Поскольку ультразвуковая технология применяется в клинической диагностике уже более 60 лет, с развитием клинических потребностей и современных электронных технологий, особенно компьютерных технологий, так что технология ультразвуковой визуализации, от первоначального применения одномерного A и M-типа ультразвуковой визуализации развивалась до двухмерной B-типа ультразвуковой визуализации в реальном времени, до нынешней полностью цифровой системы воспроизведения трехмерных ультразвуковых изображений в реальном времени. Благодаря таким преимуществам, как неинвазивность, высокая чувствительность, широкое применение, низкая стоимость и простота в эксплуатации, ультразвуковая визуализация стала самой быстрой и популярной медицинской визуализацией в последние годы. Можно ожидать, что трехмерная (четырехмерная) ультразвуковая визуализация в реальном времени станет одним из наиболее эффективных диагностических инструментов в клиническом применении систем медицинской визуализации на благо человечества в 21 веке.
Именно благодаря такому спросу на рынке многие ведущие мировые производители инвестировали средства в высокотехнологичные разработки систем ультразвуковой визуализации 3D (четырехмерной) в реальном времени с полностью цифровой технологией. Компания Neusoft Digital Medical Corporation с уникальной перспективой выпустила NAS-2000a, который обладает ведущей в мире технологией 3D (4-D) в реальном времени и программным обеспечением, позволяющим идеально сочетать ультразвуковую медицинскую визуализацию и современные передовые компьютерные технологии. обработки и эффективности.
Принцип и методология
Принцип визуализации: 3D ультразвуковая визуализация делится на статическую 3D визуализацию и динамическую 3D визуализацию, динамическая 3D визуализация обусловлена добавлением фактора времени, с общим методом визуализации для реконструкции области интереса точной деятельности в реальном времени трехмерных изображений (также известных как четырехмерные).
1, метод трехмерной геометрической композиции: предполагается, что человеческий организм представляет собой ряд различных форм геометрических комбинаций, требующих большого количества геометрических прототипов, и поэтому не совсем подходит для описания сложной структуры человеческого тела в трехмерном виде, в настоящее время используется редко.
2. метод выделения контура поверхности: ряд координатных точек в трехмерном ультразвуковом пространстве соединяются между собой, образуя ряд простых прямых линий для описания контура органа, который использовался для трехмерной реконструкции поверхности сердца. Эта техника использует меньше памяти компьютера и быстрее перемещается. Недостатки: (1) он требует ручного начертания структуры тканей органа, что занимает много времени и является субъективным для оператора; (2) он может реконструировать только структуру левой и правой камер сердца, но не мелкие структуры, такие как сердечные клапаны и сухожилия; (3) он не имеет серой шкалы и с трудом отображает анатомические детали, поэтому он не используется в клинической практике.
3, метод модели элемента тела: в настоящее время является самой идеальной динамической трехмерной технологией ультразвуковой визуализации, которая может реконструировать всю информацию о тканях структуры.
В методе воксельной модели трехмерные объекты делятся на маленькие кубики, расположенные последовательно, причем один маленький кубик является вокселем. Определенное количество вокселей располагается в соответствующем пространственном положении для формирования трехмерного изображения.
4, с непрерывным развитием высококачественного программного обеспечения ультразвукового инструмента, трехмерная визуализация без рабочей станции может непосредственно начать пакет программного обеспечения оборудования для трехмерной реконструкции или трехмерного воспроизведения фильма для завершения. Режим визуализации: принцип динамической трехмерной ультразвуковой визуализации и статической в основном одинаков.
1, визуализация поверхности: извлечение поверхностной информации о структуре ткани в сером масштабе, а затем использование подхода к реконструкции изображения с помощью подгонки поверхности.
2. прозрачная визуализация: прозрачный алгоритм используется для достижения 3D-реконструкции, затушевывая серо-масштабную информацию о структуре ткани и делая ее прозрачной, тем самым показывая пространственное расположение внутренних структур основных органов.
Методы трехмерной реконструкции ультразвука
Получение изображений.
1. зачистка с механическим приводом.
Параллельная развертка: зонд приводится в движение электродвигателем для получения изображений с заданной скоростью и через заданные промежутки времени.
Метод вращательной развертки: зонд фиксируется на окне датчика, и зонд вращается вокруг оси для получения изображений.
Метод веерной развертки: зонд фиксируется в определенном положении и механически приводится в движение для получения изображений в форме веера, с регулируемым углом интервала развертки.
2. Метод подметания свободной рукой
3.Трехмерный метод зондирования: пластина находится в зонде, а внутри находится другое механическое устройство, которое может приводить пластину в движение для веера равных расстояний или круговой развертки.
