用于高帧率声电电流源成像的哈达玛编码合成波束成形技术

《Ultrasonics》：Hadamard-encoded synthetic beamforming for high frame rate acoustoelectric current source imaging

　　

郑延俊|姜镇彬|纳迪亚·阿布·法尔哈|玛格丽特·迈尔斯·阿拉德|库纳尔·夏尔马|帕克·杰伊-卡弗·哈里斯|拉塞尔·S·威特|马修·奥唐奈

美国华盛顿大学生物工程系，地址：华盛顿州西雅图市东北15大道3720号，邮编98195

摘要

声电成像技术可以利用超声实现生物系统中电流源密度的成像，且具有较高的空间和时间分辨率。然而，现有方法由于信噪比低和帧率低而存在局限，因为传统的聚焦波束扫描需要大量扫描线才能覆盖较大的视野范围。在此，我们提出了基于哈达玛合成波束成形的空间编码技术，用于实现超快声电成像。该技术每帧图像需要16次发射操作。虽然在传统聚焦波束扫描中，这样的发射次数会严重限制视野范围，但采用相同次数的哈达玛合成波束成形发射则足以对孔径进行充分采样，从而使得图像重建仅受换能器几何结构的限制。我们使用中心频率为0.6兆赫的1.5D换能器阵列进行实时成像测试，以500赫兹的帧率成像在生物模拟模型中以200赫兹频率变化的单个及多个偶极电流源的电流源密度，证明了超快声电成像的潜力。实验结果显示，在压力均衡后，其信噪比相比传统聚焦波束扫描提升了约5分贝。哈达玛合成波束成形的空间分辨率与聚焦超声波束相当，且在相同帧率下波形伪影更少。此外，对比固定焦深的传统波束扫描，使用哈达玛合成波束成形的动态波束成形技术在成像不同深度的分布式电流源时，也展现了更好的图像质量。这些结果表明，哈达玛合成波束成形为生物电电流的超快声电成像提供了一种实用且可靠的解决方案。

引言

高帧率超声成像技术能够以每秒超过100帧的速度展现毫秒级时间尺度上的机械和生理过程，远远超越了传统聚焦超声成像30–100帧/秒的极限[1]。通过从全孔径或合成孔径发射平面波或发散波，高帧率成像避免了逐行扫描，仅需少量发射操作即可重建完整图像[1]。已有研究实现了超过10,000帧/秒的成像速度[1]–[7]，这类技术可应用于需要超快时间分辨率的场景，如心脏和血液动力学成像[2]–[8]、剪切波成像以及定量弹性成像[1]–[3]。在这些技术中，空间图像的生成主要依靠多通道射频数据的动态波束成形，从而在最小化发射次数的同时实现高效图像重建。

若将高帧率成像技术应用于电生理成像，便能够直接、无创地观测心脏和大脑等电活性器官中的生物电电流源，而这些器官的快速时空动态变化对于理解其正常及病理功能至关重要。声电成像技术通过利用超声诱导的电导率变化，结合外部测量的电势值，能够定位内部电流源，从而独特地满足这一需求。与传统依赖稀疏表面测量或侵入式电极的电生理技术不同，声电成像具有实现深层、无创电流源密度成像的潜力，且其空间和时间分辨率由超声场决定[9]–[22]。

不过，声电成像的基本原理与典型高帧率超声成像有很大差异。声电成像是一种单向成像方式，超声脉冲被发射到组织中，而成像信号则源于导电性变化引起的电压扰动，而非脉冲回波的接收。因此，声电成像完全依赖于发射端波束成形，要获得高质量图像通常需要大量发射操作。这一要求给在保持足够信噪比的同时实现高帧率和较大视野范围带来了极大挑战。尽管已有研究展示了基于多平面波发射的超快声电成像技术[23]–[24]，但这些方法存在较大的近场死区且灵敏度较低。合成孔径声电成像提供了一种替代方案[25]，但其本身较低的信噪比进一步限制了实际可实现的帧率。

此前有研究通过从较少数据中重建图像来解决超声成像中的帧率与图像质量之间的平衡问题[26]–[30]。压缩感知技术利用数据的稀疏性，从欠采样数据中恢复射频信号[26]；而张量补全技术则借助低秩结构来重建缺失的扫描线、发射操作或合成角度[27]–[30]。将这些方法应用于合成孔径成像和平面波成像，包括超声心动图，能够在保持分辨率和对比度等图像质量指标的同时减少数据采集量。

