超聲層析成像技術

超聲 CT（超聲層析成像）是指根據物體周圍的散射波反演物體內部結構圖像的技術。由於超音波具有無電離輻射、對人體無害、設備價格便宜等優點，這一技術廣泛套用於生物醫學工程、無損檢測、地球物理、模式識別等領域。

基本介紹

• 中文名：超聲層析成像技術
• 外文名：Ultrasound tomography technique
• 專業：成像技術

背景

層析成像（Computed tomography 簡稱 CT）技術是指通過從物體外部檢測到的數據重建物體內部（橫斷面）信息的技術，也叫計算機輔助斷層成像技術。該技術可以套用多種能量波和粒子束：如 X 射線、電子、質子、超音波等。當 CT套用的能量波為超音波時，就稱為超聲層析成像（UCT）。這一技術的早期研究完全是模仿 X 射線。即假設超音波和 X 射線一樣，在物體內部是以直線傳播的，然後利用發射器到接收器之間的時間延遲或振幅衰減，來重建物體內部的聲速（折射係數）或吸收特性參數。但事實上，超音波具有明顯的衍射特徵，在界面上折射、衍射顯著，因而傳播路徑比較複雜。這使得 U-CT 的理論研究和 XCT有所不同。

目前超聲 CT 成像主要有透射型和反射型兩種，而圖像重建也有射線理論（幾何聲學理論）和衍射理論（波動聲學理論）兩種。透射型 CT 的超聲發射器和接收器位於被測介質的兩側，根據接收透射的超音波來得到介質的信息；反射型 CT 的超聲發射器和接收器都位於介質的同一側，通過接收反射的超聲回波來得到圖像信息。同時，與 B 型超聲掃描不同，在掃描過程中，兩種方法都要求圍繞物體不斷地旋轉發射器和接收器來得到不同方向上的超音波。重建理論中的射線理論相當於在無散射條件下將超聲射線的傳播路徑看作直線，即忽略介質的不均勻性對聲場的影響；衍射理論（衍射斷層成像）則考慮到聲波的散射效應，研究在弱散射的條件下，介質的不均勻性對聲場的影響，建立介質的參量與散射聲場邊界值（即接收數據）之間的關係，來重建介質參量的分布圖像。

原理

反射式超聲層析成像（URCT）

1979 年 S. J. Norton 等人提出了單個感測器同時起發射和接收作用的反射式超聲層析成像（URCT）方法。該換能器作為發射時，以球面波前向前傳播，而作為接收時，是沿著彎曲波陣面的圓弧積分。該方法一方面可以克服 B 型超聲成像的不足（聲線傳播方向上排列在後方的物體在圖像中易形成陰影），且能同時得到高的縱向和橫向解析度；另一方面使得成像系統變得非常簡單，且易於實現，因而受到人們重視。M.Moshfeghi，K. A. Dines，T. K. Truong 和 J. Ylitalo等人先後探索將這一方法分別用於超聲無損檢測、生物組織成像、對行星的觀察以及對人腦的成像，並取得了一定的進展。

超聲CT設備成像

超聲透射 CT 成像

超聲透射 CT 成像的概念是由 Greenleaf 等首先提出的。由於在某些軟組織中，聲速的變化不大，所以超聲的衍射、折射等現象可以忽略。這樣就可以套用類似於 X-CT 理論中的 Radon 變換，得到被測介質的參量（聲速、衰減係數）與接收數據之間的線性關係。圍繞介質選擇多個方向發射超音波，利用 X-CT中的圖像重建方法，如 FBP（Filtered backprojection）算法以及代數重建算法等來重建被測介質的聲學參量（聲速、衰減係數）的分布圖像。

衍射斷層成像（Diffraction tomography）

超聲衍射層析成像術（超聲衍射 CT）是一門交叉學科技術，它將傳統的計算方法和計算機視覺等結合在一起。當超音波遇見與波長可比擬的散射源時，衍射現象就會發生，從而導致超音波的傳播路徑不為直線，這種 現象在超聲穿過人體組織中經常遇見。超聲衍射斷層成像就是研究在弱散射的條件下，介質的不均勻性對聲場的影響，建立介質的參量與散射聲場邊界值（即接收數據）之間的關係，來重建介質參量的分布圖像。

目前提出的超聲 CT 理論，都是以射線理論或波動方程為依據，建立起介質的聲學參量與聲場之間的關係，然後利用各種重建算法重建介質圖像。但是，可以看到，這些理論的推導過程都存在一定的假設條件和不同程度的近似，比如透射型成像中要求的無散射條件，衍射斷層成像中需要的弱散射假設，以及Born 近似在許多方法中的套用等。使得這項技術的套用受到很大的限制，許多理論只是處於研究階段。

發展套用

超聲層析成像是 20 世紀 70 年代初受 X射線 CT的啟迪和促進發展起來的。由於它可以獲得照射聲束通過的切片上介質聲學參量（聲束、聲衰減、聲折射係數等）分布的斷面圖像，而且是這些參量的絕對值分布，因而在無損檢測、醫學診斷、海洋參數反演及地質結構探測等許多重要套用方面，顯示出良好的套用前景。目前，超聲透射斷層成像技術已經套用在乳腺等軟組織的超聲成像中，成為乳腺癌等疾病檢測的重要手段。

超聲CT在橋樑檢測中的套用

結論

超聲 CT 技術發展於醫學並取得了成功，此外還用於工業材料的無損檢測、航空航天、軍事工業及鋼鐵企業等高科技領域或部門；CT 還在地球資源勘探、地震預測預報、地質構造等方面有廣泛而深入的套用。超聲 CT 總的發展趨勢是向著高速、清晰、可靠方向發展，即數據採集、成像速度更為快捷，重建圖像具有更高的空間解析度、密度解析度，圖像更為清晰、可靠。此外，如何在數據缺損時或根據很少的投影數據能夠很好地重建圖像，也是未來 CT 必須解決的問題。重建三維圖像是 CT 的又一發展趨勢。