نمائی واقعی از جنین

این روش جدید تصویربرداری به سرعت در میان کاربران و پزشکان مورد توجه قرار گرفت و کاربردهای وسیعی پیدا کرد. علت اصلی اقبال عمومی نسبت به استفاده از اولتراسوند سه‌بعدی، محدودیت‌هائی است که در نمایش دو‌بعدی (۲D) تصاویر آناتومیک وجود دارد. بدیهی است که نمایش دو‌بعدی اندامی که خود سه‌بعدی هستند، یک محدودیت‌ محسوب شده و امکان تشخیص بهتر را کاهش می‌دهد، چرا که متخصص مربوطه بایستی در ذهن خود تصاویر دو‌بعدی را کنار هم گذاشته و تشخیص درست را انجام دهد که خود باعث ایجاد خطاهای فراوان و تشخیص نادرست می‌شود. از طرف دیگر، یک تصویر دو‌بعدی یک برش باریک در یک برش باریک در یک زاویه خاص از بدن است و به سختی می‌توان در تشخیص‌های بعدی آن جایابی کرده و دقیقاً مکان گذاشتن پروب و جهت آن را بازسازی نمود.
در این مقاله شرح خواهیم داد که چگونه تصویربرداری اولتراسوند سه‌بعدی به این محدودیت‌ها فائق آمده است. همچنین به پیشرفت‌های جدید در این عرصه از جمله سیستم‌های مکانیکی، free-hand و ارائه ۲D اشاره خواهیم کرد.

در گذشته تصاویر دو‌بعدی بیشتر با استفاده از x-ray تهیه می‌شد و هنوز هم مرسوم است، ولی تصاویر دو‌بعدی معایبی دارد که باعث می‌شود متخصص موفق به دیدن تمامی آناتومی آن عضو و وقایع مربوط آن نشود.
در اوایل دهه ۱۹۷۰، با معرفی سی‌تی‌اسکن، انقلابی در رادیولوژی تشخیصی به‌وجود آمد، چرا که تصاویر دو‌بعدی که از هر برش و در کنار هم به‌دست می‌آمد، به متخصصان کمک می‌کرد که با در کنار گذاشتن تصاویر دو‌بعدی ذهنیت سه‌بعدی از درون بدن را برای خود به‌وجود آورد. بعدها که تصاویر سه‌بعدی در سی‌تی‌اسکن و MRI ابداع شد، عزم جدی را برای فراهم کردن شرایط ساخت تصاویر سه‌بعدی در عرصه‌های دیگر تصویربرداری به‌وجود آمد. از طرفی با مشاهده تصاویر سه‌بعدی، کاربردهای خاص و جالبی که اینگونه تصاویر دارند، بیشتر مشخص گردید.
اگرچه تاریخچه تصویربرداری اولتراسوند به نیم قرن پیش بازمی‌گردد، اما مسیر توسعه و پیشرفت در این صنعت چندان سریع نبوده، به‌خصوص در سه دهه اول کاربرد اولتراسوند در پزشکی به کاردیولوژی، زنان و زایمان محدود می‌شد. اما در دهه گذشته، اولتراسوند در عرصه پزشکی به خوبی از نتایج پیشرفت‌های فن‌آوری بهره‌مند و مبدل به یک روش سودمند و ضروری شده است. علت این همه درگیری و اقبال عمومی، انعطاف‌پذیری و غیرتهاجمی بودن این روش است. علاوه بر آن به‌علت افزایش روزافزون کیفیت تصاویر و توانائی به بررسی جریان خون به روش دالپر، می‌توان ادعا کرد که امروزه اولتراسونوگرافی تبدیل به یکی از قدرتمندترین روش‌ها در رادیولوژی و کاردیولوژی شده است و حتی می‌تواند ابزاری برای هدایت و کمک به جراحان و تراپیست‌ها باشد.

محدودیت‌های اولتراسوند معمولی
در تصویربرداری اولتراسوند معمولی، ترانسدیوسر اولتراسوند طوری طراحی شده است که بتواند تصاویر دو‌بعدی تهیه کند. و بعد از آن با ترکیب این تصاویر دو‌بعدی در ذهن اپراتور و ایجاد و تشکیل یک حس سه‌بعدی! عمل تشخیص انجام گیرد.
به این ترتیب مشاهده موفقیت‌آمیز آناتومی و پاتولوژی و تشخیص صحیح بیماری کاملاً بستگی به تجربه و مهارت اپراتور خواهد داشت و این روش به دلایلی که خواهیم گفت یک روش قابل اعتماد و بهینه نیست.
تبدیل ذهنی تصاویر دو‌بعدی به تصاویر آناتومیک و پاتولوژیک سه بعدی، نه تنها به‌طور کافی سودمند نیست، بلکه کاملاً سلیقه‌ای و متکی به ذهنیت فرد خواهد بود که در این صورت می‌تواند منجر به خطا و عدم دقت در تشخیص و حتی تصمیم غلط در مراحل بعدی درمان شود.
تشخیص و تصمیم‌گیری صحیح برای طراحی روش درمان (Treatment planning)، احتیاج به یک ارزیابی دقیق از عضو (مثلاً حجم تومور) دارد. سونوگرافی دو‌بعدی معمولی تنها قادر است با استفاده از محاسبه طول و عرض و ارتفاع (و با تقریب زدن ناحیه مورد نظر به یک مثلاً بیضی‌گون) آن هم در نمائی هندسی و چهارگوش اقدام به محاسبه حجم نماید. از آنجا که این روش دارای خطا است و باز هم بستگی زیادی به مهارت اپراتور دارد، برای مانیتورینگ، پیگیری و ارزیابی عددی مراحل درمان روشی مناسب نیست. از طرفی لازم است که شرایط تصویربرداری در تمامی مراحل یکسان باشد تا بتوان در شرایط مختلف مقایسه صحیحی را انجام داد، ولی در اولتراسوند دوبعدی به‌دلیل مشکلاتی که در قرار دادن محل پروب وجود دارد، امکان تکرارپذیری تست به حداقل می‌رسد، به‌طوری که در هر مرحله مطمئن نیستیم که آناتومی در حال مشاهده با آنچه در مراحل قبلی انجام شده، یکسان است یا خیر.
