實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖的研究進(jìn)展

實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖的研究進(jìn)展

近年來，三維超聲技術(shù)取得了迅速發(fā)展，并在臨床診斷方面取得了良好的效果。2001年6月在西雅圖美國(guó)超聲心動(dòng)圖學(xué)會(huì)年上筆者觀看了實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖(real-timethree-dimensionalechocardiography,RT-3DE)的表演,留下了深刻的印象。2002年10月11日開始,武漢協(xié)和醫(yī)院在國(guó)內(nèi)率先應(yīng)用此儀器檢查患者。通過試用,筆者發(fā)現(xiàn)該儀器操作簡(jiǎn)便,成像快速,圖像清晰,能逼真地顯示心臟各個(gè)結(jié)構(gòu)的立體方位與活動(dòng)規(guī)律,深感這是超聲醫(yī)學(xué)中的一項(xiàng)劃時(shí)代的新突破?，F(xiàn)就實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖換能器的結(jié)構(gòu)、三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的形成與發(fā)展前景等有關(guān)問題探討如下。一、矩陣型換能器的設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)三維超聲成像所用矩陣排列換能器(matrixarraytransducer)由美國(guó)Duke大學(xué)提出,經(jīng)Philips公司精心研制于最近獲得成功。換能器晶片的頻率為2～4MHz,由縱向、橫向多線均勻切割為矩陣排列的多達(dá)60×60=3600(或80×80=6400)個(gè)正方形的陣元(elements),陣元非常微小,直徑細(xì)如發(fā)絲(圖1)。按照人體工程學(xué)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),矩陣型換能器的陣元置于探頭的頂端,能接觸體表,便于超聲的發(fā)射和接收;在換能器陣元的后側(cè),探頭內(nèi)密布150多個(gè)微型線路板;所有陣元分別經(jīng)過10000多條通道(channelarchitecture)與探頭內(nèi)的微型線路板及主機(jī)相連接。二、聲束轉(zhuǎn)向顯示矩陣換能器由計(jì)算機(jī)控制,依據(jù)多方位聲束快速掃描原理進(jìn)行工作。發(fā)射時(shí)由電子計(jì)算機(jī)控制著每一發(fā)射脈沖通向各陣元的時(shí)間,使每一陣元產(chǎn)生小的點(diǎn)狀聲源,依Huygens原理,這些點(diǎn)狀聲源在前進(jìn)時(shí)漸次形成一共同的波陣面。如發(fā)射脈沖同時(shí)激勵(lì)所有陣元,聲束前進(jìn)方向與探頭的法線方向相平行。如果調(diào)節(jié)不同的延遲時(shí)間,發(fā)射脈沖經(jīng)電子計(jì)算機(jī)延遲裝置處理后在相位上有所差異,波陣面的方向可有改變,使聲束的傾斜角可上可下,可左可右,聲束的焦距深淺也可變化,故探頭雖然固定不動(dòng),指向不變,但所發(fā)出的聲束卻能自動(dòng)轉(zhuǎn)向,到達(dá)靶區(qū)內(nèi)的任何方向。當(dāng)發(fā)射的聲束沿預(yù)定方向X軸前進(jìn)時(shí),可形成一條掃描線(即一維顯示);按相控陣方式沿Y軸進(jìn)行方位轉(zhuǎn)向(azimuthsteering)形成二維圖像;再使二維圖像沿Z軸方向扇形移動(dòng)進(jìn)行立體仰角轉(zhuǎn)向(elevationsteering),由于聲束在互相垂直的3個(gè)方向進(jìn)行掃描,故最后形成1個(gè)覆蓋靶區(qū)各個(gè)部位立體結(jié)構(gòu)的“金字塔”形三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)(圖2,3)。