實時三維超聲心動圖的研究進展

實時三維超聲心動圖的研究進展

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月在西雅圖美國超聲心動圖學(xué)會年上筆者觀看了實時三維超聲心動圖(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)該儀器操作簡便,成像快速,圖像清晰,能逼真地顯示心臟各個結(jié)構(gòu)的立體方位與活動規(guī)律,深感這是超聲醫(yī)學(xué)中的一項劃時代的新突破?，F(xiàn)就實時三維超聲心動圖換能器的結(jié)構(gòu)、三維圖像數(shù)據(jù)庫的形成與發(fā)展前景等有關(guān)問題探討如下。一、矩陣型換能器的設(shè)計實時三維超聲成像所用矩陣排列換能器(matrixarraytransducer)由美國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60×60=3600(或80×80=6400)個正方形的陣元(elements),陣元非常微小,直徑細如發(fā)絲(圖1)。按照人體工程學(xué)的要求進行設(shè)計,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相連接。二、聲束轉(zhuǎn)向顯示矩陣換能器由計算機控制,依據(jù)多方位聲束快速掃描原理進行工作。發(fā)射時由電子計算機控制著每一發(fā)射脈沖通向各陣元的時間,使每一陣元產(chǎn)生小的點狀聲源,依Huygens原理,這些點狀聲源在前進時漸次形成一共同的波陣面。如發(fā)射脈沖同時激勵所有陣元,聲束前進方向與探頭的法線方向相平行。如果調(diào)節(jié)不同的延遲時間,發(fā)射脈沖經(jīng)電子計算機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,指向不變,但所發(fā)出的聲束卻能自動轉(zhuǎn)向,到達靶區(qū)內(nèi)的任何方向。當(dāng)發(fā)射的聲束沿預(yù)定方向X軸前進時,可形成一條掃描線(即一維顯示);按相控陣方式沿Y軸進行方位轉(zhuǎn)向(azimuthsteering)形成二維圖像;再使二維圖像沿Z軸方向扇形移動進行立體仰角轉(zhuǎn)向(elevationsteering),由于聲束在互相垂直的3個方向進行掃描,故最后形成1個覆蓋靶區(qū)各個部位立體結(jié)構(gòu)的“金字塔”形三維圖像數(shù)據(jù)庫(圖2,3)。三、檢測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)庫提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。但如何實時成像,如何發(fā)射脈沖,尚需由計算機設(shè)定程序,進行控制。設(shè)“金字塔(pyramid)”形三維圖像數(shù)據(jù)庫的形狀為60°×30°(圖4),沿Y軸進行方位轉(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)?？梢酝浦恳粋€“金字塔”形圖像三維數(shù)據(jù)庫內(nèi)最少要有60×30即1800條掃描線。要達到實時顯示三維超聲圖像的目的,每秒鐘內(nèi)最少要獲取16個“金字塔”形三維圖像數(shù)據(jù)庫,只有如此,才能真正觀察到心臟各個結(jié)構(gòu)的立體連續(xù)活動狀態(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“金字塔”形三維數(shù)據(jù)庫的掃描線數(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,相鄰兩個脈沖的間期僅有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,按往返雙程計算,透入深度僅2.6cm。如果新的實時三維超聲探測深度只有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)展實時三維技術(shù)的“瓶頸”。為了克服這一困難,Duke大學(xué)和Philips公司的設(shè)計者采用了一種全新的“微電子技術(shù)”。其特點是矩陣換能器在發(fā)射掃描線時,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,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,以雙程計算,透入深度可達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,單位時間內(nèi)可獲得更多的“金字塔”形圖像三維數(shù)據(jù)庫,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時三維心臟結(jié)構(gòu)動態(tài)圖像。四、動態(tài)觀察與圖像檢查實時三維超聲成像儀進行檢查時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,再啟動實時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,簡稱“瓜瓣圖”,在儀器面板上設(shè)有“l(fā)ive3-D”(實時顯示三維圖)按鍵,觸之即可進行此項檢查(圖5,6)。這種方法優(yōu)點突出,為真正的實時成像,快速清晰,轉(zhuǎn)動“軌跡球”,可從正面、側(cè)面、上方或下方進行實時動態(tài)觀察。