در یک تصویربرداری سه‌بعدی اولتراسوند، تصاویر دوبعدی توسط پردازشگر با هم ترکیب می‌شود تا یک تصویر سه‌بعدی آناتومیک و پاتولوژیک واقعی و عینی (نه ذهنی!) ساخته شود. این تصویر می‌تواند در همان سیستم یا کامپیوتر دیگری نمایش داده شود، مجدداً پردازش شده یا پارامترهای مختلف آن مورد اندازه‌گیری قرار گیرد. این در حالی است که تصاویر دوبعدی اولیه می‌تواند در هر جهتی گرفته شده باشد، بدون اینکه محدودیتی از لحاظ آناتومی به‌وجود آید. به این ترتیب تصویربرداری اولتراسوند سه‌بعدی بر محدودیت‌هائی که در تصویرداری اولتراسوندی دوبعدی وجود داشت، غلبه می‌کند.
همچنین برخلاف تصویربرداری در سی‌تی‌اسکن و MRI که تصاویر دوبعدی به کندی تهیه می‌شود و مستلزم آن است که مکان تصویربرداری از قبل مشخص شده باشد، در اولتراسوند، تصاویر توموگرافی با سرعت هرچه تمام‌تر (کمتر از یک‌شصتم ثانیه) و در هر جهت دلخواهی ساخته و نمایش داده می‌شود. سرعت بالای پردازش و اختیاری بودن جهت تصویربرداری در اولتراسوند، این روش را تبدیل به یک شاهکار می‌نماید، به‌خصوص آنجا که بتوان تصاویر سه‌بعدی و از آن بالاتر تصاویر سه‌بعدی پویا (چهار‌بعدی) را تهیه کرد. نزدیک به دو دهه محققان در تلاش بودند تا تصاویر سه‌بعدی را در اولتراسوند بسازند. با این همه چندان موفقیتی حاصل نمی‌شد. شاید دلیل اصلی این عدم موفقیت و سرعت کند توسعه تصاویر سه‌بعدی، وجود حجم بسیار بالای اطلاعاتی بود که باید جمع‌آوری، پردازش و نمایش داده شود. زمانی که تصور کنیم تمامی این مراحل باید به‌صورت زنده (Real Time) انجام پذیرد، بیشتر به دشواری کار پی می‌بریم، علاوه بر اینکه مقرون به‌صرفه بودن تجهیزات به‌کار رفته هم مشکلی بود که می‌بایست مورد توجه قرار می‌گرفت.پیشرفت‌های به‌دست آمده در تهیه کامپیوترهای ارزان قیمت و سریع، موجب شد که رؤیای نمایش زنده تصاویر سه‌بعدی به حقیقت بپیوندد. بسیاری از مراکز تحقیقاتی به سوی توسعه این روش و ساخت تصاویر سه‌بعدی اولتراسوند حرکت کردند و در سال‌های اخیر سازندگان بسیاری اقدام به ساخت و ارائه این سیستم در بازار نمودند.
تکنیک‌های اسکن سه‌بعدی در اولتراسوند
بیشتر سیستم‌های تصویربرداری سه‌بعدی اولتراسوند، از همان پروب‌های معمولی که در تصویربرداری دوبعدی نیز استفاده می‌شود، بهره می‌برند و تنها تفاوت در روش استفاده و نحوه جای‌گذاری و جهت تصویربرداری است. برای تهیه تصاویر سه‌بعدی قابل قبول از پروب‌های معمولی، سه فاکتور مهم وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد:
۱. تکنیک اسکن کردن باید سریع و کنترل شده (gated) باشد تا تصاویر به‌دلیل حرکت‌های غیرارادی بیمار از جمله تنفس و حرکت قلب، دارای آرتیفکت نباشد.
۲. مکان و جهت تهیه تصاویر دوبعدی بایستی دقیقاً شناخته شده باشد تا از خطاهای هندسی اجتناب شود، در غیر این صورت تصاویر سه‌بعدی دارای خطا خواهد بود.
۳. پروب باید دارای ساختاری ساده باشد تا بتوان آن را به راحتی به‌کار برد. شکل پیچیده و بی‌ریخت پروب می‌تواند مشکلاتی را در تصویربرداری سه‌بعدی ایجاد کند.
در دو دهه گذشته، چهار روش تصویربرداری سه‌بعدی اولتراسوند ارائه شده است: اسکنر مکانیکی، تکنیک Free-hand با حسگر مکان، تکنیک Free-hand بدون حسگر مکان و ارائه دوبعدی.

اسکنر مکانیکی (Mechanical Scanner)
در این روش، ترانسدیوسرها به‌وسیله موتور حرکت داده می‌شود تا ناحیه موردنظر اسکن شود. این حرکات شامل حرکات طولی، دورانی و زاویه‌ای است. حرکت ترانسدیوسرها به‌گونه‌ای است که بتوان حجم موردنظر را پوشش دهد، به‌طوری که در حین حرکت، اطلاعات دوبعدی به سرعت دریافت شده و به کامپیوتر ارسال می‌شود. از آنجا که نحوه و جهت حرکت دادن ترانسدیوسرها توسط کامپیوتر کنترل می‌شود، مکان هر تصویر دوبعدی مشخص است و سیستم می‌داند که هر تصویر دوبعدی مربوط به کدام موقعیت است. به این ترتیب مشکلی جهت بازسازی تصویر سه‌بعدی نخواهد داشت.
اطلاعات دوبعدی دریافت شده به‌صورت داده‌های عادی در حافظه ذخیره می‌شود. سپس این اطلاعات می‌تواند در خود سیستم یا یک کامپیوتر دیگر جهت ساخت و نمایش تصویر سه‌بعدی مورد استفاده قرار گیرد. البته این مستلزم دانستن جهت و مکان هر تصویر دوبعدی توسط سیستم پردازشگر است. معمولاً، فاصله مکانی بین تصاویر دوبعدی در این سیستم‌ها قابل تنظیم است. به‌عنوان مثال، برای اسکن یک حجم بزرگ لازم است که فواصل بین نواحی اسکن را زیاد کنیم که البته موجب کاهش قدرت تفکیک و افزایش زمان اسکن می‌شود. همچنین اگر قصد داریم ناحیه کوچکی را با دقت بالا اسکن کنیم، فواصل مکانی را کوچک انتخاب می‌کنیم.
