與X射線、計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）相比，超聲檢查作為一種更安全、成本更低的成像方式被廣泛應用。然而，對于可附著/可穿戴形式的貼片式超聲設備，盡管已有研究提出了制造適形陣列的方法，探索了新型聲學耦合材料，并展示了超聲作為X射線乳腺攝影診斷替代方案的潛力，但超聲換能器錯位問題仍然是一項根本性的挑戰。直接的解決方案是廣角體積成像，然而現有的3D視頻成像架構存在關鍵的權衡問題，獲取此類圖像需要過多的O(N2)通道數量、龐大的電子設備以及較高的功耗。
因此，要實現便攜式實時3D超聲成像以提高其普及性，必須解決三個關鍵挑戰。首先，需要一種稀疏陣列結構，能夠在使用最少通道數的同時提供高圖像分辨率和寬視場（FOV）。其次，需要一種電子和信號處理方法，以補償此類陣列的低信噪比（SNR），同時使用低電壓并降低功耗。第三，需要一種頻率壓縮技術，以進一步降低數據采集和處理負擔。
據麥姆斯咨詢介紹，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員提出了一種全新的端到端4D超聲架構，其中包括一個帶有分立發射（TX）和接收（RX）子陣列的盒形陣列，該陣列與電子模擬前端協同開發而成。該前端采用連續波發射和低頻接收電路，在大幅提高信噪比的同時，功耗低于標準超聲成像系統。研究人員采用線性調頻激勵來壓縮頻率信息，降低模數轉換器（ADC）和數據傳輸的需求，從而實現向圖形處理器（GPU）的低延遲實時數據傳輸，以進行實時圖像重建。相關研究成果已經以“Real-Time 3D Ultrasound Imaging with an Ultra-Sparse, Low Power Architecture”為題發表于近期的Advanced Healthcare Materials期刊。
卷積最優分布陣列（CODA）設計
為了滿足高稀疏陣列在深度和寬視場成像方面的需求，研究人員開發了一種盒形陣列，其發射和接收子陣列分立且正交。這些發射和接收子陣列的卷積定義了一個有效的聲學孔徑，即“虛擬陣列”，其大小和分布決定了成像分辨率。該CODA的聲學孔徑沒有重復采樣，也沒有間隙，意味著它能以最小的偽影獲得最清晰的遠場圖像分辨率。小型元件具有寬角度靈敏度，能夠對超出陣列覆蓋范圍的區域進行成像。因此，該CODA僅需O(4N)個元件，就能實現與O(N2)個元件的全矩陣陣列相同的寬視場成像和遠場分辨率。
圖1 實時3D超聲成像系統架構：（a）CODA設計的概念圖，包含專用發射和接收元件以及相應的均勻采樣“虛擬陣列”。（b）實際的CODA，具有64個發射和64個接收元件，安裝在載體PCB上。（c）CODA的放大視圖，顯示元件幾何結構和引線鍵合。（d）CODA的側視示意圖，顯示三個匹配層、實心底部接地電極、經過機械加工的壓電陶瓷和頂部電極。（e）cDAQ的框圖，顯示發射驅動器（紅色）和接收低噪聲放大器（藍色），通過微型同軸電纜連接到主板（綠色）。主板包含對接收信號執行下變頻、濾波、放大和采樣的模塊。（f）cDAQ系統照片，包括通過微型同軸電纜連接到主板的探頭。（g）探頭分解圖。（h）通過CODA和cDAQ系統獲取的錐形彈簧的照片及相應的體積超聲圖像。
本研究制作的CODA包含128個陣元，其孔徑尺寸與1024陣元的全矩陣陣列相當，總陣元數量減少了8倍，接收陣元數量減少了16倍。為此，研究人員開發了一種定制的微加工工藝，利用超快激光從480 μm厚的單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）材料中制造該陣列。陣列表面層壓了三層匹配層，形成指數錐形的聲阻抗分布，陣列陣元通過引線鍵合連接到載體印刷電路板（PCB）。
圖2 CODA超聲陣列制造工藝
圖3 1D和2D CODA陣列顯微圖像
啁啾調制數據采集系統（cDAQ）設計
為了應對信噪比挑戰，研究人員開發了一種新的“啁啾調制數據采集”（cDAQ）超聲架構。該架構利用壓縮感知原理，在低系統電壓下提高信噪比，同時將采樣率降低兩個數量級。從本質上講，這項技術通過對接收信號頻率進行下變頻、無源濾波，最后以降低的速率進行采樣，在模擬域中執行信號平均操作，完全避免了能耗高的過采樣和數字抽取。因此，雖然CODA將耗電的接收通道數量減少了16倍，但cDAQ架構使每個通道的功耗進一步成倍降低了1.85倍，與同等的全矩陣陣列相比，總功耗降低了29.6倍。
軟組織的實時3D成像演示
研究人員展示了cDAQ和CODA系統在生物組織成像方面的能力，首先對乳腺腫瘤體模進行體外成像，然后，對人體乳腺組織進行了體內成像。為了進行對比，研究人員使用Verasonic脈沖系統搭配L11-5v線陣探頭獲取了B模式圖像。在體內測試中，招募了一名女性受試者，其右側乳房約2-3厘米深處有多個充滿液體的囊腫。研究人員使用相同的兩套系統和探頭對囊腫進行成像，探頭在乳房上的放置位置相同。實測圖像表明，cDAQ和CODA系統能夠成功定位囊腫。此外，在cDAQ獲取的圖像中，與L11-5v獲取的圖像相比，囊腫看起來更深且形狀更接近球形。與L11-5v探頭相比，CODA探頭的面板表面積更大，因此導致乳腺組織的機械變形更小。這對于長期監測應用而言非常重要，因為放置引起的變形會因操作者而異，并會降低在多個檢查時段對比圖像的能力。在成像過程中保持囊腫形狀完好至關重要，特別是對于乳腺癌檢測等應用，以便量化腫瘤大小隨時間的變化。
圖4 對乳腺體模的體外研究和對乳腺組織的體內研究
結論
該研究提出了一種端到端的4D超聲架構，該架構包含一種新型稀疏陣列幾何結構和協同設計的數據采集系統。其CODA陣列實現了寬視場（57°）成像，同時將陣元數量從O(N2)減少到O(4N)，簡化了制造過程，使高分辨率體積成像更具實用性。同時，與市售產品相比，cDAQ將所需電壓和采樣率降低了一個多數量級，并且將每通道功耗降低了近一半。此外，整個系統（包括陣列、電纜和數據采集電子設備）總重量僅為1.15磅，使其成為一款完全便攜的超聲成像系統，具有更高的實用性。系統性的體外表征和乳腺囊腫的體內成像表明，該系統非常適合軟組織器官成像，且組織變形極小。所提出的架構方法實現了高性能、實時3D超聲成像，為下一代醫療設備消除了一個關鍵且長期存在的障礙。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202505310
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