基于DMFormer动态多尺度融合Transformer的超声乳腺癌高效检测技术

本研究针对高频超声弹性成像(USE)在亚毫米级生物材料机械性能测量中的技术瓶颈，开发了配备15 MHz声辐射力(ARF)激发换能器和40 MHz宽带跟踪换能器的新型系统。通过实验验证与剪切流变测量的一致性（1%琼脂-二氧化硅模体：8.8±2.2 kPa vs 8.0±0.4 kPa；5%浓度：117.0±12.3 kPa vs 114.4±7.2 kPa），结合声学参数测量和计算模拟，揭示了ARF激发时长与材料特性对剪切波频率的非线性影响，为工程化组织力学特性无创检测开辟了新途径。

　　

在生物医学工程领域，精确测量薄层生物材料的力学特性对组织工程和器官芯片开发至关重要。传统技术如原子力显微镜和纳米压痕虽能提供精确数据，但属于接触式破坏性检测，无法实现培养过程中的动态监测。而现有超声弹性成像(USE)系统受限于空间分辨率和声辐射力(ARF)激发方式，难以满足亚毫米级样本的力学表征需求。

针对这些技术瓶颈，Sunnybrook研究所（Sunnybrook Research Institute）的研究团队开发了创新性高频USE系统。该系统采用f/1聚焦的15 MHz ARF激发换能器与f/3的40 MHz跟踪换能器组合，通过500μs短脉冲ARF激发和高频超声成像（25kHz PRF_I），实现了对≤2mm薄层生物材料力学特性的无创检测。相关成果发表在《Ultrasound in Medicine》期刊。

关键技术包括：1）双换能器共聚焦系统搭建与声场校准；2）琼脂-二氧化硅弹性模体（1%-5%）和含蓖麻油的粘弹性模体制备；3）剪切流变仪对照验证；4）基于Field II的声场模拟与COMSOL多物理场建模；5）时域互相关算法分析剪切波传播特性。

【声学与机械性能评估】
通过40MHz超声测量发现，5%琼脂模体声衰减系数（64%增加）和体积弹性模量显著高于1%浓度（p<0.001）。USE测得的剪切模量与流变仪结果高度一致：1%琼脂模体8.8±2.2 kPa vs 8.0±0.4 kPa（p=0.573）；5%浓度117.0±12.3 kPa vs 114.4±7.2 kPa（p=0.777）。含10%蓖麻油的粘弹性模体也显示相似趋势（105.0±3.4 kPa vs 101.0±4.8 kPa）。

【计算模型验证】
COMSOL仿真显示，预设10kPa和120kPa剪切模量的模拟结果与实验测量偏差≤3%。关键发现是剪切波基频与ARF持续时间呈1/(2D_ARF)关系：长ARF时长（500μs）时频率对弹性模量敏感，短时长（100μs）时则对粘度更敏感。

这项研究的意义在于：1）首次实现亚毫米级生物材料的USE检测，空间分辨率达100μm；2）建立ARF参数与材料特性的定量关系，为器官芯片力学监测提供新工具；3）计算模型揭示的频变特性为后续粘弹性测量奠定基础。研究者特别指出，当前共聚焦设计虽限制频域分析，但通过改进带阻滤波器或双频换能器可突破这一局限。该技术对动态工程化组织（如跳动心肌片层）的长期力学监测具有重要应用前景。