译文共享连载：盆底超声图谱教材（2016年，Dietz HP）第三章

声明：此译文为个人行为，已得到作者允许。仅用于学术交流，未经同意不允许转载及用于商业售卖。

关注楼主获取更多盆底超声资料

特此说明：本译文完全忠于原著，关于方法学的优劣讨论及仪器的品牌，为原作者的观点。

原著已整本附于附件中，帖子里字数太多不能再上传图片，图片虽然上传在回复帖子里，但请从原文对照阅读。截屏的图像可能不清晰。

第三章

三维/四维超声成像：技术概述及基本方法

技术概述

   三个重要的工程技术成就了三维/四维超声成像，使压电晶体条或者压电晶体“阵列”获得的二维图像可以整合成三维容积数据。首先，理论上，外部位置感应器可使手动获取的多个二维切面整合成一个容积，但是这个技术从来没有投入商用。其次是阵列的机械摆动，需要将早期的机械摆动扇扫探头与固定的线阵或凸阵阵列相结合。最早在80年代后期及90年代早期，澳大利亚一家名为Kretz Medizintechnik in Zipf的小公司，以“Voluson”系统的形式将这一技术应用于临床。

   最近十年出现的第三个新技术-矩阵探头，保证了优良的图像质量，但并没有达到最初的期望值。与普通凸阵探头内压电晶体排列成条状或阵元不同，矩阵探头内无数的微型压电晶体阵元排列成数以千计的晶体块。大部分主要制造商现在都可以生产矩阵探头，但是完美的处理如此巨量的组分仍然十分复杂，探头价格依然昂贵。矩阵探头理论上有一些固有的优点，尤其在三维图像的时间分辨率（时间分辨率对于盆底超声成像并不重要，但在心脏超声成像中非常重要）及光束控制与聚焦方面。

   在超声成像领域，可机动采集图像的探头是三维/四维成像的技术支柱。腔内探头自动撤回或探头内部电动控制就是这一技术的体现形式。这一技术使我们可以像掌握标准二维探头一样操控矩阵探头。1974年第一个腹部超声成像机动探头面世，1978年自动采集图像探头试用于临床[1]。第一个商业系统平台Kretz Voluson正是在“扇扫”探头基础上发展起来的，应用被废弃的机械扇扫技术与凸阵探头结合而成“扇扫”探头，其成果应用于GE Kretz Voluson 730 系列的腹部及阴道探头。在采集图像的时候探头和被检组织不需要移动，这大大促进了妇科及产科三维超声成像的广泛应用。在2005-2015年间，所有主要超声设备供应商都开发了这样的探头，但图像质量(尤其是重建图像和渲染容积图像)有很大的差别。

   图3.1：用香蕉剖面图示例三个正交平面所代表的经阴唇超声容积数据信息。A平面（左上）表示正中矢状切面，B平面（右上）代表冠状切面，C平面（左下）表示轴平面或横断面。通常右下方显示的是半透明“渲染”容积图像。图像由墨尔本Shawn Choong医生友情提供。

   现有的机械三维探头，通过探头内部置于油槽内的系列阵元快速摆动自动采集图像。探头表面用软膜或软壳成型，如果这层保护膜遭到破坏，通常需要更换探头。

   在油槽内摆动的阵元可以将多个切面整合成一个容积，因为探头及超声波的特点决定了给定像素（准确的说，三维空间定位的像素应为“体素”）的位置。用户可以从A（正中矢状切面）、B（冠状切面）、C（轴平面或横断面）三个正交二维平面来判断容积图像的方向，见图3.1。

   现用的腹部超声容积探头正好非常适合盆底超声成像。正中矢状切面正在探头主轴方向上，非常便于采集图像评估盆腔器官脱垂及盆膈裂孔生物参数。用尿道及膀胱颈部做为参考点以确保图像对称。正中矢状切面涵盖了从耻骨联合后下缘直至在直肠肛管连接处的肛提肌后缘，在静息期采集角度70度以上就可以获得盆膈裂孔的完整图像。

   容积数据应该包括部分耻骨联合，耻骨支内缘，尿道，阴道旁组织，阴道（可能出现宫颈部），直肠肛管以及肛提肌（耻尾肌、耻骨直肠肌组成裂孔的部分，即从盆腔侧壁到肛管直肠连接处后方的肛提肌腱弓（Aucus tendineus of the levator ani，ATLA）），见图3.2-3.3。有可能还包括肛管及肛门外括约肌，这取决于肛提肌的前后径。缩肛期图像也一样，但是裂孔长径会缩短。在Valsalva动作时，侧壁及后部的肛提肌可能会超出观察范围，尤其是重度脱垂的患者。

