超聲斷層掃描（ultrasound computed tomography, USCT）是快速發展的安全、有效的高分辨率生物組織成像技術。USCT使用環形換能器陣列對目標物進行觀測，再根據記錄的透射、反射散射等觀測數據使用全波形反演算法重建目標物的聲參數。精準的參數圖像重建依賴準確的聲源模型知識。傳統的指向性測量利用水聽器對發射換能器進行掃場測量，對多陣元的大型陣列工作量較大且難以實現。
為此，中國科學院聲學研究所超聲學實驗室博士生武小晴與其導師林偉軍研究員、李玉冰副研究員等人提出了USCT陣列指向性自適應評估的新思路。他們首先利用全矩陣采集模式獲取環陣在無目標物時的數據，再將發射探頭用權重可變的虛擬陣列代替，計算此時的陣列接收數據。根據計算的接收數據和實際觀測數據之間的差值，利用梯度下降的局部優化算法更新虛擬陣列的權重，從而在正演仿真中實現和真實指向性一致的聲源的加載。在此基礎上，該研究團隊搭建了基于多通道電路和512陣元的環形陣列超聲斷層成像實驗平臺，對軟組織體模進行了實驗數據采集、聲源指向性評估和聲速參數圖像重建。相關成果在線發表于國際聲學期刊Ultrasonics。
圖1 超聲斷層掃描實驗裝置及軟組織體模（圖/中國科學院聲學研究所）
軟組織體模的聲速參數重建結果如圖2所示，體模內外邊緣清晰，尺寸和真實尺寸一致。一些已知特征也被成功重建，此外三點鐘方向內部孔洞周圍的一些破裂和小塊脫落也在成像結果中清晰可見。該研究基于實驗數據對軟組織體模進行定量成像，分辨率可達亞毫米級。
圖2 軟組織體模聲速重建結果（圖/中國科學院聲學研究所）
該研究得到中國科學院聲學研究所自主部署“目標導向”類項目(No.MBDX202113)的資助。
關鍵詞：
聲源指向性校正 超聲斷層掃描 定量成像
參考文獻：
Wu xiaoqing, Li Yubing, Su Chang, Li Panpan, Wang Xiangda, Lin Weijun, Ultrasound computed tomography based on full waveform inversion with source directivity calibration, Ultrasonics, 2023, 107004. DOI: 10.1016/j.ultras.2023.107004
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