文献周报25.06.1

总述

本周阅读主题：超声三维容积成像

1. 用于穿透畸变层宽频带超声聚焦的柔性超透镜

2025-4-07

文章概要

Soft Metalens for Broadband Ultrasonic Focusing through Aberration Layers

DOI: 10.1038/s41467-024-55022-2

畸变层通常会在微波工程、电磁波、医疗超声中带来严重的能量传输壁垒。透过畸变层（比如人类头骨）实现宽频带超声聚焦对于传统材料（包括金属与弹性体）是一项极具挑战的任务。在本项研究中，作者引入了一种逆向相位编码方法，使用可转换的软透镜穿过异构畸变层。通过应用等效介质理论，作者确定了微钨颗粒在硅橡胶中的折射率，理论分析结果与实验结果吻合得很好。文章所述软超透镜可以实现宽频带范围（50~400kHz）内透过3D打印的人头骨模型畸变层。在体外穿颅超声测试中，观察到焦点处声强相比于未经超透镜聚焦时提升了 9.3 dB 。通过集成柔性材料、超材料、以及梯度折射率，柔性超透镜展现出了在次世代柔性设备中广泛的应用前景。

研究背景

基于散射的超材料通常有效带宽很窄，限制了其在声场特性。

柔性超声材料的进展使得此类材料可以实现高度可控的折射率、极低的声速、以及通过控制材料中的多孔性实现可转换的杨氏模量。

但是，在宽频带上构建可控的折射率尚未被解决。尽管目前在生物医学领域中已经存在使用水凝胶部分打破超材料的窄频带约束的方法。但是水凝胶无法有效解决医疗超声中的声波畸变问题。

到目前为止，文章的主要目标是构造一种材料，从而在宽频带范围内建立可控的声折射率。

在医疗超声、水下声学探测、以及地下管道检测等多种场景下，都需要最大化声波透射能量，而最小化反射能量。因此需要解决阻抗匹配问题。存在畸变层时候的声阻抗匹配问题目前尚未被解决。只有很少的研究聚焦于存在畸变层时候的声场相位调制问题。

新引入了阻抗匹配的问题，用于最大化透射能量。

“柔性超透镜”是基于电磁学中的变换理论（transformation theory）建立起来的。目前声学变换理论的主要局限性在于使用曲面形状设计透镜，并且具有极强的声学各向异性。也有学着提出了一种使用匹配阻抗二维梯度折射率函数设计柔性超透镜的方法。一有的结构设计方法主要针对刚性超材料，只支持极窄的工作频率，目前尚未针对宽频带的实验数据。近期也有仅基于相位的声学全息透镜，用于经颅超声聚焦。但是全息透镜中的Fabry–Pérot共振局限了其宽频特性。

进一步强调了宽频带声场调制问题的技术难度。

最后，本文提出了一种声学柔性超透镜，用于消除阻抗不匹配并实现声束聚焦，适用于经颅超声。通过调整钨粉在硅橡胶中的浓度实现声学特性的调节（声折射率的调节）。柔性超透镜的宽频穿透聚焦能力在仿真和实验中进行了验证，与传统超声换能器相比显示出了14.19 dB的能量增强。

一开始文章的背景是针对所有的声学场景（工业无损检测，水下成像探测、医疗超声等等）。最后聚焦到了医疗超声上。

主要贡献

文章的基本原理是相位反转（时间反转）。对于一个结构复杂的叠层介质，在目标超声聚焦点上设置一个点声源，并设置点声源发射一个简谐波，接收换能器位置上的声场，并进行相位反转，再将反转后的声波发射出去，理论上即可在目标点上产生一个聚焦声场。但是由于接收和发射的换能器的孔径比较有限，因此最终形成的聚焦声场无法达到理想效果。

这个过程中的关键点有两个：

如何对声场进行调制以得到相位反转之后的声场？
如何计算点声源产生的声波通过复杂叠层介质之后的声场分布？

文章中的方法主要解决了第一个问题。通过在硅橡胶基底中掺杂钨粉，实现介质声速和密度的调制。这样当一个平面波声场穿过此材料的时候，由于声速 \(c(\boldsymbol{r})\) 是空间位置的函数，因此不同位置上的声波在穿出材料时的相位即有所变化。精确控制不同位置上材料的声速即可实现声波相位的调制。

至于第二个问题，文章没有重点着墨，直接假定复杂介质的结构是已知的，通过有限元方法仿真得到需要调制的声场相位。

文章使用的方法是纯相位调制，没有采用幅值调制。

实验的部分，作者首先对一名志愿者的头骨进行CT成像，根据成像结果设计相应的模型，并通过3D打印技术完成头骨模型的制作。此外也在一块真正的头骨上进行了实验。

2. 非线性声片显微镜

2025-4-8

文章概要

Nonlinear sound-sheet microscopy: Imaging opaque organs at the capillary and cellular scale

DOI: doi.org/10.1126/science.ads1325

所谓的声片显微镜，指的是通过波束合成得到分布在一个极薄的平面内的声场，实现对三维物体的切片扫查。文章所使用的非线性声片显微镜通过非线性声学理论，营造出了一个较好的声片声场。并以电子扫查的方式实现了物体的切片快速扫查和三维重建。

研究背景

目前针对生物组织内部的显微声学成像主要依赖ULM（超声定位显微镜，Ultrasonic Localization Microscopy），其主要原理是在组织内部注射微泡作为造影剂，通过脉冲回波技术对微泡进行成像，进而得到生物组织中微泡的位置，从而刻画出生物组织的结果。

本文作者发现了一种具有非线性声学效应的蛋白质，通过非线性成像，从而得到生物组织中此类蛋白质的表达情况。