4. метод трехмерной электронной фазированной решетки
Трехмерная реконструкция: исходные изображения преобразуются в аналоговые и цифровые, затем сохраняются, а интервалы между изображениями интерполируются и сглаживаются для формирования трехмерной базы данных.
Клиническое применение
I. Применение в акушерстве
Двухмерное УЗИ обычно представляет собой лишь поперечное изображение структур плода и поэтому имеет много недостатков. 3D УЗИ может выполнять не только поверхностную реконструкцию структур тела плода, но и 3D визуализацию внутренних структур плода с прозрачной визуализацией, что позволяет наблюдать форму и структуру плода в целом, улучшить показатели пренатальной диагностики пороков развития плода и определить нормальную и патологическую морфологию плода различного гестационного возраста.
1. характеристики изображения различных органов плода на разных сроках беременности
Было проведено детальное наблюдение за 64 эмбрионами и плодами на разных стадиях от 5 до 40 недель гестации. Результаты показали, что желточный мешок был виден на 5 неделе беременности, а эмбрион — на 6 неделе; примитивная сердечная трубка была хорошо видна; рука, пальцы рук и ног были различимы на 8 неделе; плод с открытым ртом был виден на 11 неделе; мужские наружные гениталии были различимы на 12 неделе; а верхние и нижние конечности и лицо были полностью видны на 13 неделе.
2. измерения в педиатрической биологии
Оценка гестационного возраста; оценка роста и развития плода и диагностика внутриутробной задержки роста (ВЗР); диагностика пороков развития плода.
3. Мочеполовая система плода
Благодаря параллельному перемещению трех плоскостей трехмерного ультразвука можно четко показать такие заболевания, как поликистоз почек и почечная дисплазия. 3D ультразвуковая визуализация поверхности может наглядно и точно показать трехмерную форму наружных половых органов плода, что важно для определения таких заболеваний, как гермафродитизм и расщелина мошонки.
4. центральная нервная система плода
Многие ученые диагностировали аномалии нервной трубки (анэнцефалия, выпуклость спинного мозга, хороидальная киста и т.д.) с помощью 3D ультразвуковой визуализации в большом количестве клинических случаев.
5. Дефект брюшной стенки плода
6. Лицо плода
Лицо плода является важной частью ультразвукового исследования при беременности с высоким риском. Аномалии лица часто являются признаком хромосомных аномалий или других аномалий плода. В то время как в двух измерениях можно увидеть только лоб, глаза, нос, губы и уши, три измерения дают более четкое представление об анатомии лица плода и его взаимосвязях. Расщелина губы и расщелина нёба — это пороки развития, которые трудно выявить с помощью обычного 2D, а 10-15% случаев расщелины губы и расщелины нёба у плода связаны с другими пороками развития или хромосомными аномалиями. retorius et al. провели обзорное исследование лица 71 плода и смогли выявить лицевые структуры губ у 68 плодов, включая 5 пороков развития губ. (рис. 4)
7. Развитие скелета и пороки развития
В 3-D легче наблюдать непрерывность и кривизну позвоночника и грудной клетки, чем в 2-D. Можно наблюдать аномалии позвоночника и грудной клетки под разными углами и правильно диагностировать сколиоз, дефекты позвонков, деформации грудной клетки и другие пороки развития.
8. Сердце и кровеносные сосуды плода
Динамические 3D изображения сердца плода могут предоставить полезную информацию для точной оценки объемов желудочков и их динамических изменений, измерения фракции выброса и определения сложных врожденных пороков сердца плода in utero, но они все еще незрелы по сравнению с МРТ 3D реконструкцией сердца плода, и точность измерений нуждается в улучшении.
9. пуповина
Он может наглядно показать, есть ли на пуповине плода рапе (тело рапе, конечность рапе) или нет, крайнее количество витков, а также наглядно показать наматывание и завязывание пуповины.
II. Применение в гинекологии
1. Заболевания матки
Применение трехмерной ультразвуковой визуализации позволяет получить эхогенную информацию в корональной плоскости, которую невозможно получить при двухмерном ультразвуковом исследовании, и провести всесторонний анализ интересующей структуры путем параллельного перемещения и вращения во взаимно перпендикулярных плоскостях, например, пороков развития матки, полипов эндометрия, подслизистых фиброидов и т.д. Это имеет большое значение для определения пороков развития матки.
Пороки развития матки: перегиб матки: изогнутая вогнутость полости матки около основания матки;
Продольная матка: перегородка образуется у основания матки и распространяется на нижнюю часть матки, но не достигает шейки матки; если у основания матки образуется разрез, его глубина не должна превышать 1 см.