   图3.2：三个正交平面：正中矢状切面（A，左上）、冠状切面（B，右上）和轴平面（C，左下）。右下方是半透明渲染模式显示的感兴趣区域（region of interest，ROI），即A、B切面取样框内的区域。

   现在Voluson系统提供的腹部容积探头（2-6MHz和4-8MHz）采集角度可以达到85度，即使裂孔明显膨大重度脱垂患者也可以确保Valsalva动作时整个裂孔完整成像。增加采集角度会导致空间及时间分辨率降低。在采集三维图像前，在二维模式下可以使用增益、聚焦、谐波成像、斑点噪声抑制及容积对比成像等获得正中矢状切面的最优图像。最新的系统拥有非常优良的谐波成像功能。盆底医学研究的区域基本都处于图像近场(观察盆腔器官脱垂在7cm深度范围内，观察裂孔及肛提肌在5cm深度范围内)，可以设置高谐波。在观察盆底及脱垂时，设置两个聚焦区分别在2cm和5cm深度。肛门括约肌成像时聚焦调节至1-2cm深度为佳。

   肛门括约肌成像时，应将冠状切面的分辨率调节至最佳，即A平面为冠状切面，B平面为正中矢状切面，C平面为轴平面。设置二维图像扇面扫描角度60度及容积数据采集角度70度即可。

显示模式

  图3.2 显示三维超声系统两种基本的显像模式。多平面或正交显示模式显示研究区域的多个断面。这是盆底超声成像最适用的模式：正中矢状切面（左上），冠状切面（右上）和轴平面（左下）。在评估肛门括约肌时为：冠状切面（左上），正中矢状切面（右上）和轴平面（左下）。

  显示轴平面是盆底三维超声成像最大的优势。在引入三维/四维成像之前，我们只能以耻骨联合为参考点观察正中矢状切面[2-4]。而旁矢状切面及冠状切面因为没有合适的参考点而较少使用。MRI也可以获得轴平面图像[5-7]。尽管腔内探头有一些显而易见的缺点，如组织结构变形，不能获得Valsalva动作图像，但是还是有一些研究者在使用[8]。盆底MRI是已经确立的盆底影像评估方法，至少可以用于科研，最近20年涌现了大量的相关文献。但是，近年来大部分影像研究都采用超声成像。超声成像的费用低廉，通常可以获得非常多的病例数。图3.3对比显示了产后肛提肌撕脱（*标示处）患者的三维超声（左）和MRI（右）的裂孔轴平面图像。超声图像的空间分辨率比MRI更高，但是对于评估创伤最关键的部分-阴道肌层和肛提肌，超声图像的组织识别度低于MRI，即瞬时分辨率较低。MR与经阴唇超声成像的对比研究证实超声成像评估盆底肌的效果至少不逊于MRI[9-11]。

  图3.3：MR与三维盆底超声图像比较。产后3个月肛提肌右侧撕脱（*）患者的肛提肌图像。图像观察方向均为从尾侧至颅侧。Symphysis pubis：耻骨联合，Urethra：尿道，Vagina：阴道，Anal canal：直肠肛管，Lavator ani：肛提肌裂孔。

  三维超声图像的切面多样化，不管是在采集图像的时候还是脱机分析的时候，为了清楚显示给定的解剖结构可以完全自由地选取切面。这也是盆底超声另一个优于MR之处，MR提供的一系列图像是不能更改的。通过旋转A平面直至C平面显示盆膈裂孔最窄部位，超声成像可确定最小裂孔平面。这对于MR来说是不能实现的。即使有的MR系统可以实现二次平面外推，也需要再次采集图像数据才能实现。

  三个正交平面的图像通常需要“渲染”容积图像来补充，即半透明显示任一取样框内的所有体素。“渲染”最初是为了显示胎儿体表结构，如脸部/手或足，或者胎儿骨骼。在盆底医学中，渲染特别适用于分辨合成植入材料，即吊带和补片。这些植入材料通常呈现高回声，比阴道粘膜及肛提肌回声更强。

  图3.2右下方显示盆膈裂孔的渲染容积图像，观察方向为从尾侧至颅侧，这个方向设置最适合盆底超声成像。如果在MR采用这个方向观察，需要旋转C平面，使腹侧（耻骨联合）显示于图像上方，患者右侧显示于图像左边。这个观察方向在实际应用中最为直观且容易获取，只需在二维图像中使用作者推荐的观察方向，即耻骨联合显示于二维正中矢状切面的左上方。

