三维超声技术进展及其乳腺诊断应用现状

【作 者】陈薇，欧阳昭连，王艳斌，杜然然，池慧

北京协和医学院/中国医学科学院医学信息研究所，北京市，100020

1 三维超声成像概述

1.1 发展历程

1961年，Baun和Greewood提出了三维超声的最初概念[1]，三维超声的发展大致经历了三个阶段。

第一个阶段是20世纪70年代到90年代早期的静态三维成像阶段，主要针对静态图像的重建；第二阶段是20世纪90年代开始的动态三维超声成像阶段，是将时间参数叠加到三维超声成像中，形成运动的三维超声图像；第三个阶段是现在的实时三维超声成像[2]，成像几乎没有时间延迟，能即时显示出三维图像。

1.2 应用领域

相对二维超声而言三维超声影像显示立体化，直观性好、精确性高、实时性强。与大型设备相比，超声的使用便携化程度高、无辐射危害小。这些综合因素为三维超声的临床应用提供了广阔的前景。

从临床应用的角度看，三维超声在心脏领域、妇产科检查、肝胆方面、胃肿瘤、介入诊断治疗、浅表器官检查、泌尿系统检查、外周血管等方面都得到了很广泛的应用[3]。

在心脏领域，实时三维超声心动图可以对心脏容积进行评估、显示心内异常结构，还可以应用于冠状动脉性心脏病、心血管疾病的介入治疗中[4]，有很高的临床应用价值。

在妇产科领域，三维超声可以观察到妊娠早期、中期、晚期胎儿的生长发育情况，及时发现异常。还可以观察子宫的形态、子宫内膜的厚度跟体积、子宫颈、输卵管、卵巢的情况，根据结果检查疾病[5]。

在浅表器官的检查方面，对于乳腺肿瘤的诊断，三维超声表现出了突出的优势。三维超声能够对乳腺肿瘤的位置、形状、大小跟容积等进行精确的估计[6]。还可以得到乳腺的冠状面图像，为医生提供更多、更精确的信息，提高诊断的精确性[7]。

除此之外，在胆囊的病变、膀胱的各种疾病特征[8]、眼球内部结构显示[9]等方面也有很高价值的临床应用。

2 三维超声成像技术进展及应用现状

2.1 技术进展

从成像原理来说，三维超声成像技术主要有两种，一种是使用二维超声成像设备，用一定的机械方式获取二维组织的信息进行三维重建[10]。另一种是使用二维面阵探头发射“金字塔”形的超声束，而后获取三维空间数据进行图像重建[2]。

三维超声成像的过程主要包括图像采集、图像重建和图像显示[11]。

图像采集很大程度上取决于探头技术与扫描方式的发展。现在的一体化三维容积探头是将机械摆动装置与二维超声探头封装在一起[12]，使用二维超声探头结合适当的探头摆动来获取三维数据。

图像的重建有：立体几何构成法、表面轮廓提取法、体元模型法[13]。立体几何成像需要大量的几何原型，不适合复杂的人体结构的描述，现在已经很少用到。表面轮廓提取法是将空间中一系列点相互连接形成简单的直线用于描述脏器，这个技术由于不具备灰阶特征，在临床上未被采用[13]。目前使用的是体元模型法，该方法将三维物体分成不同的体元，然后把这些体元按相应的空间位置排列后构成三维图像。

图像显示技术也是三维超声一个很重要的部分，图像分割与配准技术是图像显示非常重要的两个部分，特别是图像分割技术，三维超声的图像分割有对二维图像分割后进行切面重组和直接进行三维分割两种方法[12]。这两种方法适合简单的三维图像分割，还无法处理复杂的三维图像。

这些技术的不断进步与发展促进了三维超声在各个临床领域的应用，其中，三维乳腺超声的技术进展极具代表性。

19世纪50年代到70年代是早期乳腺超声技术发展阶段，这个时期的技术有水浴扫描仪、多普勒频谱成像等，水浴扫描仪在开始的研究并不侧重于图像而是对组织的描述[14]。多普勒传感器可以用来检测血流情况。

现在的乳腺诊断中，常用的超声技术主要有：二维灰阶超声、多普勒超声、超声造影、超声弹性成像、三维超声[15]等。这些技术中，二维灰阶超声可以用来判断组织内有无肿块，这是对乳腺肿块进行定性判断的基础。多普勒技术以无创方式对乳腺肿瘤周围的血管以及血流特征、分布形态等进行观察，并帮助鉴别肿瘤性质。超声造影技术则可以帮助增强血管内血流的灵敏度[16]，帮助判别微小血管的血流情况，协助医生判断并寻找具体的肿瘤与其病灶情况。

近年来，乳腺超声检查技术中的超声弹性成像技术和乳腺三维成像技术研究比较多，发展较迅速。

弹性成像技术是依据不同组织不同的弹性系数，将收集检测到的信号，综合分析其弹性系数后，与二维超声进行叠加显示或者与二维超声图像进行对比显示的过程[17]。这种方法是根据不同组织弹性系数不同来诊断肿瘤的性质，还可以检测出超声弹性应变率比值，为弹性成像中肿瘤性质的鉴别提供更加客观的诊断标准[18]。

三维超声成像对图像进行重建，获取立体直观图像。这个技术实现了多平面重建成像、表面成像、透明成像以及血管的三维成像，对肿瘤的观察更加客观与全面[26]。特别是超声容积成像，它分为静态容积对比成像、四维容积对比成像、容积计算[19]等。这种成像方式可以多角度多切面对图像进行观察，而且还能够进行一定的容积测量，用更加直观的数据来判断肿瘤的情况[14]。