對瓣膜口、間隔缺損可從旁側(cè)進行斷面顯示,亦可轉(zhuǎn)動適當(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,對臨床診斷有重要價值。缺點是圖像寬度不足,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,簡稱“金字塔圖”,觸壓儀器面板上的“fullvolume”(全容積)按鍵即可進行此項研究。檢查時先用二維超聲觀察,選擇較理想的圖像,啟動“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,由心電圖自動觸發(fā),分別選取相間的第1、第3、第5與第7個心動周期在0°～15°,15°～30°,30°～45°,45°～60°處緊密相鄰的4個15°×60°窄角“瓜瓣圖”立體數(shù)據(jù)庫,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,所獲4個窄角圖之間的移位較少。這一方法的優(yōu)點是圖像包括的范圍較大,能顯示探測目標(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,對觀測心搏量、心肌重量、心壁動態(tài)、心肌灌注造影等有很大幫助。其不足之處是圖像系由4個心動周期的4個實時三維圖像組成,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,遠場結(jié)構(gòu)的一次反射和中場結(jié)構(gòu)的二次反射,有可能重疊于三維圖像之內(nèi),形成雜亂無章的團塊,影響對各層結(jié)構(gòu)的識別和判斷。觀察圖像時適當(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、臨床實際應(yīng)用實時三維超聲心動圖的臨床實用價值已為眾多學(xué)者所認可,其應(yīng)用情況我院已作綜述,并將臨床試用的體會進行初步總結(jié)?，F(xiàn)就實時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.對心臟外科手術(shù)的意義實時三維超聲心動圖能聯(lián)機(on-line)檢測,成像快速,現(xiàn)已在臨床上得到應(yīng)用。筆者認為如果手術(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)閉時是否密合,探測間隔缺損的部位、大小、形態(tài)及是否合并畸形,及時監(jiān)測手術(shù)后病變矯正的效果以及有無漏誤,這些功能對心臟外科手術(shù)將具有重大意義。這些指標(biāo)對評價手術(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,在心臟外科手術(shù)監(jiān)護上具有重大意義。如能將小型的心內(nèi)實時三維探頭插入心腔內(nèi)或食管,在臨床上將會發(fā)揮更大的作用。2.心肌灌注超聲心肌缺血和梗死區(qū)的檢測在以前的展望中,我們提出過將實時三維成像技術(shù)與二次諧波成像以及能量多普勒顯像相結(jié)合的問題,認為此法在心肌灌注聲學(xué)造影時,一次彈丸注射或經(jīng)靜脈滴注之后,瞬時之間即可獲取整體心肌灌注的三維信息,臨床可據(jù)此快速全面評價及定量分析正常心肌灌注造影區(qū)和缺血心肌的負性造影區(qū),精確評價心肌缺血或梗死區(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。這一方法對冠心病診斷將有重要價值。3.反流束和心內(nèi)間隔缺損分流束的量測實時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、時相、方向、長度、寬度、面積、流程、起止點和嚴(yán)重程度,將可對反流和分流進行比較精確的定量。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),這種能顯示冠狀動脈血管樹的立體圖像將會在臨床上發(fā)揮重要作用。4.動的多普勒信號如將實時三維成像技術(shù)和彩色組織多普勒超聲成像相結(jié)合,顯示心肌組織運動的多普勒信號,即可觀察心肌活動的順序,進而推衍出心肌電生理各項參數(shù),研究正常心臟激動起源、傳導(dǎo)順序,分析心律失常的異位起搏點和傳導(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)的建立將實時三維成像技術(shù)和AQ、CK技術(shù)相結(jié)合,能自動識別心內(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,有可能快速實時計測心腔瞬時容積,進而推算出心搏量和心輸出量,故在心功能準(zhǔn)確測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時三維掃描技術(shù)檢查妊娠子宮時,可獲得胎心的“金字塔”形立體數(shù)據(jù)庫,觀察胎兒心臟的形態(tài)、活動、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一步減小換能器的直徑和長度,使之能進行經(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值。8.hdi500系統(tǒng)的xres技術(shù)對一些活動緩慢、無何節(jié)律的“靜態(tài)”器官,如眼