三维超声在胎儿畸形诊断中的应用进展

周毓青，严英榴

(1.上海市长宁区妇幼保健院 华东师范大学附属妇幼保健院超声医学科，上海 200051；2.复旦大学附属妇产科医院超声科，上海 200011)

三维超声最早在20 世纪80 年代进入临床，到了20 世纪90 年，代随着商用三维超声诊断仪的问世，其逐渐进入妇产科临床应用[1-4]。但由于受后处理技术的局限以及胎儿体位等因素的影响，在一段时间内，三维超声因成像时间长、成像效果不确定而并未得到临床的广泛认可。近5～10 年来，随着计算机技术以及仪器研发的快速发展，三维超声成像技术实现了革命性的飞跃，不仅正以更丰富的形式展现，图像分析的时间也大大缩短，因此其在胎儿成像中受到重视。四维超声（动态三维超声）检查在观察胎儿神经行为等方面的作用也引起了研究者的关注[5-6]。但随之而来，也产生了一些对三维超声技术在胎儿超声应用中的误读、误用，如片面夸大三维超声的临床价值，把胎儿大畸形筛查解读为“四维超声”检查等。结合笔者的实践体会，本文将就三维超声检查在胎儿畸形诊断中的应用作一介绍。

三维超声显示模式及成像技术

三维超声技术是采集脏器或组织在一特定空间内的容积数据，经计算机分析、重建后显示其三维立体图像或特定切面的平面图，因此最终所获得的“三维图像”可以是由无数幅平面图组合而成，且包含了特定空间立体结构信息的“立体图”，也可以是通过某一位点或“超声声束切割线”获得的特定切面平面结构信息的“平面图”。实时变化的三维超声扫描即动态三维超声技术，又被称为“四维超声”，其可通过获取一段时间内的动态容积数据，显示脏器或组织的空间立体结构随着时间而产生的变化。

三维彩色脉冲多普勒或能量多普勒成像则在脏器或组织的三维成像中叠加了彩色血流信息，可用于观察其立体的血流分布或微循环状况，而在胎儿成像中，其有助于观察心血管系统及其他脏器组织的血管分布、血流状况。

三维超声的显示模式主要分为容积显示法（见图1）或断面显示法（见图2）两大类[7]。三维成像经旋转、平移等各种操作，对容积图像数据中具有不同特征的数据（如灰阶值）等进行分割，结合网格线定位物体形状[8]，对每一个被分割的部分构造轮廓，然后采取拟合的方式进行图像重组，以达到显示立体结构或目标切面结构的目的。这种对容积数据进行立体图像重建的过程称为“渲染”[9]。图像重建过程中，3 个正交切面（纵切面、横切面和冠状切面）所在的感兴趣区又被称为“容积数据渲染框”，简称“渲染框（见图1）”[9]。一般将在立体空间内相互垂直的3 个正交切面分别称为A 切面、B 切面和C 切面，对应仪器上的A、B、C 按键。将沿着图像左右方向的水平轴称为X 轴，沿着图像上下方向的垂直轴称为Y 轴，沿着图像前后方向的水平轴称为Z 轴，三者对应仪器上的X、Y、Z 按钮。成像过程中，通过转动X、Y、Z 轴实现对A、B、C 切面的调整。另外，需要通过一个特定的按钮（各厂家名称不一，如slice）调整三维超声声束的切割线，以实现在X 或Y 或Z 轴方向上的平移，最终显示所需的A、B、C 各切面和（或）三维容积图。

三维超声检查主要可以实现表面图像重建、切面结构分析、三维血管显影（见图3）以及体积计算（见图4）等功能[10]，如采用表面成像模式可进行胎儿结构的表层成像，采用多平面成像模式则可获得某些二维超声检查难以获得的切面图，而采用三维能量多普勒成像模式可显示组织的立体血流信息，应用计算机辅助虚拟脏器功能实现不规则体积计算（见图4）。随着三维超声技术的发展，目前三维超声的成像模式更趋多样和灵活，还可进行多平面的断层超声成像或自由解剖切面成像、容积对比成像、心脏时间空间复合成像、容积超声智能导航等，从而获得更丰富的诊断信息。

