矩形稀疏阵列在三维超声成像中的创新设计：实现收发元件数量均衡的突破性方法

推荐：本研究针对2-D阵列在3D超声成像中元件数量庞大导致系统复杂度高的问题，提出了一种新型确定性设计方法——矩形稀疏阵列(RSA-R)。该方法通过正交应用1-D稀疏模式，实现了收发阵列元件数量均衡(PT/LT×PR/LR)，解决了传统设计需要定制化系统的问题。仿真验证显示其与完全采样阵列(FSA)性能相当，为现有成像系统提供了更多阵列选择方案。

　　

在医学超声成像领域，从单晶片机械扫描到1-D阵列的演进带来了图像质量的飞跃。随着临床需求的发展，能够实现三维动态聚焦和电子转向的2-D阵列成为研究热点。然而，这类阵列面临的核心挑战在于元件数量呈几何级数增长——一个64×64的2-D阵列需要4096个元件，远超现代高端超声系统256个通道的承载能力。这种"元件爆炸"问题不仅增加了系统复杂度和成本，更对电缆数量、探头集成等实际应用环节提出了严峻挑战。

为解决这一难题，目前主要存在四种技术路线：时间复用、行列寻址(RCA)阵列、微束形成和稀疏阵列。其中稀疏阵列因其无需牺牲成像速率、不依赖额外硬件组件而备受关注。然而传统确定性稀疏阵列设计存在一个关键缺陷——收发阵列的元件数量不匹配，这与商业超声系统收发通道数相等的特性相矛盾，导致系统资源浪费和设计灵活性受限。

针对这一瓶颈问题，研究人员开展了一项创新性研究。他们基于先前1-D周期性稀疏阵列的研究基础，将设计理念拓展到2-D空间，提出了一种新型矩形稀疏阵列设计方法(RSA-R)。该方法的核心创新在于：通过正交应用两个1-D稀疏模式，分别沿x轴和y轴配置收发阵列，实现了收发元件数量的精确匹配。具体而言，对于给定的稀疏模式[P_T, L_T, P_R, L_R]，发射阵列在x轴应用P_T/L_T模式，在y轴应用P_R/L_R模式；接收阵列则相反，在x轴应用P_R/L_R，在y轴应用P_T/L_T。这种巧妙的对称设计确保了收发阵列具有完全相同的元件数量，同时保持了与传统矩形稀疏阵列(RSA-S)等效的波束形成性能。

研究采用了多种关键技术方法进行验证：通过理论推导建立了2-D矩形稀疏阵列的设计模型；采用Field II仿真软件进行连续波(CW)和脉冲波(PW)波束模式分析；设计了64×64和64×32两种阵列规格进行性能对比；引入了孔径加权函数优化技术以抑制栅瓣。

研究结果部分展示了多项重要发现：
在"2.1. 方形和矩形网格中的2-D矩形稀疏阵列设计"中，通过对比RSA-S和RSA-R的元件数量分布，证实新方法在所有配置下都能实现收发阵列元件数量均衡。例如对于[8,2,2,1]稀疏模式，RSA-S需要256个发射和1024个接收元件，而RSA-R则实现了512个收发元件的完美匹配。

"2.2. RSA-R的孔径加权函数设计"部分详细阐述了如何通过二维卷积运算构建优化的加权函数。以[4,2,2,1]模式为例，演示了从基础阵列到最终加权函数的完整设计流程，这种加权处理可显著提升栅瓣抑制效果。

"3.2. 连续波仿真"结果显示，虽然RSA-R的收发波束模式与RSA-S存在差异，但最终波束模式完全一致。在聚焦于R=60mm时，两种设计都能将大部分栅瓣抑制到-60dB以下，验证了方法的等效性。

"3.4. 脉冲波仿真"部分进一步证实，在聚焦偏转至x=-40°的工况下，RSA-R与完全采样阵列(FSA)的性能相当。特别值得注意的是，当最大偏转至x=y=-30°(θ=φ=45°)时，RSA-R仅在两处位置残留-59dB的微弱响应，展现出优异的全视场性能。

在矩形孔径应用方面，"3.5. 基于矩形孔径的RSA-R设计"展示了64×32阵列的成像仿真结果。虽然y-z平面出现了条纹伪影，但场响应分析显示栅瓣峰值仍能控制在-50dB以下，证明了该方法在非对称阵列中的适用性。

研究结论部分强调，这项工作的核心价值在于解决了传统确定性稀疏阵列收发元件数量不匹配的关键问题。通过创新的矩形网格设计和优化的孔径加权技术，RSA-R方法在保持优异波束性能的同时，实现了与商业超声系统的完美兼容。这种方法设计流程简单明确，支持多种稀疏因子配置，为2-D阵列在三维超声成像中的实际应用提供了重要技术路径。未来研究可进一步探索该方法与编码激励技术的结合，以补偿稀疏阵列固有的信噪比损失问题。该成果发表在《Ultrasonics》期刊，为医学超声成像领域的技术发展提供了新的思路和解决方案。