冉国芳，石清，邱武，丁明跃＊

1 华中科技大学生命科学与技术学院，图像信息处理与智能控制”教育部重点实验室，湖北，武汉，430074

2 武汉工程大学化工与制药学院，武汉工程大学湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室、绿色化工过程省部共建教育部重点实验室，湖北，武汉，430074

超声波属于非电离辐射，在一定功率内对人体无害，对软组织成像具有较高的分辨率，临床上应用已普及。目前，超声技术已从传统的二维超声发展到了三维超声，可提供更直观、更精确的测量结果，是未来医学超声发展的主要趋势之一[1]。自1961年Baun和GreenWood等人提出三维超声以来[2]，国内外的医学超声工作者们在三维超声方面进行了卓有成效的工作。2001年，东软集团推出了我国首台三维超声系统[3]。牛凤岐撰文[4]指出，按照国际通行的原则，对医疗器械的基本要求是安全和有效，且这两项是并行不悖，贯穿研制、生产、销售、使用、维修和法制监管等全过程的。由于三维超声在体积测定方面能够提供更为直观及精确的结果，因此探讨有关三维超声的体积参数的测定标准显得尤为重要。在超声系统性能测试方面，国内外学者研制了用于二维超声的仿组织超声体模[4-7]，并用于二维超声的性能参数测定；三维超声系统性能参数的测定虽然也开展了一些研究[8-11]，但缺乏统一的标准和评价体系。本项研究旨在为三维超声系统体积测量提供方法与途径，为三维超声系统检测标准及评价建立基础，以满足超声技术发展的需要[12]。

1 仪器和方法

1.1 实验仪器与装置

1.1.1 基于扇扫容积探头三维超声系统构成

图1 二维超声成像仪Fig.1 2D Ultrasound imaging instrument

本文所采用的三维超声系统由北京天惠华公司提供的TH-300超声诊断仪(图1)、法国Vermon提供的三维扇扫容积探头(图2)及本实验室研制的三维超声软件等部分组成，它包括图像采集、三维重建和三维图像显示等模块。

图2 三维扇扫容积探头Fig.2 3D fan-scan volume probe

1.1.2 实验材料

φ0.3 mm±0.05 mm尼龙靶线，蒸馏水，甘油，琼脂粉，Symacell纤维素等。

1.1.3 圆柱体体模的制作

采用文献[13]中配方，将400 mL蒸馏水，16 mL甘油和7-10 g琼脂粉(Agar powder)混合加热至85oC，并保持该温度，周期性地搅拌，直到混合物变清澈后，停止加热。加入适量Sigmacell纤维素，用于调节体模的硬度和增加体模在超声波下的反射能力，将此混合溶液导入一规则的圆柱体模具中，冷却凝固后取出待用。圆柱体体模如图3所示，体积为V，用于在水中测定体积误差。将该体模放入水中不同深度，重建出三维超声图像，再按下面(1)式计算体模在水中的体积测量误差：

式中，r为圆柱体圆半径上的像素点个数与像素大小的乘积，H为圆柱体高的像素点个数与像素大小的乘积。

1.1.4 立方体体模的制作

在如图4所示的容器模具中固定尼龙绳，构成一个立方体的形状(如图5所示)，制作Agar体模[6]。采用1.1.3所述方法将蒸馏水、琼脂粉、甘油及适量纤维素混合加热后，将此混合溶液导入模具中，冷却凝固待用(图4)。ABCD-A’B’C’D’为待测目标立方体，然后在水中进行三维扫描重建，可以按下式计算出立方体模体积测量的误差大小。

图3 圆柱体体模Fig.3 The cylinder phantom

图4 立方体体模Fig.4 The cubic phantom

图5 立方体体模示意图Fig.5 The marked volume is determined in agar

式中，L为图像中立方体长度上像素点个数与像素大小的乘积，W为图像中立方体宽度上像素点个数与像素大小的乘积，H为立方体高度上像素点个数与像素大小的乘积。

2 实验结果与分析

超声需在介质中传播，本实验分别以水为介质测定圆柱体体积，以琼脂为介质测定由尼龙线构成的立方体体积。

在水介质中，由于Agar做成的体模成像效果较好，所以，考虑使用Agar制作成一个圆柱形的物体来测量其在水中不同深度下的体积。圆柱体的大小为直径50 mm，高20 mm。图6是该圆柱形体在水中不同深度下的三维超声图像。

在Agar介质中，用尼龙线拉制成了20 mm×20 mm×10 mm的立方体，图7是Agar模型中立方体在不同深度下的三维超声图像。其它图像数据及通过SPSS17.0统计软件处理结果见表1。

表1 不同深度下体积测量精度结果Tab.1 The results of measurement accuracy of volume in different depth

图6 水介质中不同深度体积测量精度Fig.6 Measurement accuracy of volume in different depth in water

图7 Agar介质中不同深度体积测量精度Fig.7 Measurement accuracy of Volume in different depth in agar

从图6、图7及表1中可以看出，在水和Agar中，该三维超声系统的体积测量精度与实际值的均值相差不大，测量精度与深度无关，精度范围分布分别位于4%-7%和6%-10%之间，能较好地反映物体真实的体积大小。

从本实验可以看出，Agar制作成的目标体在水中反射能力较强，通过改变纤维素的含量，增大反射能力。与在水中测量的体积测量精度相比，在Agar介质中的测定误差比在水中的大。

3 结论

本实验设计制作了水中体模与Agar体模，探讨建立扇扫三维超声成像系统的体积测定标准，并用于评价三维超声成像系统的性能参数，为超声医学提供参考。

三维超声成像由于具有比二维成像提供更好的空间结构信息，使得在医学成像领域受到越来越多的关注。特别是在三维超声成像技术用于测量心室容积和心内膜面积等参数时，对定量的评价疾病的治疗具有很重要的意义。

目前，二维超声体模测量系统参数技术已经很成熟[5,6]，并且已经产品化。但是三维超声体模的发展还处于实验阶段，各相关研究机构都还处于采用自己的方案进行测定，没有一个统一的标准，所以设计三维超声系统参数测定的实验装置和方案，并形成统一标准具有重要的意义。本文设计并制作了几种测定体积参数的装置和实验方法，并进行了测试，取得了较好的实验结果。

三维超声体模的研究还处于初步阶段，还需要得到医生和专家的认可，同时还没有一个统一的评价三维超声系统的性能的标准，所以以后的研究可从以下几方面努力：

(1) 三维超声体模装置合理设计；

(2) 三维超声系统评价标准的制定；

(3) 三维超声体模的产品化。

随着计算机、电子技术和图像处理技术的发展，三维超声成像技术会越来越成熟，相应三维超声体模的研究和产品化也会有很大的突破，确立起性能参数的评价标准。

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