CN102590814A

CN102590814A - 一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置及方法

Info

Publication number: CN102590814A
Application number: CN2012100530102A
Authority: CN
Inventors: 韦岗; 余业林; 曹燕
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: WO2013127094A1; CN102590814B

Abstract

本发明提供了一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置及方法，所述装置包括内嵌反射颗粒的超声波耦合垫和由若干高频定位超声波换能器构成的附加探头组，内嵌反射颗粒的超声波耦合垫包括超声波耦合垫片基和内嵌在超声波耦合垫片基中的反射颗粒。所述检测方法利用附加探头组向超声波耦合垫发射高频定位超声波，并接收由超声波耦合垫内已知精确空间位置的反射颗粒反射的回波，根据高频定位超声波的往返传播时间计算出附加探头组的空间位置，进而确定超声波探头的空间位置，再结合超声波探头的倾斜角确定超声波探头的三维姿态。本发明结构简单、抗干扰性强、定位精确、算法简单，容易和现有超声波探测设备相配套，具有很强通用性。

Description

一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及超声波探测技术，具体涉及一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置及其方法。

背景技术

近20年来，随着科技的进步，特别是计算机技术和数字信号处理技术的发展，医学超声波成像技术在探头开发、信号处理以及临床应用软件等方面都有长足发展，使得超声波成像质量大幅提高，应用范围也越来越广。超声波有较强的穿透力，且具有对被探测组织无损伤、无辐射等优点，因此在医疗、工业、能源、考古等方面有着广泛的应用，特别是在医疗领域，对胎儿、人体软组织、乳腺肿瘤、颅内肿瘤等方面的临床诊断有着无法替代的地位。

虽然超声波成像技术在应用中有了长足发展，但其成像质量不高，图像的融合、三维重建与可视化难度大。目前，超声波成像的三维数据采集方法主要有以下两大类：第一类方法是借助机械、电磁以及其它装置，在获取探测数据的同时记录超声波探头的三维运动姿态，从而获得一系列相对空间位置已知的二维图像切片，并由此合成三维图像；第二类方法是采用二维面阵探头，运用电子控制的方式实现超声波波束在空间的聚焦，直接采集三维数据。所述第一类方法又可分为非自由臂式和自由臂式这两种形式，其中非自由臂式又称为容积探头式，其实现方法是设计一套机械装置驱动探头以预定的轨迹运动，探头在运动的同时采集图像数据，探头运动方式可以是平移、旋转或摆动等。如美国的GE公司和Kretz公司共同开发的Voluson 730系统，该系统采用的是线性扫描固定轨迹采样技术,在一个特制的矢量面阵探头内安装有微型机械装置,通过该机械装置驱动超声波探头在两个相互垂直方向上进行扇形摆动扫描。另外，德国的TomTec公司开发的Rotation系统则采用旋转扫描固定轨迹采样技术,该系统将超声波探头固定在一个配有步进马达的机械臂上,由机械臂驱动超声波探头进行等角度旋转扫描。基于自由臂式方法则是在探头上加装一个能感应探头空间位置以及三维姿态的传感器，使得操作者能够自由移动探头来采集图像数据，传感器有机械、声学和电磁等多种形式,如德国的Tomtec公司开发的Echo-Scan系统采用的是电磁定位传感技术，该系统能够记录超声波探头的空间位置和三维姿态共六个自由度参数。不管是非自由臂式还是自由臂式探头，在实验研究和临床应用中都存在以下问题：一是仪器设备复杂,包括二维超声成像和三维重建两套系统；二是通用性不强，某一种设备只能对某一特定的部位进行检查；三是设备易受干扰，对使用环境要求高。所述第二类方法则是基于惠更斯原理，利用相控阵的方法控制二维面阵探头发射具有空间指向性的合成超声波波束，对目标进行立体扫描而实现三维空间图像数据采集，构成金字塔形的三维图像。其代表产品是日本的ALOKA公司开发的SSD-ALPHA系统。此类设备的优点是避免了使用一套累赘的探头定位机构，操作方便，能快速稳定地采集数据，且成像速度快，特别适用与对心脏等动态器官的检查。但是，随之而来的问题是通道数激增，假设探头由64×64的方形阵元构成，通道数就达到了4096个，超声波束的快速发射和接收存在着复杂的传感器及信号处理，不仅技术复杂而其价格昂贵。另外，此类系统还存在图像视野小、空间分辨率有限等关键性问题尚未解决。

