实时三维超声心动图的研究进展

实时三维超声心动图的研究进展

近年来，三维超声技术取得了迅速发展，并在临床诊断方面取得了良好的效果。2001年6月在西雅图美国超声心动图学会年上笔者观看了实时三维超声心动图(real-timethree-dimensionalechocardiography,RT-3DE)的表演,留下了深刻的印象。2002年10月11日开始,武汉协和医院在国内率先应用此仪器检查患者。通过试用,笔者发现该仪器操作简便,成像快速,图像清晰,能逼真地显示心脏各个结构的立体方位与活动规律,深感这是超声医学中的一项划时代的新突破。现就实时三维超声心动图换能器的结构、三维图像数据库的形成与发展前景等有关问题探讨如下。一、矩阵型换能器的设计实时三维超声成像所用矩阵排列换能器(matrixarraytransducer)由美国Duke大学提出,经Philips公司精心研制于最近获得成功。换能器晶片的频率为2～4MHz,由纵向、横向多线均匀切割为矩阵排列的多达60×60=3600(或80×80=6400)个正方形的阵元(elements),阵元非常微小,直径细如发丝(图1)。按照人体工程学的要求进行设计,矩阵型换能器的阵元置于探头的顶端,能接触体表,便于超声的发射和接收;在换能器阵元的后侧,探头内密布150多个微型线路板;所有阵元分别经过10000多条通道(channelarchitecture)与探头内的微型线路板及主机相连接。二、声束转向显示矩阵换能器由计算机控制,依据多方位声束快速扫描原理进行工作。发射时由电子计算机控制着每一发射脉冲通向各阵元的时间,使每一阵元产生小的点状声源,依Huygens原理,这些点状声源在前进时渐次形成一共同的波阵面。如发射脉冲同时激励所有阵元,声束前进方向与探头的法线方向相平行。如果调节不同的延迟时间,发射脉冲经电子计算机延迟装置处理后在相位上有所差异,波阵面的方向可有改变,使声束的倾斜角可上可下,可左可右,声束的焦距深浅也可变化,故探头虽然固定不动,指向不变,但所发出的声束却能自动转向,到达靶区内的任何方向。当发射的声束沿预定方向X轴前进时,可形成一条扫描线(即一维显示);按相控阵方式沿Y轴进行方位转向(azimuthsteering)形成二维图像;再使二维图像沿Z轴方向扇形移动进行立体仰角转向(elevationsteering),由于声束在互相垂直的3个方向进行扫描,故最后形成1个覆盖靶区各个部位立体结构的“金字塔”形三维图像数据库(图2,3)。三、检测扫描线的选择上述矩阵换能器为快速扫描获得“金字塔”形三维数据库提供了坚实的物质基础。但如何实时成像,如何发射脉冲,尚需由计算机设定程序,进行控制。设“金字塔(pyramid)”形三维图像数据库的形状为60°×30°(图4),沿Y轴进行方位转向形成的每帧60°二维扇形切面上的扫描线为60条(即每1°分布1条扫描线),Z轴上进行立体仰角转向的30°内有30帧二维扇形切面(即每1°分布1帧二维扇形切面)。可以推知每一个“金字塔”形图像三维数据库内最少要有60×30即1800条扫描线。要达到实时显示三维超声图像的目的,每秒钟内最少要获取16个“金字塔”形三维图像数据库,只有如此,才能真正观察到心脏各个结构的立体连续活动状态。因此,每秒三维装置所发射的扫描线应当是每一个“金字塔”形三维数据库的扫描线数1800再乘以16,即最少需要1800×16=28800条。由于1s=106μs,当每秒发射28800条扫描线(即脉冲重复频率为28800Hz)时,相邻两个脉冲的间期仅有34.7μs。已知在软组织中超声传播速度恒定,为1500m/s即0.15cm/μs。如发射脉冲间期为34.7μs,超声行程为5.2cm,按往返双程计算,透入深度仅2.6cm。如果新的实时三维超声探测深度只有2.6cm,透入深度太浅,显然无法在临床上应用,这已成为发展实时三维技术的“瓶颈”。为了克服这一困难,Duke大学和Philips公司的设计者采用了一种全新的“微电子技术”。其特点是矩阵换能器在发射扫描线时,不是按通常的1∶1方式每次发射1条声束扫描线,而是以16∶1并行处理的方式去扫描“金字塔”形容积(16∶1parallelprocessingtoscanapyramidalvolume),能同时发射多条声束扫描线。发射脉冲数虽然增多,但按16∶1的方式发射时,脉冲间期可增加16倍,超声透入人体组织的深度随之增大。如脉冲重复频率为28.8kHz,脉冲间期并非34.7μs,而是555μs,行程为83.3cm,以双程计算,透入深度可达41.6cm。快速发射的声束能沿Y轴作方位转向,另沿Z轴作仰角转向,单位时间内可获得更多的“金字塔”形图像三维数据库,因而能在较大容积内提供相当于二维图像扫描线密度的实时三维心脏结构动态图像。四、动态观察与图像检查实时三维超声成像仪进行检查时首先显示通常的二维图像,借此可初步了解病变性质与大致范围,再启动实时三维程序显示其立体形态。依据图像的形状不同,大致可分2种:窄角的“瓜瓣样”显示和宽角的“金字塔”样显示。