انواع مختلفی از تجهیزات اسکن مکانیکی ساخته شده‌اند که می‌توانند ترانسدیوسرها را حرکت داده و بچرخانند. تفاوت این تجهیزات می‌تواند در اندازه‌های مختلف، از یک پروب کوچک سه‌بعدی که تجهیزات مکانیکی آن در داخل پروب قرار گرفته است تا یک پروب بزرگ با سیستمی مکانیکی که از بیرون کل پروب را حرکت می‌دهد، تغییر کند. اگرچه پروب‌های مکانیکی از پروب‌های دوبعدی معمولی سنگین‌ترند، اما کاربرد آنها آسان‌تر است. به‌طور کلی اسکنرهای مکانیکی را در سه حالت می‌توانیم بیابیم:
۱. اسکن سه‌بعدی خطی (Linear ۳D Scanning)
در این روش، یک موتور ترانسدیوسر را با حرکت طولی به جلو و عقب می‌راند و در فواصل مکانیکی و زمانی کنترل شده، از نقاط مختلف، تصاویر دوبعدی تهیه می‌کند. این تصاویر موازی هم بوده و نسبت به هم زاویه‌ای ندارند. سرعت حرکت و زمان نمونه‌برداری باید تحت کنترل باشد تا بتوان سرعت نمونه‌برداری را با frame rate و فاصله مکانی نمونه‌برداری را با قدرت تفکیک متناسب نمود. به این ترتیب بلافاصله بعد از جمع‌آوری تصاویر دوبعدی، می‌توان تصویر سه‌بعدی را به‌دست آورد. با تغییر پارامترهای فوق می‌توان به قدرت تفکیک بهینه دست یافت. نکته قابل توجه در این روش تصویربرداری این است که قدرت تفکیک در تصاویر سه‌بعدی به‌دست آمده ایزوتروپیک (Isotropic) نیست، چرا که تصویر سه‌بعدی از کنار هم قرار گرفتن تصاویر دوبعدی به‌دست آمده است. در صفحه موازی صفحه تصاویر دوبعدی، قدرت تفکیک همان قدرت تفکیک تصاویر دوبعدی اولیه است، اما در جهت عمود بر جهت تصاویر دوبعدی، قدرت تفکیک بستگی به فواصل مکانی نمونه‌برداری دارد. یعنی هرچه فاصله مکانی بین برش‌های دوبعدی کمتر باشد (برش‌ها به هم نزدیک‌تر باشند)، قدرت تفکیک (Resolution) بهتر خواهد بود.
استفاده از اسکن سه‌بعدی خطی در کاربردهای عروقی موفقیت‌آمیز بوده، به‌خصوص آنکه با ترکیب اطلاعات داپلر این موفقیت تکمیل شده است.
۲. اسکن سه‌بعدی (tilt ۳D Scanning)
در این روش، یک موتور ترانسدیوسر را (حول محور موازی با صفحه آن) زاویه می‌دهد تا تصاویر دوبعدی در فواصل زاویه‌ای مشخص دریافت شود. این تصاویر به شکل بادبزنی هستند که به‌صورت شعاعی در محور همدیگر را قطع می‌کنند.
پروب‌هائی که از این تکنیک استفاده می‌کنند، دارای ساختاری کوچک و هندسه‌ای قابل قبول و آسان هستند. کاربرد اصلی اینگونه پروب‌ها در تصویربرداری شکمی و جنینی است. هندسه فشرده و کوچک این پروب‌ها باعث می‌شود که به راحتی در دست قرار گرفته و استفاده شود.
همچنین با انتخاب فواصل زاویه‌ای مناسب حتی با داشتن حداکثر زاویه اسکن (در حد ۹۰ درجه) می‌توان زمان اسکن را به حداقل رساند، اگرچه باید قدرت تفکیک را در حد بهینه نگه داشت. به‌عنوان مثال، اگر بخواهیم محدوده‌ای با زاویه ۹۰ درجه را تصویربرداری کنیم و به ازاء هر یک درجه یک تصویر دوبعدی بگیریم و سرعت نمونه‌برداری ما متناسب با عمق موردنظر حدود ۳۰ هرتز باشد، زمان اسکن ۳ ثانیه خواهد بود.
مانند روش اسکن خطی، از آنجا که مکان و زاویه تصاویر دوبعدی از قبل مشخص است، بلافاصله پس از پایان اسکن، تصاویر سه‌بعدی به‌دست خواهد آمد. اگرچه، قدرت تفکیک ایجاد هم ایزوتروپیک نیست و می‌توان گفت که قدرت تفکیک با زاویه چرخش تغییر می‌کند. چرا که اولاً به‌دلیل شکل بادبزنی هندسه تصویربرداری، فاصله خطی بین تصاویر دریافت شده هرچه از محور پروب دورتر می‌شویم، بیشتر می‌شود. یعنی هرچه از پروب دورتر می‌شویم، نمونه‌برداری فضائی کمتر می‌گردد. در نتیجه، قدرت تفکیک فضائی کاهش می‌یابد. دوم اینکه، به‌دلیل پخش شدن موج اولتراسوند در اعماق بیشتر قدرت تفکیک کاهش می‌یابد (که در تصویربرداری دوبعدی نیز این مشکل وجود دارد).
از کاربردهای این نوع روش اسکن، می‌توان تصویربرداری پروستات، Cryosurgery، اکوکاردیوگرافی و... را نام برد.
