On the evaluation of the suitability of the materials used to 3D print holographic acoustic lenses to correct transcranial focused ultrasound aberrations
本研究针对经颅聚焦超声像差校正问题，系统分析3D打印全息声学透镜所用聚合物的声学特性与打印体素的关联，发现给定体素尺寸下透镜厚度与纵波速度存在与发射参数基本无关的最优范围。
2024-01-31 physics.med-ph
Ultrasound Autofocusing: Common Midpoint Phase Error Optimization via Differentiable Beamforming
本文提出一种基于可微波束形成优化共中点相位误差的超声自动聚焦方法，通过拟合声速场校正相位畸变，提升图像聚焦质量，并在模拟、体模和活体实验中验证了其有效性。
2025-08-28 eess.IV physics.med-ph
Enhanced 3D-printed holographic acoustic lens for aberration correction of single-element transcranial focused ultrasound
经颅聚焦超声畸变的校正是增强各种非侵入性医学治疗的相关问题。近年来，通过多元件相控阵发射一直是最广泛接受的减少像差的方法;然而，最近提出了一种基于3D打印声透镜的新的颠覆性技术，其成本较低，精度相当。相控阵配置中换能器的数量和尺寸是限制聚焦精度的瓶颈，但是一旦最新一代3D打印机的亚毫米精度克服了这一限制，现在的挑战是提高设计透镜所需的数值模拟的精度。本研究介绍和评估两个改进的数值模型应用在以前的作品中，提出了3D透镜，其中包括在直接计算的相位图案从复杂形式的振荡幅度的传播，并在引入的吸收现象到一组方程，描述了流体和固体介质中的波的动力学。数值实验进行分析的质量像差校正的焦点在不同的配置。所获得的结果表明，吸收的包括显着改善聚焦，特别是在颅骨的厚度是更不规则的。
2018-05-25 physics.med-ph
Ultrasound Aberration Correction based on Local Speed-of-Sound Map Estimation
对于波束形成超声（US）信号，通常假设空间恒定声速（SoS）来计算延迟。由于组织中的SoS可能变化相对较大，因此这种近似可能导致波前像差，从而降低有效成像分辨率。在文献中，已经提出了基于单向SoS估计或计算昂贵的后验相位校正的校正。在本文中，我们展示了一个直接的延迟校正方法，美国波束形成，利用二维空间SoS分布估计平面波成像。我们在模拟和离体测量中表明，使用我们提出的局部SOS自适应波束形成可以实现接近波长极限的分辨率，在组织样本上获得22%至29%的横向分辨率提高，具有高达3%的SOS对比度（45 m/s）。我们验证了我们的方法准确地图像的绝对位置的组织结构的亚像素分辨率的十分之一波长，而全球的SOS假设导致人为的本地化。
2019-09-23 eess.IV eess.SP physics.med-ph
Full modelling of high-intensity focused ultrasound and thermal heating in the kidney using realistic patient models
目的：高强度聚焦超声（HIFU）治疗可用于肾（肾）癌的非侵入性治疗，但临床结果一直存在差异。在这项研究中，肾HIFU治疗的疗效进行了研究，使用非线性声学和热模拟三名患者。研究方法：在有和没有折射的情况下进行了声学模拟，以研究其对焦点处的形状、尺寸和压力分布的影响。在报告的范围内改变肾脏的衰减、声速、灌注和热导率的值，以确定可变性对加热的影响。此外，相位畸变进行了研究，以量化的基础相移使用二阶多项式函数。结果：折射后，超声场强平均下降11.1dB，无折射时平均下降6.4dB。发现组织界面处的反射导致小于0.1 dB的损耗。由于折射引起的焦点分裂显著降低了加热功效。在短的超声处理持续时间内，灌注对加热没有很大的影响。随着衰减和热导率的变化，温度发生了微小的变化，但随着声速的变化，没有出现明显的变化。畸变研究揭示了相移空间分布的潜在趋势。结论：通过像差校正可以提高HIFU治疗肾脏的疗效。重要性：提出了一种方法，通过该方法可以使用患者特定的预处理计算来克服像差，从而使超声治疗成为可能。
2018-10-08 physics.med-ph
A 240 Elements Matrix Probe with Aberration Mask for 4D Carotid Artery Computational Ultrasound Imaging
Erasmus MC University Medical Center（伊拉斯谟斯医学中心）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；Vermon SA（Vermon公司）
本文提出了一种具有240个元素矩阵探头和空间编码掩码的3D计算超声成像系统，用于实现高分辨率的4D颈动脉成像。
2026-01-05 eess.SP physics.med-ph
Ultrasound imaging of the human body with three dimensional full-wave nonlinear acoustics. Part 1: simulations methods
三维超声在非均匀介质中传播的模拟是计算密集型的，这是由于域的大尺寸（其为数百个波长的量级）和散射体的小尺寸（其远小于波长）引起的约束。因此，三维超声成像模拟目前基于简化传播物理的模型。在这里，全三维波物理模拟与有限差分生成人体的超声图像直接基于传播和后向散射的第一原理。可视人体项目，一个三维数据集的人体产生的0.33毫米冷冻切片的照片，转换成三维声学地图。使用全波非线性声学模拟工具，利用具有$6\times10^8$点的$93 \times 39 \times 22$ mm域中的2D肋间超声阵列将超声传播到肝脏中。成像指标，基于波束图，均方根相位像差，空间相干长度，和对比度噪声比被用来表征图像质量。结果表明，谐波图像质量优于基本图像质量，部分原因是由于较窄的光束轮廓。通过模拟体壁传播后的均方根估计的像差被证明是低的（23.4纳秒），与以前的报告一致，在人体壁实验测量的像差。在换能器表面处测量的空间相干性指示将需要$<0.81 λ$的换能器阵列元件尺寸来完全采样声场。这些直接基于传播物理学的模拟三维超声图像提供了一个平台来研究三维图像退化的来源（包括在第二部分中）。