总结现有的通过记录超声波探头空间位置和三维姿态来获取图像数据的方法，主要存在以下问题：

（1）就非自由臂式的容积探头而言，机械结构复杂、设备笨重；各类探头不易配接，通用性差；设备依赖操作者的经验和专业水平，不方便普及和推广。

（2）就自由臂式探头而言，首先需要一套复杂的探头传感和定位机构，设备庞大；系统易受外界声学、电磁或其它方面的干扰而影响成像质量，致使其对使用环境要求高。

（3）无论是自由臂式还是非自由臂式系统都需要二维成像和探头位置及三维姿态检测这两套复杂的系统同时工作，才能实现三维数据采集，技术难度大、设备复杂。

发明内容

本发明目的在于克服现有检测和记录超声波探头三维运动姿态和空间位置的方法和技术存在的诸多不足，提出一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置及其方法。

所述装置包括内嵌反射颗粒的超声波耦合垫和由若干高频定位超声波换能器构成的附加探头组，所述内嵌反射颗粒的超声波耦合垫包括超声波耦合垫片基和内嵌在超声波耦合垫片基中的反射颗粒，所述高频定位超声波换能器为发射频率高于所述超声波探头的超声波换能器。检测时将附加探头组加装在超声波探头上，附加探头组向内嵌反射颗粒的超声波耦合垫发射高频定位超声波，通过接收该高频定位超声波经超声波耦合垫内已知精确空间位置的反射颗粒反射回来的回波信息，计算出附加探头组的空间位置，进而利用附加探头组和超声波探头的固有位置关系，确定超声波探头的空间位置，再结合超声波探头相对超声波耦合垫的倾斜角确定超声波探头的三维姿态，实现为不同时刻得到的超声波图像建立一个外部的、共同的坐标系，从而达到超声波三维图像数据采集的目的。

作为上述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置中，所述超声波耦合垫片基采用分层设计，包括两层以上，工作时与超声波探头接触的一层为最外层，与超声波探头所要探测的部位或组织接触一层为最内层，在超声波耦合垫片基相邻层之间一个以上的区域内嵌有反射颗粒，所有内嵌有反射颗粒的区域在超声波耦合垫片基外层平面的投影刚好铺满该外层平面，且所有内嵌有反射颗粒的区域在该外层平面的投影不重叠；在所有所述相邻层之间的所述区域均涂有薄膜材料层，且各个区域的薄膜材料声阻抗特性不同；在超声波耦合垫片基相邻层之间同一区域内不同位置的反射颗粒采用不同声阻抗特性的材料；超声波在反射颗粒和所述最外层之间传播的声速一致。

作为上述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置的优化方案，所述反射颗粒在超声波耦合垫片基相邻层之间采用阵列布置。

作为上述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置的优化方案，所述阵列为点阵、线阵、点线相结合的阵列。

作为上述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置的优化方案，所述最外层材料比最内层材料硬。工作时与超声波探头接触的一层为最外层，其质地较硬，用途是保证超声波耦合垫内的反射颗粒与超声波耦合垫表面的距离保持不变；与超声波探头所要探测的部位或组织接触一层为最内层，最内层与超声波探头所要探测的部位或组织接触，其质地较软，使其能够按照被探测部位的表面形状进行弯曲，保证超声波耦合垫与被探测部位之间良好的耦合。

