使用来自旋转一维线阵的稀疏合成孔径对高强度聚焦超声场进行三维被动声学成像

无需切开也能更精确地对准超声

高强度聚焦超声（HIFU）有望实现无刀手术：声波在体内深处汇聚，破坏一个极小的组织区域，同时不损伤周围组织。但为了安全起见，医生必须确切知道那个看不见的焦点落在哪里。本研究展示了如何利用简单的旋转式超声探头和受自然启发的巧妙螺旋采样模式，将治疗脉冲产生的微弱回波转化为详细的三维波束地图。

倾听而非主动发射

传统超声成像发出声波并监听回波来形成图像。作者这里采用另一种策略，称为被动声学成像：系统不是主动探测，而是“倾听”短促HIFU脉冲在组织内遇到微小不均匀处散射出的弱回波。通过从多个角度采集这些散射信号并按传播时差进行反演重放，计算机就能重建能量集中的位置，有效绘制出不可见声场的三维图，而不会加热或损伤组织。

用更简单的硬件凑合出结果

能捕获完整三维声场的高端系统通常依赖于成千上万微小超声元件构成的大型昂贵二维阵列。这类硬件在许多治疗场景中并不实用，尤其需要紧凑地安装在诸如MRI扫描仪之类的设备内。作者将这个问题颠倒：他们从标准的一维线性探头出发，机械地围绕HIFU束旋转探头。通过在每个角度选择哪些探头元件作为“虚拟”接收器，可以在软件上模拟多种二维阵列布局，而实际硬件只需64个通道。

借用向日葵的螺旋

关键问题是如何在空间中放置——或在本例中合成——接收元件，以便重建出的波束清晰且无误导性伪影。团队比较了六种虚拟布局，包括简单直线、十字、同心环、随机排列、密集全孔径模式以及类似向日葵种子分布的斐波那契螺旋。通过在类组织介质中对治疗用HIFU换能器进行详细计算机模拟，他们衡量了每种布局重现真实焦点的忠实度、主束宽度以及不想要的旁瓣强度。

在有序与混乱之间找到最佳平衡

结果表明，布局的重要性与元件数量同样关键。使用超过23,000个虚拟通道的全孔径模式最能抑制杂散能量，但代价是高度冗余和庞大的数据量。高度规则的环形布局产生了整齐的结构，但也在焦点周围强化了环形旁瓣。纯随机布局有时在某个观察切片上能很好地匹配真实波束，但在其他切片上会出现嘈杂的光晕和不一致的表现。斐波那契螺旋达到了最佳平衡：其准均匀且无重复的元件分布产生了紧凑、对称的焦点，定位准确，并在各方向上保持相对较低的旁瓣，以极小的采样量接近全孔径参考的质量。

从模拟走向更安全的治疗

在实际应用上，这项工作表明，治疗系统可通过发出一次短促、低能量的脉冲并用配置为螺旋采样方案的旋转线性探头监听，来验证HIFU束将落在何处。在毫秒级的数据采集和不到一秒的机械运动内，临床人员就能在进行更强、组织消融性暴露之前获得焦区的三维地图。对患者而言，这意味着在享受非侵入性“声外科”益处的同时，更大程度地降低误伤体内深处错误部位的加热风险。

引用: Kang, G., Hwang, J.H. Three-dimensional passive acoustic mapping of high intensity focused ultrasound fields using sparse synthetic apertures from rotated one-dimensional linear arrays. Sci Rep 16, 13711 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42764-w

关键词: 聚焦超声治疗, 超声波束映射, 被动声学成像, 稀疏阵列设计, 斐波那契螺旋采样