深穿透+宽视场+超低功耗，实时3D超声成像开启便携诊断新时代
2026-02-07 21:10:04   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

与X射线、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）相比，超声检查作为一种更安全、成本更低的成像方式被广泛应用。然而，对于可附着/可穿戴形式的贴片式超声设备，尽管已有研究提出了制造适形阵列的方法，探索了新型声学耦合材料，并展示了超声作为X射线乳腺摄影诊断替代方案的潜力，但超声换能器错位问题仍然是一项根本性的挑战。直接的解决方案是广角体积成像，然而现有的3D视频成像架构存在关键的权衡问题，获取此类图像需要过多的O(N²)通道数量、庞大的电子设备以及较高的功耗。

因此，要实现便携式实时3D超声成像以提高其普及性，必须解决三个关键挑战。首先，需要一种稀疏阵列结构，能够在使用最少通道数的同时提供高图像分辨率和宽视场（FOV）。其次，需要一种电子和信号处理方法，以补偿此类阵列的低信噪比（SNR），同时使用低电压并降低功耗。第三，需要一种频率压缩技术，以进一步降低数据采集和处理负担。

据麦姆斯咨询介绍，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员提出了一种全新的端到端4D超声架构，其中包括一个带有分立发射（TX）和接收（RX）子阵列的盒形阵列，该阵列与电子模拟前端协同开发而成。该前端采用连续波发射和低频接收电路，在大幅提高信噪比的同时，功耗低于标准超声成像系统。研究人员采用线性调频激励来压缩频率信息，降低模数转换器（ADC）和数据传输的需求，从而实现向图形处理器（GPU）的低延迟实时数据传输，以进行实时图像重建。相关研究成果已经以“Real-Time 3D Ultrasound Imaging with an Ultra-Sparse, Low Power Architecture”为题发表于近期的Advanced Healthcare Materials期刊。

卷积最优分布阵列（CODA）设计

为了满足高稀疏阵列在深度和宽视场成像方面的需求，研究人员开发了一种盒形阵列，其发射和接收子阵列分立且正交。这些发射和接收子阵列的卷积定义了一个有效的声学孔径，即“虚拟阵列”，其大小和分布决定了成像分辨率。该CODA的声学孔径没有重复采样，也没有间隙，意味着它能以最小的伪影获得最清晰的远场图像分辨率。小型元件具有宽角度灵敏度，能够对超出阵列覆盖范围的区域进行成像。因此，该CODA仅需O(4N)个元件，就能实现与O(N²)个元件的全矩阵阵列相同的宽视场成像和远场分辨率。

图1 实时3D超声成像系统架构：（a）CODA设计的概念图，包含专用发射和接收元件以及相应的均匀采样“虚拟阵列”。（b）实际的CODA，具有64个发射和64个接收元件，安装在载体PCB上。（c）CODA的放大视图，显示元件几何结构和引线键合。（d）CODA的侧视示意图，显示三个匹配层、实心底部接地电极、经过机械加工的压电陶瓷和顶部电极。（e）cDAQ的框图，显示发射驱动器（红色）和接收低噪声放大器（蓝色），通过微型同轴电缆连接到主板（绿色）。主板包含对接收信号执行下变频、滤波、放大和采样的模块。（f）cDAQ系统照片，包括通过微型同轴电缆连接到主板的探头。（g）探头分解图。（h）通过CODA和cDAQ系统获取的锥形弹簧的照片及相应的体积超声图像。

本研究制作的CODA包含128个阵元，其孔径尺寸与1024阵元的全矩阵阵列相当，总阵元数量减少了8倍，接收阵元数量减少了16倍。为此，研究人员开发了一种定制的微加工工艺，利用超快激光从480 μm厚的单晶铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）材料中制造该阵列。阵列表面层压了三层匹配层，形成指数锥形的声阻抗分布，阵列阵元通过引线键合连接到载体印刷电路板（PCB）。

图2 CODA超声阵列制造工艺

图3 1D和2D CODA阵列显微图像

啁啾调制数据采集系统（cDAQ）设计

为了应对信噪比挑战，研究人员开发了一种新的“啁啾调制数据采集”（cDAQ）超声架构。该架构利用压缩感知原理，在低系统电压下提高信噪比，同时将采样率降低两个数量级。从本质上讲，这项技术通过对接收信号频率进行下变频、无源滤波，最后以降低的速率进行采样，在模拟域中执行信号平均操作，完全避免了能耗高的过采样和数字抽取。因此，虽然CODA将耗电的接收通道数量减少了16倍，但cDAQ架构使每个通道的功耗进一步成倍降低了1.85倍，与同等的全矩阵阵列相比，总功耗降低了29.6倍。

软组织的实时3D成像演示

研究人员展示了cDAQ和CODA系统在生物组织成像方面的能力，首先对乳腺肿瘤体模进行体外成像，然后，对人体乳腺组织进行了体内成像。为了进行对比，研究人员使用Verasonic脉冲系统搭配L11-5v线阵探头获取了B模式图像。在体内测试中，招募了一名女性受试者，其右侧乳房约2-3厘米深处有多个充满液体的囊肿。研究人员使用相同的两套系统和探头对囊肿进行成像，探头在乳房上的放置位置相同。实测图像表明，cDAQ和CODA系统能够成功定位囊肿。此外，在cDAQ获取的图像中，与L11-5v获取的图像相比，囊肿看起来更深且形状更接近球形。与L11-5v探头相比，CODA探头的面板表面积更大，因此导致乳腺组织的机械变形更小。这对于长期监测应用而言非常重要，因为放置引起的变形会因操作者而异，并会降低在多个检查时段对比图像的能力。在成像过程中保持囊肿形状完好至关重要，特别是对于乳腺癌检测等应用，以便量化肿瘤大小随时间的变化。

图4 对乳腺体模的体外研究和对乳腺组织的体内研究

结论

该研究提出了一种端到端的4D超声架构，该架构包含一种新型稀疏阵列几何结构和协同设计的数据采集系统。其CODA阵列实现了宽视场（57°）成像，同时将阵元数量从O(N²)减少到O(4N)，简化了制造过程，使高分辨率体积成像更具实用性。同时，与市售产品相比，cDAQ将所需电压和采样率降低了一个多数量级，并且将每通道功耗降低了近一半。此外，整个系统（包括阵列、电缆和数据采集电子设备）总重量仅为1.15磅，使其成为一款完全便携的超声成像系统，具有更高的实用性。系统性的体外表征和乳腺囊肿的体内成像表明，该系统非常适合软组织器官成像，且组织变形极小。所提出的架构方法实现了高性能、实时3D超声成像，为下一代医疗设备消除了一个关键且长期存在的障碍。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202505310

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