目前，聚焦波束扫描仍是声电成像中最常用的方法，因为它虽然会降低帧率和视野范围，但能提供足够的信噪比[9]–[22]。为改善非聚焦多平面波发射和合成孔径发射所带来的低信噪比问题，一些研究提出了更高效利用发射声能的编码策略，包括平面波发射序列编码[31]–[33]、合成孔径激励序列编码[34]–[37]以及时间脉冲编码[38]–[40]。然而，编码复杂度的增加——尤其是当平面波或脉冲数量过多时——会加剧近场死区伪影，限制技术的可扩展性。

在本研究中，我们提出了一种基于哈达玛编码的超声发射框架，用于声电成像，该框架能够在不牺牲信噪比和视野范围的前提下实现超快成像。与传统的超声成像中的合成孔径编码方法类似[34]–[37]，所提出的方法将合成波束成形与全孔径发射相结合，从而克服了传统合成孔径成像的低信噪比问题[41]。如前所述，该框架采用单向声电成像方式，其记录电极的数量远少于传统超声接收阵列。因此，空间编码是通过发射端的波束合成来实现的。由于无需依赖多平面波发射，该方法避免了较大的近场死区，能够在保持与传统聚焦波束扫描相同发射次数和帧率的情况下，实现更宽视野范围的声电图像重建。在生物模拟模型中进行的实时声电成像实验表明，经过压力均衡处理后，该方法的信噪比优于传统聚焦波束扫描，且重建的电流源密度波形畸变也更小。此外，解码后的信号还可用于动态波束成形，从而实现对不同深度电流源的成像，这一点已通过分布式多电极电流源的实验得到了验证。

章节节选

声电成像

声电成像依赖于声电效应，属于单向成像方式。超声脉冲从换能器发出，传播中的压力场会局部且线性地改变导电介质的电导率。这些微小的电导率变化可通过表面电极检测到的表面电压变化来体现[42]–[44]。在一对电极之间检测到的声电电压可表示为$\mathrm{\Delta }V(t)=-{\rho }_{0}K?\left({\mathit{J}}^L?{\mathit{J}}^s\right)p(\mathit{r},t)d\mathit{r},$

其中，${\rho }_0$表示

实验研究

我们在生物模拟模型中，通过M模式和实时扫描两种方式，研究了基于哈达玛编码的声电成像的可行性和性能。该模型为一个充满0.9%氯化钠的立方体，内部嵌入了刺激电极和记录电极。刺激电极由铂电极对组成（Natus Medical Inc., 美国威斯康星州米德尔顿市），通过多通道刺激器施加频率为200赫兹、极性相反、峰峰电压为6伏的正弦电流来激发电极。

讨论

所提出的基于哈达玛编码的合成孔径发射框架，同时解决了现有超快声电成像技术存在的两个根本性问题：即多平面波发射固有的较大近场死区，以及传统合成孔径成像本身较低的信噪比。该框架通过在每次发射中对所有换能器元素进行编码，并在解码后进行合成波束成形，从而在保留全孔径声能的同时，保持了成像的灵活性。

结论

在本研究中，我们提出了一种基于哈达玛编码的合成孔径发射框架，用于实现高帧率声电成像，该框架克服了传统聚焦波束和多平面波发射方案所存在的诸多限制。通过在每次发射中对所有换能器元素进行编码，并在解码后通过适当的时间对齐进行慢时间下的合成波束成形，该框架既保持了全孔径声能，又实现了动态聚焦功能。

CRediT作者贡献说明

郑延俊：论文撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。姜镇彬：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、实验研究。纳迪亚·阿布·法尔哈：实验研究。玛格丽特·迈尔斯·阿拉德：实验研究。库纳尔·夏尔马：实验研究。帕克·杰伊-卡弗·哈里斯：实验研究。拉塞尔·S·威特：论文撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理、资金筹措。马修·奥唐奈：论文撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了美国国立卫生研究院[U01 EB028662, 5R25HL108837]以及弗林基金会资助项目23-06543的支持。此外，还获得了韩国政府通过韩国国家研究基金会（NRF）提供的资助（项目编号RS-2025-00513383）。