2020-03-15 physics.med-ph
Coherence Based Sound Speed Aberration Correction -- with clinical validation in fetal ultrasound
本研究提出一种基于相干性的声速像差校正方法，通过最大化像素相干性直接计算聚焦延迟，无需不适定反演，经体外、硅模及172例产科超声临床验证，72.5%图像质量提升，锐度与声速变化相关系数达0.67。
2024-12-06 eess.IV physics.med-ph
Lens-Aware Differentiable Beamforming for In Vivo Distributed Aberration Correction with Curvilinear Transducers
Stanford University（斯坦福大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本研究提出透镜感知可微分波束形成方法，将超声自动聚焦扩展至曲线阵列，通过321次人体肝脏采集验证，显著提升图像质量，为临床分布式像差校正技术提供潜力。
2026-08-10 physics.med-ph
Acoustically Transparent Alumina-based Cranial Implants Enhance Ultrasound Transmission Through a Combined Mechano-Acoustic Resonant Effect
本研究针对颅骨阻碍超声传输的问题，制备氧化铝陶瓷颅骨植入物，发现半波长厚度下的力声共振可将超声传输率提升至95.4%，为光声混合应用中的颅骨替代提供了可行方案。
2024-06-19 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
Ultrasound Matrix Imaging-Part I: The focused reflection matrix, the F-factor and the role of multiple scattering
这是第一个系列的两个处理矩阵的方法，在超声成像像差量化和校正。先进的合成波束形成依赖于在介质的每个点上的发送和接收的双聚焦操作。超声矩阵成像（UMI）在于解耦这些发射和接收的焦点的位置。这些虚拟换能器之间的响应形成所谓的聚焦反射矩阵，其实际上包含比共焦超声图像更多的信息。在本文中，这个矩阵的时间-频率分析进行，突出了单次和多次散射的贡献，以及在单色和宽带制度的影响像差。有趣的是，该分析使得能够测量该图像的任何像素处的非相干输入-输出点扩散函数。拟合过程使得能够量化图像中的单次散射、多次散射和噪声分量。从单个散射贡献，定义聚焦标准，并且其演变用于量化整个超声图像中的像差量。与最先进的相干因子相比，这种新指标对多次散射和电子噪声具有鲁棒性，从而以更好的横向分辨率提供聚焦质量的对比图。在基于时域模拟的概念验证验证之后，UMI被应用于人小牛的体内研究。除了这个具体的例子，UMI还为超声成像中的声速和散射量化开辟了一条新的途径。
2022-12-03 eess.IV physics.app-ph physics.med-ph
On phase aberration estimation using common mid-angle speckle correlations
École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；University of Bern（伯尔尼大学）
本文针对超声像差估计问题，构建了适用于散斑区域的理论形式体系，明确了共同中角相关相位的精度极限，为声速成像及像差估计技术提供了理论基础与基准。
2026-09-22 physics.med-ph
Repeated Acoustic Vaporization of Perfluorohexane Nanodroplets for Contrast-Enhanced Ultrasound Imaging
过热的全氟化碳纳米液滴是新兴的超声成像造影剂，具有生物相容性成分、独特的相变动力学和治疗负载能力。在暴露于足够高强度的声能脉冲时，纳米液滴全氟化碳核经历液体到气体的相变，并变成回声微泡，提供超声造影。可控的激活导致高对比度图像，而纳米液滴的小尺寸促进更长的循环时间和更好的体内稳定性。然而，一个缺点是纳米液滴只能蒸发一次，限制了它们的多功能性。最近，我们和其他人通过使用全氟己烷核心来解决这个问题，全氟己烷的沸点高于体温。因此，在蒸发之后，微泡再冷凝回到其稳定的纳米液滴形式。以前的工作与全氟己烷纳米液滴依赖于光学激活通过脉冲激光吸收的封装染料。这种策略限制了该方法的成像深度和时间分辨率。在这项研究中，我们克服了这些限制，证明声学液滴汽化与1.1兆赫高强度聚焦超声。聚焦超声的短持续时间、高振幅脉冲提供足够强的峰值负压以启动汽化。当使用具有高频换能器的定制成像序列时，可以在聚丙烯酰胺组织模拟体模中可视化全氟己烷纳米滴的重复声激活。我们证明了数百个汽化事件的检测，从个别nanodrops的激活阈值远低于组织空化限制。总的来说，这种方法有可能在临床相关深度产生可靠的对比增强超声成像。
2021-03-29 physics.med-ph
Wave-Equation Migration Velocity Analysis for Multistatic Synthetic Aperture Ultrasound
University of Rochester Medical Center（罗切斯特大学医学中心）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）；University of Rochester（罗切斯特大学）；Stanford School of Medicine（斯坦福大学医学院）
本文提出利用波动方程迁移速度分析改进多静源合成超声成像，通过反时迁移重建声速分布以减少图像失真，实验显示图像质量显著提升。
2026-04-30 physics.med-ph
