超声断层扫描（ultrasound computed tomography, USCT）是快速发展的安全、有效的高分辨率生物组织成像技术。USCT使用环形换能器阵列对目标物进行观测，再根据记录的透射、反射散射等观测数据使用全波形反演算法重建目标物的声参数。精准的参数图像重建依赖准确的声源模型知识。传统的指向性测量利用水听器对发射换能器进行扫场测量，对多阵元的大型阵列工作量较大且难以实现。
为此，中国科学院声学研究所超声学实验室博士生武小晴与其导师林伟军研究员、李玉冰副研究员等人提出了USCT阵列指向性自适应评估的新思路。他们首先利用全矩阵采集模式获取环阵在无目标物时的数据，再将发射探头用权重可变的虚拟阵列代替，计算此时的阵列接收数据。根据计算的接收数据和实际观测数据之间的差值，利用梯度下降的局部优化算法更新虚拟阵列的权重，从而在正演仿真中实现和真实指向性一致的声源的加载。在此基础上，该研究团队搭建了基于多通道电路和512阵元的环形阵列超声断层成像实验平台，对软组织体模进行了实验数据采集、声源指向性评估和声速参数图像重建。相关成果在线发表于国际声学期刊Ultrasonics。
图1 超声断层扫描实验装置及软组织体模（图/中国科学院声学研究所）
软组织体模的声速参数重建结果如图2所示，体模内外边缘清晰，尺寸和真实尺寸一致。一些已知特征也被成功重建，此外三点钟方向内部孔洞周围的一些破裂和小块脱落也在成像结果中清晰可见。该研究基于实验数据对软组织体模进行定量成像，分辨率可达亚毫米级。
图2 软组织体模声速重建结果（图/中国科学院声学研究所）
该研究得到中国科学院声学研究所自主部署“目标导向”类项目(No.MBDX202113)的资助。
关键词：
声源指向性校正 超声断层扫描 定量成像
参考文献：
Wu xiaoqing, Li Yubing, Su Chang, Li Panpan, Wang Xiangda, Lin Weijun, Ultrasound computed tomography based on full waveform inversion with source directivity calibration, Ultrasonics, 2023, 107004. DOI: 10.1016/j.ultras.2023.107004
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