Forward model for quantitative pulse-echo speed-of-sound imaging
回波模式下的计算机超声断层扫描（CUTE）允许使用手持式脉冲回波超声（US）确定组织内部的声速（SoS）的空间分布。该技术基于测量在变化的发射（Tx）和/或接收（Rx）转向角下获得的波束成形回波的变化相位。通过反演描述SoS的空间分布如何与回波相移的空间分布相关的前向模型来重建SoS。CUTE有望成为一种新的诊断模式，在单一的实时手持系统中补充传统的US。在这里，我们证明，为了获得强大的定量结果，前向模型必须包含两个功能，没有考虑到目前为止：a）的相移必须检测之间的Tx和Rx的角度对是围绕一组共同的中间角，和b）它必须考虑到一个额外的相移引起的回波的重建位置的误差。在模拟肝脏成像的体模研究中，与迄今为止使用的模型相比，这种新模型导致了显著改善的定量SoS重建。新模型作为准确诊断的先决条件的重要性在初步志愿者结果中得到证实。
2019-07-01 physics.med-ph
Coherent Multi-Transducer Ultrasound Imaging
扩展孔径具有极大地改善超声成像性能的潜力。这项工作通过相干复合从多个换能器接收的射频数据来扩展有效孔径尺寸。提出了一种由$N$同步矩阵阵组成的超声成像系统，每个阵具有部分共享的视场，轮流发射平面波。每次只有一个探头发送，而所有$N$探头同时接收。在不使用任何外部跟踪设备的情况下，实现了组合来自多个换能器的信息所需的亚波长定位精度。在这项研究中开发的方法是基于由相同的换能器接收到的背散射回波的研究，并导致在由系统的多个超声波探头的声介质中的目标散射体点。通过优化这些回波之间的互相关，推导出当前换能器位置以及介质中的声速。该方法在2-D使用超声点和无回声病变幻影和第一次演示的徒手实验也示出了实验证明。结果表明，相干多换能器成像具有改善超声图像质量，提高分辨率和目标可检测性的潜力。横向分辨率、对比度和对比噪声比分别从使用单个探头时的0.67 mm、-6.708 dB和0.702提高到相干多换能器成像情况下的0.18 mm、-7.251 dB和0.721。
2019-03-05 physics.med-ph
On the Echogenicity of Natural Starch-Based Blood Mimicking Fluids for Contrast Enhanced Ultrasound Imaging: Preliminary In-vitro Experiments
本文通过体外实验比较了玉米、马铃薯、木薯和小麦四种天然淀粉基血液仿体在不同浓度下的回声特性，发现马铃薯淀粉基BMF回声最高，并指出高浓度淀粉BMF可用于体外造影增强超声成像。
2024-03-10 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.med-ph
Learning-based Linear Inversion for Quantitative Pulse-Echo Speed-of-Sound Imaging
University of Bern（伯尔尼大学）
本文提出通过训练线性算子来减少速度-声速估计的偏差，通过模拟研究验证了其在肝脏成像中的有效性，且在实际数据中表现出良好的迁移性。
2026-04-22 physics.med-ph
Rhombic Grids Reduce the Number of Voxels in Fast Pulse-Echo Ultrasound Imaging
超快成像模式，如相干平面波复合（CPWC），捕获一个大的视野，在一个单一的脉冲回波测量使用并行接收聚焦。图像中的焦点的数量或等效地体积元素（体素）的数量确定图像形成的计算成本和存储器消耗。本文中，提出了120°菱形网格来指定体素位置并且与正交网格相比减少体素的数量。建议的网格来自二元采样定理和CPWC中的延迟求和算法形成的图像的光谱特性。体模实验验证了所提出的网格，并显示体素的数量减少了81.4%和14.7%相比，通常和最佳的正交网格，分别。平均结构相似性指数高于96.6%，相对均方根误差低于6.8%，证实了插值到通常的正交网格后所有图像的视觉等效性。
2022-12-21 eess.IV eess.SP 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
Spatio-temporal normalized cross-correlation for estimation of the displacement field in ultrasound elastography
