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超声超分辨率三维成像：基于全参数优化超构透镜与频域重建技术突破衍射极限

1. 研究团队与发表信息

本研究由Zong-Lin Li、Lai-Xin Huang、Qi-Li Sun等共同完成，主要作者来自中国科学院深圳先进技术研究院、华中科技大学物理学院和香港中文大学电子工程系。研究成果发表于Advanced Materials期刊，2025年在线发表，论文标题为《3D Acoustic Imaging Hitting the Diffraction Limit via Fully Parameter-Optimized Meta-Lens and Frequency-Domain Reconstruction》。

2. 学术背景

科学领域：本研究属于声学超构材料（acoustic metamaterials）与医学超声成像的交叉领域。
研究动机：传统超声成像受限于衍射极限（diffraction limit），横向分辨率难以突破半波长（λ/2），而超构透镜（meta-lens）虽能提升横向分辨率，却因频谱滤波效应导致纵向分辨率下降，阻碍了三维高分辨率成像的实现。
目标：设计一种全参数优化的超构透镜，结合频域重建技术，同时突破横向与纵向衍射极限，实现三维超分辨率超声成像。

3. 研究流程与方法

流程分为四个核心步骤：

（1）超构透镜设计与优化
- 方法：采用二元遗传算法（binary genetic algorithm）优化超构透镜结构参数，通过Rayleigh-Sommerfeld衍射积分模型计算声场分布（公式1-3），目标为在远场（>20λ₀）实现横向分辨率<0.5λ₀/NA（NA为数值孔径）。
- 创新点：首次将遗传算法用于超构透镜的全参数优化，预设中心通孔结构以增强回波信号穿透效率。
- 实验验证：通过紫外飞秒激光加工（UV femtosecond laser processing）制备厚度仅50 μm的钨基超构透镜（图2d），其最小线宽达50 μm。

（2）声场聚焦与非线性谐波成像
- 实验设置：使用商用压电换能器（Olympus V311-SU，带宽3.9–15.01 MHz）发射脉冲，通过针状水听器（PA-NH0040，直径40 μm）以5 μm步长扫描声场。
- 非线性效应：利用水中超声传播的非线性效应，生成二次谐波（second-harmonic wave，13.8 MHz），进一步缩小焦点尺寸。
- 结果：基频（6.9 MHz）横向分辨率达80 μm（0.37λ₀），谐波（13.8 MHz）提升至44 μm（0.2λ₀）（图3c-d）。

（3）频域重建技术开发
- 原理：超构透镜的色散特性使不同频率声波沿轴向聚焦于不同位置（公式5），通过提取回波信号的频率成分，重建深度信息（图1c）。
- 数据处理：采集320×320×1024维度的三维数据，利用ImageJ软件进行频域分析与三维渲染。

（4）三维成像验证
- 样本：铜丝（直径80 μm）与石墨棒（直径200 μm）组成的多深度目标（图5a）。
- 结果：频域重建后，基频纵向分辨率达296 μm（1.36λ₀），谐波提升至148 μm（0.68λ₀），成功分离间距150 μm的物体（图5e-h）。

4. 主要结果

• 横向分辨率突破：基频与谐波焦点尺寸分别为80 μm和44 μm，显著优于传统Fresnel透镜（195 μm和90 μm）（图4d）。
  
• 纵向分辨率恢复：通过频域重建，解决了超构透镜因滤波效应导致的脉冲展宽问题（图2b-c）。
  
• 生物成像应用：在鲭鱼尾组织成像中，谐波成像可清晰分辨鱼骨与软组织边界（图4g）。
  

5. 研究结论与价值

科学价值：
- 首次实现超声三维成像中横向与纵向分辨率同时突破衍射极限。
- 提出频域重建技术，为超构透镜在脉冲回波模式下的应用提供新范式。

应用价值：
- 医学诊断：可应用于肿瘤精准消融（precise tumor ablation）和细胞级生物传感（cell-level biosensing）。
- 工业检测：适用于高分辨率无损检测（non-destructive testing）和水下探测（underwater detection）。

6. 研究亮点

• 方法创新：全参数优化超构透镜设计结合遗传算法，解决了传统超构透镜纵向分辨率劣化的问题。
  
• 技术整合：首次将非线性谐波成像与频域重建技术结合，提升分辨率的同时兼容临床脉冲回波模式。
  
• 材料与加工：采用钨基超构透镜与紫外飞秒激光加工，实现结构稳定性与高精度。
  

7. 其他重要内容

• 安全性验证：机械指数（mechanical index, MI）在基频和谐波下分别为0.272和0.192，符合临床安全标准（<1.9）。
  
• 开源数据：研究数据可向通讯作者申请获取，支持后续研究复现与拓展。
  

此研究为声学超构材料在功能性超声成像中的广泛应用奠定了基础，标志着该领域从线性到非线性 regime 的重要跨越。