Two-dimensional Ultrasound Imaging Technique based on Neural Network using Acoustic Simulation
二维（2D）超声成像被广泛应用于多个领域。在这项研究中，基于机器学习的二维超声成像技术的潜力。分别将线发射器放置在介质的一侧，并且将接收器阵列放置在介质的相对侧。在接收器阵列处接收的信号被认为是2D图像，并且使用卷积神经网络（CNN）将其转换为目标介质的2D几何形状。使用多达40000个模拟数据的数值模拟研究的结果表明，估计和真实的几何形状之间的良好协议。
2020-04-19 physics.comp-ph physics.med-ph
Visualization of airborne ultrasound field using thermal images
热声，热和声波之间的相互作用，被用于广泛的先进技术应用。将超声波转换成热量用于医学应用，包括肿瘤消融。然而，对空气超声波的热响应还没有得到广泛的研究。在这里，我们表明，热响应的高强度空气中的超声波1000帕以上，可用于声学测量。在网格屏幕上的热图像使得三维声场的实时可视化成为可能。基于反射超声波的表面上的温度分布，可以确定具有比波长更精细的分辨率的超声波焦点位置。我们的研究结果表明，基于超声温度转换的热成像观测可以用来可视化声场，这是传统上难以观察。我们的研究结果将推进使用强大的空中超声的技术，如空中触觉和声悬浮，并为检测表面特性和成分提供新的科学和技术工具，包括细胞和易碎材料。
2022-03-12 physics.app-ph physics.med-ph physics.optics
Disposable Opto-Acoustic Window Enabled Cost-effective Photoacoustic-Ultrasound Dual-modal Imaging
本文提出一种带一次性光声窗口的同轴光声-超声双模态成像系统，通过单次激光脉冲同时产生光声和超声信号，实现双模态成像，分辨率达215微米和91.125微米，信噪比分别达37.48分贝和29.75分贝，为现有光声系统低成本扩展超声功能提供了方案。
2024-11-10 physics.med-ph
Predicting skull lesions after clinical transcranial MRI-guided focused ultrasound with acoustic and thermal simulations
经颅MRI引导聚焦超声（TcMRgFUS）热消融是一种无创性功能性神经外科技术。先前的报告表明，颅骨中的骨髓损伤可在高声能下发生。虽然这种损伤是无症状的，但最好避免它。在这里，我们研究了声学和热模拟是否可以预测颅骨中可能发生的热损伤。在40例临床TcMRgFUS手术后3-15个月获得治疗后成像，并在16/40例治疗后观察颅骨病变。通过阈值为18.1-21.1 kJ（最大声能）和97-112 kJ（总声能）的声能预测病变的存在。病变的大小和程度并不总是由单独治疗期间使用的声能预测的。相比之下，通过声学和热模拟估计的加热可预测损伤程度。病变出现在预测高温的区域，当在3-15个月时获得薄层T2加权成像时，观察到预测和病变位置之间的良好一致性。虽然需要更多的工作来验证颅骨内和周围的绝对温度测量值，但是能够预测颅骨病变的位置和发作可以允许声能在颅骨上更好地分布。了解TcMRgFUS的颅骨吸收特性也有助于优化经颅聚焦。
2019-11-29 physics.med-ph
Acoustic Nonlinearity Parameter B/A in the Suspension of Ultrasound Contrast Agents Part I: A Thermodynamic Approach
声学非线性参数B/A在表征各种生物材料和生物组织的声学特性中起着重要的作用。它有可能成为一种有利的成像模式，在造影超声成像与涂层微泡。然而，用于评估超声造影剂（UCA，也称为气泡液体）悬浮液的非线性参数的有效手段的开发仍然是开放的。本文基于热力学方法推导出一个新的线性超声衰减与相速度的关系式。本方法的简单性使得B/A估计可能具有相对严格的数学推导。计算得到的非线性参数包含了气泡动力学效应的贡献，当气泡体积分数小于10-4时，其低频极限与用混合律方法估算的B/A值一致。此外，气泡液体中的B/A最大可达105，而最小可低至-105。负的非线性参数表明气泡液体具有明显不同的热力学性质。
2019-08-11 physics.flu-dyn physics.med-ph
Wavefront Shaping of Ultrasound Vortex through the Human Skull Enabled by Binary Acoustic Metasurfaces
School of Engineering Medicine, Beihang University（北京航空航天大学工程医学院）；Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering（北京生物医学工程高精尖创新中心）；Shenzhen Institute of Beihang University（北京航空航天大学深圳研究院）
本研究利用二进制声学超材料实现跨颅骨引导的超声涡流，通过时间反演技术校正颅骨相位畸变，生成可控的声学涡流，为生物医学应用提供新途径。
2026-01-18 physics.app-ph physics.bio-ph physics.med-ph
Effect of acoustic streaming on tissue heating due to high-intensity focused ultrasound
研究了高强度聚焦超声（HIFU）消融肝脏肿瘤过程中血管和聚焦位置对温度分布的影响。采用三维声-热-液力偶合器模型计算肝癌区域的温度场。该模型是基于线性Westerpyruvate和生物热方程以及非线性纳维-斯托克斯方程的肝实质和血管。在目前的HIFU模拟研究中也考虑了声流的影响。研究了不同血管直径和焦点位置。我们发现，从这个三维数值研究，在大血管的对流冷却和声流可以改变相当大的温度场和热损伤附近的血管。如果血管位于波束宽度内，则应考虑声流和血流冷却效应。在靠近血管壁的区域，考虑声流效应和不考虑声流效应的情况下的预测温差为54%。当考虑声流效应时，坏死体积可减少约30%。
2011-11-12 physics.flu-dyn physics.med-ph