本文介绍了一种新的技术来估计准静态弹性成像中的组织位移。弹性成像中的主要挑战是对压缩前和压缩后超声数据之间的位移的估计（也称为时间延迟估计）。由于其简单性和计算效率，最大化压缩前和压缩后图像的超声射频（RF）数据的归一化互相关（NCC）是用于应变估计的流行技术。已经发表了几篇论文来提高基于NCC的位移估计的精度和质量。所有这些方法都使用空间窗口来估计NCC，其中假定位移幅度在每个窗口内是恒定的。在这项工作中，我们沿着时域扩展这个假设，以利用空间和时间方向上的相邻样本。这一点很重要，因为传统和超快超声机器分别能够以超过30帧每秒（fps）和1000 fps的速度成像。我们称我们的方法时空归一化互相关（STNCC），并表明它大大优于NCC使用模拟，幻影和体内实验。
2018-04-15 eess.IV physics.med-ph
Pulse-echo speed-of-sound imaging using convex probes
回波模式的计算机超声断层扫描（CUTE）是一种新的基于超声（US）的医学成像模式，有望基于组织的声速（SoS）诊断各种类型的疾病。它是为使用手持式探头的传统脉冲回波US开发的，因此可以在最先进的医疗US系统中实施。一个有前途的应用是量化脂肪肝疾病中的肝脏脂肪分数。到目前为止，使用线性阵列探头证明了CUTE，其中成像深度与孔径大小相当。然而，对于肝脏成像，凸形探头是优选的，因为它们提供更大的穿透深度和更宽的视角，允许捕获肝脏的大面积。考虑到肝脏成像的目标，我们适应CUTE凸探头，特别注重讨论的策略，利用凸几何形状，以使我们的实施计算效率。然后，我们证明了在腹部成像体模，准确的定量SoS使用凸探头是可行的，尽管较小的孔径尺寸的图像面积相比，线性阵列。肝脏成像的初步体内结果证实了这一结果，但也表明，在真实肝脏中进行深度定量成像可能更具挑战性，这可能是由于与幻影相比，组织的复杂性增加。
2022-08-13 physics.med-ph
Vector Flow Imaging in Layered Models With a High Speed of Sound Contrast Using Pulse-Echo Ultrasound and Photoacoustics
The University of Auckland（奥克兰大学）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
本研究提出了一种基于折射校正的延迟求和算法，用于在具有高声速对比的分层模型中实现更准确的矢量流成像，适用于生物医学和非破坏性检测应用。
2025-12-16 eess.IV physics.med-ph
A Reconfigurable Pipelined-SAR ADC with Embedded Compression for Temporal Compressed-Sensing Ultrasound Imaging
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
该研究提出嵌入式压缩的可重构流水线SAR ADC，用于超声成像的RF数据时间压缩，在保留点目标几何的同时降低数据速率，且可通过压缩比权衡性能。
2026-09-01 eess.SP physics.med-ph
Multi-scale volumetric dynamic optoacoustic and laser ultrasound (OPLUS) imaging enabled by semi-transparent optical guidance
提出基于半透明光纤涂层的光声与激光超声（OPLUS）同步成像方法，利用单次激光脉冲实现多尺度三维高分辨率深层组织解剖、功能成像与心脏动态评估。
2023-04-09 physics.med-ph physics.optics
Burr, Lomax, Pareto, and Logistic Distributions from Ultrasound Speckle
经过100年的相干照明的散斑图案的理论处理，仍然有一些开放的问题的性质超声散斑从软血管组织。最近的一个假设是，分形分支脉管系统是负责占主导地位的回声模式，从器官，如肝脏。在这种情况下，圆柱形散射结构的分析安排在一个幂律分布的大小是有道理的。利用一个简单的回波强度模型和概率变换的基本规则，推导了考虑幅度、强度和幅度的自然对数的散斑一阶统计量。这些结果是由其他领域的统计文献中已经研究过的长尾分布给出的。从模拟和动物研究中给出的例子，这些初步数据的理论拟合支持作为一个合理的模型表征超声散斑统计的整体框架。
2020-04-24 eess.IV eess.SP physics.data-an
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
Sparse Delta Integration method for the calculation of spatiotemporal pressure fields of arbitrary ultrasound transducer geometries
Institute Physics for Medicine Paris, Inserm U1273, ESPCI Paris, PSL University, CNRS UMR 8063（巴黎医学物理研究所）
