目前，超声波成像主要是由具有许多换能器的探头完成的，换能器是一种发射和接收声波的小型设备。减少换能器的数量，同时保持图像质量，肯定是一个理想的结果，因为它降低了硬件复杂性和成本。实现这一目标的一种方法是使用压缩感知(CS)，这是一种相当新的感知方法，它允许使用比其他方法所需的更少的数据进行图像重建。

图1所示。(左)模拟几何图形包括两个超声换能器(点源)，水中，丙烯酸片和均匀介质(乳房纤维腺组织)，包括两个目标(IDC肿瘤)。在数据采集过程中，空腔(在水域周围以灰色显示)可能存在也可能不存在。(右)在没有空腔的情况下，波以非常相似的形状和行为以不同的频率传播。但是，当系统中加入空腔时，波在不同频率下的行为变得不同，减少了重复数据，并为我们提供了更多关于目标的有用信息。

在计算机科学中，使从成像域收集的数据随机化可以导致更成功的图像重建，这一事实乍一看似乎违反直觉。这种观察结果可能与一般逻辑背道而驰的原因是，人们可能会假设使数据随机化将导致在域中找到的目标中丢失有用的数据。但是，更仔细地观察这个问题，不难意识到，当数据在不同的频率上随机化时——所以在每个频率上，理想情况下，收集一个唯一的数据——重复数据的计数将减少，更多有用的数据将变得可用。因此，正如之前的研究，特别是在光学和电磁学中所显示的那样，使用具有随机特征的掩模、透官方manbetx手机版镜和反射器(例如随机不平的表面)，在不同频率下具有不同的响应，可以在有限的数据下显着提高成像性能。

同样的想法也被应用到这项研究中，通过使用一个有槽的固体腔(在二维几何中，或官方manbetx手机版孔在三维空间中)在它的底部。腔体本身在不同频率下表现出不同的行为，特别是由于具有各种谐振模式(类似于许多乐器，如长笛)，并且添加槽(孔)使这些模式更加独特(图1，右侧)。在这项工作中，使用两个换能器发送和接收81个频率的超声波，在2-10 MHz之间等距选择，两个目标(早期乳腺肿瘤，直径100微米)位于均匀区域(乳腺纤维腺组织)作为待检测目标。成像是通过CS优化算法完成的，简称为ADMM。

将有空腔和不含空腔的二维成像结果进行对比，发现当有空腔存在时，分辨率明显提高，尤其是在交叉距离上，能够更清晰地描绘目标(图2中行)。在存在空腔的情况下，声波在一点上聚焦的能力也得到了增强(图2，上排)。研究人员还好奇地调查了空腔的材料如何影响结果，结果证明，在没有噪音的情况下，铝腔比塑料腔表现得更好。然而，当采集到的信号中加入噪声时，只有塑料腔可以对夹杂物进行成像(图2，下一行)。

图2所示。(上)使用空腔，将超声波聚焦在一点的能力得到了显著提高，铝腔优于塑料腔。在铝腔中几乎没有侧叶。(中)空腔存在时，目标图像的横向距离分辨率(水平方向)明显增强。在提高分辨率方面，铝腔再次优于塑料腔。(下)在噪声存在的情况下(信噪比为15 dB)，只有塑料腔可以对目标成像，这表明塑料腔的抗噪声性能可能比铝腔更好。

这项概念验证研究的意义是广泛的，因为它们为低成本和快速获取的超声成像系统铺平了道路。官方manbetx手机版看待这种潜力的一种方法是注意到，在这样的CS系统中，成像的复杂性从系统的硬件(通过相对较少的测量次数获取数据)转移到软件(CS成像算法)，从而降低了成本并提高了效率。继这篇论官方manbetx手机版文之后，还有两篇研究论文正在出版过程中;一种是研究另一种创新方法来随机化声波，另一种是将相同的腔体想法从二维扩展到三维，只使用一个换能器。

Ashkan Ghanbarzadeh-Dagheyan
东北大学机械工程系，美国马萨诸塞州波士顿

出版

基于空腔压缩感知的超声成像。
刘国强，刘国强，刘国强，刘国强
传感器(巴塞尔)。2018年5月23日

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