一种多模三维超声探测与成像装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声波无损探测技术，具体涉及利用超声波传播特性反演反射信道和 透射信道参量分布进而进行多模三维超声成像的装置与方法。
【背景技术】
[0002] 无损探测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用 性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数 量等信息。无损探测的结果依赖于对探测目标的成像。超声检测是无损检测领域的重要手 段之一，由于其探测信号穿透能力很强，无损、实时、成本低廉，广泛应用于铁路交通、医学 诊断、工业探测等国民经济中的诸多行业。
[0003] 超声波是指振动频率大于20KHz以上的声波，它在介质中传播，遇到声阻抗不同 的异质界面（如缺陷或被探测物等）就会产生反射和透射，传播过程中有散射，衰减等。通 过接收反射波和透射波，提取其有用信息来进行超声探测与成像，其中常用的信息是幅度 和频率。如超声对于人体器官的探测，超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和 不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。这种不同的反射与衰减是构成 超声图像的基础，最后根据接收到的反射波的延时和幅度大小来成像。早期的A型超声以 反射波的波形，即是其波幅变化反映回波情况。B型超声，则以明暗不同的光点反映反射 波的幅度大小。高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒则为彩超，彩超可以观测到的图像 以红蓝两色为主。超声在人体探测中一般只用反射波，不易探测到骨、气体遮盖下的病变。 对于全是软组织的地方，反射波较弱，透射波强，若检测只是考虑反射波得不到好的成像效 果。
[0004] 而对于人体的检测，根据检测的信号不同，在临床医学上目前的检测方法除了超 声还有X射线、检测电磁波的核磁共振和检测Y射线的正电子断层成像方法。由于X射 线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，那么通 过人体后的X射线的量就不一样，这样便携带了人体各部分密度分布的信息，在荧光屏上 或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶 片上（经过显影、定影）将显示出不同密度的阴影，通过这样来进行X射线成像，由于X射 线的频率高，所以可以进行高精度检测，但是对软组织的分辨率太低，且X射线在穿透人体 时，会引起人体生物大分子及水分子的电离和激发反应，产生有害效应，无任何防护的照射 会对人体造成射线损伤。核磁共振成像依据物质所释放的能量在物质内部不同结构环境中 不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的 位置和种类，据此可以绘制出物体内部的结构图像。其对软组织有极好的分辨力，但该方 法扫描时间长，成像速度慢，空间分辨力不够理想，且由于强磁场的存在，对含有磁金属的 特殊生物体不适用，而且产生的强静磁场、射频场的热效应和噪声等对人体有潜在的危害。 正电子断层成像属于核医学成像，它是以放射性核素的示踪作用为基本原理的医学成像技 术。该方法将生物生命代谢中必须的物质，如：葡萄糖、蛋白质等标记上短寿命的放射性核 素（如F18,碳11等）注入人体后，通过检测该物质在代谢中的聚集所产生的Y射线，来反 映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。该方法使用的放射性核素对人体有害而且 由于产生放射性核素的药物成本高和检测y射线的仪器成本高，使得检测价格极其昂贵。