2.2 应用现状

为了迎合不同领域的临床应用需求，各种先进技术的应用也在不断地发展。很多先进的三维成像技术，例如：图像定量分析功能、实时符合成像技术、新型探头等技术发展迅速。探头技术的发展为医生的不同的诊断需求提供了合适的探头群[20]，飞利浦三维超声的探头技术从开始的纯净波探头技术（PureWave）到现在的xMatrix矩阵技术，并将这些技术进行融合形成新的探头—X6-1[21]，从而提高图像质量满足不同的诊断需求。

多切面分析、不规则体积测量、容积灌注成像[22]、图像优化等技术应用于妇产科；实时四维活检等技术[23]应用于乳腺诊断；虚拟三维全景导航应用于颅内血流测量[24]；腹腔镜软组织手术应用于超声导航[25]；三维血流超声成像应用于神经血管手术[26]。这些相关技术的发展与应用给三维超声带来了更广阔的发展前景。

除此之外，三维超声还强调操作流程设计及优化，例如：全手势无触觉的可视化用户界面[27]，这些技术使操作界面简洁并方便使用。

3 乳腺三维超声成像技术特点及应用现状

随着三维超声技术日益成熟及三维超声产品的不断发展，其应用也在不断发展，特别是三维乳腺超声方面。三维乳腺超声的应用可以从一个侧面反映出三维超声的应用情况。

3.1 特点及优势

目前，乳腺癌是最常见的恶性肿瘤之一。美国2012年已有超过20万女性诊断出患有乳腺癌[28]。在我国部分城市，乳腺癌发病率已经是女性恶性肿瘤的首位[29]。其发病率呈逐年上升趋势，并逐渐趋向年轻化。因此，乳腺癌的早诊断、早发现、早治疗以提高生存率对乳腺癌的防治而言显得尤为重要。

常用的乳腺检查设备有：乳腺钼靶X线、CR/DR、MRI、放射线核素成像、超声、红外线扫描等。

这些设备根据其成像原理与特点的不同，各有其优缺点。乳腺钼靶X线，是最常用的乳腺检查设备，其诊断结果可靠。CR/DR的图片分辨率较高，可减少漏诊、误诊。MRI对软组织分辨率高，可以用于恶性病灶范围与数目的评价。但CR/DR与MRI对乳腺的钙化不敏感、技术复杂且检查费用高[30]。红外线成像设备无创、检查费用低，可以用于基层医院的乳腺检查[31]。

在这些乳腺检查设备中，超声由于其无辐射的特点适合于女性特别是孕妇的乳腺检查。而且超声设备移动方便，价格低、使用方便，应用人群更加广泛。现在迅速发展的三维超声，提高了乳腺癌的筛查准确性，对于“致密性”乳房的检查，超声更是首选[20]。三维超声可以进行乳腺的三维冠状面成像，并在成像面上观察到“汇聚征”，来帮助诊断乳腺肿瘤[32]。三维超声对乳腺的三维血管成像可以观察到乳腺肿瘤附近血管的分布形态，从而判断乳腺肿瘤的性质。三维超声造影成像能够对微小血管进行三维重建，更有利于肿瘤性质的判断[33]。现在已有实验表明与二维超声相比三维超声能更加清晰地显示乳腺癌周边肿块的浸润层次及血流分布等情况。并且有研究表明三维乳腺超声诊断肿瘤良恶性时，与病理微血管密度有很大相关性的血管容积指数差异显著[34]。同时，高质量的图像、乳房的容积测量、弹性成像与分析技术为乳腺的检查的准确度提供了更好的保证。

3.2 应用现状

为了发展三维乳腺超声成像，很多先进的技术不断应用于三维乳腺超声的检查中。已经有研究表明，运用三维超声自动化检测的数据有预测恶性肿瘤的可能性[35]，并且在乳腺癌的治疗过程中三维乳腺超声也能够进行一些前瞻性的检查，为制定化疗方案提供依据[36]。

在技术发展过程中，例如：多通道超声波层析成像（MUT）[37]已经被证实可以通过多通道检测的方式区分乳腺肿瘤的良性与恶性；三维超声的容积测量技术在辅助化疗中能对病人病理反应进行预测[38]；图像制导技术能够在肿瘤切除过程中应用[39]。

在产品方面，在2012年9月首款用于“致密性”乳房检查的三维超声系统—U-Systems somo ·vTM经FDA批准在美国、加拿大、欧洲上市[40]。这个系统是迄今为止唯一一款在美国等国家用于早期致密性乳房检查的工具，它的使用可以帮助医生检查出用钼靶X线检查不出来的早期病变。

这个系统专门设计了针对高容量乳房的检查环境；使用Reverse CurveTM的软接触传感器技术、曲线传感器增加病人的舒适度；收敛的几何扫描线，提高渗透与锐化；方向曲线设计，在整个乳房的图像质量上创建统一的压缩厚度；14 Hz～6 MHz高频探头进行大容积三维成像；AbellaTM加快三维图像的重建工作并提高图像质量；集成了专门的乳腺冠状面显示功能，快速显示并分析乳房的解剖跟病理结构[41]。

4 小结

随着新的超声技术的发展，特别是三维超声技术的发展与使用，为许多疾病的检查，特别是乳腺疾病的检查提供了一个很好的检查方式。乳腺超声的发展来源于多种技术的不断发展与更新。随着三维超声技术的发展，乳腺超声的检查，特别是针对“致密性”乳房的检查效率得到了更大的提高。目前的三维超声检查大多采用的是全身检查和妇产科检查使用的三维超声仪，只有一款专用的乳腺三维超声仪。专用三维乳腺超声设备能够强化乳腺特征，针对乳腺的特点进行技术的创新与提高，为乳腺的检查工作提供更精确更方便的方式。

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