用于弹性成像的抗声学衍射自适应轮廓技术

​声学抗衍射自适应剖面技术（ADAPT）的声束整形机制。(A) 利用 ADAPT 生成的传播不变的声束示意图。通过加权贝塞尔声束叠加，可定义和实现任意轴向声束轮廓。(B) 声束整形程序示意图。任意轴向声波轮廓可扩展为具有相应权重的各种对齐贝塞尔波束的叠加。基于 ADAPT 的波束可通过波束复用生成。(C) 三个不同剖面的 ADAPT 波束的声场正交图。基于 ADAPT 技术的光束可以压缩、拉伸并分成不同的形状。a.u.，任意单位。资料来源：《科学进展》，doi; 10.1126/sciadv.adi6129

具有高自由度的声束整形对于超声成像、声学调节和刺激至关重要。相对于其传播路径，完全调节声压曲线的能力仍有待实现。

在《科学进展》（Science Advances）杂志发表的一篇新报告中，美国麻省总医院放射科科学家顾宇阳和团队介绍了一种抗声学衍射自适应剖面技术，它能产生具有所需剖面的传播不变波束。

为了实现这一目标，他们利用波数和声束多路复用技术开发了一个通用框架，并利用线性阵列超声换能器创建了一个高度灵活的声束。设计的声束通过补偿衰减，在材料中保持了声束轮廓。

科学家们显示，剪切波弹性成像是一种重要的模式，可从该方法中获益，以评估组织的机械特性。这项技术克服了声束整形的现有限制，适用于医学、生物学和材料科学等多种应用。

声束
塑造所需声束的兴趣在生物医学成像、传感和粒子操纵方面有着广泛的应用。这种声束方法的灵感来自于支配波传播的基础物理学，有利于包括生物学和生物医学工程学在内的多学科领域。

迄今为止，研究人员一直在研究一类称为传播不变或非衍射声束的声束。经典的传播不变波束包括贝塞尔波束、空气波束、马修波束和韦伯波束；每种波束都有其独特之处，可广泛应用于光学研究。

例如光学镊子、超分辨率成像和纳米级材料加工。贝塞尔声束适用于电信和声镊，空气声束可有效绕过波传播路径上的任何障碍。
 

生成声学抗衍射自适应剖面技术 (ADAPT)

在这项工作中，Gu 及其同事描述了一个生成不随传播变化的声波束的通用框架，称为声学抗衍射自适应剖面技术 (ADAPT)，以实现任意纵向压力分布。科学家们首先引入了叠加贝塞尔声束的基本概念，利用线性阵列换能器实现声束整形。

传统的聚焦光束只能在光束焦点深度提供有限的有效成像区域，而该方法产生的光束具有用户定义的感兴趣区域，可获得精度更高的扩展成像区域。

通过波束复用，利用单个多元件声换能器产生基于声学抗衍射自适应轮廓技术（ADAPT）的波束。(A) 线性阵列换能器的示意图，该换能器由多个具有可控压力和相位的元件组成。(B) 声换能器的叠加压力/峰化函数。(C) 声换能器的叠加相位和相应延迟函数。(D) 基于 ADAPT 的一个示例光束的声场，沿轴向中心线有局部压力分布。(E) 沿水平中线的模拟声压分布。(F) 沿轴向中心线的模拟声压分布。(G) ADAPT 能够通过声辐射力在弹性介质中产生剪切波。基于 ADAPT 的横梁长度不同，产生的剪切波波形也不同。资料来源：《科学进展》，doi; 10.1126/sciadv.adi6129

塑造传播不变的声束
塑造声束有两种成熟的方法。一种方法旨在通过结合预定义的单一焦点位置和声源信息来塑造经典的聚焦声束。另一种方法则是将已知的压力或相位分布函数（包括贝塞尔函数）直接映射到声源的每个像素上。这两种方法都适用于调节声束的纵向声学剖面。

本研究中引入的 ADAPT 方法（声学抗衍射自适应剖面技术）结合了这两种方法，将预定义的声波束分离成多个具有不同波数和系数的贝塞尔声波束。基于 ADAPT 技术的声束示意图包括一个随机的三段式高压区域，该区域被定义为 "孤立 "且传播不变的模式。

一组贝塞尔光束形成了最终光束，因此非衍射光束通过波干扰显著降低了所需高压区域外的压力。通过将光束分离成多个加权贝塞尔光束，Gu 和团队对每个像素或元素的振幅和相位分布进行了内插，从而将应用于声学换能器的最终振幅和相位相干相加。

