超聲層析成像技術

層析成像（Computed tomography 簡稱 CT）技術 ^[2]  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。該技術可以應用多種能量波和粒子束：如 X 射線、電子、質子、超聲波等。當 CT應用的能量波為超聲波時，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。即假設超聲波和 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，超聲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 ^[3]  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，根據接收透射的超聲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聲波。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佈圖像。

1979 年 S. J. Norton 等人提出了單個傳感器同時起發射和接收作用的反射式 ^[4]  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，是沿着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分辨率；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 ^[5]  、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。

超聲透射 CT 成像的概念是由 Greenleaf ^[6]  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。這樣就可以應用類似於 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聲波，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）的分佈圖像。

超聲衍射層析成像術（超聲衍射 CT）是一門交叉學科技術 ^[7]  ，它將傳統的計算方法和計算機視覺等結合在一起。當超聲波遇見與波長可比擬的散射源時，衍射現象就會發生，從而導致超聲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佈圖像。

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應用等。使得這項技術的應用受到很大的限制 ^[8]  ，許多理論只是處於研究階段。

超聲層析成像是 20 世紀 70 年代初受 X射線 CT的啓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）分佈的斷面圖像，而且是這些參量的絕對值分佈，因而在無損檢測、醫學診斷、海洋蔘數反演及地質結構探測 ^[9]  等許多重要應用方面，顯示出良好的應用前景。目前，超聲透射斷層成像技術已經應用在乳腺等軟組織的超聲成像中，成為乳腺癌等疾病 ^[10]  檢測的重要手段。

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應用 ^[11]  。超聲 CT 總的發展趨勢是向着高速、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分辨率、密度分辨率，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 ^[12]  。