High order pulse-echo (HOPE) ultrasound
在超声成像和诸如声纳的其他声学感测应用中，换能器和成像对象之间的多次反射可以自然地发生。发射波阵面与成像物体的重复相互作用传统上被认为是不希望的混响伪影，经常被误解为虚构的声学边界。在这里，我们介绍高阶反射脉冲回波（HOPE）超声，一种新的方法，利用高阶反射，以改善传统的超声成像的几个方面。实验证明，希望通过突破奈奎斯特分辨率限制来解决亚微米特征。高反射阶的主要对比度增强允许揭示常规扫描声学显微镜不可见的材料内的缺陷。该技术还被示出为提高来自生物组织的频率相关的超声衰减测量的准确度。HOPE超声不需要额外的硬件，易于实现，强调了其在广泛的生物医学成像，无损检测和其他声学传感应用中提高成像性能的潜力。
2021-06-16 physics.app-ph physics.ins-det physics.med-ph
Acoustic and Ultrasonographic Characterization of Neoprene, Beeswax, and Carbomer-Gel to Mimic Soft-tissue for Ultrasound
声学量与软组织相似的材料作为诊断超声（美国）的组织模拟材料是必不可少的。声学量由声速（cus）、声阻抗（AI）和衰减系数组成。在这项工作中，氯丁橡胶，蜂蜡，和卡波姆凝胶的声学量进行了测定。使用脉冲回波技术估计cus和衰减系数。根据密度和cus的乘积计算AI。结果与基于国际辐射单位和测量委员会报告-61，组织替代品，医疗超声的测量和计算建模的基准进行了比较。验收标准为1.043 g/cm 3（密度）、1561 m/s（cus）、1.63 MRayls（AI），衰减系数在0.5-0.7 dB/cm/MHz范围内。获得标本的计算机断层扫描（CT）和US图像，与人体肝脏（临床软组织）的相应图像进行比较，以评价图像对比度和回声的相似性。氯丁橡胶和蜂蜡的声学性能不理想，而卡波姆凝胶（密度1.03g/cm ~ 3，cus 1567 m/s，AI 1.61MRayls，衰减系数0.6dB/cm/MHz）的声学性能在2%以内。卡波姆凝胶图像可以有效地模拟肝脏图像的对比度和回声。氯丁橡胶-50、蜂蜡和C-凝胶的cus测量不确定度分别为0.36%、0.11%和0.28%。在这些样品中，衰减系数的不确定度分别为4.2%、1.9%和2.6%。卡波姆凝胶的结果可能类似于US的软组织。它含有95%的水，易于制备，可支持开发用于US扫描仪定期性能评估的低成本体模，并有助于患者护理。
2020-04-11 physics.med-ph
Impact of aperture, depth, and acoustic clutter on performance of Coherent Multi-Transducer Ultrasound imaging
在超声成像中期望具有较大孔径尺寸的换能器以提高分辨率和图像质量。相干多换能器超声成像系统（CoMTUS）通过多个换能器的相干组合实现扩展的有效孔径。在这项研究中，不连续的扩展孔径创建的CoMTUS及其性能的深层成像和通过分层介质的模拟和实验研究。典型的图像质量指标-分辨率，对比度和对比度噪声比-进行评估和比较，与标准的单探头成像系统。结果表明，CoMTUS的图像性能取决于阵列的相对空间位置。由此产生的有效孔径显著提高了分辨率，而阵列之间的间隔可能会降低对比度。对于有效孔径中的有限间隙（小于几厘米），与标准单探头成像系统相比，CoMTUS提供了图像质量方面的优势。总的来说，CoMTUS显示出更高的灵敏度和降低的分辨率损失与成像深度。一般来说，当通过具有不同声速值的分层介质成像时，CoMTUS成像性能不受影响，并且在大成像深度下分辨率可提高高达80%。
2020-08-23 physics.med-ph
Spectral Ultrasound Imaging of Speed-of-Sound and Attenuation Using an Acoustic Mirror
超声波的声速和衰减在组织中变化。在文献中存在允许使用来自定位在距换能器已知距离处的声镜的反射来空间重建群声速（SoS）和频率相关超声衰减（UA）的分布的方法。这些方法利用在脉冲回波模式下操作的常规超声换能器和在水中测量的校准协议。在这项研究中，我们介绍了一种新的方法，通过傅立叶域分析和拟合线性和幂律依赖模型的封闭形式，重建当地的SoS和UA地图作为声波频率的函数。频率相关的SoS和UA一起在所利用的换能器带宽内的谱域中全面表征组织。在仿真中，我们提出的方法被示出产生低的重建误差：衰减系数为0.01 dB/cm.MHz^y，频率指数为0.05。对于组织模拟体模和离体牛肌肉样品，实现了高重建对比度。明胶-纤维素混合物和离体牛肌肉样品中的衰减指数平均分别为1.3和0.6。明胶-纤维素混合物和离体牛肌肉样品中SoS的线性分散被发现分别为平均1.3和4.0 m/s.MHz。当交换夹杂物和基质材料时，这些发现是可重现的。牛肌肉样品中的体积损耗模量计算为明胶-纤维素混合物中体积损耗模量的约4倍。因此，SoS和UA的这种频率依赖性特征以及体积损耗模量可以将组织区分为潜在的诊断生物标志物。
2022-01-07 physics.med-ph
Influence of shear waves on transcranial ultrasound propagation in cortical brain regions
本研究通过离体人颅骨实验和数值模拟，揭示忽略剪切波会导致经颅聚焦超声在皮层浅层区域的颅内声压平均高估约40%，并证明包含剪切波的固体模型在斜入射和位置扰动下更稳定准确。
2023-09-22 physics.med-ph
Simultaneous Acoustic Trapping and Imaging of Microbubbles at Clinically Relevant Flow Rates
使用微泡和超声的非侵入性靶向药物递送机制吸引了越来越多的兴趣。微泡可以装载治疗有效载荷，并通过超声成像进行跟踪，以在超声靶向位置选择性地释放其有效载荷。在这项研究中，提出了一种超声捕获的方法，同时成像和控制的微气泡在流动中的位置，通过使用声辐射力。预期靶向药物递送方法将受益于超声捕集器的使用，因为捕集将增加人体中所需位置处的MB浓度。通过使用超声研究系统UARP II和线阵换能器产生超声陷阱。阱被设计成不对称的，以在阱的入口处产生较弱的辐射力，以进一步促进微泡进入。生成可以在长持续时间捕获波形和短持续时间成像波形之间切换的脉冲序列。选择高帧率平面波成像用于在1 kHz下监测捕获的微泡。通过在直径为3.5 mm的血管中注入以80 mL/min流速流动的SonoVue微泡，在超声体模中解释和演示了超声陷阱的工作原理。