本文提出Sparse Delta Integration方法，实现了超声压力场模拟的高效计算，在保持高精度的同时，相对于Field II获得了显著加速，相关成果已集成至开源Python包eSDIva。
2026-08-28 math-ph math.MP physics.app-ph
MRI-Free CT-to-Ultrasound Skull Registration in Transcranial Focused Ultrasound using CMUT based Integrated Therapeutic and Imaging Arrays
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
提出一种无MRI的CT到超声颅骨配准框架，利用混合CMUT tFUS阵列结合治疗与成像，融合配准达到0.271毫米位移误差，支持全超声方法。
2026-10-07 physics.ins-det physics.med-ph
Deterministic Compressive Sampling for High-Quality Image Reconstruction of Ultrasound Tomography
一种众所周知的诊断成像模式，称为超声断层扫描，被迅速开发用于检测非常小的肿瘤，其尺寸小于入射压力波的波长，而没有电离辐射，与目前的黄金标准X射线乳房摄影相比。超声层析成像是基于逆散射技术，利用材料的声衬度或声衰减特性来检测微小目标。基于一阶玻恩近似的畸变玻恩迭代法（DBIM）是一种有效的衍射层析方法。将压缩感知（CS）技术应用于超声层析成像的探测几何配置中，作为提高图像重建质量的有力工具。然而，这种配置在实践中很难实现。受确定性CS硬件实现的启发，本文提出在检测几何结构中引入混沌测量，并利用L1正则化实现图像重建过程。仿真结果表明，该方法具有很高的性能，归一化误差约为90%，相比传统的方法。此外，在相同的质量，我们可以节省一半的测量数量，只有两个迭代时，使用所提出的方法。
2015-08-04 physics.med-ph
3-D Coherent Multi-Transducer Ultrasound Imaging with Sparse Spiral Arrays
相干多换能器超声（CoMTUS）通过多个阵列的相干组合产生扩展的有效孔径，从而产生具有增强的分辨率、扩展的视场和更高的灵敏度的图像。相干波束形成数据所需的多个换能器的亚波长定位精度通过使用从目标点反向散射的回波来实现。在这项研究中，CoMTUS首次在3-D成像中使用一对256个元件的2-D稀疏螺旋阵列实现和演示，该阵列保持低通道数并限制要处理的数据量。该方法的成像性能进行了研究，使用模拟和幻影测试。实验证明了自由手操作的可行性。结果表明，在一个单一的密集阵列系统相比，使用相同的总数量的有源元件，所提出的CoMTUS系统提高了空间分辨率（高达10倍）的方向，其中两个阵列对齐，对比度噪声比（CNR，高达30%），和广义CNR（高达11%）。总体而言，CoMTUS显示出更窄的主瓣和更高的对比度噪声比，这导致了更大的动态范围和更好的目标检测能力。
2022-11-06 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
A General Framework for Inverse Problem Solving using Self-Supervised Deep Learning: Validations in Ultrasound and Photoacoustic Image Reconstruction
医学成像中的图像重建过程可以看作是求解逆问题。反问题通常使用具有稀疏性或其他约束的耗时迭代算法来求解。最近，人们开发了基于深度神经网络（DNN）的方法来加速逆问题求解过程。然而，这些方法通常采用监督学习方案，其需要用于训练的基础事实或解决方案的标签。在许多应用中，获得地面实况（ground truth）将是具有挑战性的，甚至是不可能的，例如超声波束成形中的组织反射率函数。在这项研究中，提出了一个一般框架的基础上自监督学习（SSL）计划训练DNN解决逆问题。通过这种方式，测量值可以在DNN的训练期间用作输入和标签。所提出的SSL方法被应用于四个典型的线性反问题进行验证，即，平面波超声和光声图像重建、基于压缩传感的合成发射孔径数据集恢复和超声定位显微镜中的去卷积。结果表明，与传统方法相比，使用所提出的框架，训练的DNN可以在减少计算时间的情况下实现更高的重建精度。
2021-10-28 physics.med-ph
Design and fabrication of ultrasound linear array transducer used in ultrasound endoscope
本文构建基于TI EVM的32通道超声成像平台，并设计制造64阵元、5 MHz相控阵线阵超声内窥镜探头。
2025-07-24 cs.SY eess.SY physics.med-ph
Xampling in Ultrasound Imaging
