一种用于高分辨率医学超声成像的超快速并行BMAS优越架构

由声成像更清晰的图像

超声检查是现代医学的常用手段，从孕期胎儿监测到心脏及血管检查均有广泛应用。然而，医生在需要快速查看细微结构时仍然会遇到图像模糊或噪声问题。本文介绍了一种在扫描仪内部处理超声信号的新方法，使其在非常高的视频级帧率下产生更清晰的图像。研究聚焦于“波束形成器”，即将原始回波转换为我们熟悉的扇形超声图像的数字核心。

为何当前扫描仪受限

传统超声设备采用一种称为延时求和（delay-and-sum）的波束形成方法。本质上，探头中数十个微小元件接收到的回波会被延时，使来自体内选定点的声波对齐，然后相加。这种方法简单且快速，但难以抑制来自其他方向的杂散回波，导致对比度下降、小结构难以分辨。更先进的自适应方法虽然能提升图像质量，但对计算能力和能耗的需求极高，使其难以在实时临床系统中广泛使用。随着临床转向“超快速”成像——以每秒数百帧捕获心脏等运动器官——这些限制变得更加突出。

一种新的回波相加方式

作者基于一类更强大的方法，超越了仅仅对延时回波求和的做法。在称为波束相乘与求和（Beam Multiply and Sum，BMAS）的技术中，先使用简单的延时求和方法形成粗略的波束。接着，这些波束以精心选择的组合相互相乘，然后再相加。额外的相乘步骤强调来自真实体内结构的回波，同时抑制随机噪声和旁瓣，从而在例如含液囊肿与周围组织之间形成更清晰的边界和更好的对比度。

分工以实现超快速

在现代探头的全部128通道上执行这些额外的相乘操作，通常会压垮扫描仪内部的数字硬件。为避免这种情况，研究团队设计了一个巧妙的折衷方案。他们将128个通道划分为四个较小的子阵列，每个子阵列包含32个通道。每次广义“平面波”发射时，每个子阵列首先并行产生28个波束，采用简单方法。然后，对于每个波束方向，将四个子阵列的波束通过BMAS式的相乘与求和操作组合起来。这种子阵列策略将所需乘法器数量从数千削减到仅几百，使得在单个现场可编程门阵列（FPGA）芯片上实现该设计成为可能。

智能存储与定制硬件

为跟上以每秒4000万次采样的128通道数据流，研究人员还重新设计了延迟信息（延时）存储和检索的方式。他们将大型延迟表放在外部存储芯片中，并采用一种特殊的“多端口”延迟线架构，能够一次读取28个不同的延迟值，同时写回新的值。该布局使用标准的FPGA构建模块实现，允许系统在不耗尽片上存储的情况下，从每次发射形成28个并行波束。整个设计以硬件描述语言编码，并部署在包含128通道收发板和高端FPGA波束形成板的定制超声平台上。

图像显示了什么

团队在仿真和物理“幻影”实验（模拟人体组织并包含已知的小囊肿样结构的材料块）中测试了他们的设计。他们将新的并行波束相乘与求和（PBMAS）架构的图像与传统延时求和系统的图像进行比较，使用对比度比和对比度-噪声比等标准质量指标。PBMAS图像显示出更窄的波束——在一项关键测量中约为0.4毫米——更清晰地分离相邻囊肿，以及更高的对比度，表明临床医生更容易检测到微小特征。同时，该系统在90度视场内维持了令人印象深刻的571帧/秒的帧率，足以满足心脏成像等高要求应用。

这对患者与设备意味着什么

简而言之，这种新架构使超声扫描仪在保持高速处理能力的同时“更聪明地”听取信号。通过重新组织回波的组合方式和硬件的使用，作者在不放弃用于实时观察运动器官的超快速帧率的前提下，获得了更清晰、更高对比度的图像。尽管该工作仍处于原型阶段，但它为未来能够更可靠地揭示更细微结构的扫描仪指明了可行路径，帮助医生更早发现疾病并更安全地指导治疗。

引用: SG, S., R, S. & Kidav, J.U. A superior ultrafast parallel BMAS architecture for high-resolution medical ultrasound imaging. Sci Rep 16, 9967 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37416-y

关键词: 超声成像, 波束形成, FPGA, 医疗诊断, 图像分辨率