Od płaskiego przekroju do przestrzennej wizualizacji – jak powstaje obraz w USG 3D/4D?
W klasycznym badaniu ultrasonograficznym rejestrowane są dwuwymiarowe przekroje przez tkanki pacjenta, a interpretacja przestrzennych relacji anatomicznych wymaga doświadczenia ze strony osoby badającej. Obrazowanie 3D i 4D zmienia ten proces – zamiast pojedynczych płaszczyzn na ekranie pojawia się przestrzenna rekonstrukcja badanej struktury. Uzyskanie takiego obrazu wymaga zgromadzenia danych z wielu kolejnych przekrojów i ich matematycznego przetworzenia w objętościowy zbiór danych. W przypadku USG 4D dochodzi dodatkowy wymiar – czas, co oznacza możliwość wyświetlania trójwymiarowego obrazu w czasie rzeczywistym. Technologia ta znajduje zastosowanie przede wszystkim w diagnostyce prenatalnej, gdzie umożliwia szczegółową ocenę anatomii płodu i wykrywanie wad wrodzonych. Coraz częściej obrazowanie 3D jest również wykorzystywane w ginekologii do oceny struktur miednicy mniejszej oraz w innych dziedzinach medycyny.
Akwizycja danych objętościowych przez sondę ultrasonograficzną
Podstawą obrazowania trójwymiarowego jest zgromadzenie danych z wielu równoległych lub wachlarzowo ułożonych przekrojów 2D. W zależności od konstrukcji głowicy proces ten przebiega na dwa sposoby. W sondach mechanicznych elementy przetwornikowe są automatycznie wychylane wewnątrz obudowy, co pozwala na rejestrowanie kolejnych płaszczyzn pod różnymi kątami. W sondach matrycowych (elektronicznych) wiązka ultradźwiękowa jest sterowana elektronicznie dzięki matrycy składającej się z wielu miniaturowych przetworników ułożonych w dwuwymiarową siatkę. Dzięki sondom elektronicznym z przetwornikami matrycowymi, stosowanym m.in. w systemach Vivid E95, możliwe jest osiągnięcie większej prędkości akwizycji i lepszej rozdzielczości czasowej niż w przypadku konstrukcji mechanicznych. Zebrane przekroje są zapisywane wraz z informacją o ich wzajemnym położeniu przestrzennym, co umożliwia późniejszą rekonstrukcję. Jakość danych źródłowych ma fundamentalne znaczenie dla efektu – artefakty i szumy obecne w obrazach 2D będą widoczne również w rekonstrukcji 3D.
Rekonstrukcja przestrzenna i rendering powierzchniowy
Po zgromadzeniu danych objętościowych następuje etap rekonstrukcji, podczas którego zbiór przekrojów jest przekształcany w trójwymiarowy model za pomocą algorytmów matematycznych. Każdy punkt w przestrzeni otrzymuje wartość odpowiadającą echogeniczności tkanki w tym miejscu – powstaje tzw. woksel (odpowiednik piksela w trzech wymiarach). Następnie na podstawie tego modelu generowany jest obraz widoczny na ekranie, co określa się mianem renderingu. W obrazowaniu 3D są stosowane różne techniki wizualizacji, z których najpopularniejsze to:
– rendering powierzchniowy – granice między strukturami o różnej echogeniczności są identyfikowane i wyświetlane jako ciągła powierzchnia,
– rendering objętościowy – przezroczyste warstwy tkanki są prezentowane z różnym stopniem przenikania światła,
– rendering maksymalnej/minimalnej intensywności – najjaśniejsze lub najciemniejsze woksele wzdłuż linii projekcji są wyświetlane selektywnie,
– tomograficzny widok wielopłaszczyznowy – równoległe przekroje są prezentowane podobnie do obrazów z tomografii komputerowej.
Systemy Voluson Expert 20 wykorzystują technologię HDlive Studio, która symuluje wirtualne oświetlenie uwydatniające struktury anatomiczne. Położenie tego wirtualnego źródła można dowolnie modyfikować, co pozwala na uwidocznienie szczegółów niedostrzegalnych przy standardowym renderingu. Dzięki temu powierzchnie i cienie są renderowane w sposób zbliżony do rzeczywistego oświetlenia, co zwiększa realizm i głębię obrazu trójwymiarowego.
Obrazowanie 4D – wymiar czasu w ultrasonografii
Określenie 4D oznacza wyświetlanie trójwymiarowego obrazu w czasie rzeczywistym, gdzie czwartym wymiarem jest czas. Z technicznego punktu widzenia wymaga to ciągłego powtarzania cyklu akwizycji i rekonstrukcji z częstotliwością umożliwiającą płynną obserwację ruchów. Aby obraz był postrzegany jako ciągły, system musi generować kilkanaście lub więcej klatek objętościowych na sekundę. Osiągnięcie takiej wydajności wymaga zarówno szybkiej akwizycji danych przez sondę, jak i dużej mocy obliczeniowej procesora aparatu. Zastosowanie sond elektronicznych z matrycą przetworników daje przewagę nad konstrukcjami mechanicznymi, ponieważ sterowanie wiązką odbywa się bez inercji ruchomych elementów. USG 4D pozwala np. obserwować ruchy płodu, mimikę twarzy, ssanie kciuka czy ziewanie w czasie rzeczywistym.
Znaczenie technologii 3D/4D w diagnostyce prenatalnej
Trójwymiarowe obrazowanie ultrasonograficzne ma szczególne znaczenie w położnictwie, gdzie umożliwia dokładniejszą ocenę anatomii płodu niż klasyczne badanie 2D. Rekonstrukcja powierzchniowa pozwala na wizualizację twarzy płodu i wykrywanie takich anomalii jak rozszczep wargi czy nieprawidłowości w budowie uszu. Tryb tomograficzny ułatwia systematyczną ocenę mózgowia płodu poprzez prezentację równoległych przekrojów przypominających obrazy z rezonansu magnetycznego. Na podstawie danych objętościowych możliwe jest również precyzyjne obliczanie objętości nieregularnych struktur, takich jak jajniki czy mięśniaki.