۳. اسکن سه‌بعدی دورانی (Rotational ۳D Scanning)
در این روش، یک موتور آرایه ترانسدیوسر را حول محوری ثابت حدود ۱۸۰ درجه دوران می‌دهند. در این روش، تصاویر به‌دست آمده از یک حجم مخروطی تهیه می‌شود. مانند دیگر روش‌ها قدرت تفکیک در اینجا هم ایزتروپیک نیست و هرچه از محور دوران دورتر می‌شود، قدرت تفکیک طولی و عرضی کاهش می‌یابد. این روش نسبت به حرکت دورتر می‌شود، قدرت تفکیک طولی و عرضی کاهش می‌یابد. این روش نسبت به حرکت بیمار و اپراتور حساس است، چرا که تمامی تصاویر دوبعدی اولیه، در محور دوران و مرکز تصویر سه‌بعدی همدیگر را قطع می‌کنند. هر گونه حرکتی در حین تصویربرداری، محور دوران را جابه‌جا کرده و باعث خطا می‌شود.
از کاربردهای این روش می‌توان تصویربرداری ترانس رکتال از پروستات و اندوواژینال را نام برد.

تکنیک Free-hand با حسگر مکان
اسکن مکانیکی که در بخش قبلی بحث شد، روشی سریع و باکیفیت است. با این همه جثه بزرگ و وزن تجهیزات اسکن در این روش یکی از معایب آن محسوب می‌شود (اگرچه در سیستم‌های جدیدتر تا حد ممکن حجم آنها کاهش یافته است). برای رفع این مشکل تکنیک Free-hand توسط برخی از پژوهشگران ارائه شده است که در آن از سیستم مکانیکی و موتور استفاده نشده است. در این روش یک حسگر مکان (Postition Sensor) به پروب متصل شده است که می‌تواند مکان و جهت پروب را تشخیص دهد. به این ترتیب، اپراتور می‌تواند به‌طور عادی پروب را حرکت داده و از عضو موردنظر تصویربرداری کند. در حین تصویربرداری، اطلاعات تصویر و اطلاعات مکانی لحظه به لحظه در کامپیوتر ذخیره می‌شود و این در حالی است که مکان و جهت هر تصویر نیز در کنار خود تصاویر ذخیره شده است. این اطلاعات در مجموع جهت بازسازی تصویر سه‌بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. منتهی در اینجا مکان تصاویر دوبعدی از قبل تعریف نشده است.
به همین خاطر لازم است که اپراتور با آگاهی کامل از محل تصویربرداری، مطمئن شود که در بین تصاویر دوبعدی فضای خالی بزرگی به‌وجود نیامده باشد و تمامی ناحیه را اسکن کرده باشد. چهار روش با استفاده از این تکنیک ارائه شده است:
روش بازوهای مفصلی (Articulated Arms)، روش حسگر صوتی (Acoustic Sensing)، روش حسگر مغناطیسی (Magnetic Field Sending) و روش آنالیز تصاویر (Image-based Sensing).۱. اسکن سه‌بعدی به روش بازوهای مفصلی
در این روش جهت و مکان پروب در هر لحظه می‌تواند با نصب پروب روی بازوهائی با چند مفصل حس شود. در محل مفصل‌ها، مقاومت‌های متغیری تعبیه شده که اطلاعات مربوط به میزان تغییر زاویه مفصل را نسبت به وضعیت اولیه گزارش می‌کند. به این ترتیب همزمان که اپراتور در حال حرکت دادن پروب بر روی بدن بیمار و جمع‌آوری اطلاعات دوبعدی است، داده‌های مربوط به مقاومت‌های متغیر نیز در هر لحظه به کامپیوتر گزارش شده و در کنار اطلاعات تصویری دخیره می‌شود. با استفاده از مجموعه اطلاعات دریافت شده، کامپیوتر اقدام به بازسازی تصویر سه‌بعدی می‌نماید.
۲. اسکن سه‌بعدی به روش حسگر صوتی
در این روش، آرایه‌ای از سه مولد صوتی بر روی پروب و آرایه‌ای از میکروفون‌های ثابت بالای بیمار نصب می‌شود. در حین تصویربرداری، میکروفون‌ها دائم در حال دریافت پالس‌های تولید شده توسط مولدهای صوتی هستند. جهت و مکان پروب لحظه به لحظه و به ازاء هر یک از تصاویر دوبعدی توسط کامپیوتر محاسبه می‌شود (با توجه به اینکه سرعت صوت در هوا و فاصله میکروفون‌ها نسبت به هم مشخص است).
۳. اسکن سه‌بعدی به روش حسگر مغناطیسی
بیشتر روش‌های اسکن free-hand از این تکنیک استفاده می‌کنند. در این روش، یک فرستنده که مولد میدان مغناطیسی و یک گیرنده که دارای سه کویل (Coil) چهارگوش (جهت تشخیص شدت میزان) است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. با اندازه‌گیری شدت سه مؤلفه میدان مغناطیسی در هر لحظه، مکان و جهت قرارگیری پروب می‌تواند محاسبه شود. معمولاً فرستنده نزدیک بیمار و گیرنده روی پروب نصب می‌شود. حسگر میدان مغناطیسی کوچک بوده و مزاحمتی برای اپراتور ایجاد نمی‌کند و نسبت به روش‌های قبلی از این لحاظ ترجیح داده می‌شود. اگرچه باید به این نکته اشاره کنیم که میدان‌های مغناطیسی حاصل از مانیتور، کابل‌های برق و سیگنال‌های الکتریکی درون پروب می‌تواند با امواج مغناطیسی تداخل ایجاد کرده و دقت کار را پائین بیاورد. از طرفی اگر جسمی فلزی و دارای ترکیبات آهن در نزدیکی قرار گرفته باشد، می‌تواند باعث اعوجاج هندسی در تصاویر سه‌بعدی شود. علاوه بر آن، اگر نمونه‌برداری از مکان پروب توسط حسگر به کندی انجام پذیرد، در حالی که پروب به سرعت حرکت داده شود، این امر نیز باعث خطا خواهد شد. به این خطا، خطای تأخیر یا آرتیفک تأخیر (Lag Artefact) می‌گویند.
با اجتناب از عوامل خطاساز فوق، می‌توانیم انتظار دریافت تصاویر با کیفیت بسیار خوب را از این روش داشته باشیم.