所谓“窄角瓜瓣样显示”,是指声束扫描线在Y轴上作60°方位转向,在Z轴上作30°仰角转向的立体图像,画面较窄,形似瓜瓣,简称“瓜瓣图”,在仪器面板上设有“live3-D”(实时显示三维图)按键,触之即可进行此项检查(图5,6)。这种方法优点突出,为真正的实时成像,快速清晰,转动“轨迹球”,可从正面、侧面、上方或下方进行实时动态观察。对瓣膜口、间隔缺损可从旁侧进行断面显示,亦可转动适当角度作鸟瞰观,平面展现瓣口和缺损的轮廓、形态、面积,图像直观,伪像很少,对临床诊断有重要价值。缺点是图像宽度不足,常出现心壁残缺现象。所谓“宽角金字塔样显示”,是指Y轴方位转向与Z轴仰角转向均为60°的“金字塔”形的立体图像,简称“金字塔图”,触压仪器面板上的“fullvolume”(全容积)按键即可进行此项研究。检查时先用二维超声观察,选择较理想的图像,启动“fullvolume”,显示屏上出现左右两幅互相正交的二维图像,尽力调整,使之能包括需要显示的全部目标。再触摸“acquire”(采图)按键,由心电图自动触发,分别选取相间的第1、第3、第5与第7个心动周期在0°～15°,15°～30°,30°～45°,45°～60°处紧密相邻的4个15°×60°窄角“瓜瓣图”立体数据库,再组合相加形成60°×60°“金字塔图”(图7,8)。一次采样约需5～7s,患者如能摒气不动,所获4个窄角图之间的移位较少。这一方法的优点是图像包括的范围较大,能显示探测目标的全貌,形象逼真,各结构周邻关系清楚,心壁残缺现象较少,对观测心搏量、心肌重量、心壁动态、心肌灌注造影等有很大帮助。其不足之处是图像系由4个心动周期的4个实时三维图像组成,如有位移或心律不齐者可有失真现象。检查时应注意调节扫描深度,深度减小,脉冲间期缩短,重复频率提高,可改善图像的清晰度;但另一方面,如扫描深度过小,远场结构的一次反射和中场结构的二次反射,有可能重叠于三维图像之内,形成杂乱无章的团块,影响对各层结构的识别和判断。观察图像时适当选择辉度、反差、阈值、透明度、平滑与距离等参数,以期获得最佳质量的图像。五、临床实际应用实时三维超声心动图的临床实用价值已为众多学者所认可,其应用情况我院已作综述,并将临床试用的体会进行初步总结。现就实时三维超声具有的潜力及有待开发的问题加以分析和探讨。1.对心脏外科手术的意义实时三维超声心动图能联机(on-line)检测,成像快速,现已在临床上得到应用。笔者认为如果手术中将探头置于心脏表面(可加一水囊),即能直观显示心脏各个房室、大血管的轮廓、走向、空间位置与毗邻关系,观察心脏瓣膜的形态、厚度、瓣口大小、开放幅度与关闭时是否密合,探测间隔缺损的部位、大小、形态及是否合并畸形,及时监测手术后病变矫正的效果以及有无漏误,这些功能对心脏外科手术将具有重大意义。这些指标对评价手术矫正病变的效果以及观察有无漏误等准确可靠,且非常及时,在心脏外科手术监护上具有重大意义。如能将小型的心内实时三维探头插入心腔内或食管,在临床上将会发挥更大的作用。2.心肌灌注超声心肌缺血和梗死区的检测在以前的展望中,我们提出过将实时三维成像技术与二次谐波成像以及能量多普勒显像相结合的问题,认为此法在心肌灌注声学造影时,一次弹丸注射或经静脉滴注之后,瞬时之间即可获取整体心肌灌注的三维信息,临床可据此快速全面评价及定量分析正常心肌灌注造影区和缺血心肌的负性造影区,精确评价心肌缺血或梗死区所在部位、范围大小以及正常、异常灌注造影区的体积和比率。这一方法对冠心病诊断将有重要价值。3.反流束和心内间隔缺损分流束的量测实时三维超声图像目前尚属灰阶范畴,今后如能与彩色多普勒相结合,重建立体的彩色血流图像,立体显示瓣膜反流束和心内间隔缺损分流束的位置、时相、方向、长度、宽度、面积、流程、起止点和严重程度,将可对反流和分流进行比较精确的定量。此外,也可用于显示冠脉血流的空间走向、狭窄的位置及其周围的侧支循环,这种能显示冠状动脉血管树的立体图像将会在临床上发挥重要作用。4.动的多普勒信号如将实时三维成像技术和彩色组织多普勒超声成像相结合,显示心肌组织运动的多普勒信号,即可观察心肌活动的顺序,进而推衍出心肌电生理各项参数,研究正常心脏激动起源、传导顺序,分析心律失常的异位起搏点和传导途径等诸多问题。一旦获得成功,将能为临床提供一种观察心律失常的新方法。5.心腔形态的建立将实时三维成像技术和AQ、CK技术相结合,能自动识别心内膜边缘,快速勾画心腔轮廓,建立“薄壳样”心腔形态的立体图像。由于系单线取样,三维图像所需的数据大为减少,成像速度可以明显增快,有可能快速实时计测心腔瞬时容积,进而推算出心搏量和心输出量,故在心功能准确测定方面有很大的潜力。6.胎心、心脏结构的观察矩阵换能器实时三维扫描技术检查妊娠子宫时,可获得胎心的“金字塔”形立体数据库,观察胎儿心脏的形态、活动、腔室大小、房室与大血管的连接,能在孕期及早发现心脏畸形。7.超声检查检查希望进一步减小换能器的直径和长度,使之能进行经食管超声检查,使因肥胖、肺气肿、肋间隙狭窄致经胸检查图像模糊者获得清晰的图像,这在临床上将有重要价值。8.hdi500系统的xres技术对一些活动缓慢、无何节律的“静态”器官,如眼