三、檢測(cè)掃描線的選擇上述矩陣換能器為快速掃描獲得“金字塔”形三維數(shù)據(jù)庫(kù)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。但如何實(shí)時(shí)成像,如何發(fā)射脈沖,尚需由計(jì)算機(jī)設(shè)定程序,進(jìn)行控制。設(shè)“金字塔(pyramid)”形三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的形狀為60°×30°(圖4),沿Y軸進(jìn)行方位轉(zhuǎn)向形成的每幀60°二維扇形切面上的掃描線為60條(即每1°分布1條掃描線),Z軸上進(jìn)行立體仰角轉(zhuǎn)向的30°內(nèi)有30幀二維扇形切面(即每1°分布1幀二維扇形切面)。可以推知每一個(gè)“金字塔”形圖像三維數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)最少要有60×30即1800條掃描線。要達(dá)到實(shí)時(shí)顯示三維超聲圖像的目的,每秒鐘內(nèi)最少要獲取16個(gè)“金字塔”形三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù),只有如此,才能真正觀察到心臟各個(gè)結(jié)構(gòu)的立體連續(xù)活動(dòng)狀態(tài)。因此,每秒三維裝置所發(fā)射的掃描線應(yīng)當(dāng)是每一個(gè)“金字塔”形三維數(shù)據(jù)庫(kù)的掃描線數(shù)1800再乘以16,即最少需要1800×16=28800條。由于1s=106μs,當(dāng)每秒發(fā)射28800條掃描線(即脈沖重復(fù)頻率為28800Hz)時(shí),相鄰兩個(gè)脈沖的間期僅有34.7μs。已知在軟組織中超聲傳播速度恒定,為1500m/s即0.15cm/μs。如發(fā)射脈沖間期為34.7μs,超聲行程為5.2cm,按往返雙程計(jì)算,透入深度僅2.6cm。如果新的實(shí)時(shí)三維超聲探測(cè)深度只有2.6cm,透入深度太淺,顯然無法在臨床上應(yīng)用,這已成為發(fā)展實(shí)時(shí)三維技術(shù)的“瓶頸”。為了克服這一困難,Duke大學(xué)和Philips公司的設(shè)計(jì)者采用了一種全新的“微電子技術(shù)”。其特點(diǎn)是矩陣換能器在發(fā)射掃描線時(shí),不是按通常的1∶1方式每次發(fā)射1條聲束掃描線,而是以16∶1并行處理的方式去掃描“金字塔”形容積(16∶1parallelprocessingtoscanapyramidalvolume),能同時(shí)發(fā)射多條聲束掃描線。發(fā)射脈沖數(shù)雖然增多,但按16∶1的方式發(fā)射時(shí),脈沖間期可增加16倍,超聲透入人體組織的深度隨之增大。如脈沖重復(fù)頻率為28.8kHz,脈沖間期并非34.7μs,而是555μs,行程為83.3cm,以雙程計(jì)算,透入深度可達(dá)41.6cm?？焖侔l(fā)射的聲束能沿Y軸作方位轉(zhuǎn)向,另沿Z軸作仰角轉(zhuǎn)向,單位時(shí)間內(nèi)可獲得更多的“金字塔”形圖像三維數(shù)據(jù)庫(kù),因而能在較大容積內(nèi)提供相當(dāng)于二維圖像掃描線密度的實(shí)時(shí)三維心臟結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖像。四、動(dòng)態(tài)觀察與圖像檢查實(shí)時(shí)三維超聲成像儀進(jìn)行檢查時(shí)首先顯示通常的二維圖像,借此可初步了解病變性質(zhì)與大致范圍,再啟動(dòng)實(shí)時(shí)三維程序顯示其立體形態(tài)。依據(jù)圖像的形狀不同,大致可分2種:窄角的“瓜瓣樣”顯示和寬角的“金字塔”樣顯示。