图2 断面显示法（三正交平面成像）

图3 胎盘血管瘤内部的三维超声血管显影

图4 不规则体积（胎儿小脑体积）计算

三维超声成像模式及其在胎儿畸形诊断中的应用

一、表面成像模式

采集到容积数据后，仅对距离探头最近的回声信号进行重建分析，形成感兴趣结构的表面轮廓，从而获得脏器或组织的表面形态，称为表面渲染成像。该技术主要显示局部或整体的表层信息，是三维超声技术最早应用于胎儿的成像模式[11]。采用该模式检查在早孕期即可显示整个胎儿的形态（见图5），包括头颅、腹部、四肢等；中孕期可显示胎儿颜面部（见图6）、指（趾）（见图7）等相对细小的结构，可清晰显示胎儿的结构畸形，如唇裂（见图8）、脊柱裂、腹裂、脑膨出、脐膨出（见图9）、足内翻等肢体或手足畸形（见图10）。

图5 中孕早期胎儿三维超声图

图6 胎儿颜面部

图7 胎儿手臂和手

图8 胎儿上唇右侧唇裂

图9 胎儿脐膨出

图10 胎儿前臂短小、手腕部角度及手形态异常

二、测量和体积计算功能

通过三维重建更易获得测量所需的标准平面，从而提高距离和周长等参数测量的准确性[12]。计算机辅助虚拟脏器功能可实现对不规则脏器或肿块的体积测量，可以直接获得二维超声检查无法测量的不规则物体体积，而对胎儿重要器官的体积进行测量可评价胎儿生长发育状况[13]（见图4）。采用自动容积测量技术，可自动识别不规则形态的组织器官及腔隙的轮廓，测量无回声结构或低回声结构的容积[14]。

三、多平面成像模式

该模式经过三维重建，可将A、B、C 3 个相互垂直的切面图像同屏显示。早期的三维超声，多平面成像即指3 个正交切面的成像。随着三维成像技术的发展，多平面成像被赋予更多内涵，凡能同时显示多个平面的三维成像均属于多平面成像的范畴。

1.三正交平面成像：这是一种将容积数据中的切面图信息通过互相垂直的A、B、C 3 个正交切面同屏显示的成像方法，特别是可以获得二维超声成像很难获得的C 平面。此方法不仅可用于同时显示胎儿结构[如头颅（见图2）、脸部]的矢状切面、横断面及冠状切面，还有研究者采用此方法观察测量了胎儿额骨的高度和额缝宽度，发现胎儿额骨从孕第9 周开始骨化；孕13～24 周期间，双侧额骨高度随孕周逐渐增高，额缝宽度随孕周逐渐缩小；额缝在第16 孕周左右开始闭合，在28 孕周向前囟门延伸，到第32 孕周从鼻骨区至前囟门额缝明显闭合。该研究观察了胎儿额骨和额缝的形成和发展规律，为早期诊断胎儿颅骨发育异常奠定了基础[15]。

2.断层超声成像：断层超声成像是对容积图像采用平行等距的多切面切割，实现同一方向的多个平行切面的同屏显示的方法，可分别在X、Y、Z 轴3 个不同的方向同屏显示A 切面或B 切面或C 切面的多个平行切面，如对胎儿口唇[16]、颅脑（见图11）等结构的平行多切面显示，对联体双胎的连接部位的评估也非常有优势[17]。不同厂家对该技术的称谓不一，如称为容积断面成像，或智能容积断层成像。

图11 胎儿小脑蚓部的三维断层超声成像

3.自由解剖切面成像（Omni View）：该技术在容积数据图像内采用直线、曲线、多线条或任意曲线进行图像的切割，可最终实现将容积数据内任意平面（见图12）或曲面的切面信息显示在一个平面图上显示,更适合用于对弯曲结构的显示，如胎儿上腭[18]、四肢、脊柱等。不同厂家对该技术的称谓也不一，如称为任意切面成像（Oblique View）或任意曲面切割成像（Flex Vue）。

图12 自由解剖成像

4.透明成像模式：该模式是将容积数据内部不同强度的回声信息通过渲染而凸显出来，包括最大模式、最小模式、反转模式、X 线模式[9]。

（1）最大模式：该模式是将容积图像内所有高回声的信号优先计算而显示出来的一种透明成像模式，适用于显示强回声的胎儿骨骼，其对胎儿骨骼系统的显示较二维超声成像更清晰，可用于对胎儿颅骨、脊柱（见图13）、肋骨（见图13）、四肢的观察及畸形诊断，以及对脊椎骨的定位[19-20]（见图14）。

