综述：超声体积拼接技术与方法的综述

《Ultrasound in Medicine & Biology》：Review of Techniques and Technologies for Mosaicking Ultrasound Volumes

超声成像的体积叠加技术通过整合多幅重叠三维超声图像扩展视野并提高成像质量，但面临配准精度和自动化挑战。本文系统综述2013-2024年间72项研究，发现心血管应用占比54.2%，主要提升结构可视化（45.8%）和视野扩展（30.6%）。自动化配准占比46.6%，但多模态融合和实时处理仍需优化。未来需加强AI驱动技术及软组织等新兴临床场景研究。

　　

Claudia Bell|Maria Antico|Christopher Edwards|Jason Dowling|Gregg Belous|Davide Fontanarosa

昆士兰科技大学健康学院临床科学系，澳大利亚昆士兰州布里斯班市乔治街

摘要

超声成像以其经济性、便携性和实时成像能力而闻名，已成为全球重要的诊断工具。然而，二维超声的视野有限，以及当前三维系统的解剖覆盖范围不足，促使了体积复合技术的发展。本文旨在概述用于拼接超声图像以克服这些挑战并提升临床成像能力的技术和方法。本综述遵循系统评价和荟萃分析的优先报告条款指南。通过在四个文献数据库和灰色文献中进行搜索，找到了使用三维超声换能器进行图像配准或复合的研究论文。选择和评估工作由两位独立评审者完成。共筛选出2013年至2024年间发表的72篇论文，其中大部分研究集中在心血管应用领域（54.2%）。这些研究的主要目标是改善结构可视化（45.8%）和扩大视野（30.6%）。自动化是一个重要研究方向，46.6%的研究采用了自动化方法来提高效率和准确性。尽管在提高图像质量方面取得了显著进展，但未来研究应重点改进这些方法，探索较少涉及的临床应用，并利用最先进的人工智能技术来提升效率、准确性和临床应用效果。

引言

与其他诊断成像方式（如X射线、计算机断层扫描[CT]和磁共振成像[MRI]相比，超声[US]成像具有便携、低成本和实时诊断的优势[1,2]。尽管如此，传统的二维超声换能器提供的视野[FOV]较为有限[3]。通过二维成像观察三维解剖结构需要超声技师从平面切片中重建空间关系，这需要较高的专业技能，并可能导致解读结果的差异[4],[5],[6]。此外，典型的二维测量方法基于理想化的几何模型进行体积估算，可能会引入误差和操作者依赖性的变异[7,8]。这些局限性推动了三维超声成像技术的发展，以改善解剖结构的可视化和量化。

三维超声成像通过机械扫描的二维探头或专用体积换能器获取体积数据，从而克服了二维成像的一些局限性[4,7,9]。这些方法能够同时显示多个平面（横断面、矢状面和冠状面），并提供更快的成像速度和实时重建能力[10],[11],[12]。然而，体积采集仍受探头物理尺寸的限制，难以在单个体积中完整覆盖整个解剖区域。为了解决这些问题，空间复合或拼接技术将多个重叠的三维扫描整合成一个扩展的体积，从而扩大视野并减少伪影，同时不牺牲空间分辨率[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19]。

空间复合的效果在很大程度上取决于精确的图像配准，以确保部分重叠的体积对齐。配准方法包括保持结构几何形状的刚性变换（适用于骨骼等不易变形的组织），以及通过B样条或生物力学模拟等模型适应局部变形的非刚性方法[2],[20],[21],[22]。配准可以是单模态的，即仅对超声图像本身进行对齐；也可以是多模态的，即与其他模态（如MRI或CT）的图像进行对齐[23]。单模态配准具有更好的空间一致性，简化了计算过程；但其准确性仍受图像质量影响，如阴影和斑点等伪影可能限制性能。

手动配准方法受操作者主观性的影响，在处理大型数据集或实时临床应用时不太实用[24]。因此，开发了自动化配准技术以提高准确性、效率和可重复性。这些技术包括基于解剖标志点的算法、基于强度的算法（评估体素相似性），以及最近的人工智能（AI）方法（学习体积之间的复杂空间关系）[22],[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32]。尽管取得了这些进展，但目前仍缺乏专门针对三维超声拼接的综合性综述。本文旨在系统梳理过去十年的相关文献，描述各种方法，识别局限性，并提出未来发展的方向。

研究问题

本综述的核心问题是：“过去十年中，有哪些方法被用于三维超声拼接？重点关注配准策略、自动化程度和临床适用性？”

数据来源和搜索策略

初步搜索于2024年2月14日在四个电子数据库中进行：PubMed/MEDLINE（生物医学科学）、Scopus（多学科）、CINAHL（护理及相关健康领域）和Web of Science（多学科）。选择这些数据库是为了进行全面搜索，没有设置任何限制条件

研究筛选

搜索共找到7077篇潜在相关的论文。经过去重和相关性筛选后，根据标题和摘要符合标准的论文有428篇，其全文被获取用于进一步分析。经过全文数据评估后，最终有72篇论文被纳入分析。论文从识别到最终入选的流程如图1所示。

纳入研究的一般特征

本研究纳入的论文具有一般特征...

讨论

本文综述了灰色文献和已发表文献中关于超声体积配准和/或复合技术的现有方法和技术。讨论了这些论文的特点、方法多样性以及所报告的局限性，并据此提出了改进该技术的建议。

结论

本综述概述了灰色文献和已发表文献中用于超声体积配准和/或复合的现有技术和方法。虽然大多数研究集中在提升可视化效果和视野方面，但在时间配准、自动化、定量改进以及较少研究的临床应用（如肌肉骨骼系统和软组织）等领域仍有很大的改进空间。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。