  图像的后处理必须使用专用软件，如GE Kretz 4D View（Kretztechnik GmbH，Zipf，Austria）。在这款软件的第14版可以自由调节图像并输出静态图像，可以回放和旋转位图或AVI格式图像。另一个特别的功能是图像格式转换，可以用于高端软件分析和建模及容积图像去识别化，可用于科研。

  系统通常能提供不同的渲染算法。在盆底超声成像中，使用最多的是表面成像，用户可以尝试不同的透明程度。在Volusion系统中，最适用的设置可能是80%表面模式（Surface mode）混合20%最小模式（Minimum mode），可以清楚显示肛提肌。其它模式，如X线模式（Xray mode，经常用于胎儿骨骼成像），纯最小模式（pure minimum mode），和反转模式（inversion mode），都不如以上设置。现代诊断系统还提供了不同的彩色图谱，解决了人眼不能分辨系统输出的256级灰阶图像的问题，通常推荐使用棕褐色渲染容积图像。

四维成像

  四维成像用于采集实时容积数据，可以用正交平面及渲染模式显示。1998年，澳大利亚Kretztechnik AG 公司开发了第一个四维系统，2002年容积数据可以存储以备后处理。虽然这家公司完全属于GE公司的子公司，但是保留了一定的自主权利，其用户界面及机械设计延续了自己的风格。容积数据的回放，即四维浏览（4D scanning），对于盆底超声成像非常重要，可以记录功能解剖资料。即使单幅二维图像，静息期评估所提供的信息远远不如Valsalva动作及缩肛期。动态图像观察可以评估裂孔功能，更清晰的显示肛提肌及筋膜的损伤。肛提肌（ATLA部分）撕脱在缩肛期显示更清晰，因为缩肛期肛提肌收缩增厚，组织识别度更高，更容易区分肌肉与阴道。大部分明显的器官脱垂在仰卧位静息期不能观察到，严重脱垂的除外。真性直肠膨出（见第五章）时，也只能在Valsalva动作时可以观察到筋膜缺损。

  对盆底结构的实时三维（四维）评估使超声成像更加优于MR。MR评估器官脱垂需要用到超快速采集技术[12]，且图像分辨率会降低。有些MR系统可以采用患者坐位或站立位成像。但是这些新技术在短期内都难以广泛应用。MR的物理特性使其很难获得有效的动作期图像。超过50%的患者不能按要求完成有效的盆底收缩动作，Valsalva动作经常被肛提肌共激活干扰（见第四章）。如果不用四维成像，这些混杂因素非常难于控制。因此，四维超声评估盆底器官脱垂，尤其是在肌肉筋膜缺损以及功能解剖方面有极大的优势。

  离线分析软件包，如GE Kretz 4D View可以对用户选择的任一切面（倾斜或正交平面）进行距离、面积及体积测量，显然优于使用DICOM查看软件分析一系列MR标准平面。其他软件工具不能测量渲染容积，严格的说，按照欧几里得几何公设，是不可能测量的[14]。

提高分辨率的新技术

  容积对比成像（Volume Contrast Imaging，VCI）采用渲染算法提高冠状切面的分辨率，显著减少噪声干扰[15]。到目前为止，轴平面或C平面的测量仅限于没有经后处理的原始数据。因此，分辨率比矢状切面低很多，降低了测量的精确性以及识别结构改变的能力。结构改变最好是在标准渲染容积图像来观察，渲染容积的厚度约为1-2cm。

  与大部分其它三维/四维超声系统比较，Voluson系统便于对渲染容积图像进行圆周及面积测量，裂孔轮廓更为清晰，简化了裂孔膨大的诊断[16]。使用VCI时，层厚为1-3mm时，轴平面或斜轴平面分辨率可达到1mm。在一些特殊的系统应用中，分辨率要低一些。VCI非常适合用于肛门括约肌成像（见第六章）。

  渲染技术的深入发展带来提高空间分辨率的新技术--“斑点噪声抑制成像”（speckle reduction imaging，SRI），应用这一功能所采集的容积图像的分辨率比较高。且SRI还可用于4D View软件后处理标准容积数据，SRI 可用于任何正交平面及渲染容积图像。

  图3.4 显示轴平面右侧肛提肌损伤渲染容积图像，左侧的图像没有经过后处理，右侧的图像经过SRI后处理。SRI主要的优势在于既能用于超声成像系统又可以用于后处理软件，从而显著增强分析容积数据的能力。