图13 胎儿脊柱三维超声透明成像（最大模式）

图14 胎儿腰椎节段定位

（2）最小模式：最小模式是将容积图像内所有无回声的信号优先计算而显示出来的一种透明成像模式，其适用于显示无回声的胎儿结构，如胎儿肾囊性病变（见图15）、胎儿心血管。

（3）反转模式：反转模式是将容积图像内所有无回声的信号反转为高回声显示，而高回声的信号则被抑制，如对胎儿心腔的反转显示（见图16）。

（4）X 线模式：该模式是综合最大和最小模式的一种透明成像模式，适用于显示中低回声的胎儿组织结构，如胎儿肺部、腹部等。

5.容积对比成像技术：这是一种立体空间的复合成像技术，在对容积数据进行多平面成像的基础上，显示一定层厚内的组织立体信息，大大提高了图像的对比分辨率，又被称为“薄层三维成像”。适用于对囊实性组织的观察，如对胎儿颅脑的薄层三维显示（见图17）。

6.时间空间相关成像（spatio-temporal image correlation，STIC）：STIC 是采集动态的三维容积数据，获得一段动态的心脏或血管的三维容积图，从而实现在任意方向上观察心脏或血管动态切面的技术（见图16）。STIC 的图像采集需时6～12 s，受胎儿体位及胎动影响较大，心尖四腔心及胎动少时容易成功。新型的电子矩阵探头将STIC 的容积数据采集时间缩短至2～3 s，大大提高了成像的成功率，但仍需检查者具有熟练的胎心筛查和诊断技术。

图15 胎儿右肾积水型多囊肾三维超声透明成像（最小模式）

图16 心脏时间空间相关成像图（反转模式）

图17 胎儿颅脑容积对比成像

7.三维超声智能成像技术：智能三维超声成像是指获取三维容积数据后，不依赖人为操作，超声仪按照已设定好的图像标准程序，从容积数据中准确定位特定的目标结构，自动获取诊断平面，并自动测量。智能三维超声成像在方位和大小显示方面具有很高的一致性和准确性，可降低操作者间的差异，简化评估流程，缩短检查时间，使超声检查更加标准化、程序化和简单化，提高对疾病诊断的准确率[21-22]。智能三维超声成像方法目前尚处于临床研究阶段。

（1）胎儿心脏超声智能导航（fetal intelligent navigation echocardiography，FINE）：FINE 是在STIC 的基础上，用于胎儿心脏疾病诊断的三维超声智能软件，其可以在系统引导下自动导航，识别、定位胎儿心脏的标志性解剖结构，自动显示胎儿心脏标准切面并标记。5D Heart 就是一种新型的FINE 技术，可定位胎儿心脏的7 个解剖标志点（腹围切面的降主动脉、四腔心切面的胸主动脉、心内膜垫十字交叉、右心房壁、三血管气管切面的肺动脉瓣、上腔静脉，主动脉横弓切面的主动脉横弓），实现了同屏显示9 幅胎儿心脏标准切面图像（三血管气管切面、心尖四腔心切面、心尖五腔心切面、左心室流出道切面、右心室流出道切面、胃泡水平腹部横切面、动脉导管弓切面、主动脉弓切面、上下腔静脉-右心房切面），并自动标识各解剖切面[23]（见图18）。

（2）胎儿颅脑超声智能导航技术：类似FINE，是在胎儿颅脑容积超声的基础上，通过三维超声智能软件，在系统引导下自动导航，识别、定位胎儿颅脑的标志性解剖结构，可自动显示胎儿颅脑标准切面并标记。中枢神经系统五维成像是一种新型的胎儿颅脑智能导航技术，在胎儿丘脑切面上定位2 个解剖标志点（脑中线的中点和透明隔腔），可在计算机辅助算法下实现同屏显示4 幅或9 幅胎儿颅脑标准切面图像（丘脑横切面、侧脑室横切面、小脑横切面、正中矢状切面4 幅，或加上旁正中矢状切面、经额叶冠状切面、经尾状核冠状切面、经丘脑冠状切面、经小脑冠状切面，共9 幅），并自动标识各切面结构（见图19），自动测量双顶径、头围、小脑横径、后颅窝池宽度及侧脑室后角宽度。

