三维超声数据采集技术及发展

郭境峰 蔡泽杭 李德来 汕头市超声仪器研究所有限公司 （汕头 515041）

0.引言

早在1961 年，Baun 和Greewood 就提出了三维超声成像的概念[1]，然而，由于超声成像和计算机技术的限制，直到上世纪90 年代中后期，全数字超声成像技术和计算机软硬件技术发展到一定的高度后，才真正开始有三维超声的商用产品面世[2]。经过这一二十年的发展和临床实践，超声三维成像技术得到了长足的发展，已广泛应用于临床诊断领域。

三维超声成像技术主要包括数据采集和重建后处理两部分，即将一系列二维超声数据以及它们在空间上的彼此位置关联关系采集入系统，再通过软件运算的方法将这些图像数据根据其位置关系重新构建成一个三维体，以恢复在二维图像获取过程中丢失的第三维信息。因此，数据采集是三维成像的基础与关键。

三维超声数据采集技术的发展至今经历了自由臂、辅助装置、机械容积探头和电子面阵探头四个阶段。

1.自由臂

图1. 自由臂运动方式

自由臂，即操作者单纯用手拿着探头以尽量匀速定速的方式进行扫掠、摆动、转动等较为规则的手法进行超声数据采集，如图1 所示。这是最简单经济的采集方法，无需对探头进行任何改装，也无需外加任何辅助装置，即可完成数据的采集。但其缺点也是显而易见的，自由臂采集时超声数据的定位是否准确完全依赖于操作者的采集手法，这是非常不可靠的，但因为这种采集方式几乎毫无成本，所以目前依然有产品在市面上销售。

2.辅助装置

为了弥补自由臂定位的缺陷，人们又采用增加辅助装置的方式进行采集，有三种比较常见的方式，分别是电磁定位、陀螺仪定位和探头夹具。

电磁定位是在探头上加装一个定位信号的发射装置，再在附近安装一个感应装置，以此确定探头的位置从而确定所采集的二维图像的位置。这种方式的主要缺陷是发射装置会对超声探头里的回波信号产生干扰，而且该方式未能把探头的摆动角度也一并识别出从而影响定位的精确性。

陀螺仪定位是在探头上安装一个陀螺仪传感器，以此获取探头的摆动角度、加速度等参数，并以此计算出所采集到二维图像的位置。这种方式的主要缺陷是陀螺仪定位的准确度不能满足需求，而且价格在当时也比较昂贵。

探头夹具即使用一个夹具将探头固定在一个电驱动的机械运动装置上，使探头能按照预先设定的规律进行运动，从而确定所采集到的二维图像的位置。这种方式规避了电磁定位和陀螺仪定位的缺陷，能比较准确地获得采集到的二维图像位置，结构上很简单，在成本上也比较经济。

但无论是哪种附加装置，归根到底还是在已有的超声系统上面额外附加一个装置，与原有超声系统配合还是不够密切，并受外部环境影响较大，所以在定位的准确性和采集速度上还是比较低，基本无法满足临床使用，却又具备一定的成本，因此目前市面上这种产品已经非常少见了。

3.机械容积探头

在探头夹具的基础上，一些超声仪器厂商推出了机械容积探头，机械容积探头是在探头内部增加了步进电机和传动装置，超声主机发送驱动脉冲使步进电机转动，再通过传动装置促使探头芯部运动。

图2. 机械容积探头芯部运动方式

探头芯部的运动方式有三种，分别为平移、摆动和旋转，如图2 所示。

平移一般配合线阵探头芯部，用于待检查部位位于浅表，不会受骨骼遮挡、体表与探头接触面比较平整的情况，如乳腺容积成像，其传动装置一般为皮带或丝杆；

摆动一般配合凸阵探头芯部，用于待检查部位较深、体表与探头接触面可能不太平整的情况，如腹部容积成像，其传动装置一般为齿轮；

旋转一般配合相控阵探头芯部，用于待检查部位较深，受骨骼遮挡较严重，如心脏容积成像，为了避开骨骼遮挡的问题，这种探头一般做得比较小巧，传动装置也很简单，一般直接把芯部固定在电机转轴上即可。为了解决采集速度低于脏器运动速度的问题，例如在进行三维心动图成像时，往往还会配合使用心电图模块采集心电信号用于对超声图像进行同步定位。

机械容积探头是一种非常简洁且有效的三维超声数据采集方式，早在2008 年汕头超声仪器研究所就率先实现了机械容积探头的纯国产化，促进了机械容积探头的普及，目前机械容积探头是市面上应用最普遍的三维数据采集技术。

4.电子面阵探头

为了进一步提高定位精度和采集速度，更进一步满足临床使用，随着探头制作工艺和电子器件集成规模的提高，市面上开始出现了电子面阵探头。

电子面阵探头用电子切换的方式代替原来机械容积探头的探头芯部机械运动，以此实现在不同的预先设置的位置发射采集超声二维图像，甚至可以不以二维图像为单位，而是以超声线为单位进行发射和采集，如图3 所示。在定位精度和采集速度上相比机械探头有明显的提升，即使在三维心动图成像时也可满足速度的要求，不需再额外配合心电模块进行同步定位了。

电子面阵探头的缺点在于需要非常高的制作加工工艺和收发控制技术，生产制作的成本非常高，再加上这些工艺和技术非常尖端，只有少数一两家厂家可以生产制作，在一定程度上造成了垄断，价格也更加昂贵，影响了其普及。

图3. 电子面阵容积探头的发射和采集

5.总结

从自由臂采集到辅助装置采集，再到机械容积探头，最后到电子面阵探头，三维超声采集技术始终沿着采集精度更高、采集速度更快、采集装置与主机结合更加紧密的方向发展。电子面阵探头是目前最先进的采集技术，虽然因价格昂贵难以普及，但随着科技的发展，在国内超声研发人员的不懈努力下，相信在不久的将来，电子面阵探头也必将实现国产化，最终实现全面的普及。

[1] 郝晓辉，高上凯，高小榕。三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析[J]。生物医学工程学杂志，1998，5（13）：311-316

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