作为上述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置的优化方案，超声波耦合垫片基采用两层设计，反射颗粒布置在与超声波耦合垫片基外层表面平行的同一平面内。

作为上述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置的优化方案，当超声波探头为普通线阵探头或凸阵探头时，所述高频定位超声波换能器的个数为2个以上，当超声波探头为面阵探头时，所述高频定位超声波换能器的个数为3个以上。

上述装置中，在超声波耦合垫片基相邻层之间同一区域内不同位置的反射颗粒选择不同声阻抗特性的材料，因此附加探头组在接收到由反射颗粒反射回来的超声波回波后，能够依据这些回波信息判断出相应反射颗粒的声阻抗，进而确定各束回波是由哪个具体的反射颗粒反射回来的，从而将这些回波与相应反射颗粒一一对应起来。同时，反射颗粒的尺寸应该尽量减小，确保其不对超声波探头发射的超声波造成影响，进而影响最终成像质量。在超声波耦合垫片基外层布置反射颗粒阵列时，要确保所有的反射颗粒与超声波耦合垫片基外层表面的距离是已知的确定值，通常反射颗粒布置在与超声波耦合垫片基外层表面平行的同一平面内。

本发明还提供了上述检测装置的检测方法，具体是：使超声波耦合垫的最外层与超声波探头接触，最内层与超声波探头所要探测的部位或组织接触；将附加探头组加装在超声波探头上，且高频定位超声波换能器与超声波耦合垫最外层接触，附加探头组向超声波耦合垫发射高频定位超声波，并接收由超声波耦合垫内已知精确空间位置的反射颗粒反射的回波，根据高频定位超声波的往返传播时间计算出附加探头组的空间位置，进而利用附加探头组和超声波探头的固有位置关系，确定超声波探头的空间位置，再结合超声波探头相对超声波耦合垫的倾斜角确定超声波探头的三维姿态。

上述检测方法的优选技术方案，具体包括如下步骤：

步骤一，确定附加探头组内的各个高频定位超声波换能器的空间坐标，任一个高频定位超声波换能器的检测均包括以下步骤：

（1）高频定位超声波换能器向超声波耦合垫发射用于区域判断的高频定位超声波波束；该波束被超声波耦合垫内的一种薄膜材料反射回来，依据反射的回波判断该高频定位超声波换能器在超声波耦合垫上的区域，该区域即为该薄膜材料在超声波耦合垫最外层表面的投影；

（2）步骤（1）所述高频定位超声波换能器向超声波耦合垫发射用于判断区域内高频定位超声波换能器精确位置的高频定位超声波；该高频定位超声波被步骤（1）所述薄膜材料所在区域内的反射颗粒反射回来，并在不同时刻被高频定位超声波换能器接收，根据不同反射颗粒反射回来的不同回波信息判断出相应反射颗粒的声阻抗，进而确定各束回波是由哪个具体的反射颗粒反射回来的，从而将这些回波与相应反射颗粒一一对应起来；

（3）依据高频定位超声波换能器发射和接收用于精确位置判断的高频定位超声波信号的时间差以及高频定位超声波在超声波耦合垫内的传播速度，求得该高频定位超声波换能器与各个已知空间位置的反射颗粒之间的距离，利用三球交汇的方法求出该高频定位超声波换能器的空间坐标；

步骤二、根据得到各个高频定位超声波换能器的空间坐标，确定附加探头组的空间坐标，然后再利用附加探头组和超声波探头的固有位置关系，确定超声波探头的空间位置；

步骤三、当超声波探头发射的超声波波阵面经过超声波耦合垫内的某一反射颗粒时，部分被反射颗粒超声波被反射回去，根据反射颗粒反射回来的回波信息判断出该反射颗粒的声阻抗，进而确定该束回波是由哪个具体的反射颗粒反射回来的；然后根据该反射颗粒已知的空间位置信息和超声波探头的空间位置，计算出超声波探头相对超声波耦合垫的倾斜角，进而求得超声波探头的三维姿态。

