通过熵驱动设计双频多段阵列，提高深部组织光声成像中的轴向分辨率均匀性

《Ultrasonics》：Improving axial resolution uniformity in deep-tissue optoacoustic imaging via entropy-driven design of dual-frequency multi-segment arrays

本研究提出双频多段换能器阵列（DF-MSTA），通过k空间分析与加权熵（WE）指标优化深部组织光学声成像的轴向分辨率。实验表明，DF-MSTA在3MHz和7.5MHz组合下，较单频7.5MHz的阵列轴向分辨率提升达23.8%，并显著降低分辨率随深度衰减的幅度。

　　在医学影像领域，研究人员一直在寻求一种能够兼顾成像深度与分辨率的技术手段。光声成像（Optoacoustic Imaging, OA）作为一种新兴的生物医学成像技术，结合了超声成像的高空间分辨率与光学成像的高对比度，能够提供关于生物组织的结构和功能信息。然而，传统的光声成像系统在成像深度与分辨率之间存在固有的权衡关系，低频信号可以穿透更深的组织，但分辨率较低；而高频信号则能够提供更精细的结构信息，但穿透深度受限。为了解决这一问题，研究者提出了多频率或双频率换能器的设计理念，以在不同深度和分辨率之间取得平衡。

本文中，研究团队引入了一种新的双频率多段换能器阵列（Dual-Frequency Multi-Segment Transducer Array, DF-MSTA），结合了3 MHz和7.5 MHz两个频率段。这种设计不仅考虑了频率的选择，还充分整合了换能器阵列的几何结构，从而优化了成像性能。通过k空间分析和加权熵（Weighted Entropy, WE）度量，研究者建立了一个定量框架，用于评估换能器频率配置和几何结构对方向分辨率的影响。k空间是图像的傅里叶变换域，它包含了从低频到高频的全部空间频率信息。在k空间中，低频部分对应于图像的整体结构和广域的强度变化，而高频部分则与细节和边缘有关。因此，通过合理设计换能器的频率配置和几何结构，可以在不同深度上实现更均匀和更精细的成像效果。

在模拟实验中，研究团队使用了k-Wave MATLAB工具箱对不同频率响应的换能器阵列进行了建模和仿真。结果显示，DF-MSTA在不同深度上均表现出优于单频率换能器阵列（Single-Frequency MSTA, SF-MSTA）的轴向分辨率，最高提升了23.8%。这一结果不仅验证了k空间分析的预测，也表明加权熵度量能够有效量化换能器设计对成像性能的影响。实验部分进一步通过制作实际的DF-MSTA阵列，并进行幻象实验，验证了该设计在实际应用中的有效性。阵列由256个换能器元件组成，分为64、128和64个元件的三组，按照弧形-线性-弧形的几何结构排列，这种结构能够实现更广泛的光声角度覆盖，同时保持手持设备的便捷性。

研究团队还指出，传统上认为降低换能器频率会提高穿透深度，但会牺牲分辨率。然而，DF-MSTA的设计表明，通过引入低频段的换能器元件，并结合合理的几何布局，可以在不降低成像深度的前提下，显著提升轴向分辨率。这种改进得益于低频段和高频段换能器元件在k空间中相互补充，从而扩大了空间频率的覆盖范围，使图像能够捕捉到更丰富的细节信息。

此外，本文还强调了现有多频率换能器设计的局限性。许多现有的研究仅关注频率的组合，而忽视了换能器阵列的几何结构对成像性能的影响。这导致了设计上的不完善，难以满足不同应用场景的需求。相比之下，DF-MSTA的设计不仅考虑了频率的选择，还通过几何结构的优化，实现了更全面的成像性能提升。这种系统化的设计方法为未来的光声成像技术提供了新的思路，有助于开发更高效、更精准的成像设备。

在实际应用中，光声成像技术已经被广泛应用于多种生物医学领域，如早期癌症检测、血管成像、血流监测以及功能脑成像等。这些应用需要在不同的深度和分辨率之间取得平衡，而DF-MSTA的设计正好能够满足这一需求。通过结合低频和高频换能器元件，DF-MSTA能够在保持良好穿透能力的同时，提供更高的轴向分辨率，从而在更广泛的深度范围内实现高质量的成像。这种技术的进步对于临床诊断和研究具有重要意义，特别是在需要高分辨率图像的深层组织成像中。

从技术实现的角度来看，DF-MSTA的设计不仅涉及频率的选择，还涉及到换能器阵列的布局和结构。研究团队在设计过程中采用了模块化的思路，将换能器阵列分为线性段和弧形段，这种分段设计使得不同频率的换能器元件能够在不同的区域发挥作用。线性段主要负责提供高频信号，以提高图像的分辨率，而弧形段则负责低频信号，以增强图像的穿透能力。这种设计不仅优化了换能器的性能，还提高了系统的整体效率。

在实验验证方面，研究团队通过制作DF-MSTA阵列并进行幻象实验，进一步验证了其在实际应用中的有效性。实验结果表明，DF-MSTA在不同深度上的轴向分辨率更加均匀，而SF-MSTA则在某些深度上表现出较大的分辨率波动。这种均匀性对于临床应用尤为重要，因为它可以确保在不同深度的组织中都能获得清晰的图像，从而提高诊断的准确性。

同时，本文还提出了一个定量的优化框架，用于指导未来换能器设计的方向。通过k空间分析和加权熵度量，研究者能够更精确地评估不同频率配置和几何结构对成像性能的影响，从而为设计更高效的换能器提供理论依据。这一框架不仅可以应用于当前的光声成像系统，还可以推广到其他相关的生物医学成像技术中，具有广泛的应用前景。

总的来说，本文的研究成果为光声成像技术的发展提供了新的方向。通过引入双频率多段换能器阵列设计，并结合k空间分析和加权熵度量，研究团队成功地克服了传统换能器在成像深度和分辨率之间的权衡问题。这种设计不仅提高了图像的分辨率，还保持了良好的穿透能力，从而实现了更全面的成像效果。此外，研究团队还通过模拟和实验验证了这一设计的有效性，为其在实际应用中的推广奠定了基础。未来，随着这一技术的不断发展和完善，有望在更多生物医学领域中发挥重要作用，为临床诊断和科学研究提供更高质量的影像支持。