軟硬件結合實現成熟的3D/4D聲影像

摘要：盡管高效的三維和四維（3D/4D）超聲影像技術已經在醫學領域應用多年，但是仍未在常規臨床實踐中普及。這一現象將在2013年有所改觀，眾多關鍵性趨勢預期將推動該項技術的廣泛應用。

關鍵詞：超聲影像；軟件；GPU 3D/4D

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.4.004

隨著臨床醫師需求的增長、多年臨床證據的積累以及硬件升級需求/進步的提升，3D/4D技術將無疑會在2013年獲得長足發展，成為業界標準，幫助實現更為準確、有效的實時診斷。

內科醫師需要超聲影像提供更確切的信息，而3D/4D超聲影像能夠發揮這一重要作用，因為2D檢查可能無法獲得較為完整的解剖數據，而3D/4D超聲影像則降低了這一風險。通過3D技術僅需一次掃描即可為多種臨床應用提供完整的解剖數據。隨著臨床證據逐步證明3D/4D技術的質量可靠，臨床醫師將更加有可能采用該技術。

摩爾定律

十年前，標準影像設備無法支持軟件的最新發展。基于復雜算法的新影像技術不得不與所依賴的硬件的發展同步。由于從2002年起標準硬件的巨大進步，許多影像設備僅需更換軟件即可升級。有鑒于此，許多醫療設備制造商無需大量的投資或繁瑣的硬件升級安裝，即可利用最新的影像進步成果，并且可以與獨立開發商合作改造現有工具。

摩爾定律以英特爾聯合創始人戈登·E·摩爾命名，其內容為每隔18個月左右集成電路的處理能力將提升一倍。根據目前維基百科中摩爾定律的條目，“摩爾定律描述了20世紀后期和21世紀初期的技術和社會變革的推動力。”例如，多核GPU和其他強大硬件的激增。該特定進步實現了以前無法實現的大量圖像處理操作，開創了醫療圖像處理的新紀元。與我們曾經認為最先進的2D濾波相比，現在的3D超聲圖像容量的實時自適應濾波將提供更優秀的圖像質量。通過先進的3D渲染軟件，臨床醫師可以生成父母喜歡的“娃娃臉”圖像，揭開了醫療影像史和家庭相冊的新篇章。

由于二維技術到目前為止已經非常成功，放射線學者總體上滿足于2D超聲技術，此外他們不確定應用3D/4D技術是否利大于弊。目前，3D技術已經可以用于日常實驗，真正的風險則是臨床醫師在使用2D技術可能會遺漏某些信息。托馬斯杰弗遜大學的Goldberg、Forsberg和Lev-Toaff等人的研究表明3D采集以及3D圖像增強已經在統計學上取得了顯著進步。

3D/4D技術可以更清晰地顯示器官和病灶的大小、位置、形狀和形態，勾勒出它們的輪廓，從而改善診斷和治療。Benacerraf博士談到：“立體超聲包含所有可用的信息，我們可以顯示任何平面中的圖像。”配合自適應3D圖像增強，我們可以進一步增強立體超聲中的信息。3D超聲的識別、定位和立體定量提高了診斷質量和測量精度，這是2D超聲望塵莫及的。正如Benacerraf博士所說：“在探索信息顯示途徑的道路上，我們才剛剛起步。”

通過3D超聲影像，可以看到器官和深層嵌入結構的真正位置和方向。顯著的臨床收益使臨床醫師能夠更快地獲取更準確的信息。Tutschek教授談到：“立體3D技術可以實現理想的檢查環境，實現每個點在兩個或三個正交平面中的相互關系的分析和研究。”

大部分放射學醫師已經接受過2D技術培訓，并且由于過去缺乏3D/4D的臨床證據，這使臨床醫師產生偏見，導致對技術改進的需求較低。但是，通過3D采集，通過一次掃描能夠獲得整個解剖數據，且能滿足大多數的臨床應用。從而幫助實現更快速的診斷，激發了應用的需求。

Benacerraf博士展示了快速采集足以重建三個正交平面，并顯示每個所需方向的體腔。3此外，3D掃描也可以訪問與探頭垂直的C平面：而2D掃描技術則無法實現。正如Tutschek教授所述：“可以在矢狀面內的重建平面中看到小腦蚓部。”2selbing教授同時指出：“只需提供3D掃描技術的基本培訓，經驗較少的放射線技師也能有效地獲取準確的解剖立體結構。”