Двурогая матка: изображения эндометрия видны независимо друг от друга. Существуют два основных показателя верхней деформации: глубина разреза у основания матки и длина внутриматочной продольной перегородки.
3D УЗИ позволяет легко и непосредственно измерить эти два показателя и дает возможность количественно оценить диагноз этих аномалий матки. В прошлом трансабдоминальное или трансвагинальное УЗИ не позволяло напрямую измерить эти два параметра. Сообщается, что чувствительность и специфичность 3D УЗИ в определении пороков развития матки составляет 100%, что сравнимо с обычной гистеросальпингографией и имеет то преимущество, что является неинвазивным и неинвазивным.
Полипы эндометрия и подслизистые фиброиды
Трансвагинальное УЗИ повысило частоту выявления из-за трудностей диагностики небольших поражений при обычном двухмерном УЗИ, но дифференцировать их нелегко.
Рак эндометрия
Использование 3D ультразвука для измерения объема позволяет точно измерить объем эндометрия, что важно для диагностики, стадирования и прогноза рака эндометрия. До появления трехмерного ультразвука не существовало метода точного измерения объема рака эндометрия. Сообщается, что чувствительность объема эндометрия более 13 мл как критерия рака эндометрия достигает 100%, специфичность составляет 98,8%, а частота положительного прогноза — 91,7%, что значительно выше, чем у толщины эндометрия как критерия рака эндометрия при двухмерном УЗИ.
2. заболевание яичников
★ 3D УЗИ позволяет наблюдать внутреннюю структуру кистозного образования (является ли внутренняя полость единой, гладкая ли внутренняя стенка, есть ли перегородка и т.д.);
При наличии мелких сосочков внутри кист двухмерное УЗИ может легко пропустить диагноз, в то время как трехмерное УЗИ может визуально показать, есть ли сосочковые выступы на внутренней стенке и является ли их форма регулярной при вращении, а также четко наблюдать поверхность, размер, количество сосочков и связь со стенкой кисты; при наличии перегородок во внутренней полости трехмерное УЗИ может четко показать толщину перегородок, является ли поверхность перегородок гладкой, есть ли ограниченное утолщение, есть ли лишние организмы на поверхности и т.д. Если в кистозном образовании обнаруживается кровяной сгусток, а его поверхность морщинистая, то это, скорее всего, шоколадная киста; если в нем присутствует сальная жидкость в виде песка, то это, скорее всего, дерматоглифическая киста; если в нем имеется твердая структура, то можно обратить внимание на протяженность твердой области и морфологию поверхности; большая протяженность, широкое основание и явно неровная поверхность более вероятны как злокачественные, и наоборот.
Трехмерное УЗИ полезно для определения пространственного соотношения между гинекологическими образованиями и окружающими органами, такими как мочевой пузырь и прямая кишка, а также для визуализации степени и глубины инфильтрации злокачественных опухолей.
Объем опухолей яичников является одним из важнейших параметров при определении доброкачественности и злокачественности, показаний к операции и определении исхода.
В исследовании Bonilla-Musoles, проведенном на 76 женщинах с опухолями яичников, сравнивались двух- и трехмерные измерения объема опухоли с послеоперационными измерениями методом вытеснения воды, и было установлено, что трехмерные ультразвуковые измерения объема были ближе к реальным измерениям.
3. Мониторинг развития фолликулов
3D может более точно измерить объем яичников и фолликулов, четко наблюдать границы и наполненность фолликулов, точно направлять и контролировать овуляцию, направлять клиническое использование лекарств и лечение бесплодия.
4. внутриматочная спираль (ВМС)
Он может четко показать морфологию, размер и тип внутриматочной спирали, ее точное положение в матке, аномальную имплантацию в матке и т.д.
Применение в визуализации сосудов брюшной полости и мелких органов
1. выполнение трехмерных изображений нормальных органов
(1) Сосудистое дерево и его ветви полностью отображаются: трехмерные изображения показывают ветви нормального сосудистого дерева печени, почек и селезенки под разными углами, которые являются более полными и четкими, чем цветная допплеровская визуализация потока и энергетическая карта, с ощущением иерархии от мелкого к глубокому. Он также показывает крошечные сосуды, которые трудно выявить на двухмерных изображениях, например, артерию почечной дуги и ветви четвертого класса воротной вены.