۴. تصویربرداری سه‌بعدی به روش آنالیز تصاویر
به این روش ۳D Tracking by speckle decorrelation نیز گفته می‌شود. در این روش هیچ گونه ابزاری برای مکان‌‌یابی استفاده نمی‌شود. بلکه با استفاده از آنالیز خود تصاویر، اختلاف مکانی تصاویر نسبت به هم مشخص می‌گردد. این روش مبتنی بر تکنیک نابستگی نقاط (Speckle decorrelation) است.
وقتی انرژی ساطع شده از یک منبع همدوس انرژی، با موانع پراکنده‌کننده (Scatterer) برخورد می‌کند، شکل فضائی انرژی بازتابیده به واسطه پدیده تداخل امواج، از مکانی به مکان دیگر متغیر خواهد بود و به‌صورت نمایشی از نقاط با روشنائی متغیر درمی‌آید. تصاویر اولتراسوند نیز به‌صورت مجموعه‌ای از نقاط نمایش داده می‌شود که این نقاط می‌تواند تصویری از نقاط متحرک (مثل خون) نیز باشد. در چنین حالتی اگر گلبول‌های قرمز خون بدون حرکت باشند، سیگنال‌هائی که متعاقب هم پراکنده می‌کنند، دارای شکل فضائی یکسان و نقاط هم‌ارزند و به‌عبارت دیگر نقاط دارای همبستگی‌اند.
(Correlated Speckle)، اما اگر گلبول‌های قرمز در حال حرکت باشند، سیگنال‌هائی که متعاقب هم پراکنده می‌شوند، دیگر دارای شکل فضائی یکسان نیستند و نقاط دچار غیر هم‌ارزی شده و دارای عدم همبستگی (decorrelated speckle) خواهند بود. درجه عدم همبستگی نقاط تصویر، به فاصله‌ای که گلبول‌های از یک تصویر به تصویر بعدی حرکت کرده‌اند، بستگی دارد.
از همین تئوری می‌توان برای اندازه‌گیری فاصله بین تصاویر دوبعدی استفاده کرد.
اگر دو تصویر دوبعدی از یک مکان ثابت گرفته شود، شکل فضائی نقاط تغییر نمی‌کند، اما اگر یک تصویر نسبت به تصویر قبلی جابه‌جائی داشته باشد، درجه عدم همبستگی نقاط متناسب با فاصله جابه‌جائی خواهد بود. البته نقش ضخامت اشعه اولتراسوند نیز در محاسبات دخالت می‌کند. این روش آنجا پیچیدگی خود را نشان می‌دهد که تصاویر دوبعدی به‌دست آمده ممکن است موازی هم نباشند.

تکنیک free-hand بدون حسگر مکان
یک روش دیگر تصویربرداری سه‌بعدی، بدون استفاده از حسگر مکان، انجام تصویربرداری‌های دوبعدی با تابعیت از شرایط از پیش تعریف شده است. از آنجا که هیچ اطلاعات هندسی در حین اینگونه تصویربرداری جمع‌آوری نمی‌شود، اپراتور باید مراقب باشد که پروب را به‌گونه‌ای حرکت دهد که سرعت ثابت بماند تا در بازسازی تصاویر سه‌بعدی، فواصل مکانی بین تصاویر دوبعدی ثابت باشد. با حرکت همگون و رعایت شرایط می‌توان انتظار تصویر سه‌بعدی مناسبی را داشت. از آنجا که در این روش تصاویر سه‌بعدی دارای دقت هندسی نیستند، هیچ‌گونه اندازه‌گیری از روی این تصاویر نمی‌تواند مورد استفاده و قابل اعتماد باشد.

تکنیک آرایه دوبعدی
در روش‌هائی که پیشتر بحث شد، برای تصویربرداری سه‌بعدی، از پروب‌های معمولی اولتراسوند با آرایه یک‌بعدی از ترانسدیوسرها مورد استفاده قرار می‌گرفتند، پروب‌هائی که با استفاده از روش مکانیکی یا با استفاده از دست حرکت داده شده و ناحیه مورد نظر اسکن می‌شود. اما در این روش، پروبی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، دارای آرایه‌ای دوبعدی از ترانسدیوسرهاست. به این ترتیب ترانسدیوسرها ثابت نگاه داشته شده و با استفاده از اسکن الکترونیکی ناحیه مورد نظر تصویربرداری می‌شود. تکنیکی که برای جاروب ناحیه موردنظر استفاده می‌شود، همان Phased Array است که توسط آرایه‌ای دوبعدی از ترانسدیوسرها انجام می‌شود. به این ترتیب این آرایه می‌تواند یک پرتو پهن اولتراسوند را به‌صورت وگرا به سمت ناحیه موردنظر که شکل یک هرم ناقص را دارد، ساطع کند. اکوهای بازگشتی توسط آرایه ترانسدیوسرها به‌صورت برش‌هائی در نظر گرفته شده و دریافت می‌شود. این برش‌ها مورد استفاده قرار گرفته و تصویر سه‌بعدی ساخته می‌شود.
یکی از مشکلاتی که باعث شده این روش تا به حال چندان مورد استقبال واقع نشود، قیمت بالای پروب‌های آن است.

روش‌های بازسازی تصاویر سه‌بعدی
منظور از بازسازی تصویر، پروسه‌ای است که منجر به ساخت تصویری سه‌بعدی با استفاده از تصاویر دوبعدی که پیشتر در مکان و زاویه مشخصی گرفته شده است. به‌طوری که پیکسل‌های این تصاویر مورد استفاده قرار می‌گیرد تا وکسل (Voxel) که شکل سه‌بعدی پیکسل است، ساخته شود.
دو تکنیک عمده بازسازی تصاویر سه‌بعدی عبارت است از روش مبتنی بر ویژگی (Feature-based) و روش مبتنی بروکسل (Voxel-based).