2019-02-05 physics.med-ph
Transcranial ultrasound simulation with uncertainty estimation
经颅超声模拟越来越多地用于预测脑中超声治疗的原位暴露参数。然而，在从计算机断层成像（CT）图像估计颅骨和大脑的声学介质特性时可能存在相当大的不确定性。在这里，我们展示了如何在模拟声场中产生的不确定性可以预测在计算上有效的方式使用线性不确定性传播。使用聚焦碗换能器在500 kHz的代表性经颅模拟的结果显示出良好的一致性与无偏的不确定性估计使用蒙特卡洛。
2022-12-08 physics.comp-ph physics.med-ph
Attenuation Imaging with Pulse-Echo Ultrasound based on an Acoustic Reflector
超声衰减是由组织中的吸收和散射引起的，因此是组织成分的函数，因此其成像为筛查和鉴别诊断提供了巨大的潜力。在本文中，我们提出了一种新的方法，允许重建的空间衰减分布在组织的基础上计算机断层扫描，使用从被动声反射器的反射。这需要在脉冲回波模式下操作的标准超声换能器，因此它可以在传统的超声系统上进行微小的修改。我们使用校准与水测量，以规范化的衰减定量成像的测量。与早期的技术相比，我们在这里表明，衰减重建是可能的，没有任何几何之前的夹杂物的位置或形状。我们提出了一个定量评估的基础上重建模拟，明胶幻影，和离体牛骨骼肌组织，实现了高达2.3的对比度噪声比的包含在离体组织。
2019-07-24 eess.IV eess.SP physics.bio-ph
An in-silico study of travel time estimation using Eikonal equation with finite element method in ultrasound imaging
本研究提出在超声成像中用有限元法求解 eikonal 方程以估计非均匀介质中的超声传播时间，模拟实验表明其性能与 fast marching 方法相当，且具备高阶扩展和 GPU 加速潜力。
2023-12-11 physics.med-ph
Evaluation of ultrasound sensors for transcranial photoacoustic sensing and imaging
本文通过测量人类颅骨的声学约束，评估并设计了平凹光学谐振器（PCOR）超声传感器，证明其在低频段具有高灵敏度和平坦频率响应，优于传统压电传感器，适用于经颅光声传感与成像。
2023-06-05 physics.app-ph physics.med-ph
Observation of guided acoustic waves in a human skull
人类颅骨对超声波的传播构成了显著的障碍。因此，开发能够更有效地将超声传输到大脑和从大脑传输的方法对于超声介导的经颅成像或致动技术的进步至关重要。我们报告的第一次观察到的导声波在近场的离体人类头骨标本的频率范围在0.2和1.5 MHz之间。与先前在薄啮齿动物头骨中观察到的导波传播相反，在较高频率范围内观察到的导波对应于准瑞利波，主要局限于骨皮质层。新发现的人类头骨的近场特性有望促进基于经颅超声的更有效的诊断和治疗技术的发展。
2018-06-03 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
Prediction and near-field observation of skull-guided acoustic waves
在水或软生物组织中传播的超声波在遇到颅骨时被强烈反射，这限制了基于超声的技术在经颅成像和治疗应用中的使用。目前对颅骨声学特性的了解仅限于远场观测，而其近场特性尚未探索。我们报告存在的头骨引导声波，这是在此确认的近场测量光声诱导的反应，在离体小鼠头骨浸在水中。导波的色散被发现合理地同意与多层平板模型的预测。人们普遍认为，我们的研究结果可能会促进和扩大超声介导技术在脑诊断和治疗中的应用。
2016-09-15 cond-mat.other physics.med-ph
Experimental Validation of Skull Acoustic Modelling Strategies for Transcranial Focused Ultrasound Simulation: A Cross-Comparison Study
University of York（约克大学）；University of Dundee（邓迪大学）
本研究实验比较了五种k-Wave颅骨模型在220-1000 kHz频率下的性能，发现峰值压力误差20%-31%，强度误差41%-77%，焦点体积误差11%-67%，定位偏差数毫米，线性映射模型压力误差最低但无模型在所有指标上一致占优。
2026-06-08 physics.med-ph
Pseudo-CTs from T1-weighted MRI for planning of low-intensity transcranial focused ultrasound neuromodulation: an open-source tool
工作背景：在低强度经颅超声刺激（TUS）研究中规划预期的经颅超声声场并估计机械和热安全性时，骨密度和几何形状的个体颅骨模型非常重要。计算机断层成像（CT）图像通常用于估计颅骨声学特性。然而，由于暴露于电离辐射和研究组内有限的CT扫描仪，在研究参与者中获得CT图像可能是禁止的。目的：我们为研究人员提供了一个经过验证的开源工具，可以从T1加权MR图像中获得个体颅骨估计值，用于声学模拟。方法：我们改进了先前训练和验证的3D卷积神经网络（CNN），以生成100 keV的伪CT。该网络在110名个体上进行了预训练，并在37名健康对照个体的数据库上进行了改进和测试。我们将基于参考CT的模拟与基于我们的伪CT和二元颅骨掩模的模拟进行了比较，二元颅骨掩模是在没有CT的情况下的常见替代方案。结果如下：与参考CT相比，我们的CNN产生的伪CT在整个头部的平均绝对误差为109.8 +/- 13.0 HU，在颅骨中为319.3 +/- 31.9 HU。在声学模拟中，基于参考CT和伪CT（分别为0.48 +/- 0.04 MPa和0.50 +/- 0.04 MPa）的模拟的局灶压力在统计学上相等，但二元颅骨面罩（0.28 +/- 0.05 MPa）的局灶压力不相等。结论：我们表明，我们的网络可以产生与健康个体的参考CT相当的伪CT，并且这些可以用于声学模拟。
