用于弹性成像的声学抗衍射自适应轮廓技术

高自由度的声束整形对于超声成像、声学调节和刺激至关重要。相对于其传播路径完全调节声压分布的能力仍有待实现。

在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，谷宇阳和美国马萨诸塞州总医院放射科的科学家团队描述了一种声学抗衍射自适应轮廓技术，可生成具有所需轮廓的传播不变光束。

为了实现这一目标，他们利用波数和波束复用来开发通用框架，并使用线性阵列超声换能器创建高度灵活的波束。设计的声束通过补偿衰减来维持材料中的声束轮廓。

科学家们表明，剪切波弹性成像是一种重要的方式，可以从评估组织机械性能的方法中受益。总之，该技术克服了声束整形的现有限制，适用于医学、生物学和材料科学等多种应用。

声梁

对塑造所需声束的兴趣在生物医学成像、传感和粒子操纵方面有着广泛的应用。这种声束方法受到控制波传播的基础物理学的启发，有利于包括生物学和生物医学工程在内的多学科领域。

迄今为止，研究人员已经考虑了一类被称为传播不变或非衍射光束的声束。经典的传播不变光束包括贝塞尔光束、艾里光束、马蒂厄光束和韦伯光束;每个都具有独特的功能，可在光学研究中广泛应用。

例子包括光镊、超分辨率成像和纳米级材料处理。声束贝塞尔适用于电信和声学镊子，其中声学空气束可以有效地绕过波传播路径中的任何障碍物。

生成声学抗衍射自适应轮廓技术(ADAPT)

在这项工作中，Gu及其同事描述了一种生成传播不变声束的通用框架，称为声学抗衍射自适应轮廓技术(ADAPT)，以实现任意纵向压力分布。科学家们首先介绍了叠加贝塞尔光束的基本概念，以通过线性阵列换能器实现光束整形。

虽然传统的聚焦光束仅在光束焦点深度处提供有限的有效成像区域，但该方法产生具有用户定义的感兴趣区域的光束，以获得更高精度的扩展成像区域。

塑造传播不变声束

有两种行之有效的方法来塑造声束。一种方法旨在通过结合预定义的单焦点位置和声源信息来经典地塑造聚焦光束。另一种方法旨在将已知的压力或相位分布函数(包括贝塞尔函数)直接映射到声源中的每个像素。两种方法都适合调节梁的纵向声学剖面。

本文引入的ADAPT方法(声学抗衍射自适应轮廓技术)将两种方法结合起来，将预定义的声束分离为多个具有不同波数和系数的贝塞尔光束。具有示例预定义压力分布的基于ADAPT的梁的示意图包括一个随机的三部分高压区域，该区域被定义为“隔离”且传播不变的模式。

一组贝塞尔光束形成最终光束，因此非衍射光束通过波干涉显着降低了所需高压区域之外的压力。通过将光束分成多个加权贝塞尔光束，Gu和团队对每个像素或元素的幅度和相位分布进行插值，以连贯地总结应用于声换能器的最终幅度和相位。

该团队展示了如何灵活地拉伸、压缩或分割基于ADAPT的声束轮廓，以在不同的轴向位置生成声束。

光束复用

该团队发现，使用单个多元素声波同时生成所需的贝塞尔光束具有挑战性。与使用多个透镜和光掩模组合产生的传播不变激光束不同，声传播不变波保持较窄的空间频率带宽，这对应于有限的空间调制能力。因此，Gu和团队使用复用方法生成具有所需特征的基于ADAPT的光束。

在其作用机制中，科学家们通过使用换能器的总谱带宽同时产生具有不同波数的多个声束，将波束与阵列元件尺寸的最高横向空间频率要求对齐。

频率、节距和元件尺寸的变量影响横向和轴向波数，从而影响声束的空间带宽。频率越高，波束越窄，分辨率越高，穿透深度有限，而频率越低，波束越宽，穿透力增强，但分辨率较低。Gu和同事调整了间距和元件尺寸来调节空间分辨率，从而实现更广泛的光束生成可能性。

通过ADAPT生成自适应剪切波

当声波在材料内部传播时，会产生声辐射力。这种辐射力与在介质中传播的声波的动量变化率成正比。

顾和团队展示了声束的脉冲激励如何诱发瞬态横向传播的剪切波，其形状取决于声束的几何形状。这种剪切波速度与介质的弹性特性成正比，使研究人员能够使用Verasonics研究扫描仪在模仿组织的模型内进行实验。该团队调节了具体的输入参数，包括光束中心位置和长度，以实现所需的线形轮廓。

外表

通过这种方式，YuyangGu及其同事描述了一种称为声学抗衍射自适应轮廓技术(ADAPT)的方法，用于生成传播不变声束。这种光束可以通过使用贝塞尔光束复用的单个线性阵列换能器来生成。

该方法提供了高度的自由度来调节纵向声能，并在各种应用中优化该方法。基于ADAPT的光束的非衍射特性允许声束材料中的声衰减和衍射，从而在传播过程中有效地保持所需的轮廓。

Gu和同事建议引入各种附加功能，以增加其应用，包括适用于医学成像、声纳和声学镊子的剪切波弹性。

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