روش مبتنی بر ویژگی‌
در این روش، ویژگی‌های از پیش تعریف شده مثل صفحات آناتومیک، تعیین‌کننده ساختار تصویر سه‌بعدی است. به‌عنوان مثال، در تصویربرداری اکوکاردیوگرافی یا جنینی، مرز و دیواره بطن یا جنین می‌تواند در تصاویر دوبعدی به‌صورت دستی یا اتوماتیک مشخص شده و دیواره‌های حجم موردنظر در نمایش سه‌بعدی نشان داده شود. در این روش، دیواره‌ها و صفحات مختلف می‌تواند به رنگ‌های مختلف نمایش داده شود و حتی برای اینکه برخی قسمت‌ها بهتر دیده شود، جاهائی از تصویر حذف شود.این روش به‌طور خاص در اکوکاردیوگرافی سه‌بعدی به‌کار می‌رود تا بتوان به‌وسیله آن دیواره‌های بطن را شناسائی کرد. پس از اینکه دیواره‌های بطن در فازهای مختلف ضربان قلب تصویربرداری شد، می‌توان تصاویری سه‌بعدی از حرکت پیچیده دیواره‌های بطنی در یک سیکل قلبی را به‌دست آورده و به‌صورت فیلم (Cine) نمایش داد. کاربرد دیگر این روش تهیه تصاویر سه‌بعدی از جدار درون رگ است.
از آنجا که در این روش، تصاویر سه‌بعدی کامل نیست و تنها صفحات و دیواره‌ها وجود دارد، می‌توان کنتراست تصاویر را بهینه کرد. همچنین با استفاده از چندین تصویر (مثلاً تصاویر به‌دست آمده از قلب که با ضربان قلب همزمان شده است)، رفتار دینامیکی قلب را می‌توان به خوبی بررسی کرد. علاوه بر آن، برای بازسازی تصاویر سه‌بعدی در این روش احتیاج به کامپیوترهای پیشرفته و گران‌قیمت نیست. با این حال، این روش دارای معایبی هم هست. از آنجا که در این روش، تصاویر به‌دست آمده تنها از مرزها و دیواره‌ها و جداره‌هاست، اطلاعات مهمی که در آناتومی وجود دارد، در این تصاویر دیده نمی‌شود. علاوه بر آن، مشخص کردن دستی مرزها در مرحله اولیه زمان‌بر است و روش اتوماتیک آن هم دارای خطاست.

روش مبتنی بروکسل
این روش از روش قبلی مرسوم‌تر است. در این روش بازسازی در دو مرحله انجام می‌پذیرد. نخست، تصاویر به‌دست آمده در کنار هم قرار می‌گیرند سپس برای هر نقطه فضائی از تصویر سه‌بعدی، مقدار هر وکسل با درون‌یابی (Interpolation) مشخص می‌گردد. نحوه قرارگیری تصاویر دوبعدی در کنار هم براساس قرار دادن پیکسل هر تصویر در مکان سه‌بعدی (x.y.z) با در نظر گرفتن مکانی است که آن پیکسل در تصویر دوبعدی خود دارد. (*x*, y) مکان و جهت هر تصویر دوبعدی نسبت به محورهای تصویر سه‌بعدی نیز از پیش مشخص شده است. برای محاسبه مقدار هر وکسل، بین مقادیر پیکسل‌هائی که در همسایگی قرار دارد، میانگین‌گیری وزنی انجام می‌شود. در اسکن مکانیکی، وزن‌های میانگین‌گیری، از پیش در جداولی قرار گرفته است و باعث می‌شود که تصویر سه‌بعدی به سرعت ساخته شود. در روش مبتنی بر وکسل، تمامی اطلاعاتی که در تصاویر دوبعدی اولیه وجود داشت، در تصویر سه‌بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد و هیچ داده‌ای دور ریخته نمی‌شود. به این ترتیب با انجام برش بر روی تصویر سه‌بعدی، می‌توان مجدداً تصاویر دوبعدی اولیه را به‌دست آورد. علاوه بر آن، تصاویر دوبعدی جدیدی را در جهات دیگری می‌توان مشاهده نمود.
با این همه، اگر در زمان اسکن، جمع‌آوری اطلاعات به‌طور ناقص انجام شده باشد، مثلاً فاصله‌ای بین تصاویر دوبعدی به‌وجود آمده، به‌طوری که یک یا دو برش جا افتاده باشد، در تصویر سه‌بعدی، وکسل‌هائی که در آن مکان قرار دارند، مقادیر درستی را ارائه نخواهند داد و قدرت تفکیک کمی در آن نقاط خواهیم داشت. برای اجتناب از چنین حالتی، حجم مورد نظر بایستی درست انتخاب شود.
از آنجا که اطلاعات اولیه نگهداری می‌شود، می‌توان بارها و بارها اقدام به بازسازی تصاویر با استفاده از تکنیک‌های مختلف نمود. به‌عنوان مثال، اپراتور می‌تواند کل یا قسمتی از تصویر سه‌بعدی را بازبینی کند و ناحیه موردنظرش را انتخاب نماید یا می‌تواند segmentation و classification روی تصویر اعمال کند. همچنین می‌تواند اندازه‌گیری‌های حجمی و هر نوع پردازشی که در تشخیصش کمک کند، انجام دهد.
حال می‌خواهیم به‌طور خلاصه روش ریاضیاتی بازسازی تصویر سه‌بعدی از تصاویر دوبعدی را شرح دهیم. فرض می‌کنیم که در تکنیک Free-hand با حسگر مکان دارای شرایط زیر هستیم: (*x*, y) مختصات هر پیکسل در تصویر دوبعدی نسبت به مکان ترانسدیوسر، (x,y,z) مختصات هر وکسل در تصویر سه‌بعدی بازسازی شده است.
به‌عبارتی می‌توان گفت تصاویر سه‌بعدی به‌دست آمده در اولتراسوند اگرچه بسیار شبیه واقعیت آناتومیک عضو است، اما حقیقت این است که آنچه در یک تصویر سه‌بعدی مشاهده می‌شود، نمایشی از یک فرآیند ریاضیاتی است و کاملاً تصویری از واقعیت نیست.
