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
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
Four-Dimensional Computational Ultrasound Imaging of Brain Haemodynamics
针对大脑四维超声成像的时空采样难题，提出计算超声成像（cUSi）方法，利用复杂超声场与物理波预测模型缓解采样约束，实现对清醒和麻醉小鼠脑血流动力学的高分辨率四维成像。
2023-10-13 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
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
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
3-D Super-Resolution Ultrasound (SR-US) Imaging using a 2-D Sparse Array with High Volumetric Imaging Rate
迄今为止，通过用线性探头机械扫描体积、通过共同对准多个线性探头、通过使用多路复用的3-D临床超声系统或通过使用3-D超声研究系统，已经在3-D中实现了超分辨率超声成像。在这项研究中，一个二维稀疏阵列的设计与512个元素，根据密度锥形二维螺旋布局和优化，以减少旁瓣的发射波束轮廓。使用两个同步的ULA-OP 256系统进行复合平面波的高帧率体积成像。两个接触的亚波长管的基于定位的3-D超分辨率图像从120秒的采集中生成。
2019-02-05 physics.med-ph
Pixel-reassignment in Ultrasound Imaging
我们提出了一个适应的像素重新分配技术，从共聚焦荧光显微镜相干超声成像。该方法，超声像素重新分配（UPR），提供了一个分辨率和信噪比（SNR）的改善，超声成像通过计算重新分配使用传统的平面波复合超声采集的离焦信号。我们从理论上分析了像素重分配的光学和超声实现之间的相似性，并通过实验评估了仿组织声学体模的成像质量。我们证明了UPR在体外扫描中提供了$25\%$分辨率的改善和$3dB$ SNR的改善，而没有任何硬件或采集方案的变化。
2022-01-24 eess.IV physics.med-ph
Ergodic encoding for single-element ultrasound imaging in vivo
提出遍历中继超声成像ERUI，利用遍历腔的独特时间特征编码散射体位置，使单个超声传感器即可获得与传统多阵元方案相当的图像质量。
2023-08-17 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
SIMUS: an open-source simulator for ultrasound imaging. Part II: comparison with three popular simulators
计算超声成像已经成为超声界的一种成熟方法。在随附的论文（第一部分）中，我们描述了一个新的超声模拟器（SIMUS）的Matlab，它属于Matlab的UltraSound（MUST）。SIMUS可以生成压力场和射频RF信号，用于医学超声成像的模拟。它工作在谐波域，并使用来自远场和近轴近似的线性方程。在这篇文章（第二部分）中，我们说明了SIMUS如何与三种流行的超声模拟器（Field II，k-Wave和Verasonics）进行均匀介质的比较。我们设计了不同的发射序列（聚焦，平面和发散波前），并计算了相应的2-D和3-D（仰角聚焦）RMS压力场。SIMUS产生的压力场与Field II和k-Wave相似。Verasonics模拟器提供的声场与SIMUS和k-Wave的声场有显著差异，但总体外观保持一致。我们的模拟倾向于证明SIMUS是可靠的，可以与Field II和k-Wave一起用于逼真的超声模拟。
2021-09-29 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
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
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
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
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
In vivo Adaptive Focusing for Clinical Contrast-Enhanced Transcranial Ultrasound Imaging in Human
以高空间和时间分辨率对人脑血管进行成像在当今的临床中仍然具有挑战性。经颅超声几乎不用于脑血管成像，这是由于低灵敏度和由颅骨引起的强相位畸变，即使使用超声造影剂注射（微泡），也只能进行主要脑血管成像。在这里，我们提出了一种自适应像差校正技术的颅骨像差的背散射信号来自静脉注射微泡的基础上。我们的像差校正技术被实施为通过颞和枕骨窗口对成年人的脑血管系统进行成像。对于每个病人，一个有效的声速，以及一个相位像差的配置文件，确定在几个等晕补丁遍布图像。该信息随后被用于波束成形过程。它提高了超快多普勒成像和超声定位显微镜（ULM）的图像质量，特别是在厚骨窗的情况下。对于超快多普勒图像，对比度平均增加了4dB，对于ULM，检测到的微泡轨迹数量增加了38%。因此，这项技术有望更好地诊断和随访脑病变，如动脉瘤或中风，并可能使经颅超声成像，即使在特别难以成像的患者。