所謂“窄角瓜瓣樣顯示”,是指聲束掃描線在Y軸上作60°方位轉(zhuǎn)向,在Z軸上作30°仰角轉(zhuǎn)向的立體圖像,畫面較窄,形似瓜瓣,簡(jiǎn)稱“瓜瓣圖”,在儀器面板上設(shè)有“l(fā)ive3-D”(實(shí)時(shí)顯示三維圖)按鍵,觸之即可進(jìn)行此項(xiàng)檢查(圖5,6)。這種方法優(yōu)點(diǎn)突出,為真正的實(shí)時(shí)成像,快速清晰,轉(zhuǎn)動(dòng)“軌跡球”,可從正面、側(cè)面、上方或下方進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。對(duì)瓣膜口、間隔缺損可從旁側(cè)進(jìn)行斷面顯示,亦可轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)角度作鳥瞰觀,平面展現(xiàn)瓣口和缺損的輪廓、形態(tài)、面積,圖像直觀,偽像很少,對(duì)臨床診斷有重要價(jià)值。缺點(diǎn)是圖像寬度不足,常出現(xiàn)心壁殘缺現(xiàn)象。所謂“寬角金字塔樣顯示”,是指Y軸方位轉(zhuǎn)向與Z軸仰角轉(zhuǎn)向均為60°的“金字塔”形的立體圖像,簡(jiǎn)稱“金字塔圖”,觸壓儀器面板上的“fullvolume”(全容積)按鍵即可進(jìn)行此項(xiàng)研究。檢查時(shí)先用二維超聲觀察,選擇較理想的圖像,啟動(dòng)“fullvolume”,顯示屏上出現(xiàn)左右兩幅互相正交的二維圖像,盡力調(diào)整,使之能包括需要顯示的全部目標(biāo)。再觸摸“acquire”(采圖)按鍵,由心電圖自動(dòng)觸發(fā),分別選取相間的第1、第3、第5與第7個(gè)心動(dòng)周期在0°～15°,15°～30°,30°～45°,45°～60°處緊密相鄰的4個(gè)15°×60°窄角“瓜瓣圖”立體數(shù)據(jù)庫(kù),再組合相加形成60°×60°“金字塔圖”(圖7,8)。一次采樣約需5～7s,患者如能摒氣不動(dòng),所獲4個(gè)窄角圖之間的移位較少。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是圖像包括的范圍較大,能顯示探測(cè)目標(biāo)的全貌,形象逼真,各結(jié)構(gòu)周鄰關(guān)系清楚,心壁殘缺現(xiàn)象較少,對(duì)觀測(cè)心搏量、心肌重量、心壁動(dòng)態(tài)、心肌灌注造影等有很大幫助。其不足之處是圖像系由4個(gè)心動(dòng)周期的4個(gè)實(shí)時(shí)三維圖像組成,如有位移或心律不齊者可有失真現(xiàn)象。檢查時(shí)應(yīng)注意調(diào)節(jié)掃描深度,深度減小,脈沖間期縮短,重復(fù)頻率提高,可改善圖像的清晰度;但另一方面,如掃描深度過小,遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的一次反射和中場(chǎng)結(jié)構(gòu)的二次反射,有可能重疊于三維圖像之內(nèi),形成雜亂無章的團(tuán)塊,影響對(duì)各層結(jié)構(gòu)的識(shí)別和判斷。觀察圖像時(shí)適當(dāng)選擇輝度、反差、閾值、透明度、平滑與距離等參數(shù),以期獲得最佳質(zhì)量的圖像。五、臨床實(shí)際應(yīng)用實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖的臨床實(shí)用價(jià)值已為眾多學(xué)者所認(rèn)可,其應(yīng)用情況我院已作綜述,并將臨床試用的體會(huì)進(jìn)行初步總結(jié)?，F(xiàn)就實(shí)時(shí)三維超聲具有的潛力及有待開發(fā)的問題加以分析和探討。1.對(duì)心臟外科手術(shù)的意義實(shí)時(shí)三維超聲心動(dòng)圖能聯(lián)機(jī)(on-line)檢測(cè),成像快速,現(xiàn)已在臨床上得到應(yīng)用。