硬件升級

圖形處理器（GPU）不僅越來越多地應用于電子游戲業，而且還可以取代CPU或與CPU協作進行通用計算。隨著GPU技術的快速發展和標準程序設計語言的涌現，可以充分發揮3D/4D采集和3D圖像增強軟件的潛力。

功能強大且廉價的硬件的快速發展以及臨床醫師日益增加的需求將成為OEM廠商投資強大3D技術的強勁驅動因素。OEM廠商可以輕松地升級到3D/4D超聲探頭，使其與3D/4D超聲影像軟件配套。

通過與合適的軟件相結合，目前的軟件可以高性價比地提供先進功能，而此前獲取這些功能需要購置昂貴的專用硬件。例如，超聲掃描轉換最初是完全通過硬件完成的過程。現在這一過程可以通過先進的圖像處理軟件完成。

婦產科學是3D/4D技術最擅長的臨床應用，可以帶來最可靠的臨床效益。但是，其他臨床應用，如普通放射科和泌尿科的診斷，對3D采集的需求也日益增加，因此3D技術的應用也隨之增長。只要臨床醫師的需求保持增長，OEM廠商將必須投資能夠支持3D/4D影像的硬件。

軟件將在醫療影像新進展中發揮關鍵作用的4個原因

當代家庭使用照片和視圖交流的方式足以讓我們的祖父輩感到驚奇。我們當中的許多人都使用手機采集和分享高分辨率視頻，記錄下幾乎每一個重要時刻。通過強大的人臉識別軟件，我們可以選擇自動標記人臉，用以組織我們的圖像文件。

十五年前，只有專業人士才能使用各種安裝有專業軟件的專業工作站來執行復雜的圖像處理任務，而現在我們僅憑借口袋中的設備就可以執行大部分任務。而這種改變了家庭照片和視頻交流方式的復雜技術也正在實現新的醫療影像方式。

以前，無論是x射線、超聲還是核磁共振，醫療影像技術的發展主要由設備的進步來推動。例如，二十世紀早期x射線技術的發展。從最初1904年發明的真空管，到熱電子二極管，再到1913年發明的Coolidge型x射線管，x射線管的先驅者從每次更迭中汲取經驗，測試不同的管徑和溫度，直到發現最佳組合。Coolidge管這種形式一直沿用至今。

強大而低廉的標準硬件與專用軟件組合將成為本世紀的主導發展力量。這一變化主要歸因于四大驅動因素。

1 指數型硬件增長：由于來自消費電子產品（例如游戲行業和移動通信行業）的壓力，硬件處理速度呈指數型增長。圖形處理單元（或GPU）不僅用于游戲行業，同時正日益取代CPU或與其協作用于通用計算。GPU技術的迅猛發展和標準編程語言的涌現使我們更有機會充分利用軟件進步。現在人們能夠以史無前例的速度處理大量的圖像。通過硬件和軟件的適當組合，可以實現某些應用所必須的實時處理能力。

2 使用軟件取代昂貴的硬件并降低成本：通過與合適的硬件結合時，目前的軟件可以提供高性價比地先進功能，而此前獲取這些功能需要購置昂貴的專用硬件。例如，超聲掃描轉換最初是由硬件完成的過程。現在這一過程可以通過先進的圖像處理軟件完成。此外，軟件可以在無需患者在場的情況下操作圖像，展示額外的詳細信息和病理學信息，同時最大限度提高昂貴設備的生產力。

3 超聲技術的興起：鑒于超聲技術的低成本、機動性和非電離特性，目前執業醫師將超聲技術廣泛應用于臨床檢查，而10年前，這些臨床檢查所涉及的程序非常繁瑣，而且可能需要大劑量照射。雖然設備進步促進了超聲技術的廣泛應用，但圖像增強軟件的進步提高了診斷能力。高級圖像處理軟件最初是為了降低核磁共振影像的噪聲而開發的，現在通過降噪和器官邊緣銳化使超聲影像發生了革命性的變化，推動超聲技術成為主要診斷工具。利益相關者將繼續推動這一影像技術向前發展。

4 個性化定制需求：不同醫院和地區的臨床醫師通常在圖像采集和分析方面擁有特定偏好。一些個人或群體喜歡柔化邊緣，而其他用戶認為消除斑點是最重要的圖像增強任務。隨著成功的設備制造商為大量的醫療中心和醫院提供設備，他們必須具備對設備進行定制能力，才能在全球取得成功。制造商可以通過軟件，并根據最終用戶的偏好來定制設備，即提高了銷量又最大程度地提高了每個產品的投資回報率。最終，這種定制將實現更高的診斷價值。