【图像重建】用于超声弹性成像的刚度图像C平面切片的三维重建附Matlab代码

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🔥 内容介绍

超声弹性成像 (Ultrasound Elastography, UE) 是一种新兴的医学成像技术，它通过分析组织在外部施加的压力作用下的形变来评估组织的力学特性，尤其是刚度。刚度信息是区分正常组织和病变组织的重要指标，因此超声弹性成像在肿瘤检测、肝纤维化分期、肌肉骨骼疾病诊断等领域具有广泛的应用前景。传统的二维超声弹性成像虽然具有实时性高的优点，但其空间分辨率有限，且难以反映组织的三维结构。因此，三维超声弹性成像日益受到重视，它能够提供更加全面、精确的组织刚度信息，提高诊断的准确性。

本文主要讨论基于C平面切片的三维超声弹性成像刚度图像重建方法。C平面切片是指垂直于超声探头扫描方向的平面，类似于计算机断层扫描 (CT) 中的轴向切片。利用C平面切片进行三维重建，可以克服传统扫描方式在深度方向分辨率较低的缺点，从而提升三维刚度图像的质量。

一、超声弹性成像的原理与挑战

超声弹性成像的核心在于建立组织形变与刚度之间的关系。目前常用的超声弹性成像方法包括：

• 应变成像 (Strain Imaging):

   通过测量组织在压力作用下的应变来评估其刚度。应变是组织形变量与原始尺寸之比，刚度较硬的组织应变较小，反之亦然。

• 剪切波弹性成像 (Shear Wave Elastography, SWE):

   利用超声脉冲或者外部振动源在组织中激发剪切波，测量剪切波的传播速度来评估组织的刚度。剪切波速度与组织的刚度成正比。

• 瞬时弹性成像 (Transient Elastography, TE):

   一种特殊的剪切波弹性成像方法，利用机械振动器在组织中激发剪切波，通过测量剪切波的传播速度来评估肝脏的刚度，主要用于肝纤维化分期。

尽管超声弹性成像具有无创、实时、廉价等优点，但其在三维重建方面仍然面临诸多挑战：

• 信噪比低:

   超声图像本身就容易受到噪声干扰，弹性成像过程中引入的额外处理步骤，例如应变估计、剪切波速度估计等，进一步降低了信噪比。

• 伪影严重:

   超声弹性成像容易受到组织结构、声阻抗差异、操作者技术等因素的影响，产生各种伪影，例如斑点伪影、运动伪影等。

• 配准精度:

   在三维重建过程中，需要将多个二维切片进行配准，配准精度直接影响重建结果的质量。组织的形变、探头的运动、以及图像的噪声都会影响配准精度。

• 计算复杂度:

   三维弹性成像需要处理大量的数据，计算复杂度较高，对硬件设备和算法效率提出了更高的要求。

二、C平面切片三维重建方法概述

基于C平面切片的三维超声弹性成像重建方法通常包括以下几个步骤：

1. 数据采集:

    通过三维超声扫描系统采集一系列C平面切片。常用的扫描方式包括机械扫描、电子扫描、以及自由手持扫描。

2. 图像预处理:

    对采集到的C平面切片进行预处理，包括滤波去噪、对比度增强、伪影校正等，以提高图像质量，为后续的弹性图像估计和配准提供更好的基础。

3. 弹性图像估计:

    利用应变成像、剪切波弹性成像等方法，从预处理后的超声图像中估计出组织的刚度分布，生成二维刚度图像。

4. 图像配准:

    将一系列C平面刚度图像进行配准，确定它们在三维空间中的相对位置和姿态。配准方法可以分为基于特征的配准、基于强度的配准、以及混合配准。

5. 三维重建:

    利用配准后的C平面刚度图像，进行三维重建，生成三维刚度图像。重建方法可以分为体素插值法、表面重建法、以及体积渲染法。

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