基于全波形反演与声源指向性校准的超声计算机断层成像技术研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Yubing Li和Weijun Lin，第一作者为Xiaoqing Wu，合作作者包括Chang Su、Panpan Li和Xiangda Wang。研究团队来自中国科学院声学研究所（Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）以及广东乳源瑶族自治县东阳光工业发展有限公司（Ruyuan Yao Autonomous Dongyangguang Industrial Development Co. Ltd）。研究成果发表于2023年4月的《Ultrasonics》期刊（Volume 132, 107004）。

学术背景

本研究属于医学超声成像与计算声学交叉领域，聚焦超声计算机断层成像（Ultrasound Computed Tomography, UCT）技术的核心挑战。传统UCT系统在临床应用中面临两大瓶颈：
1. 全波形反演（Full Waveform Inversion, FWI）算法通常假设声源为全向点源（omnidirectional point source），而实际超声换能器具有显著指向性（directivity），导致仿真与实测数据失配；
2. 阵列校准依赖水听器（hydrophone）逐点测量，效率低下且难以集成到系统自检流程。

研究团队提出了一种基于虚拟点源阵列（weighted virtual point-source array）的指向性校准方法，通过解析格林函数（analytical Green’s function）加速计算，将校准时间从小时级缩短至分钟级，并显著提升了FWI成像质量。

研究方法与流程

1. 声源指向性建模与校准

核心创新：用加权虚拟点源阵列替代物理换能器，通过优化权重匹配实测波场。
- 数据采集：在无目标水浸实验中，使用512阵元环形阵列（直径22 cm）获取全矩阵捕获（full-matrix capture）数据；
- 正向建模：采用有限差分时域（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）求解声波方程，引入空间插值策略处理离网格（off-grid）虚拟源；
- 逆问题求解：构建目标函数最小化仿真与实测数据差异，通过伴随状态法（adjoint-state method）计算梯度，利用L-BFGS算法优化权重。

关键技术突破：
- 解析格林函数加速：在均匀介质中替换FDTD求解，使单换能器校准时间降至90秒（CPU单线程）；
- 双弧虚拟阵列设计：根据换能器物理形状（弧片状）布置内外两层虚拟源（共42个），权重分布反映压电晶片振动模式。

2. 全波形反演成像

流程优化：
- 初始模型：以纯水（声速1500 m/s）为背景；
- 并行计算：512核CPU实现发射级并行，40次迭代耗时1.8小时；
- 方向性整合：将校准后的虚拟阵列权重嵌入FDTD内核，精确模拟声场传播。

实验验证：
- 仿体（phantom）：水凝胶材料（声速1520±10 m/s），含直径4 mm孔洞与0.5 mm裂缝；
- 对比实验：传统点源假设 vs 虚拟阵列校准的FWI重建结果。

主要结果

1. 指向性校准验证

• 数值仿真：对偶极子（dipole）和四极子（quadrupole）声源，虚拟阵列权重优化后与理论指向性误差%（图6）；
  
• 实验验证：No.384换能器校准结果显示内外层权重符号相反，形成类偶极子辐射（图13c），与针式水听器测量结果吻合（图14b）。
  

2. 成像质量提升

• 伪影抑制：点源假设导致环形伪影（波长λ≈1.67 mm），虚拟阵列校准后伪影强度降低70%（图17）；
  
• 分辨率验证：成功重建0.5 mm宽裂缝（图18标签4）及内部微小破裂（标签A、B），声速误差从±15 m/s降至±5 m/s；
  
• 均匀性改善：仿体区域声速标准差由8.7 m/s（点源）降至3.2 m/s（虚拟阵列）。

结论与价值

科学意义

1. 理论创新：首次将虚拟源阵列与解析格林函数结合，实现UCT系统的高效自校准；
   
2. 方法普适性：适用于任意形状换能器，可扩展至3D-FDTD或有限元法（FEM）。
   

应用价值

1. 临床潜力：为乳腺、肢体等组织的定量多参数成像（声速、衰减、密度）提供亚毫米分辨率；
   
2. 工程贡献：校准流程可集成至设备启动自检，支持定期维护（如压电材料老化监测）。

研究亮点

1. 效率突破：相比水听器校准，速度提升两个数量级；
   
2. 算法-硬件协同：虚拟阵列设计与物理换能器几何匹配（如双弧布局）；
   
3. 开源潜力：作者声明数据可申请获取，利于方法复现。

未来方向

1. GPU加速：拟采用CUDA实现3D-FWI，目标实时成像；
   
2. 多物理场扩展：探索光声断层成像（optoacoustic tomography）中的方向性校准；
   
3. 接收端校准：下一步将研究接收换能器的虚拟阵列建模。
   

本研究为超声断层成像的临床转化提供了关键技术支持，相关算法已申请专利（资助号：MBDX202113）。