超声CT成像方法及应用

　　1引言

　　层析成像(Computed tomography 简称 CT)技术是指通过从物体外部检测到的数据重建物体内部(横断面)信息的技术，也叫计算机辅助断层成像技术。该技术可以应用多种能量波和粒子束：如 X 射线、电子、质子、超声波等。当 CT 应用的能量波为超声波时，就称为超声层析成像(UCT)。这一技术的早期研究完全是模仿 X 射线。即假设超声波和 X 射线一样，在物体内部是以直线传播的，然后利用发射器到接收器之间的时间延迟或振幅衰减，来重建物体内部的声速(折射系数)或吸收特性参数。但事实上，超声波具有明显的衍射特征，在界面上折射、衍射显著，因而传播路径比较复杂。这使得 U-CT 的理论研究和 X-CT 有所不同。

　　目前超声 CT 成像主要有透射型和反射型两种，而图像重建也有射线理论(几何声学理论)和衍射理论(波动声学理论)两种。透射型 CT 的超声发射器和接收器位于被测介质的两侧，根据接收透射的超声波来得到介质的信息;反射型 CT 的超声发射器和接收器都位于介质的同一侧，通过接收反射的超声回波来得到图像信息。同时，与 B 型超声扫描不同，在扫描过程中，两种方法都要求围绕物体不断地旋转发射器和接收器来得到不同方向上的超声波。重建理论中的射线理论相当于在无散射条件下将超声射线的传播路径看作直线，即忽略介质的不均匀性对声场的影响;衍射理论(衍射断层成像)则考虑到声波的散射效应，研究在弱散射的条件下，介质的不均匀性对声场的影响，建立介质的参量与散射声场边界值(即接收数据)之间的关系，来重建介质参量的分布图像。

　　2 原理

　　2.1 反射式超声层析成像(URCT)

　　1979 年 S. J. Norton 等人提出了单个传感器同时起发射和接收作用的反射式超声层析成像(URCT)方法。该换能器作为发射时，以球面波前向前传播，而为接收时，是沿着弯曲波阵面的圆弧积分。该方法一方面可以克服 B 型超声成像的不足(声线传播方向上排列在后方的物体在图像中易形成阴影)，且能同时得到高的纵向和横向分辨率;另一方面使得成像系统变得非常简单，且易于实现，因而受到人们重视。M.Moshfeghi，K. A. Dines，T. K. Truong 和 J. Ylitalo等人先后探索将这一方法分别用于超声无损检测、生物组织成像、对行星的观察以及对人脑的成像，并取得了一定的进展。

　　单发、单收超声反射式层析成像的物理模型是：设f(x, y)是被成像物体一个横断面的声反射系数分布函数。物体充满均匀介质，超声换能器位于包围此物的半径为 R 的圆周上某一点(x0，y0)，此点与坐标原点0 的连线与 x 轴正方向成 角，如图1 所示。假设超声波在物体内外介质中的传播速度为常数 c，换能器发出一无限短超声脉冲后，某一时刻 ，此换能器收到的回波信号将是 f(x , y)沿波阵面 S 的积分，即有关系式：