اگرچه در تصاویر دوبعدی اولتراسوند نمی‌توان به راحتی چنین ادعائی کرد، زیرا تصاویر دوبعدی در اولتراسوند، انعکاس واقعی اجسام و اعضائی است که نمایش داده می‌شود، ولی تصاویر سه‌بعدی، انعکاس مستقیم و واقعی اجسام و اعضاء نیست و تنها نمایش ریاضیاتی و انتزاعی از واقعیتی است که وجود دارد. اما این بدان معنی نیست که اطلاعات حاصل از تصاویر دوبعدی غلط غیرقابل استفاده است، بلکه برعکس به لحاظ تشخیصی ارزش فوق‌العاده‌ای دارد و کاملاً می‌توان به آن اعتماد کرد.

نمایش تصاویر سه‌بعدی اولتراسوند
در دهه‌های گذشته، الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای زیادی برای نمایش و کار بر روی تصاویر سه‌بعدی به‌وجود آمدند. اگرچه کیفیت تصاویر سه‌بعدی بستگی به روش جمع‌آوری داده‌ها و صحت بازسازی تصاویر سه‌بعدی دارد، تکنیک‌های به‌کار رفته در نمایش تصاویر سه‌بعدی نقش بسیار مؤثری در انتقال صحیح اطلاعات به اپراتور دارد. در واقع پس از بازسازی اطلاعات سه‌بعدی و ذخیره آن در حافظه سیستم اکنون باید ببینیم به چه روشی می‌توانیم این اطلاعات را نمایش دهیم. نمایش این اطلاعات باید به‌گونه‌ای باشد که علاوه بر سودمندی آن ظاهری سه‌بعدی نیز داشته باشد. روش‌های مختلفی برای نمایش تصاویر سه‌بعدی ارائه شده است. این روش‌ها را می‌توان در سه دسته تقسیم‌بندی نمود: بازسازی سطحی (Surface rebdrubg)، بازسازی چند صفحه‌ای (Multiplanar reformatting) و بازسازی حجمی (Volume Rendering).
۱. بازسازی سطحی یا Surfacerendering
یکی از تکنیک‌های مرسوم نمایش تصاویر سه‌بعدی، نمایش صفحات عضو موردنظر است. در این روش لازم است پیش از نمایش، اطلاعات کل حجم به اطلاعات صفحات عضو تقلیل داده شود، به همین خاطر، انجام پردازش‌هائی چون Classification و Segmentation پیش از نمایش ضروری است. در گام اول باید مشخص شود هر وکسل (یا گروهی از وکسل‌ها) به کدام ساختار تعلق دارد و به‌عبارت دیگر و کسل‌ها Classify شوند. سپس مرزهای عضو تشخیص داده شده و جدا شوند و به‌عبارت دیگر، ناحیه مربوط به دیواره‌ها یا مرزها با تکنیک‌های Segmentation جداسازی شود. پس از اینکه مراحل Classification و Segmentation بر روی تصویر سه‌بعدی عضو انجام شد، سطوح مرزی و دیواره‌ها با تکنیک‌های گرافیکی مثل رنگ‌بندی و نسج‌بندی نمایش داده می‌شود.
۲. بازسازی چند صفحه‌ای یا Multiplanar Reformatting
در بازسازی چند صفحه‌ای یا MPR علاوه بر نمایش صفحات به تنهائی که در روش بازسازی سطحی به‌کار می‌رفت، سطوح داخلی از عضو را به‌صورت برش‌های مقطعی در جهات مختلف می‌توانیم مشاهده کنیم. برای دستیابی به چنین قابلیتی لازم است که بازسازی اولیه حجم سه‌بعدی براساس روش مبتنی بر وکسل (Voxel-based) انجام شده باشد. در غیر این صورت، باید نرم‌افزار مورد استفاده، قابلیت استخراج صفحات دلخواه را در هر جهتی از اطلاعات اولیه دوبعدی داشته باشد. چون صفحات استخراج شده عموماً جزء صفحات اولیه نیستند، لازم است که با انجام عملیات درون‌یابی (Interpolation) تصاویر دوبعدی جدیدی شبیه تصاویر دوبعدی اولیه را به‌دست آورد. با شباهتی که این تصویر استخراج شده به تصاویر اولیه دوبعدی دارد، اپراتور می‌تواند به راحتی از آن استفاده کرده و جهت تشخیص از آن بهره ببرد و به همین خاطر است که این روش بین رادیولوژیست‌ها طرفداران زیادی دارد.
دو تکنیک بازسازی چند صفحه‌ای معرفی شده است که عبارت است از تکنیک صفحات عمود بر هم (orthogonal planes) و تکنیک مکعبی (cube-view).الف. تکنیک صفحات عمود بر هم:
نرم‌افزار در این روش، صفحات عمود بر هم را نمایش می‌دهد که جهت‌های استاندارد را به اپراتور نمایش می‌دهد. اپراتور می‌تواند یک یا چند صفحه را انتخاب کرده و به سمت تصویر سه‌بعدی حرکت دهد تا نرم‌افزار برش یا برش‌هائی را در راستای صفحات ایجاد کرده و نمایش دهد.
ب. تکنیک مکعبی:
در این روش، تصویر سه‌بعدی در قالب یک جسم چند وجهی نشان داده می‌شود. اپراتور می‌تواند هر یک از وجوه این چند وجهی را انتخاب کرده و به جلو و عقب حرکت دهد و لایه‌های مختلف عضو را ببیند. علاوه بر آن اپراتور می‌تواند کل چندوجهی را در هر جهتی حرکت یا دوران دهد. به این ترتیب اپراتور این توانائی را دارد که صفحات چندوجهی را به‌صورت اریب قرار دهد و به جلو و عقب حرکت داده و وجوه درونی جسم سه‌بعدی را در حالت اریب نیز مشاهده کند.
