创新超声 | 3D-UBS：高分辨率3D超声在眼内异物检测中的应用与器械探索

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眼内异物（IOFB）是眼部创伤中的重要问题，可能导致视网膜脱落、组织损伤甚至永久性失明。准确的异物检测对于及时干预至关重要。传统的影像学方法如CT扫描和直接眼底镜检查有时无法发现较小或非金属的眼内异物。本研究提出了一种新型的高分辨率3D超声B扫描（3D-UBS）系统，旨在提高眼内异物的检测精度。

3D眼科超声B扫描（3D-UBS）系统。超声探头通过马达驱动的平台和外科显微镜（未显示）沿慢扫描方向移动，以获取2D图像堆栈。图像经过预处理后，转换为3D-UBS体积。

系统设计：3D-UBS系统采用Clarius L20 HD3超声探头、马达驱动的平移平台和外科显微镜。该系统通过自动化图像采集，消除了对高技能操作员的依赖，并减少了在受伤眼部进行探头操作时的风险。该系统生成高分辨率的3D体积图像，能够更好地可视化和精确定位眼内异物。此外，系统还包含了先进的图像处理技术，能够提高眼内物体的可见度。

使用Clarius L20 HD3探头对3D-UBS系统的点扩散函数（PSF）进行表征。3D超声系统的PSF通过在水浴中使用40µm的金属线幻像作为点散射体进行评估。沿着轴向、横向和垂直方向获取回波数据，并对其进行平均和归一化处理。通过拟合高斯曲线到数据上，测量超声回波达到峰值一半的物理距离，从而确定每个方向的半高全宽（FWHM）PSF。

点扩散函数（PSF）和图像处理：通过点扩散函数（PSF）来评估3D-UBS系统的分辨率，PSF描述了成像系统的模糊效应。与传统超声系统相比，3D-UBS系统具有更窄的PSF，因此对于小物体的检测更加有效。图像处理步骤包括了顶帽滤波和中值滤波，旨在减少斑点噪声和不均匀照明，从而改善图像的对比度和清晰度。

3D-UBS系统的图像预处理。（a）和（b）展示了尸体猪眼在预处理前后的图像。使用圆盘进行顶帽滤波以减少不均匀照明，并进行中值滤波以减少斑点噪声。（c）和（d）展示了预处理在体积渲染中的效果。眼球后部区域的3D可视化得到了改善。黄色箭头表示眼内的木质眼内异物（IOFB）。

与CT成像的比较：为了评估3D-UBS的性能，研究人员通过数字模型制作了不同材料（木材、塑料、金属和玻璃）的眼内异物，并使用3D-UBS和CT进行成像。结果表明，对于较小的木材和塑料眼内异物，3D-UBS的对比度-噪声比（CNR）和检测能力均优于CT，能够检测直径小至250微米的异物。相比之下，CT对金属和玻璃眼内异物的检测能力更强，因为这些材料具有较高的X射线衰减特性。

3D-UBS系统中木质眼内异物（IOFB）的可视化。2D超声图像（a）提供的信息有限。3D-UBS系统可以显示眼球的正面视图（蓝色-b），而2D超声无法实现。3D-UBS体积的多平面重构允许观察斜视图（绿色-c和红色-d），提供更准确的尺寸和位置定位信息。

体外验证：研究使用了体外猪眼模型，其中插入了不同材料的眼内异物，并分别用3D-UBS和CT成像。结果表明，在木材和塑料眼内异物的检测上，3D-UBS系统提供了优于CT的可视化效果。3D-UBS能够在所有三个成像平面中都清晰显示眼内异物，而CT则无法在所有平面中同时定位异物。

使用数字幻像在3D-UBS和CT中可视化木质眼内异物（IOFB）。直径逐渐增大的木质IOFB（0.1–1毫米）被嵌入玻璃体中。3D-UBS在小尺寸木质IOFB的可视化方面优于CT。

3D-UBS的优势：与传统的2D超声和CT成像相比，3D-UBS系统具有多个优势。这些优势包括自动化图像采集、通过多平面重构改善的可视化效果、能够生成眼球的正面视图以及执行体积测量的能力。此外，3D-UBS对操作员的技能要求较低，在眼球穿孔的情况下也能安全使用。

不同材料眼内异物的可检测性：研究使用了Rose信噪比（SNRRose）和对比度-噪声比（CNR）来评估不同材料眼内异物的检测能力。3D-UBS在木材和塑料眼内异物的检测中优于CT，能够检测小于600微米和500微米的木材和塑料异物，而CT则只能检测较大的异物。对于金属和玻璃异物，CT由于其高X射线衰减特性，提供了更高的对比度和检测能力，但3D-UBS对于较大的金属和玻璃异物仍具有足够的对比度。

塑料眼内异物（IOFB）在3D-UBS和CT中的可视化。（a）–（c）和（d）–（f）分别展示了使用3D-UBS（红框）和CT（黄色箭头）获得的同一塑料IOFB的2D视图。由于玻璃体对超声波是无回声的，3D-UBS在所有三个平面中显示出了比CT更优的对比度。相比之下，CT中的塑料IOFB的平面外对比度非常差，这使得难以正确识别IOFB。正面视图（b）与（e）展示了对比度-噪声比（CNR）提高了2.75倍的效果。（g）展示了整个塑料IOFB的3D可视化。由于高阻抗不匹配，塑料IOFB会引起声影，遮挡了部分IOFB，如（g）所示。

讨论：3D-UBS系统在检测小型低密度眼内异物方面优于传统的2D超声和CT。该系统的高分辨率、增强对比度和无需专家操作的优势，使其成为临床诊断中的宝贵工具，尤其适用于快速且精确的眼内异物检测。该系统能够清晰地区分小型异物并提供眼部结构的准确可视化，将有助于手术规划和治疗反应评估。

金属和玻璃眼内异物（IOFB）在3D-UBS和CT中的可视化。（a）–（b）和（d）–（e）分别展示了使用3D-UBS（窗口/级别=255/127）和CT（窗口/级别=450/75）获得的同一金属和玻璃IOFB的2D视图。（c）和（d）展示了3D-UBS中IOFB的3D体积渲染。

结论：3D-UBS系统是眼科成像领域的一项突破，提供了一种非侵入性、高分辨率的眼内异物检测方法，具有超越传统方法的潜力。通过自动化图像采集和增强的可视化效果，3D-UBS系统能够提高眼内异物检测的精确度和速度，尤其是在小型或非金属异物的检测中。该系统具有重要的临床应用前景，能够提高眼外伤的诊断效率，并为术后治疗提供有价值的信息。

参考文献

Minhaz, Ahmed Tahseen, Faruk H. Orge, David L. Wilson, and Mahdi Bayat. "Assessment of intraocular foreign body using high resolution 3D ultrasound imaging." Scientific Reports 14, no. 1 (2024): 12011.

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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...

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