(2) Трехмерная пространственная структура кровеносных сосудов является четкой: трехмерное динамическое изображение принимает главный ствол дерева сосудов за центр, и ствол до конца изображается непрерывно, и отдельные или несколько ветвей дерева сосудов появляются с разных направлений, например, правая передняя доля и нижняя ветвь правой задней доли портального дерева соответствуют друг другу, что имеет более трехмерный смысл, чем двухмерное УЗИ. При местном увеличении сосудистого дерева хорошо видны специфические детали, например, лобарные артерии почек, которые на трехмерной ангиограмме расположены симметрично в виде «рыбьего позвоночника». Два типа сосудов — воротная и печеночная вены, а также ветви 2-го, 3-го и 4-го уровней почечной и селезеночной артерий — могут быть показаны динамически от основного ствола к крупным ветвям, а затем к более мелким; ветви двух деревьев сосудов показывают перекрестную или параллельную пространственную структуру. Сосудистые деревья соседних органов, таких как печень, селезенка и обе почки, динамически вращаются одновременно, с разным уровнем глубины, создавая трехмерную анатомическую взаимосвязь соседних органов, при этом печень и селезенка покрывают верхний полюс почки.
(3) Улучшенное отображение сосудистого дерева малых органов: нормальные малые органы имеют мелкие кровеносные сосуды с извилистыми путями, которые лишь частично видны на двумерных изображениях;
Трехмерная реконструкция формирует относительно полную сосудистую структуру. Например, сосуды молочной железы происходят от подмышечной артерии с наружной стороны и являются небольшими ветвями внутренней грудной артерии с внутренней стороны, с током крови к соску; на поздних сроках беременности сосуды утолщаются и кровоток становится более обильным. Сосудистое дерево нормальной щитовидной железы и центральная артерия сетчатки глазного дна видны четче, чем при двухмерном цветном допплеровском ультразвуковом исследовании.
(4) Трехмерная динамическая ангиография: Трехмерная реконструкция — это процесс наложения изображений, напоминающий выражение заполненных контрастом сосудов во время рентгеновской ангиографии. Трехмерная визуализация начинается от артериального ствола и продолжается к ветвям до конца артерии в процессе, напоминающем артериальную фазу, и утолщается от конца артерии к стволу в процессе, напоминающем венозную фазу. В беременной матке видно, как маточная артерия и кровоток в плаценте пересекают плаценту от основания до пуповины.
2. представление трехмерных изображений больных органов
(1) Многососудистая опухоль: В многососудистых опухолях существенных органов трехмерное изображение показывает, что злокачественные опухоли, такие как гепатоцеллюлярная карцинома, имеют увеличенные кровеносные сосуды, различные по толщине и беспорядку, с богатым кровотоком, утолщенные артерии, снабжающие кровью и направленные к опухолевому поражению, окруженные толстым артериальным и венозным кровотоком. Менее сосудистый тип карциномы окружен только утолщенными артериями кровоснабжения или кровотока, а сама опухоль эхогенно размыта.
(2) Гиперфункциональные, гиперемированные поражения: 3D-изображения гиперспленизма и гипертиреоза показывают сосудистое дерево с толстым стволом и увеличением ветвей и мелких терминальных ветвей, как сеть. В отличие от этого, при гипертиреозе с аденомой наблюдается локализованный дефект наполнения сосудов. Сосудистое дерево внутри и вне плаценты увеличивается с увеличением срока беременности, и на поздних сроках беременности сосудистых деревьев в матке и плаценте больше, чем на ранних сроках.
(3) Смещение, стеноз и прерывание сосудистого дерева: когда оккупирующее поражение вторгается в кровеносный сосуд, на 3D-изображении можно увидеть смещение сосудистого дерева, аномальную ориентацию, сужение, истончение и прерывание ветвей. Забрюшинная опухоль смещает, поднимает и сдавливает верхнюю брыжеечную артерию кпереди и увеличивает расстояние между сосудом и брюшной аортой. Трехмерные изображения множественных тромбов карциномы в воротной вене показывают тонкий и узкий или прерванный кровоток.
(4) Поражения менее сосудистого и аваскулярного типа имеют нехарактерную или пониженную сосудистость на трехмерных изображениях: метастатические опухоли почек менее сосудисты на трехмерных изображениях и образуют относительный контур размера поражения из-за измененных интерфейсов дыхательных движений. В кистах печени видны только сосуды окружающей ткани; в жировой печени сосуды уменьшены в разветвлении и напоминают ветви мертвого дерева. Проявление каждого поражения зависит от этиологии патологии. Сочетание анамнеза и клинических проявлений улучшит ультразвуковую диагностику, так как имеет большое значение при анализе и дифференциальной диагностике ультразвуковых изображений. Трехмерные ангиографические проявления пораженного органа можно суммировать следующим образом.