2022-10-06 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
Dual-Mode Volumetric Optoacoustic and Contrast Enhanced Ultrasound Imaging with Spherical Matrix Arrays
球形矩阵阵列可以说代表了一种有利的断层成像检测几何形状，用于血管网络的非侵入性深部组织映射和体积光声断层成像（VOT）的氧合。由于球形阵列的相对大的元件间间距，VOT与超声（US）成像的混合在这种配置下仍然很困难。我们提出了一种新的方法相结合的VOT和美国对比增强成像采用注射临床批准的微泡。能量多普勒（PD）和US定位成像采用稀疏US采集序列和基于全变差下卷积（ICTV）正则化的基于模型的反演。在组织模拟体模和小鼠体内的实验证明了新的双模式成像系统的强大功能，用于血流速度映射和解剖成像，具有增强的分辨率和对比度。
2021-01-03 physics.med-ph
3-D Motion Correction for Volumetric Super-Resolution Ultrasound (SR-US) Imaging
在所有医学成像模态中，图像采集期间的运动会导致图像退化。这在2-D超声成像中特别相关，因为平面外运动只能补偿小于换能器的仰角波束宽度的运动。基于定位的超分辨率成像由于需要大量的采集来形成单个超分辨率帧而产生甚至更具挑战性的运动校正任务。在本研究中，我们提出一种延伸的两阶段运动校正方法来进行三维运动校正。使用手持式探头对高容积率超声采集进行运动估计。所提出的方法的能力进行了演示与3-D微血管流动模拟，以补偿手持探头运动。结果表明，两阶段运动校正方法将平均定位误差从136微米降低到18微米。
2019-02-05 physics.med-ph
Acousto-electrical speckle pattern in Lorentz force electrical impedance tomography
超声散斑是超声成像中出现的一种颗粒状纹理图案。它可用于区分组织和识别病理。洛伦兹力电阻抗断层成像是一种基于超声的组织电导率医学成像技术。它是基于超声波在置于磁场中的介质中的应用以及由于洛伦兹力而引起的感应电流的测量。与超声成像类似，我们假设可以用洛伦兹力电阻抗断层成像观察到斑点。在这项研究中，我们首先评估的理论相似性之间的测量信号在洛伦兹力电阻抗断层扫描和超声成像模式。然后，我们实验比较了在这两种方法中使用的声阻抗和电阻抗接口测量的信号。最后，使用这两种方法对牛肌肉样品进行成像。观察到类似的散斑图案。这表明在具有由声学参数驱动的空间特性的洛伦兹力电阻抗断层成像中存在“声-电散斑”，但这是由于电阻抗不均匀性而不是超声成像的情况下的声学不均匀性。
2015-06-18 physics.med-ph
Exploration and Comparison: Development and Implementation of Multiple Ultrasound Imaging Modalities
本文系统研究并实现了线阵、内窥和平面波三种超声成像模态，涵盖仿真处理、算法实现与真实数据验证，以深化对成像原理和流程的理解。
2025-07-21 cs.SY eess.SY 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
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
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
Photoacoustics meets ultrasound: micro-Doppler photoacoustic effect and detection by ultrasound
近年来，光声技术在解剖学和功能生物医学成像领域引起了广泛的研究。然而，光声产生的内源性波和外源性超声波之间的物理相互作用在很大程度上是一个未开发的领域。在这里，我们报告的光声和外部超声波的相互作用，导致微多普勒光声（mDPA）效应，这是实验观察和一致建模的初步结果。它基于用脉冲激光和连续波（CW）超声在目标上的同时激发。热弹性引起的膨胀将调制CW超声并导致瞬态多普勒频移。所报道的mDPA效应可以被描述为通过光声振动对强CW超声载波进行频率调制。该技术可以打开的可能性，灵敏地检测光声振动的深光学和声学散射介质，避免了现有的最先进的脉冲光声成像系统中存在的声学失真。
2014-12-23 physics.ins-det physics.med-ph physics.optics
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
Transcranial ultrasound simulations: a review
经颅超声越来越多地用于大脑的治疗和成像。然而，颅骨是一种高度衰减和畸变的介质，在样品之间甚至在样品内具有不同的结构和声学特性。因此，需要特定病例的模拟来安全地进行经颅聚焦超声介入。在这篇文章中，我们提供了一个审查的不同方法来模拟颅骨和模拟超声传播通过它。
2022-07-25 physics.med-ph
SIMUS: an open-source simulator for medical ultrasound imaging. Part I: theory & examples