۳. بازسازی حجمی یا Volume rendering
در این تکنیک (VR)، برای نمایش عضو، کل تصویر سه‌بعدی بر روی یک صفحه دوبعدی انتقال داده می‌شود. به‌عبارتی، کل اطلاعات سه‌بعدی روی یک صفحه دوبعدی تابیده می‌شود. نحوه انتقال اطلاعات سه‌بعدی به یک صفحه دوبعدی با استفاده از تکنیک RAY-CASTING است. در این تکنیک، وکسل‌هائی که در مسیر فرضی اشعه قرار دارند، وزن گرفته و جمع‌زده می‌شوند و نتیجه در تصویر جدید به‌کار گرفته می‌شود. روش‌های مختلفی برای روش بازسازی حجمی (VR) ارائه شده است، اما عمدتاً از دو روش Maximum Intensity Projection یا Translucency Rendering یا TR استفاده می‌شود.
الف. روش MIP:
در این روش تنها وکسلی که دارای حداکثر شدت (مثلاً حداکثر روشنائی) در مسیر اشعه است، نمایش داده می‌شود. سادگی این روش باعث می‌شود که کامپیوترها بتوانند به‌صورت زنده تصاویر MIP را نمایش دهند. ویژگی جالب تصاویر MIP زمانی خودش را نشان می‌دهد که اطلاعات تصویری دارای پراکندگی بوده و رزولوشن کمی دارد مثل تصاویر سه‌بعدی در Power Doppler.
ب. روش TR:
در این روش روشنائی انباشته (C) وکسل‌هائی که در مسیر یک اشعه قرار دارند، در حجم سه‌بعدی محاسبه می‌شود. با دنبال کردن مسیر اشعه به سمت صفحه دوبعدی (همان صفحه‌ای که در نهایت اطلاعات سه‌بعدی روی آن تابیده خواهد شد) و در نظر گرفتن وزن هر وکسل‌ مقدار &#۲۶۲; را به‌دست خواهیم آورد.
که(l(i، روشنائی و کسل liم و (i) هم میزان کدورت (عدم شفافیت) و کسل liم است. به‌طوری که اگر i)=۰) یعنی وکسل liم کاملاً شفاف و اگر ۱=(i) یعنی وکسل liم کاملاً کدر است. البته معمولاً در محاسبه، مسیر اشعه را معکوس در نظر می‌گیرند، یعنی در مسیر دور شدن از صفحه دوبعدی.
از آنجا که در روش بازسازی حجمی (VR)، بیشتر اطلاعات در تصویر سه‌بعدی حفظ شده و روی یک تصویر دوبعدی تابانده می‌شود، شاید در برخی موارد تفسیر این تصاویر دشوار به نظر می‌رسد. در واقع این روش در مواقعی مناسب است که عضو مورد بررسی چندان پیچیده نبوده و دارای ناهمواری کمی باشد. کاربردهای جنینی یکی از بهترین‌ کاربردهای این روش است و همچنین بررسی آناتومی رگ‌ها نیز یکی از کاربردهای این روش به‌شمار می‌رود.

دقت اندازه‌گیری در اولتراسوند سه‌بعدی
یک مزیت عمده تصویربرداری سه‌بعدی، توانائی اندازه‌گیری طول، مساحت و حجم عضو یا ناحیه موردنظر است که در هر جهتی می‌تواند انجام پذیرد. بدیهی است که در این صورت با کمی‌سازی اطلاعات، امکان تشخیص و تفسیر دقیق‌تر تصاویر به‌وجود خواهد آمد. در بسیاری از کاربردها، هدف اندازه‌گیری حجم عضو یا ناحیه موردنظر است تا مقدار قطر یا مساحت. در حالی که در تصویربرداری اولتراسوند معمولی که تصاویر دوبعدی را مهیا می‌کند، برای اندازه‌گیری حجم باید ضخامت بافت در دو یا سه جهت ارزیابی کرده و با تقریب زدن شکل عضو به یک شکل هندسی، حجم را به‌طور تقریبی محاسبه کرد که منجر به یک نتیجه غیردقیق و متغیر خواهد شد.
الف. اندازه‌گیری طول:
در تصاویر سه‌بعدی، اندازه‌گیری طول در هر جهتی می‌تواند انجام بگیرد. از طرفی اگر در مراحل بازسازی تصاویر سه‌بعدی، خطا یا اعوجاجی باشد، اندازه‌گیری‌ها با خطا مواجه خواهد شد. در مقالات متعددی میزان خطای اندازه‌گیری طول در تصاویر سه‌بعدی آزمایش شده و نشان داده شده است که با انجام کالیبراسیون مناسب، خطا کمتر از ۱% خواهد بود.
ب. اندازه‌گیری مساحت در یک برش:
با استفاده از روش MPR، تصاویر سه‌بعدی را می‌توان در هر جهتی برش داده و در آن برش اندازه‌گیری موردنظر را انجام داد. در برش به‌دست آمده می‌توان دور یک ناحیه را به‌صورت دستی یا اتوماتیک مشخص کرد و در نهایت مساحت ناحیه مشخص شده را اندازه‌گیری نمود (با شمارش پیکسل و ضرب آن در اندازه هر پیکسل).
ج. اندازه‌گیری حجم:
حجم را در تصاویر سه‌بعدی می‌توان ‌به‌صورت دستی یا با استفاده از الگوریم‌های ریاضیاتی به‌طور اتوماتیک محاسبه نمود. یکی از روش‌های دستی اندازه‌گیری حجم از تکنیک MPR استفاده می‌کند، این است که حجم سه‌بعدی به برش‌هائی یکسان و موازی تقسیم می‌شود (که این برش‌ها خود تصاویر دوبعدی هستند). مساحت عضو موردنظر در هر برش یا تصویر دوبعدی اندازه‌گیری شده و در نهایت با هم جمع‌زده می‌شود. البته روش‌های دیگری نیز برای اندازه‌گیری حجم تحت بررسی است. تکنیکی که در این روش‌ها برای اندازه‌گیری حجم بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد، تکنیک segmentation است. segmentation فرآیندی است که یک تصویر دیجیتالی را به ساختارهایش تقسیم می‌کند. مبحث segmentation، تعاریف و روش‌های آن، موضوع مفصلی است که در این بحث نمی‌گنجد.

مهندس حسین قدیری
کارشناس ارشد پرتوپزشکی

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی و علوم آزمایشگاهی