2022-09-24 physics.med-ph
Intravital imaging and cavitation monitoring of antivascular ultrasound in tumor microvasculature
聚焦超声刺激的微泡已被证明能够在称为抗血管超声或机械消融的方法中诱导一系列组织类型中的血流关闭和坏死。在肿瘤学中，这种方法已经证明了肿瘤生长抑制，以及与传统的化疗、放疗和免疫治疗平台相结合时的显著协同抗肿瘤作用。然而，所采用的暴露方案一直是广泛的，潜在的机制仍然不清楚，关于暴露、所涉及的血管类型和尺寸以及气泡行为的性质及其导致血管损伤的声发射的基本问题，阻碍了标准方案的建立。在这里，超声波发射器和接收器集成到鼠背窗室肿瘤模型的活体显微镜研究能够实时的视觉和声学监测在抗血管超声。在较高压力条件（1、2和3 MPa）下评估血管类型（正常和受肿瘤影响）、口径和活力，并将空化特征与生物效应联系起来。血管事件优先发生在肿瘤受累血管中，在较小血管中发生率更高，并且随着压力增加，严重程度更高。发现血管血流关闭是由于局灶性中断事件和网络相关血流变化的组合所致。随着压力的增加，声发射显示出升高的宽带噪声和明显的次谐波和超谐波及其相关的三阶峰值。所观察到的血管事件与所识别的空化特征一起提供了对微尺度下的抗血管超声的更好的机械理解，并对建立特定的治疗方案和控制平台产生了影响。
2022-10-14 physics.med-ph
Ultrasound imaging with three dimensional full-wave nonlinear acoustic simulations. Part 2: sources of image degradation in intercostal imaging
全波模拟应用于肋间成像的情况下，以确定基本和谐波图像退化的畸变和混响的来源。这些模拟是基于这两部分论文的第一部分，其中建立了全波模拟方法，直接基于波在人体中传播的第一原理生成逼真的超声图像。超声波图像是基于传播和反射的第一性原理产生的，它们描述了分布畸变和混响杂波之间的相互作用。三个成像方案，将无法实现在体内进行了研究，在硅片。首先，肋骨被完全切除，取而代之的是脂肪。然后，将肋骨保持在其解剖学上正确的构型以产生参考图像。最后，肋骨在高度上被放置得更靠近。基于传播的B模式图像显示，在这三种情况中，第二种情况（解剖学上正确的配置）具有最佳的对比度噪声比。这是由于两个相互竞争的影响。首先，肋有效地使基波和谐波波束变迹3- 5dB。仅此效应就可预测图像质量的改善。然而，通过对比度噪声比测量的B模式图像质量降低了8%。为了解释这些变化，它表明，第二个效果，多混响，必须考虑。点扩散函数分析表明，当肋骨放置得更靠近时，它们会产生明显更多的混响杂波（2.4至2.9 dB），即使波束图具有较低的旁瓣，也会降低图像质量。在这种肋间成像场景中，肋骨对波束形状和混响的影响因此在图像质量方面存在竞争，并且存在平衡它们的最佳声学窗口。
2020-03-15 physics.med-ph
A random phased-array for MR-guided transcranial ultrasound neuromodulation in non-human primates
经颅聚焦超声（FUS）是一种非侵入性的脑神经激活治疗和研究技术。在这里，我们报告的设计和表征的一种新的MR引导FUS传感器的神经调制在非人类灵长类动物在650 kHz。该阵列由128个单元组成，曲率半径为曲率半径7.2 cm，开口直径为10.3 cm（焦比为0.7）。仿真被用来优化换能器的几何形状方面的焦点大小，栅瓣，和方向性。在电子转向过程中的焦点大小和栅瓣进行了量化，使用水听器测量在水中和三轴阶段。光学跟踪和声学映射的新颖组合使得能够测量离体颅骨的皮质区域中的3D压力分布，其在表面的约3.5 mm内，并且允许通过非均匀3D声学模拟对实验进行精确建模。数据表明声聚焦超出颅骨，焦点略微扩大并向颅骨近端移动。该制造设计能够针对猕猴S1感觉运动皮质内的区域。
2017-12-19 physics.med-ph
Whole-skull acoustic transparency from a single time-reversal solve for reciprocity-based transducer placement and aperture optimization in transcranial focused ultrasound
Lampe Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina at Chapel Hill and North Carolina State University（北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学联合兰佩生物医学工程系）
本研究提出利用单次全波时间反演求解生成全颅骨透明度图，从而快速优化经颅聚焦超声的换能器放置与孔径，实验表明该方法可显著提高聚焦增益并校正颅骨畸变。
2026-09-24 physics.med-ph
Detecting nonlinear acoustic waves in liquids with nonlinear dipole optical antennae
超声是用于生物系统的重要成像模态。高频超声也可以（例如，通过声学非线性）用于通过导管插入提供血管结构的深穿透和高分辨率成像。后者是血管健康的重要诊断。通常，超声需要大于声波波长或与声波波长大小相同的源和换能器。在这里，我们设计和理论上证明，单一的银纳米棒，作为光学非线性偶极天线，可用于检测超声波通过布里渊光散射从线性和非线性声波在散装水中传播。与使用基本等离子体共振的通常方法相比，纳米棒被调谐为在高阶等离子体模式下操作。高阶操作也会引起增强的光学三次谐波产生，这为激发偶极天线的高阶Fabry-Perot模式提供了重要方法。
2015-09-07 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.flu-dyn