  图3.4：斑点噪声抑制算法对右侧肛提肌撕脱患者轴平面渲染容积成像的影响。

超声断层成像（Tomographic Imaging，TUI）

 “多平面成像”（multislice imaging）或“断层成像”（TUI)新技术始于2005年，类似计算机断层摄影（computer tomography，CT）或核磁共振成像，可以预设层数及层距把超声容积图像分解成多个断面。与CT与MRI不同的是，在获得容积数据后，平面的位置、数量、深度、倾斜度都可以自由调整。四维超声成像与TUI结合可以同时在多个不同的平面观察动作期图像。

  这项技术适用于盆底超声。作者建议使用最小盆膈裂孔平面（见第七章）为参考平面，层距2.5mm，分解从参考平面下方5mm至上方15mm的容积数据[17，18]。实际上，这是现在广泛使用的盆底超声TUI标准方法。可以以耻骨联合及耻骨支内侧缘为参考位置来调整平面的准确位置：中心平面的左侧平面应该显示耻骨联合呈开放状态，中心平面显示耻骨联合快要闭合，中心平面的右侧平面显示耻骨联合的骨性结构消失，代之以声影（见图3.5)。左上角TUI设置图包含8个轴平面，代表一个完整的裂孔冠状面图像概览。

  图3.5：正常盆底TUI图像，显示8个轴平面，层距2.5mm，中心平面在最小裂孔平面，显示耻骨联合快要闭合（箭头所指），紧邻左侧的平面为中心平面尾侧2.5mm平面，显示耻骨联合开放，紧邻右侧的平面为中心平面颅侧2.5mm平面，声影取代了高回声耻骨支。

  图3.5显示当前最实用的标准TUI模式盆底超声图像，以冠状面为参考平面，8个轴平面，层距2.5mm。图中显示的是一名盆底结构及功能均正常的未产妇的盆底图像。图3.6显示，旋转产钳助产分娩后患者的盆底图像，TUI显示单侧肛提肌撕脱。损伤处非常明显向外延伸，一目了然，像打印输出或胶片一样清楚可见。类似于放射断层技术，不需要任何进一步的操作。据近期文献报道，TUI主要用于辅助规范肛提肌损伤的评估。

  图3.6 TUI显示右侧肛提肌撕脱（*所示）。所有平面均显示图像左边缺损，4、5和8平面还显示左侧肛提肌微小损伤。

  图3.7展示了TUI在肛门括约肌成像中的应用。用TUI我们可以确定内外括约肌的标志，层距设置个体化（注意：在盆膈裂孔肛提肌评估中层距不能改变）。外括约肌背侧筋膜平面位于外括约肌与肛提肌裂孔之间，产科创伤不太可能影响到这个位置。我们以此筋膜平面确定外括约肌颅侧边缘。内括约肌尾侧末端很容易确定。肛门括约肌TUI共6个平面，第一个平面位于外括约肌颅侧末端平面上，最后一个平面位于内括约肌尾侧末端平面下（见图3.7），层距1.5-4mm，能最大限度的涵括外括约肌。这个方法有良好的重复性[19-21]。

  和SRI和VCI一样，这些软件可用于Voluson系列实时诊断系统和离线分析软件最新版本的4D View，可以对旧的容积数据重新分析。

  图3.7：无症状未产妇肛提肌TUI图像。有两个确定的参考平面，内括约肌的尾侧末端（右侧箭头）和外括约肌的背侧颅侧末端（左侧箭头）。层距为个体化设置，本例为4.5mm。外括约肌显示于平面2-7。外括约肌皮下部显示于平面8，经常因为伪像而难以辨认。

操作注意事项

  盆底超声成像操作者依赖性高，所有实时超声成像都是如此。三维诊断系统可降低操作者依赖性，因为容积数据采集易于教学，每一个专业超声影像工作者训练一天即可学会。但是这样采集的图像需要后处理，后处理的技能极其重要。静态图像数据约1-6MB大小，可以去识别化并电子传输，可以通过电子邮件获得评估。这为区域与国际合作提供了可能的新途径。但是，实际上，源技术许可提供的三维图像软件标准已丢失。现在，不同的生产商开发了大量的专有标准，影响不同诊断中心的合作，除非使用同一生产商提供的诊断系统。不过，因为Voluson系统的市场占有率很高，这个影响不大。

  一个被低估的优点是三维/四维超声成像的所有数据可以电子存储，并可以随时恢复，进行后处理，重新分析或者与之后的结果进行比较。这一优势在科研设计中尤为重要，还可以应用于盆底重建外科，特别是用于外科临床稽查。