[0005] 上述的X射线、y射线、超声波可以结合CT(ComputedTomography)，即电子计算 机断层扫描技术，演变为X射线CT(X-CT)、Y射线CT(Y-CT)以及超声CT(UCT)。它们分 别发射X射线、Y射线、超声波，利用灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个 接一个的断面扫描以达成全局扫描。此类方法虽然能全局扫描，但是CT只能显示与身体长 轴相垂直的横断层像。基于CT的检测一般都是基于透射模型的，即是检测X射线、Y射线 或超声波穿过生物组织的衰减系数或者吸收系数。对生物体探测选用的超声的频率远远低 于X射线、Y射线，故穿透性差，在界面上反射衍射明显导致传播路径复杂，所以单纯依靠 衰减参数来检测效果不好，其性能远低于X射线CT(X-CT)、Y射线CT(Y-CT)。而且目前的 CT设备很庞大，对电源、温度、湿度、无尘净化等工作环境有较高的要求，所以很难拓展到非 医疗的环境中使用。
[0006] 纵观现在对生物体的探测与成像的技术特点，存在以下缺点和不足：
[0007] (1)基于单一的反射和透射模型。反射和透射模型各有优劣，从接收波的强度来 看，反射模型适合比较硬的生物体组织而不适合软组织，因为硬的生物体组织反射波强，透 射波弱；透射模型适合比较软的生物体组织而不适合硬的生物体组织，因为穿过软组织的 透射波强，反射波弱。而目前超声探测技术大多基于反射模型，不易探测到骨、气体遮盖下 的病变。X射线CT(X-CT)单纯基于透射模型，对软组织的分辨能力低。
[0008] (2)基于单一的参数检测。目前的探测技术缺乏用系统的观点对整个探测区域 进行描述，而只是用单一的参数来检测。X射线CT(X-CT)、Y射线CT(Y-CT)以及超声 CT(UCT)是检测X射线、Y射线或超声波穿过生物组织的衰减系数或者吸收系数，当这单一 的参数检测算法鲁棒性不好时容易误检，
[0009] (3)很多探测对探测物有害，特别是对人体有害。如X射线对人体有电离辐射，核 磁共振产生的强磁场和正电子断层成像注入人体的放射性核素均对人体有害。这些检测都 不能长时和经常检测，达不到经常进行体检的目的。
[0010] (4)检测设备昂贵。X射线、核磁共振和正电子断层成像这类方法的设备都极其昂 贵，每检查一次都需要花费几百到上千元，故不能成为常规的体检项目。
[0011] (5)探测装置复杂且庞大，受环境影响大。目前的CT设备很庞大，对电源、温度、湿 度、无尘净化等工作环境有较高的要求，所以很难拓展到非医疗的环境中使用。
【发明内容】
[0012] 针对目前探测成像方式基于单一的反射和透射模型、单一参数的估计以及超声探 测对人体无害的优势，本发明提出一种基于多模三维超声探测与成像装置及方法，该装置 综合利用反射模型和透射模型的优势，通过发射探头阵列发射超声波，反射接收探头阵列 接收反射波，透射接收探头阵列接收透射波，借助在对称的双螺旋轨道上滑动，对整个探测 空间进行螺旋形的立体扫描。扫描的探测数据无线发送到后台经过处理，根据信息系统理 论，反演出反射超声波所经过的路径（即反射信道）和透射超声波所经过的路径（即透射 信道），进而对透射信道和反射信道的特征分布进行探测空间的三维成像。本发明通过如下 技术方案实现：
[0013] 基于多模三维超声探测与成像装置包括箱体，发射和反射接收螺旋轨道，透射接 收螺旋轨道，发射和反射接收端，透射接收端和后台处理系统。探测时，探测物放置在箱体 中间，被发射和反射接收螺旋轨道、透射接收螺旋轨道所包围。发射和反射接收端在发射和 反射接收螺旋轨道上来回滑动，透射接收端在透射接收螺旋轨道上来回滑动，以此来进行 整个探测区域的扫描。
[0014] 作为上述基于多模三维超声探测与成像装置的优化方案，所述箱体是整个探测区 域，为了有利于探测信号的传播和耦合液体的经济适用，箱体中可以采用盛水来达到此目 的，箱体中有出入水的接口阀门。未工作时，发射和反射接收端在发射和反射接收螺旋轨道 上的顶端，透射接收端在透射接收螺旋轨道上的顶端，以免浸泡于箱体的耦合液中。箱体一 般为圆柱体，也可为其它柱体。
[0015] 作为上述基于多模三维超声探测与成像装置的优化方案，所述发射和反射接收螺 旋轨道是螺旋形的，其顶端为直线形，稍高于箱体，便于发射和反射接收端未工作时不浸泡 于耦合液中。该轨道需卡住发射和反射接收端，在牵引力作用下使其能匀速运动。
[0016] 作为上述基于多模三维超声探测与成像装置的优化方案，所述透射接收螺旋轨道 是螺旋形的，与发射和反射接收螺旋轨