Frequency-Dependent Attenuation Reconstruction with an Acoustic Reflector
超声波的衰减随组织成分而变化，因此其估计为组织表征和病理诊断和分期提供了巨大的潜力。我们最近提出了一种方法，允许空间重建的整体超声衰减的分布在组织的基础上计算机断层成像，使用从被动声反射器的反射。这需要在脉冲回波模式下操作的标准超声换能器和使用水测量的校准协议，因此它可以在常规超声系统上实现，只需进行微小的调整。在这里，我们扩展了这种方法，另外估计和成像的局部超声衰减的频率依赖性的第一次。重建衰减系数和指数的空间分布，从而实现精细和表达的组织特异性表征。仿真结果表明，该方法在1 MHz时衰减系数和频率指数的重建误差分别为0.04dB/cm和0.08。与组织模仿幻影和离体牛肌肉样品，一个高的重建对比度以及再现性被证明。明胶-纤维素混合物和离体牛肌肉样品的衰减指数被发现分别为平均1.4和0.5，一致地从它们的异质组合物的不同图像。这种频率相关的参数化可以实现新的成像和诊断技术，以及促进其他基于超声的成像技术的衰减补偿。
2020-10-10 eess.SP physics.app-ph physics.med-ph
High-intensity focused ultrasound therapy in the uterine fibroid: a clinical case study of poor heating efficacy
摘要本研究以高强度聚焦超音波治疗子宫肌瘤为例。在治疗过程中，观察到加热效果较差，这可能归因于几个因素，例如局部灌注率、患者特定解剖结构或超声场声学参数的变化。为了确定发热减少的原因，使用治疗的磁共振成像（MRI）数据进行灌注分析和超声模拟。灌注分析显示，与周围子宫肌层（233.8 ± 16.2 mL/100 g/min）相比，肌瘤（301.0 ± 25.6 mL/100 g/min）的局部灌注率较高。当倾斜换能器时，超声模拟没有显示出焦点形状或声压（2.07 ± 0.06 MPa）的大的差异。然而，观察到焦点轴向位置的微小偏移（-2.2 +-1.3 mm）。加热减少的主要原因可能是由于肌瘤位置较深而导致的局部高灌注和超声衰减。
2019-10-27 physics.med-ph
Full-Wave Modeling of Transcranial Ultrasound using Volume-Surface Integral Equations and CT-Derived Heterogeneous Skull Data
Pontificia Universidad Católica de Chile（智利天主教 Pontificia 大学）；University College London（伦敦大学学院）
本文提出基于体积-表面积分方程的高效方法，用于建模颅穿超声通过异质颅骨的全波传播，验证了颅骨异质性对超声束形变的影响。
2026-01-07 cs.NA eess.IV math.NA
A CMUT-Based Transcranial Focused Ultrasound Platform for Blood-Brain Barrier Opening in Small Animal Models
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Emory University（埃默里大学）
本文提出一种基于CMUT的颅内聚焦超声系统，用于血脑屏障开放的治疗和监测，通过模拟和体外实验验证了其性能，并展示了相位反转技术在抑制谐波和增强微泡检测中的作用。
2026-04-24 physics.med-ph
BabelBrain: An Open-Source Application for Prospective Modeling of Transcranial Focused Ultrasound for Neuromodulation Applications
BabelBrain 是一款开源 GUI 工具，用于经颅聚焦超声神经调控的声场与热效应模拟，支持多 GPU 后端，并通过数值研究优化声学属性映射以复现经颅压力传输效率。
2023-04-12 physics.med-ph
Monodisperse versus polydisperse ultrasound contrast agents: nonlinear response, sensitivity, and deep tissue imaging potential
单分散微泡超声造影剂已被提出来进一步增加对比增强超声成像的信噪比。在这里，多分散的临床前药物的灵敏度进行了实验比较，其大小和声学排序的衍生物，通过使用窄带压力和频率依赖的散射和衰减测量。分选的单分散剂显示灵敏度增加了两个数量级，即每个气泡的平均散射截面。此外，我们在这里证明，第一次，可以利用声学分选微泡的高度非线性响应，以限制散射和衰减的临床成像中使用的超声场的焦点区域。该属性是最小的预焦散射和衰减的结果，并且可以用于最小化深部组织成像中的阴影效应。此外，它潜在地允许通过共振微泡振荡的空间控制使用微泡进行更局部化的治疗。
2018-06-12 physics.med-ph
Investigation of PVC plastisol tissue-mimicking phantoms for MR-and ultrasound-elastography
目的：逼真的仿组织体模对于医学成像技术和协议的开发、研究和校准是必不可少的。因为它需要同时考虑机械和成像特性，所以开发鲁棒的、校准的体模是弹性成像的主要挑战。在液体增塑剂（增塑溶胶或PVCP）中的软聚氯乙烯凝胶已经被提议作为用于弹性成像的软组织模拟体（TMP）。PVCP幻影成本相对较低，并且可以容易地长时间储存，而没有任何特定要求。在这项工作中，提出了一种用于MR和超声弹性成像的PVCP凝胶体模的制备，并研究了其声学，NMR和机械性能。材料和方法：超声散斑颗粒和PVCP溶液之间的不同质量比，以及树脂和增塑剂之间的PVCP的声学和磁共振成像性能进行测量。塑溶胶样品的线性机械性能，然后随着时间的推移，不仅使用压痕测试，但也MR和超声弹性成像临床协议进行了研究。这些属性进行比较，生物软组织的典型值和文献中发现的值为PVCP gels.Results和conclusions：经过一段时间的两周后，与压痕测试测量的增塑溶胶样品的机械性能是稳定的，至少在接下来的4周（凝胶融合后43天的随访期结束）。无论是机械，也不是增塑溶胶凝胶的核磁共振性能被发现受到影响，通过添加纤维素作为声学斑点。通过临床、市售MR弹性成像和声弹性成像方案成功表征了拟定凝胶的机械性能。具有0.6%至0.8%的超声散斑颗粒的质量比和50%至70%的树脂与增塑剂之间的质量比的PVCP似乎是良好的TMP候选物，其可以与基于MR和…