背景和目的：计算超声成像已成为一个完善的方法，在超声界。超声序列和图像的模拟允许在发射策略、波束形成和探头设计方面研究创新技术。有很多专用于超声成像的软件，每个软件在其应用和数值方法方面都有其特殊性。方法：我们在这两部分的文件中描述了一个新的超声模拟器（SIMUS）的MATLAB，它属于MATLAB超声模拟器（MUST）。SIMUS软件模拟均匀线性或凸形探头的声压场和射频RF信号。SIMUS是一个开源软件，其特点是1）易于使用，2）时间谐波分析，3）教学。主要目标是提供一个全面的交钥匙工具，以及用于教学和研究目的的详细理论。结果如下：本文详细介绍了SIMUS的基本线性理论，并提供了模拟声场和超声图像的例子。随附的文章（第二部分）专门比较SIMUS与几种软件：Field II、k-Wave、FOCUS和Verasonics模拟器。模拟器SIMUS的MATLAB开放代码是在GNU Lesser General Public License的条款下发布的，可以从https://www.biomecardio.com/MUST下载。结论：在所附文件（第二部分）中描述的模拟表明，SIMUS可以用于医学超声成像的逼真模拟。
2022-03-07 eess.SP 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
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
Artificial Intelligence in Quantitative Ultrasound Imaging: A Review
定量超声（QUS）成像是一种可靠、快速和廉价的技术，用于提取用于评估病理的物理描述性参数。尽管其安全性和有效性，但QUS存在几个主要缺点：成像质量差，观察者间和观察者内的变异性妨碍了测量的再现性。因此，迫切需要开发自动化方法来提高QUS的成像质量和辅助测量。近年来，人们对超声成像中的人工智能（AI）应用越来越感兴趣。然而，还没有研究发现调查QUS中的AI使用。本文的目的是回顾最近的研究，人工智能应用在QUS。本文首先介绍了人工智能的工作流程，然后讨论了QUS中的各种人工智能应用。最后，讨论了QUS中的挑战和未来潜在的人工智能应用。
2020-03-25 eess.IV 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
In Vivo Assessment of Hypertensive Nephrosclerosis Using Ultrasound Localization Microscopy
目的：高血压性肾硬化（hypertensive nephrossclerosis，HN）是一种以慢性肾脏微血管损害为特征的高血压病常见综合征，是一种典型的慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）。由于固有的衍射极限，使用常规超声成像进行微血管损伤的早期诊断在灵敏度和特异性方面遇到挑战。超声定位显微镜（ULM）已被开发用于获得肾脏内的微血管和微血管血流动力学，并将成为早期诊断CKD的有前途的工具。研究方法：在这项研究中，ULM的优势，传统的临床检查（血清和尿液测试）和超声成像（多普勒和对比增强超声成像）的早期诊断HN进行了调查。对6只10周龄自发性高血压大鼠（SHR）和5只正常WKY大鼠进行了检查。结果如下：实验结果表明，常规临床检查和超声成像得出的指标高血压大鼠PSV、EDV、RI、RT、IMAX、mTT和AUC与正常大鼠相比无显著性差异（p > 0.05），而从CEUS得到的TTP ULM源SHR动脉平均血流速度显著高于WKY大鼠（p < 0.01）。结论：定量结果显示ULM比常规临床检查和超声成像具有更高的敏感性。ULM有望成为早期诊断HN的可靠方法。
2021-10-05 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
Morphology-, Noise-, and Resolution-Robust Ultrasound Elasticity Imaging with Fourier Neural Operators
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)（韩国科学技术院）；KAIST InnoCORE PRISM-AI Center, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)（韩国科学技术院 KAIST InnoCORE PRISM-AI 中心）
本研究利用傅里叶神经运算符提升超声弹性成像在形态、噪声和分辨率方面的鲁棒性，验证其在临床应用中的潜力。
2026-01-21 physics.med-ph
A low-cost, arduino-like dev-kit for single-element ultrasound imaging
超声成像正在开发一个开源生态系统，特别是软件框架。在开放硬件方面几乎没有。因此，重点放在生产易于使用的技术（硬件和软件）套件，以允许任何人-科学家，学者，黑客，制造商以低成本在家中进行超声成像的实验设置，而不需要特定的设备。为此，开发了开源的类似arduino的模块来构建一个简单但完整的单通道模拟前端系统，其中所有中间信号都可以由用户轻松访问。单通道架构允许避免波束形成头，尽管它限制了所获得的图像的质量，并且为系统带来了鲁棒性。此外，复杂的RF处理被转移到模拟侧，限制了最终图像的质量。这些都与重新用途的超声机械扫描头，以及重新用途的医学成像换能器进行了测试，并提供了有趣的图像。此外，此类模块还可用于射频项目、非破坏性项目、低成本医学成像项目。
2017-02-13 physics.ins-det physics.med-ph