* Злокачественная многососудистая и инфильтрирующая прогрессирующая опухоль в основных органах, с выраженной повышенной и дезорганизованной сосудистостью в очаге поражения.
* При гиперфункциональных заболеваниях кровотока наблюдается хроническое увеличение сосудов, которые кажутся сетчатыми, например, при гипертиреозе, гиперспленизме.
Патологическая природа поражения варьируется в зависимости от проявлений 3D-реваскуляризации. Например, при портальной гипертензии при циррозе печени увеличенная селезенка имеет наиболее выраженное утолщение сосудистого дерева в селезеночном бугре, которое постепенно распространяется на селезеночную паренхиму, тогда как при лейкозе увеличенная селезенка имеет повышенную ветвистость сосудистого дерева, но нет выраженного утолщения в селезеночном бугре или паренхиме.
*В случае многососудистого органа или многососудистого поражения 3D-реконструкция сосудов показывает редкие, тонкие, суженные и атрофированные сосуды, что свидетельствует о нарушении внутреннего кровообращения и блокировке кровотока. Например, на 3D-изображении жировой печени видна уменьшенная сосудистость, напоминающая отмершие ветви, что соответствует истончению печеночных вен при ее патологии. В случаях повышенной сосудистости в сочетании с доброкачественной олигоангиопатией наблюдается локализованный сосудистый дефект в виде повышенного ретикулярного рисунка.
*В случае больших поражений с сосудистой инвазией, 3D-изображение показывает сжатие, истончение, смещение исходного сосудистого дерева органа, нарушение его хода и пространственной структуры, или прерывание ветвления.
*Если поражение небольшое или на двухмерной энергетической карте плохо видна сосудистая сеть, трехмерное изображение также покажет слабую сосудистость.
Применение к сонной артерии и головному мозгу
Цветная допплеровская потоковая 3D-реконструкция сонной артерии может детально показать степень каротидного атеросклероза, например, расположение, текстуру и отношения прикрепления бляшки и каротидного стеноза, что полезно для клинической оценки атеросклероза.
Применение 3D ультразвука в черепном мозге включает локализацию опухолей и артериовенозных мальформаций и их близость к окружающим важным структурам. Интраоперационное 3D ультразвуковое исследование опухолей черепа может точно показать размер, протяженность и пространственное расположение опухолей.
Биологические свойства глаза и орбитальные заболевания делают его идеальным объектом для 3D ультразвуковой реконструкции. 3D ультразвук может четко показать интравитреальные стрии и мембранозные поражения, такие как отслойка сетчатки, интравитреальные организмы, воспаление стекловидного тела, хороидальные поражения и задний вывих хрусталика. В случае отслоения сетчатки 3D ультразвук может визуализировать не только происхождение, размер и протяженность отслоения сетчатки, но также форму и количество разрывов сетчатки.
При использовании высокочастотного ультразвука 3D ультразвук может также лучше отображать поражения за сферой и точно оценивать взаимосвязь между поражениями за сферой (например, опухолью) и зрительным нервом и экстраокулярными мышцами глаза, что очень важно для хирурга при выборе соответствующего плана лечения. По сравнению с МРТ и КТ, трехмерное ультразвуковое исследование занимает меньше времени, стоит дешевле, не является радиоактивным и может быть повторено без опасения возникновения катаракты, вызванной радиацией. Кроме того, 3D УЗИ позволяет более точно рассчитать размер и объем опухоли и может обеспечить более точную локализацию поражения для руководства хирургом и радиотерапевтом.
VI. Мочеполовая система
У пациентов с почечными образованиями, особенно солитарными, когда хирургический подход должен сохранить часть почки, очень важно точно описать пространственное отношение образования к сосудистому дереву, коллекторной системе и почечной оболочке. Для визуализации пересаженной почки визуализация локального кровоснабжения почки с помощью 3D ультразвука может установить ее корреляцию с ранним отторжением, поскольку изменения на ранних стадиях отторжения могут быть сегментарными или частичными. Кроме того, определение объема пересаженной почки и его изменений с течением времени также может быть полезно для диагностики отторжения.
Трехмерное УЗИ показывает опухоли мочевого пузыря в виде цветной капусты, сосочков или образований. Оно показывает пространственное отношение опухоли к стенке, основанию и поверхности, также можно четко продемонстрировать количество, размер, ориентацию и пространственное отношение опухоли к отверстию мочеточника. Объем опухоли простаты имеет большое значение для прогноза. По оценкам, метастатический объем опухоли обычно превышает 1,5 см3, а большинство опухолей с объемом более 3,0 см3 распространяются за пределы простаты.