信息学院蔡夕然课题组提出基于螺旋波谱传播的快速被动空化成像新方法

基于声空化效应的聚焦超声治疗方法，可非侵入地暂时性开放生物屏障（例如，血-脑屏障、血管-肿瘤屏障），促进药物在病灶内富集，或碎片化清除病变组织（如肿瘤），在脑疾病和肿瘤疾病的治疗中有重要的应用价值。被动空化成像是可视化声空化活动，确保治疗安全和有效的关键技术。当前，被动空化成像主要基于逐像素点对超声信号延时求和的波束形成方式重建图像，在需要使用凸阵探头进行大视野范围成像的场景中面临着算法复杂度过高的问题。

为解决这个难题，信息科学与技术学院智能医学信息研究中心（SMIRC）蔡夕然课题组提出了一种新型的基于螺旋波谱传播的快速被动空化成像方法，实现了毫秒级的图像重建速度。在柱坐标下，该方法首先计算凸阵探头所在柱面测量的螺旋波谱，并利用已知的传递函数依次向外传播计算其他柱面的螺旋波谱，每次传播可计算一个柱面的时谐声场，实现图像的快速重建（图1），并在仿真和离体实验中得到了验证。

图1基于螺旋波谱传播的快速被动空化成像方法概述。

此外，该方法具有频率选择性，可以通过选择不同频率成分重建图像，实时绘制不同空化状态（稳态或惯性空化）的微气泡活动的时空分布。基于该方法的快速成像能力，本工作将其与传统B超成像相结合形成双模态成像方法，在肝脏仿体实验中展示其在大视野场景下实时定位和监测微泡声空化活动所在解剖位置的能力（图2）。该方法可以应用于使用凸阵探头实时监测声空化活动的场景中，为声空化治疗技术形成安全、高效、可靠的治疗方案积累关键技术。

此项工作由上海科技大学独立完成，得到了学校机电能源与电子器件科研平台的大力支持。该研究成果以“Passive Acoustic Mapping for Convex Arrays with the Helical Wave Spectrum Method”为题在线发表于医学影像领域知名期刊IEEE Transactions on Medical Imaging。信息学院2022级博士研究生朱卉为第一作者，2022级硕士研究生曾一为共同作者，蔡夕然教授为通讯作者。

全文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10387410

图2 被动空化成像与B超结合的双模态成像方法监测肝脏仿体中的声空化活动情况。HWS：螺旋波谱法；FD-DAS：频率域延时求和法；TD-DAS：时域延时求和法。