可穿戴平面波超声成像系统中的非牛顿流体凹透镜：提升侧向分辨率与成像对比度的创新方案

为解决传统超声透镜高阻抗、低传输效率及液态透镜体积庞大等问题，研究人员开发了一种基于非牛顿流体(NNFL)的凹面声学透镜。该研究通过3D打印模具构建可调曲率半径(RoC)的被动聚焦系统，实现平面波收敛传输。实验表明：在7.6 MHz中心频率下，系统侧向分辨率提升47.31%，成像强度增强44.57%，对比噪声比(CNR)改善超3 dB，脱水率仅18%。这项技术为可穿戴超声设备提供了低成本、高帧率的升级方案。

　　

超声成像技术因其无创、实时和深层组织穿透能力，在诊断和治疗领域占据重要地位。然而，传统聚焦技术面临两难困境：固态声学透镜存在高阻抗和低传输效率的缺陷，而液态透镜又因体积庞大和曲率易变难以临床应用。更棘手的是，电子聚焦系统虽能实现动态波束成形，却以牺牲帧率为代价，这在需要高速成像的可穿戴场景中尤为致命。面对这些挑战，一项发表在《Biomedical Engineering Advances》的研究给出了创新解决方案。

该研究团队设计了一种革命性的非牛顿流体凹透镜(NNFL)系统。通过3D打印技术构建不同曲率半径(RoC)的聚乳酸(PLA)模具，填充具有特定声学特性的非牛顿流体凝胶，形成被动聚焦结构。研究采用Verasonics Vantage 128通道超声系统和L11-5v线性阵列探头(7.6 MHz中心频率)，结合k-Wave仿真工具箱验证声场分布。实验涵盖体外线缆模型、钢螺钉模型及人体颈动脉、上臂的体内成像，通过延迟叠加(DAS)波束成形和汉宁窗加权处理数据。

方法与材料
研究基于菲涅尔近似和斯涅尔定律设计凹透镜几何轮廓，关键参数包括声速比(c_l/c_m=1595/1540 m/s)和焦距计算公式R_a=F(1-c_m/c_l)。采用熔融沉积成型(FDM)技术制作PLA外壳，通过标准化填充工艺确保不同RoC透镜的凝胶分布均匀性。信号处理采用多角度平面波发射(-18°至+18°，步长0.72°)和时延补偿算法，量化评估侧向分辨率(LR)、轴向分辨率(AR)、对比度(CR)和对比噪声比(CNR)等指标。

实验结果
体外研究显示：NNFL使CIRS 054GS体模的CR提升54.33%，CNR改善83.3%。声场分析证实波前收敛效应，在19.2 mm RoC时强度达到峰值。脱水实验表明NNFL的脱水率(13.6%)显著低于传统声学凝胶(50.4%)。

体内颈动脉成像呈现更清晰的血管边界，CNR提升78.21%。值得注意的是，NNFL保持解剖结构自然形态的特性在人体成像中得到验证，避免了传统探头按压导致的组织变形。

曲率半径影响研究发现：减小RoC可增强聚焦效果，19.2 mm RoC透镜在7.6 MHz时表现出最佳LR(提升47.31%)和CNR。声阻抗测试显示NNFL的2.08 MRayls特性实现>99%的界面透射率，这是高成像质量的关键。

讨论与结论
这项研究突破了传统声学透镜的局限：通过NNFL的阻抗匹配特性降低反射损耗，其可调曲率设计适配人体不同部位的解剖曲率(如53.88 mm RoC适合颈部扫描)。虽然当前系统在长轴成像和折射校正方面存在局限，但提出的解决方案以<0.238 dB/cm-MHz的低衰减率和18%脱水率，为可穿戴超声设备提供了实用化的技术路径。

研究的重要意义在于：首次将非牛顿流体力学特性与声学聚焦原理结合，开发出兼具机械稳定性和声学性能的智能透镜。这种无需改变现有系统架构的升级方案，使得传统线性阵列探头能轻松实现高帧率(51帧/秒)的收敛平面波成像，为动态监测血管病变、肌肉运动等临床应用开辟了新可能。未来通过集成声学超材料校正相位畸变，该技术有望进一步拓展至三维容积成像领域。