上述的检测方法中，步骤（1）中依据反射的回波的衰减计算该种薄膜材料的声阻抗，进而确定各束回波是由哪个区域的薄膜材料反射回来的，进而确定该高频定位超声波换能器在超声波耦合垫上的区域。

本发明的成果除了运用在医疗上的超声波检测外，还适用于机械、管道、船舶和考古等领域。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

（1）采用附加探头组与超声波耦合垫相结合的方式，定位精确、算法简单，能够快速准确地检测出超声波探头的空间位置和三维运动姿态。

（2）在现有超声成像设备基础上加上超声波耦合垫，由于增加了先验的探测区域的位置坐标，所以可以为多幅超声波图像实现精确的配准、融合和三维重建，从而极大地扩展图像视野。

（3）只是在超声波探头上加装一组简单的附加探头组，容易和现有超声波探测设备相配套，通用性强。

（4）不受声场、磁场等干扰，对检测的环境没有额外的要求。

（5）结构简单灵活，开发成本低，易于普及和推广。

附图说明

图1是本发明所述内嵌反射颗粒的超声波耦合垫及附加探头组工作示意图。

图2是本发明所述内嵌反射颗粒的超声波耦合垫剖面结构示意图。

图3a是呈同心圆布置的点反射颗粒阵列和不同薄膜材料区域的布置图。

图3b是呈正交布置的线状反射颗粒阵列和不同薄膜材料区域的布置图。

图3c是呈交错布置的点线结构反射颗粒阵列和不同薄膜材料区域的布置图。

图4是超声波耦合垫与附加探头组确定超声波探头的空间位置和三维运动姿态检测流程图。

图5是由内嵌的反射颗粒确定探头位置坐标的示意图。

图6是由内嵌的反射点线阵确定探头角度的示意图。

图7a是实施探测时时间差产生的示意图。

图7b是设置时间窗的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但以下仅为实例，本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1所示，是内嵌反射颗粒的超声波耦合垫及附加探头组工作示意图。超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，包括内嵌反射颗粒的超声波耦合垫和由若干高频定位超声波换能器构成的附加探头组，工作时将超声波耦合垫覆盖在超声波探头所要探测的部位或组织表面。在该实施例中，被探测组织101的表面和超声波耦合垫102均为平面结构，内嵌的反射颗粒103由采用阵列布置的反射点构成。该超声波耦合垫的上表面即是外层表面，同时也是超声波探头接触面，工作时与超声波探头接触，下表面即是内层表面，同时也是组织接触面，工作时与被探测组织表面接触。附加探头组104固定在超声波探头105的两侧，安装时要确保附加探头组发射的高频定位超声波波束与超声波探头发射的超声波波束保持方向上的一致，确保能够精确求解超声波探头的三维运动姿态。

如图2所示，是所述超声波耦合垫一个实施例的剖面结构示意图。该超声波耦合垫由超声波耦合垫的片基和内嵌的点状反射颗粒201和线状反射颗粒202构成。超声波耦合垫的片基采用分层设计，其中外层203为质地较硬，内部的反射点线阵与超声波耦合垫表面的距离保持不变。内层204质地较软，保证耦合片与被探测组织之间良好的耦合，该层相对较厚。耦合片片基的外层和内层均选用透声树脂材料，以保证能够按照被探测组织的表面形状进行弯曲，同时保证超声波在其内部传播声速的均匀性和一致性。不同声阻抗特性的薄膜材料205均涂装在反射颗粒所在平面，这样有利于高频定位超声波换能器对不同反射颗粒的识别。

