近日，南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组在超声成像领域取得重要进展。他们成功研发了一种基于声学轨道角动量的声场空间微分器，能够高效提取不同类型物体的形状边缘信息，显著提升超声成像的对比度。
超声成像技术以其独特的深层穿透、无电离辐射、无创和低成本等优势，在医学诊断、无损检测等多个领域发挥着不可或缺的作用。传统超声成像技术主要依赖被成像物体与周围介质的声阻抗差异。当阻抗差异较大时，图像对比度会较高，但对于阻抗差异较小的生物软组织，其成像对比度和分辨能力常常受限，这在神经影像和心血管检查等应用中尤为明显。为解决这一困境，研究人员引入了超声造影剂，如空气微泡和磁性纳米颗粒，来增强被成像组织的声散射特性，从而改善成像对比度和可视化效果。此外，光声成像技术也可通过激光脉冲照射浅表生物组织，根据热弹性膨胀所产生的超声波信息反映生物组织之间的光吸收特性差异。然而，这些技术价格昂贵且存在一些限制，如过敏风险、不适用于特定人群以及组织穿透深度有限等。因此，探索新的技术方法以实现高对比度声学成像对生物医学工程领域具有重要意义。
在这项工作中，研究人员设计了一种声学空间微分器，旨在提取图像的边缘信息，提高成像的对比度。与常规的聚焦型超表面不同，声学空间微分器在对物体的边缘进行增强成像方面具有独特优势，如图1所示。这种空间微分器包含幅值和相位调制两部分：幅值分布沿径向具有线性透射特性，而相位分布由聚焦相位和一阶螺旋相位两部分组成，携带了一阶声学轨道角动量。
图1：声学空间微分器提取物体图像边缘的结构示意图。
研究人员将声学空间微分器嵌入成像系统中，对其成像性能进行实验探究（如图2所示）。整个实验测量过程在消声水槽中完成（如图2a）。在图2b-e中，实验结果表明空间微分器样品的点扩散函数强度呈现出圆环状分布，且相位沿顺时针方向呈螺旋形状。根据被成像目标的性质，首先测试了该系统对声阻抗与环境介质存在显著差异的幅值型物体的成像效果。在图2f-i中，空间微分器可以提取形状为数字2的幅值型物体的全部边缘信息，有效提高物体相较于背景介质的对比度。
图2：(a)声场测量实验装置。(b)-(e)声学空间微分器样品在成像系统中点扩展函数的模拟和实验结果。(f)-(i)声学空间微分器提取幅值型物体边缘信息的模拟和实验结果。
另一方面，相位型物体与周围环境介质的声阻抗差异通常较小，其透过声波相对于周围介质仅具有一定相位差。因此，除了对幅值型物体的探究，研究人员还对不同相位型物体的边缘增强成像进行了实验验证。如图3a-f所示，两种具有不同小手形状的相位型物体放置于成像系统中，相关实验结果有效提取了小手轮廓和手指细节信息，表现出良好的边缘成像效果。此外，研究人员还设计并制备了不同的生物模型，如导尿管中存在异物和血管中存在血栓的模型，如图3g-l所示。实验结果证明空间微分器可以提取生物模型中异物的形状和边缘信息，从而大幅提高图像对比度，在生物成像和医学诊断中具有重要的潜在应用。
图3：(a)-(f)声学空间微分器提取不同小手模型的边缘信息。(g)-(i)单个导尿管以及导尿管中有异物时边缘增强成像效果。(j)-(l)单个血管模型以及血管中有血栓时边缘检测结果。
这一成果以“Compact meta-differentiator for achieving isotropically high-contrast ultrasonic imaging”为题于2024年4月5日发表在国际知名期刊《自然通讯》上。南京大学为第一作者单位和唯一通讯单位，物理学院博士生贾雨柔为论文第一作者，硕士生张素影和张煊在实验中提供重要帮助，龙厚友副研究员、程营教授及刘晓峻教授为共同通讯作者。合作者还包括南京大学电子学院柏业超教授、重庆大学许才彬副教授和邓明晰教授、南京师范大学吴大建教授以及新加坡国立大学仇成伟教授。该项工作得到了南京大学物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台的支持，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费原创交叉项目、国家留学基金委、江苏省博士生科研创新计划等项目资助。