研究小组展示了如何灵活拉伸、压缩或分割基于 ADAPT 的波束剖面，从而在不同的轴向位置产生声波波束。

基于衰减补偿的声学抗衍射自适应轮廓技术（ADAPT）光束。(A) 基于 ADAPT 技术的无衰减光束示意图。(B）示意图显示，在 ADAPT 计算过程中，可以分配一个复波数，其中包含衰减系数，以补偿衰减。(C) 在没有衰减和补偿的情况下模拟的声压。它表示在所需位置最初设计的波束剖面。(D) 包含衰减和补偿时的模拟声压。光束轮廓和位置都发生了扭曲。(E) 包含介质衰减和补偿时的模拟声压。衰减造成的声束变形最小。(F 至 H) 轴心线压力分布图，分别对应 (C) 至 (E) 中的三种情况。(I) 最初设计的基于 ADAPT 的横梁的模拟声强。(J) 实验产生的无补偿剪切波。声换能器位于 z = 0 处，中心与剪切波场中心对齐。(K) 补偿衰减后实验产生的剪切波。剪切波剖面与设计的基于 ADAPT 的波束剖面相吻合。a.u.，任意单位。来源：《科学进展》，doi; 10.1126/sciadv.adi6129

波束复用
研究小组发现，使用单个多元素声波同时产生所需的贝塞尔波束具有挑战性。与使用多个透镜和光掩膜组合产生的传播不变激光束不同，声波传播不变波的空间频率带宽较窄，空间调制能力有限。因此，Gu 和团队使用了一种多路复用方法来生成具有所需特征的基于 ADAPT 的光束。

在其作用机制中，科学家们利用换能器的总频谱带宽，将横向空间频率要求最高的声束与阵列元件尺寸相匹配，从而同时产生具有不同波数的多个声束。

频率、间距和元件尺寸等变量会影响横向和轴向波数，从而影响声束的空间带宽。频率越高，声束越窄，分辨率越高，但穿透深度有限；频率越低，声束越宽，穿透深度越高，但分辨率越低。Gu 及其同事调整了间距和元件尺寸以调节空间分辨率，从而实现了更广泛的声束生成可能性。

通过 ADAPT 生成自适应剪切波
当声波在材料内部传播时，会产生声辐射力。这种辐射力与声波在介质中传播的动量变化率成正比。

Gu 和团队展示了声束的脉冲激励如何诱发瞬态横向传播剪切波，剪切波的形状取决于声束的几何形状。这种剪切波的速度与介质的弹性特性成正比，因此研究人员可以利用 Verasonics 研究扫描仪在模拟组织的模型内进行实验。研究小组调节了特定的输入参数，包括光束中心位置和长度，以获得所需的线形轮廓。

线性阵列换能器上的纯相位声学抗衍射自适应剖面技术（ADAPT）及剪切波弹性成像应用示意图。(A) 基于纯相位 ADAPT 的波束赋形机制示意图。每个具有特定压力和相位的元素被分为两个具有相同压力和不同相位的子元素。(B) 仅相位 ADAPT 的元素划分示意图以及孔径各部分的相应声压。整个孔径被分成两部分，每部分都有交错的元件。孔径的每一部分都可以构成基于 ADAPT 的声束的一部分，然后将这一部分叠加形成最终的声束。(C) 通过纯相位调制模拟声场。插图：相位调制前后的渐变和延迟对比。渐晕信息被编码到锯齿分布的延迟函数中。(D) 应用纯相位 ADAPT 进行剪切波弹性成像的实验配置示意图。模型中嵌入了一个包体。改变模型与换能器之间的距离可显示不同深度的夹杂物。当模型和换能器之间的距离太短时，会使用水坝。(E) 比较聚焦光束和基于 ADAPT 的光束的包裹体划分性能。每种光束都有两种不同的光束深度，分别为 15 毫米和 20 毫米。比例尺为 2 毫米。(F) 使用聚焦光束和基于 ADAPT 的光束计算并比较了包涵体内部的对比噪声比 (CNR) 和平均剪切波速度 (SWS)。与聚焦光束相比，基于 ADAPT 的光束所产生的 CNR 和剪切波速度估计值的准确性高出两倍。a.u.，任意单位。来源：《科学进展》，doi; 10.1126/sciadv.adi6129

 

展望

顾宇阳及其同事介绍了一种称为声学抗衍射自适应剖面技术（ADAPT）的方法，通过这种方法可以产生传播不变的声波束。这种声束可通过贝塞尔声束复用技术用单个线性阵列换能器产生。

这种方法提供了调节纵向声波能量的高自由度，并可在各种应用中优化该方法。基于 ADAPT 的声束的非衍射特性允许材料中的声衰减和衍射，使声束在传播过程中有效地保持所需的轮廓。

Gu 及其同事建议引入各种附加功能，以增加其应用范围，包括适用于医学成像、声纳和声镊的剪切波弹性。

参考资料

Yuyang Gu et al, Acoustic diffraction–resistant adaptive profile technology (ADAPT) for elasticity imaging, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi6129

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