各区域涂装不同薄膜材料的超声波耦合垫和反射颗粒如图3a、图3b、图3c所示，其中，不同的薄膜材料区域已经用不同的背景标示出来，而反射颗粒的图案可以是点阵（图3a）、线阵(图3b)以及点线结合（图3c）的布置形式，使用时根据具体探测环境灵活选择，对于不同类型及频率的超声波设备，以不影响成像质量和易于标定探头为选择依据。

如图4所示，是本发明提出的利用内嵌反射颗粒的超声波耦合垫与附加探头组确定超声波探头的空间位置和三维运动姿态，进而实现超声波三维图像数据采集的系统框图。具体包括以下步骤。

（1）附加探头组内的某个高频定位超声波换能器向超声波耦合垫发射用于区域判断的高频定位超声波波束。同时超声波探头透过超声波耦合垫向被探测组织发射超声波并获取被探测组织的二维切片图像数据。工作时，通过对高频定位超声波换能器频率和功率的控制，使其发射的超声波在超声波耦合垫内具有极大的衰减而无法到达被探测组织，从而避免和超声波探头之间的相互干扰。

（2）用于区域判断的高频定位超声波被超声波耦合垫外层和内层之间具有不同声阻抗特性的薄膜材料反射回来，依据反射回来的超声波信息，与已建立的薄膜材料与衰减系数之间的映射关系相参照，判断该高频定位超声波换能器所在区域。

根据超声波在不同介质中传播的斯涅耳定律，采用声压反射系数法可以计算高频定位超声波在不同薄膜材料中的衰减程度，从而建立所选薄膜材料与衰减系数之间的映射关系。通过接收的反射回波，测量高频定位超声波换能器发射的高频定位超声波在不同薄膜材料中的衰减，对照所述映射关系，确定该高频定位超声波换能器发射的高频定位超声波所照射的薄膜材料，进而根据被照射的薄膜材料所在区域确定该高频定位超声波换能器组所在区域。

（3）在确定该高频定位超声波换能器所在超声波耦合垫上的区域之后，该高频定位超声波换能器向超声波耦合垫发射用于区域内精确位置判断的高频定位超声波。用于精确位置判断的高频定位超声波被该区域内的反射颗粒反射回来，并在不同时刻被高频定位超声波换能器接收。根据不同反射颗粒反射回来的不同回波信息判断出相应反射颗粒的声阻抗，进而确定各束回波是由哪个具体的反射颗粒反射回来的，从而将这些回波与相应反射颗粒一一对应起来。

依据高频定位超声波换能器发射和接收用于精确位置判断的高频定位超声波信号的时间差以及高频定位超声波在超声波耦合垫内的传播速度，就可以求得该高频定位超声波换能器与各个已知空间位置反射颗粒之间的距离。利用三球交汇的方法就可以求出该高频换能器的空间坐标。

同理经以上步骤可以求得其它高频换能器的空间坐标，从而得到构成附加探头组的所有高频定位超声波换能器的空间坐标，进而确定附加探头组的空间坐标。然后再利用附加探头组和超声波探头的固有位置关系，就将超声波探头的空间位置唯一确定下来了。

（4）当超声波探头发射的超声波波阵面经过某一反射颗粒时，部分超声波被反射回去，利用该反射颗粒的回波信息，先确定是由哪个具体的反射颗粒反射回来的，然后根据其已知的空间位置信息和超声波探头的空间位置，就可以计算出超声波探头相对超声波耦合垫的倾斜角，进而就可以求得超声波探头的三维姿态信息。

本实施例中利用不同区域涂装的薄膜材料的反射回波判断高频定位超声波换能器的区域和利用反射颗粒的反射回波确定高频定位超声波换能器的精确位置，以及利用反射颗粒的反射回波确定超声波探头相对超声波耦合垫的倾斜角这三个步骤所实现的原理和采用的计算方法相类似，都是利用不同材料具有不同的声阻抗，从而由不同的衰减程度来确定薄膜材料类型和反射颗粒材料类型。同时，这三个步骤所涉及到的发射的超声波频率有所不同。其中，确定高频换能器的精确位置使用的超声波频率最高，确定高频定位超声波换能器的区域使用的超声波频率次之，确定超声波探头相对超声波耦合点的倾斜角使用的超声波频率最低。