三维超声在胎儿成像中的应用评价

一、三维超声的主要优点

1.图像直观易懂：三维超声图像实现了对某一观察目标的不同角度、不同方向的观察，使复杂的解剖结构变得易被看懂，而表面成像技术所得图像特别逼真，使非超声科医师亦能看懂，有利于超声医师、临床医师及孕妇三者之间进行交流。如胎儿存在体表畸形时，三维超声图像可以使临床医师更好地了解胎儿体表畸形的严重程度，而对于正常胎儿，孕妇夫妇看见宫内胎儿的外形和轮廓后,有利于更早地建立其亲子感情（见图20）。

2.显示更多切面：部分胎儿切面在二维超声检查中难以显示，但采用三维超声重建后可比较容易地获得相关图像，拓展了超声检查的观察范围，有助于观察胎儿表面或内部的切面结构，提高了对胎儿结构的辨识能力及诊断胎儿畸形的能力。如三维超声重建显示的颅脑中线结构 （见图21）、颅缝（见图22）、脊柱（见图13～14）、肋骨（见图13～14）等图像，有助于对相关结构的观察；而对于无脑儿 （见图23）、脑膨出、脊柱裂、唇裂（见图8）、脐膨出（见图9）、腹裂、肢体畸形（见图10）等二维超声检查可以诊断的畸形，三维成像检查有助于进一步证实二维超声检查中的阳性发现。

3.显示立体结构：采用三维超声获取的容积数据经重建后，可比较完整地显示表面及内部的空间立体结构，包括三维立体空间内血管的结构和走行，并可实现更便捷的体积计算（见图4）以及对血流立体分布的计算，对心脏大血管进行三维超声的立体重铸（见图24）。得令人满意的成像结果。

图19 胎儿颅脑超声智能导航技术中枢神经系统五维成像图

图20 双胎三维超声图

图21 三维超声重建颅脑中线结构矢状切面图

图22 三维超声重建胎儿一侧颅骨及冠状骨缝

图23 无脑儿

图24 胎儿心血管三维超声煊流与煊彩技术

2.操作者依赖：即使是成功获取了容积数据，显示三维图像需要经过后处理和分析，即需要进行基于不同轴平面的图像切割或旋转。故操作者不仅需要熟练掌握三维超声成像的基本原理及处理技巧，同样需要掌握相应的解剖知识，并具有较好的空间想象能力，以便能够作出对空间位置关系的判断，还应熟知技术的适用范围，避免影响成像的不利因素。

3.成像成本高：配备三维超声的仪器更昂贵，三维容积探头的价格也高于二维探头，三维成像花费的时间更多，成像对医师的实践积累（知识水平及技术水平）要求均更高，这些都增加了检查的成本。因此，应严格掌握三维超声检查的适应证，避免不必要的检查。

三维超声在胎儿畸形诊断中的临床价值

王新房教授早在1994 年提出，三维超声检查在诊断各种疾病中的价值可分为以下几类[24]。

一、具有确诊意义者

凡观察对象表面有无回声区围绕或内部有无回声区者，三维超声重建图像清晰，器官或病变的形态具有特征性，具有诊断意义，如胎儿囊性病变、胎儿心脏畸形等。

二、对诊断具有重要参考价值者

三维重建后可显示表面或内部形态，或显示三维立体的血管分布，对诊断具有重要参考意义，如胎儿颅脑中线结构畸形、胎儿颅内血管分布等。

三、对诊断具有一定参考价值者

对于实质性器官及其内部的病变，三维超声成像能显示其立体轮廓和内部结构的空间关系，虽然不是确诊的唯一依据，但可弥补二维超声图像的不足，或为二维超声图像的诊断意见提供补充信息，如胎儿水囊瘤、胎儿脐膨出（见图9）等。

三维超声检查在胎儿显示中的应用非常广泛，随着超声技术的发展及设备探头的改进，更多新的成像模式如煊影成像（见图25）、水晶成像（见图26）等对于胎儿结构的精细显示体现了良好的应用前景。

图25 煊影成像

图26 水晶成像

近年来，一些医疗或非医疗机构开展了利用四维超声的“胎儿写真”成像服务供孕妇家庭选择，也受到孕妇及其家庭一定程度的欢迎。但国际妇产科超声学会等国内外的行业学会并不赞成纯粹为了提供胎儿纪念影像而进行三维或四维超声检查[25]。笔者建议，在胎儿体位及羊水量等条件允许的情况下，根据疾病诊断的需要，合理应用三维超声技术[26]。