤形态是否规整、肿瘤长轴与进针切面的关系，VOCAL可提供模拟安全边缘的功能。三维多平面成像可从多个角度判断肿瘤与周围组织器官的空间关系。

2.引导布针

实时三维超声引导穿刺针循穿刺引导线穿刺靶目标，三维多平面成像可确认针尖位置，判断穿刺针是否达到术前预设置的布针位置。

三维超声与影像导航等技术结合，用于消融的引导和布针等操作。

3.监测

三维超声可实时观察不同切面上高回声汽化团的空间分布，了解高回声汽化团是否完全覆盖肿瘤；同时在高回声最明显时，应用三维超声自动体积测量功能测量高回声汽化团的体积，与术前需要消融的体积（包括肿瘤及安全边缘）对照，初步判断消融范围是否足够、是否需要追加消融。

4.疗效评估

实时三维超声造影成像能在较短的动脉期内捕捉到消融灶的全部血供信息，并以断层超声成像或立体重建的模式显示出来。