（5）利用超声波探头获取的被探测组织的二维切片图像数据，结合超声波探头的空间位置及三维姿态信息，就可以实现对被探测组织的三维图像数据采集。

如图5所示，是通过超声波耦合垫内的发射颗粒确定探头位置坐标的一个实例示意图。在本实施例中以普通线阵探头为例，点P和Q表示线阵探头的两端的两个高频定位超声波换能器。反射点线阵采用点阵列的布置形式， d为超声波耦合垫外层的厚度，M ₀ 、M ₁、M ₂、……M _n为位置已知的反射颗粒。在这里假定M ₀为坐标原点，以线阵探头两个端点P和Q连接线的平行线方向为x轴，以超声波耦合片硬质层垂直方向为y轴，建立直角坐标系。

位于点P的高频定位超声波换能器发出的超声波经反射点M ₀、M ₁、M ₂、……M _n反射的回波被本高频定位超声波换能器接收，可记录下来波束往返的时间分别为t ₀、t ₁、t ₂、……t _n。假定超声波在超声波耦合垫外层传播的速度为v,则可计算出点P到点M ₀的距离为: L ₀ =vt ₀ /2，因为超声波耦合垫外层的厚度d已知，所以利用勾股定理可以求得在外层表面与反射点处于同一垂直方向的点R ₀与点P的距离r ₀ =0.5(v ² r ₀ ² －4d ² ) ^1/2，所以点P的位置就在外层表面以点R ₀为圆心，以距离r ₀为半径的圆上。另外，P点同时处在分别以点R ₁、R ₂、……、R _n为圆心，以r ₁、r ₂、……、r _n为半径的圆上。所以只要当n>3时，就可以利用多圆交汇的方法，确定该高频定位超声波换能器所在点P的位置。同理可求得另一高频定位超声波换能器所在点Q的位置。这样整个线阵探头的空间位置就确定下来了。

如图6所示，是通过超声波耦合垫内的反射颗粒确定探头三维姿态的一个实施例示意图。在本实施例中探头和反射线点阵与图5中实施例一样，同为普通线阵探头，反射颗粒为点阵列布置形式。

以反射颗粒所在平面为基准面，以其中一个反射颗粒O为坐标原点建立空间直角坐标系。普通线阵探头与外层表面接触，两端的高频定位超声波换能器分别为点P和Q。点P和Q在面xOy的垂直投影分别为点P ₀和Q ₀。而点P和Q在面xOy上沿超声波发射方向（探测方向）的投影分别为点P _t和Q _t。设在某一时刻线阵探头沿超声波发射方向（探测方向）投影线经过某个反射颗粒M。在平面xOy内，通过反射点M作线段PQ的平行线，同时通过点P ₀和Q ₀分别作直线P ₀ Q ₀的垂线，则这条经过点M与线段PQ平行的直线和两条垂线相交形成的交点P _t和Q _t就是点P和Q沿超声波发射方向（探测方向）在面xOy上的投影点。根据图5，我们已经得到点P和Q的坐标，进而可根据点P和Q在面xOy的垂直投影P ₀和Q ₀的坐标得到直线P ₀ Q ₀的方程。则线段P _t P ₀长度为点M到直线P ₀ Q ₀的距离，可根据点到直线的距离公式求得其结果，设为其结果l，而线段P P ₀的长度为外层的厚度d，所以可求得∠P P _t P ₀的正切tanθ=d/l。所以，在确定探头两个端点P、Q的空间坐标和探头相对超声波耦合垫的倾角∠P P _t P ₀以后，线阵探头的空间位置和三维姿态就被唯一确定下来了。