新医疗技术的最新发展对超声成像系统在图像质量和原始数据大小方面提出了具有挑战性的要求。传统的采样方法导致非常大量的数据，因此，增加了对处理硬件的要求，并限制了后处理阶段的灵活性。在本文中，我们采用压缩感知（CS）技术模拟超声信号，最近开发的Xcandidate框架。结果是系统的采样率显著降低，这又意味着数据大小显著降低，同时保持所得图像的质量。
2011-04-28 cs.IT math.IT 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
Super-Resolved Microbubble Localization in Single-Channel Ultrasound RF Signals Using Deep Learning
University of Twente（特文特大学）；INRIA（法国国家信息与自动化研究所）
近年来，超声定位显微镜（ULM）的超分辨率超声成像受到了广泛关注。然而，ULM依赖于血管中低浓度的微泡，最终导致长的采集时间。在这里，我们提出了一种替代的超分辨率方法，基于直接反卷积的单通道超声射频（RF）信号与一维扩张卷积神经网络（CNN）。这项工作的重点是低频超声（1.7 MHz）的单分散微泡（测量体积中高达1000个微泡，对应于94%的平均回波重叠）的密集云的深度成像（10 cm）。数据是用模拟器产生的，该模拟器使用大范围的声压（5-250 kPa），并捕获共振的脂质涂层微泡的完整的非线性响应。该网络是用一种新的双损失函数训练的，该函数具有分类损失和回归损失的元素，并提高了输出的检测定位特性。而施加定位容差为0会产生较差的检测度量，施加对应于波长的4%的定位容差会产生0.90的精确度和召回率。此外，检测随着声压的增加而改善，并且随着微泡密度的增加而恶化。所提出的方法的超分辨率超声成像的潜力证明了延迟和总和重建与反卷积的元素数据。所得到的图像显示了一个数量级的轴向分辨率的增益相比，未处理的元素数据的延迟和总和重建。
2022-04-09 cs.LG physics.med-ph
Inverse Problem Approach to Aberration Correction for in vivo Transcranial Imaging Based on a Sparse Representation of Contrast-enhanced Ultrasound Data
Polytechnique Montréal（蒙特利尔高等理工学院）；Université de Montréal（蒙特利尔大学）；Montreal Heart Institute（蒙特利尔心脏研究所）
针对经颅超声成像受颅骨像差限制的问题，提出像差校正反问题方法IPAC，利用微泡信号稀疏性构建正向模型并采用最小二乘反演校正像差，显著提升了CEUS和ULM图像的对比度与分辨率。
2025-03-26 eess.IV physics.med-ph
A Novel Low-Rank Tensor Method for Undersampling Artifact Removal in Respiratory Motion-Resolved Multi-Echo 3D Cones MRI
本研究提出一种低秩张量方法，通过构建三阶图像张量利用低秩结构去除呼吸运动分辨多回波3D锥形MRI的欠采样伪影，在志愿者与患者实验中验证有效，且重建速度比常规压缩感知方法至少快三倍。
2023-05-01 eess.IV physics.med-ph
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
Speed-of-Sound Imaging using Diverging Waves
基于超声计算机断层成像的最新超声成像模式表明，由于生物力学特性的改变，检测组织病理的巨大潜力。特别是组织中的声速（SoS）分布的成像已经显示出临床前景，因此在该领域中获得了越来越多的关注-基于透射模式层析成像提出了几种方法。使用传统超声（US）系统的SoS成像对于临床翻译来说是方便和容易的，但这需要使用具有单侧组织进入的传统US探头，因此需要使用脉冲回波成像序列。最近的脉冲回波SoS成像方法依赖于平面波（PW）声穿透，这对于非均匀的组织成分而言易于产生强的像差效应。在本文中，我们建议使用发散波（DW）的SoS成像，从而大大提高重建的SoS分布。我们通过与DW相比的第一平面波前像差来研究这一命题。然后，我们提出了这两种方法的敏感性，主要参数化选择一组模拟幻影。针对给定的换能器模型和成像序列，使用每种方法的最佳参数组合，我们比较分析了两种方法之间的SoS成像性能。结果表明，使用DW代替PW，重建精度大大提高，重建误差（RMSE）超过22%，对比度（CNR）超过55%。我们还证明了从一个实际的美国收购的乳房体模与肿瘤和囊肿的代表性夹杂物，高和低的SoS对比度，分别在SoS重建的改善。
2019-10-14 eess.IV eess.SP physics.med-ph