2020-12-08 physics.med-ph
A Wavefield Correlation Approach to Improve Sound Speed Estimation in Ultrasound Autofocusing
Department of Electrical Engineering, Stanford University（电气工程系，斯坦福大学）；Department of Radiology, School of Medicine, Stanford University（放射学系，医学院，斯坦福大学）；Department of Applied Physics, Stanford University（应用物理学系，斯坦福大学）；Department of Biomedical Engineering, Columbia University（生物医学工程系，哥伦比亚大学）
本文提出利用波场相关技术优化声速估计，以提高超声自聚焦中图像质量，通过改进的波场相关成像方法减少杂波干扰，提升成像分辨率和对比度。
2026-05-07 cs.SD eess.IV physics.med-ph
Discovery of Two Types of Twinkling Can Explain Contradictory Observations among Twinkling Artifact Investigators in Ultrasound Imaging
闪烁探测器是探测肾结石、结石等致密物体的有用工具，特别是当没有声学阴影并且强回声组织的存在阻碍了可视化时。这种现象还没有完全被理解。不同的科学团体有矛盾的发现，关于它的属性：他们中的一些人观察到在提高脉冲重复频率（PRF）的闪烁强度下降，而另一些人发现闪烁是独立的PRF等，在本文中，我们假设，这种矛盾可以部分解决的假设，有两种类型的闪烁。第一种类型可能是由微空化的随机相位反射产生的，即使在PRF高到足以抑制血流的情况下也可以记录。第二种是弹性振动，因为被调查对象在超声领域像钟摆一样摆动。这些振动可以与诸如肌肉收缩等的外部源或来自换能器发射的信号的声辐射力相关联。第二类闪烁在高PRF下消失，并且可以在硅树脂和聚氨酯体模中定期观察到，其中空化微泡的发生是极不可能的。关键词：超声成像、闪烁成像、结石检测、多普勒效应、彩色帧标测、声辐射力、弹性振动、超声体模、空化、微泡。
2019-12-05 eess.IV physics.app-ph physics.med-ph
Ultrafast 3-D Super Resolution Ultrasound using Row-Column Array specific Coherence-based Beamforming and Rolling Acoustic Sub-aperture Processing: In Vitro, In Vivo and Clinical Study
本研究开发了一种结合行-列阵列特定相干性波束形成与滚动声学子孔径处理的超快三维超分辨率超声方法，有效减少伪影和噪声，提高帧率，并在体外、体内及临床中验证其性能。
2023-11-15 eess.IV physics.med-ph
High resolution transcranial imaging based on the optoacoustic memory effect
已知软组织和骨骼之间的声阻抗失配会导致光声和超声图像中的强烈像差。特别重要的是人类头骨引入的严重扭曲，阻碍了这些模式的经颅脑成像。虽然通过颅骨的超声传播的建模原则上可以帮助校正一些颅骨引起的像差，但是这些方法通常受到颅骨的高度不均匀和分散的声学特性以及缺乏对其几何形状和内部结构的确切知识的挑战。在这里，我们证明了由颅骨引起的声失真的时空特性被保存为在邻近颅内位置处通过光声激励产生的信号源。利用这种光声记忆效应建立一个三维模型，准确地描述了时间分辨的宽带光声波形穿越头骨的产生，传播和检测。基于记忆的模型为基础的反演，然后示出，以准确地恢复颅骨内的光学吸收分布的空间分辨率和图像质量相比，在无颅骨介质中获得的。
2021-08-09 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Three-Dimensional Ultrasound Matrix Imaging
本文将超声矩阵成像从一维线性阵列扩展到二维探头的三维几何，以更精确估计传输矩阵，并通过离体组织仿体实验和经颅场景验证其潜力。
2023-10-17 eess.IV physics.app-ph physics.med-ph
Frequency-Modulated Magneto-Acoustic Detection and Imaging: Challenges, Experimental Procedures, and B-Scan Images
磁声断层扫描结合了近场射频（RF）和超声，旨在创建一种安全，高分辨率，高对比度的混合成像技术。我们提出了连续波磁声成像技术，提高信噪比和/或降低所需的峰均激励功率比，使进一步的集成和更大的视野可行。这种方法依赖于RF激励和通过洛伦兹力相互作用产生的超声之间的相干性，这已经被我们以前的工作所证实。我们提供了详细的方法，澄清实验的细节，并解释如何验证磁声现象的存在。获取示例磁声B扫描图像，以便说明磁声断层摄影在突出显示电导率改变的边界（例如在不同组织之间）方面的能力。
2016-02-22 physics.med-ph physics.optics
Transcranial FUS Therapy and Monitoring using Nonlinear Acoustics
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Emory University（埃默里大学）
本文提出一种基于声学全息图的经颅超声聚焦新框架，通过频域拓扑优化实现高保真聚焦，利用非线性参量阵效应实现无成像配准，并展示其在脑积水颅内压监测中的应用。
2026-06-04 math-ph math.MP physics.app-ph