而对于二维面阵探头，只要在超声波阵元所在平面布置三个高频定位超声波换能器，通过检测三个高频定位超声波换能器的空间位置，就可以同时确定二维面阵探头的空间位置和三维运动姿态。

如图7a、图7b所示，是消除反射颗粒701对被探测对象反射波接收影响的一个实施例示意图。如图7a所示，线段PQ为普通线阵探头702。该探头透过超声波耦合垫703向被探测组织704发射超声波波束。M _i和M _j为某个时刻超声波波束通过的两个反射颗粒。假设超声波在超声波耦合垫内的传播速度为v,则超声波波束从线阵探头PQ发出，经反射粒M _i和M _j反射再被探头接收的时间t _d =2d/v,从被探测对象组织内部反射回来的超声波波束时间t _l =2l/v。因为l>d，所以t _l >t _d，当设置一个时间长度为t _d的时间窗，过滤掉0~ t _d时间段内的反射波时，就会如图7b所示，完全消除反射粒反射的超声波信号，同时又能够完全保留被探测组织反射的超声波信号。

Claims

1.一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于包括内嵌反射颗粒的超声波耦合垫和由若干高频定位超声波换能器构成的附加探头组，所述内嵌反射颗粒的超声波耦合垫包括超声波耦合垫片基和内嵌在超声波耦合垫片基中的反射颗粒，所述高频定位超声波换能器为发射频率高于所述超声波探头的超声波换能器。

2.根据权利要求1所述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于所述超声波耦合垫片基采用分层设计，包括两层以上，工作时与超声波探头接触的一层为最外层，与超声波探头所要探测的部位或组织接触一层为最内层，在超声波耦合垫片基相邻层之间一个以上的区域内嵌有反射颗粒，所有内嵌有反射颗粒的区域在超声波耦合垫片基外层平面的投影刚好铺满该外层平面，且所有内嵌有反射颗粒的区域在该外层平面的投影不重叠；在所有所述相邻层之间的所述区域均涂有薄膜材料层，且各个区域的薄膜材料声阻抗特性不同；在超声波耦合垫片基相邻层之间同一区域内不同位置的反射颗粒采用不同声阻抗特性的材料；超声波在反射颗粒和所述最外层之间传播的声速一致。

3.根据权利要求2所述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于所述反射颗粒在超声波耦合垫片基相邻层之间采用阵列布置。

4.根据权利要求1所述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于所述阵列为点阵、线阵、点线相结合的阵列。

5.根据权利要求1所述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于所述最外层材料比最内层材料硬。

6.根据权利要求2所述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于超声波耦合垫片基采用两层设计，反射颗粒布置在与超声波耦合垫片基外层表面平行的同一平面内。

7.根据权利要求2所述的一种超声波探头空间位置和三维姿态的检测装置，其特征在于当超声波探头为普通线阵探头或凸阵探头时，所述高频定位超声波换能器的个数为2个以上，当超声波探头为面阵探头时，所述高频定位超声波换能器的个数为3个以上。

8.权利要求1~7任一项所述检测装置的检测方法，其特征在于使超声波耦合垫的最外层与超声波探头接触，最内层与超声波探头所要探测的部位或组织接触；将附加探头组加装在超声波探头上，且高频定位超声波换能器与超声波耦合垫最外层接触，附加探头组向超声波耦合垫发射高频定位超声波，并接收由超声波耦合垫内已知精确空间位置的反射颗粒反射的回波，根据高频定位超声波的往返传播时间计算出附加探头组的空间位置，进而利用附加探头组和超声波探头的固有位置关系，确定超声波探头的空间位置，再结合超声波探头相对超声波耦合垫的倾斜角确定超声波探头的三维姿态。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于步骤（1）中依据反射的回波的衰减计算该种薄膜材料的声阻抗，进而确定各束回波是由哪个区域的薄膜材料反射回来的，进而确定该高频定位超声波换能器在超声波耦合垫上的区域。