Increased SNR in acousto-optic imaging via coded ultrasound transmission
声光成像（AOI）是一种非侵入性的方法，它使用声学调制来映射生物组织内的光通量。在许多AOI实现中，超声脉冲用于时间选通测量以执行深度分辨成像，而不需要机械扫描。然而，为了实现高轴向分辨率，需要使用具有很少周期的超声脉冲，这限制了调制强度。在这封信中，我们开发了一种基于脉冲的AOI的新方法，其中使用编码超声传输。在编码传输AOI（CT-AOI）中，可以实现对应于单个周期的轴向分辨率，但是具有缩放为周期数的平方根的信噪比（SNR）。使用CT-AOI与79个周期，我们的实验表明，超过4倍的SNR增加相比，单周期AOI计划。
2020-04-16 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
Thermostatic Hyperthermia with Non-invasive Temperature Monitoring through Speed of Sound Imaging
热疗（HT）是通过高温加热来治疗疾病，通常与化疗和放疗等其他医学治疗方法结合使用。在这项研究中，我们提出了一种有前途的肿瘤热疗方法，使用高强度聚焦超声（HIFU）的临床肿瘤治疗结合诊断超声图像引导和无创温度监测通过声速（SOS）成像。HIFU加热是由256个单元的环形超声换能器阵列实现的。通过B型超声成像获得大腿组织的内部结构信息。由于不同人体组织中的温度和SOS之间的关系是可用的，因此将温度检测转换为通过全波反演（FWI）方法获得的SOS检测。仿真结果表明，我们的模型可以实现预期的肿瘤靶区的最大温度波动0.2度，持续5小时的低温热疗。该研究验证了所提出的热疗模型的可行性。此外，温度测量可以共享同一超声换能器阵列，用于HIFU加热和B型超声成像，这为临床应用提供了指导意义。
2021-09-13 physics.med-ph
PRETUS: A plug-in based platform for real-time ultrasound imaging research
我们介绍了PRETUS -一个基于插件的实时超声软件平台，用于实时超声图像分析和操作员支持。该软件是轻量级的;功能通过独立的插件引入，可以按顺序排列。该软件允许捕获来自几乎任何超声机器的实时超声图像流，应用计算方法并实时显示结果。插件可以并发运行，而不会相互阻塞。它们可以在C++和Python中实现。可以为每个插件实现图形用户界面，并以紧凑的方式呈现给用户。该软件是免费和开源的，并允许快速原型和测试的实时超声成像方法在一个不可知的方式。该软件提供了输入、输出和处理插件，以及说明如何为PRETUS开发新插件的教程。
2021-09-14 cs.SE 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
SUSHI: Sparsity-based Ultrasound Super-resolution Hemodynamic Imaging
识别和可视化器官和肿瘤内的脉管系统在管理心血管疾病和癌症方面具有重要意义。对比增强超声扫描检测缓慢流动的血液，促进非侵入性灌注测量。然而，它们有限的空间分辨率阻止了对微血管结构的描绘。最近，超定位超声技术已经超过了这个极限。然而，它们需要几分钟的长采集时间，从而阻止了血流动力学变化的检测。我们提出了一种快速的超分辨率方法，利用稀疏性在底层血管和测量信号内的统计独立性。与超定位技术类似，与标准扫描相比，这种方法将空间分辨率提高了一个数量级。与超定位方法不同，它只需要几十毫秒的采集时间。我们展示了25Hz的时间分辨率，这可以使组织内的功能超分辨率成像，超越当前超分辨率方法的时间分辨率限制，例如在神经成像中。亚秒级采集使我们的方法对运动伪影具有鲁棒性，简化了超分辨率超声的体内使用。
2018-09-17 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
UNICORN: Ultrasound Nakagami Imaging via Score Matching and Adaptation
Kim JaeChul Graduate School of AI, KAIST（金在哲人工智能研究生院，韩国科学技术院）
针对现有超声Nakagami成像方法窗口选择难、估计不稳定、分辨率低的问题，提出UNICORN方法，通过超声包络分数函数实现闭式Nakagami参数估计，实验验证其在精度和分辨率上优于传统方法。
2024-03-10 cs.AI cs.CV cs.LG
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
Learning beamforming in ultrasound imaging
Technion, Israel（以色列理工学院）；University of Waterloo, Canada（滑铁卢大学）
医学超声（US）是一种广泛使用的成像方式，这是由于其成本效益、便携性、速度和缺乏有害电离辐射而受到欢迎。在本文中，我们证明了用数据驱动的、可学习的对应物取代传统的超声处理管道可以显著提高图像质量。此外，我们证明了通过基于学习的设计的传输光束图案，同时学习图像重建管道，可以实现更大的改善。我们评估了我们的方法在体内的第一谐波心脏超声数据集从志愿者获得，并证明了学习的管道和传输波束模式的图像质量相比，标准的发射和接收波束形成器在高帧速率US成像的意义。我们相信，所提出的方法提供了一个从根本上不同的角度对经典问题的超声波束图案设计。
2020-04-05 cs.CV eess.IV physics.med-ph