筆者認(rèn)為如果手術(shù)中將探頭置于心臟表面(可加一水囊),即能直觀顯示心臟各個(gè)房室、大血管的輪廓、走向、空間位置與毗鄰關(guān)系,觀察心臟瓣膜的形態(tài)、厚度、瓣口大小、開放幅度與關(guān)閉時(shí)是否密合,探測(cè)間隔缺損的部位、大小、形態(tài)及是否合并畸形,及時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)后病變矯正的效果以及有無漏誤,這些功能對(duì)心臟外科手術(shù)將具有重大意義。這些指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)手術(shù)矯正病變的效果以及觀察有無漏誤等準(zhǔn)確可靠,且非常及時(shí),在心臟外科手術(shù)監(jiān)護(hù)上具有重大意義。如能將小型的心內(nèi)實(shí)時(shí)三維探頭插入心腔內(nèi)或食管,在臨床上將會(huì)發(fā)揮更大的作用。2.心肌灌注超聲心肌缺血和梗死區(qū)的檢測(cè)在以前的展望中,我們提出過將實(shí)時(shí)三維成像技術(shù)與二次諧波成像以及能量多普勒顯像相結(jié)合的問題,認(rèn)為此法在心肌灌注聲學(xué)造影時(shí),一次彈丸注射或經(jīng)靜脈滴注之后,瞬時(shí)之間即可獲取整體心肌灌注的三維信息,臨床可據(jù)此快速全面評(píng)價(jià)及定量分析正常心肌灌注造影區(qū)和缺血心肌的負(fù)性造影區(qū),精確評(píng)價(jià)心肌缺血或梗死區(qū)所在部位、范圍大小以及正常、異常灌注造影區(qū)的體積和比率。這一方法對(duì)冠心病診斷將有重要價(jià)值。3.反流束和心內(nèi)間隔缺損分流束的量測(cè)實(shí)時(shí)三維超聲圖像目前尚屬灰階范疇,今后如能與彩色多普勒相結(jié)合,重建立體的彩色血流圖像,立體顯示瓣膜反流束和心內(nèi)間隔缺損分流束的位置、時(shí)相、方向、長(zhǎng)度、寬度、面積、流程、起止點(diǎn)和嚴(yán)重程度,將可對(duì)反流和分流進(jìn)行比較精確的定量。此外,也可用于顯示冠脈血流的空間走向、狹窄的位置及其周圍的側(cè)支循環(huán),這種能顯示冠狀動(dòng)脈血管樹的立體圖像將會(huì)在臨床上發(fā)揮重要作用。4.動(dòng)的多普勒信號(hào)如將實(shí)時(shí)三維成像技術(shù)和彩色組織多普勒超聲成像相結(jié)合,顯示心肌組織運(yùn)動(dòng)的多普勒信號(hào),即可觀察心肌活動(dòng)的順序,進(jìn)而推衍出心肌電生理各項(xiàng)參數(shù),研究正常心臟激動(dòng)起源、傳導(dǎo)順序,分析心律失常的異位起搏點(diǎn)和傳導(dǎo)途徑等諸多問題。一旦獲得成功,將能為臨床提供一種觀察心律失常的新方法。5.心腔形態(tài)的建立將實(shí)時(shí)三維成像技術(shù)和AQ、CK技術(shù)相結(jié)合,能自動(dòng)識(shí)別心內(nèi)膜邊緣,快速勾畫心腔輪廓,建立“薄殼樣”心腔形態(tài)的立體圖像。由于系單線取樣,三維圖像所需的數(shù)據(jù)大為減少,成像速度可以明顯增快,有可能快速實(shí)時(shí)計(jì)測(cè)心腔瞬時(shí)容積,進(jìn)而推算出心搏量和心輸出量,故在心功能準(zhǔn)確測(cè)定方面有很大的潛力。6.胎心、心臟結(jié)構(gòu)的觀察矩陣換能器實(shí)時(shí)三維掃描技術(shù)檢查妊娠子宮時(shí),可獲得胎心的“金字塔”形立體數(shù)據(jù)庫(kù),觀察胎兒心臟的形態(tài)、活動(dòng)、腔室大小、房室與大血管的連接,能在孕期及早發(fā)現(xiàn)心臟畸形。7.超聲檢查檢查希望進(jìn)一步減小換能器的直徑和長(zhǎng)度,使之能進(jìn)行經(jīng)食管超聲檢查,使因肥胖、肺氣腫、肋間隙狹窄致經(jīng)胸檢查圖像模糊者獲得清晰的圖像,這在臨床上將有重要價(jià)值。8.hdi500系統(tǒng)的xres技術(shù)對(duì)一些活動(dòng)緩慢、無何節(jié)律的“靜態(tài)”器官,如眼