科研进展 | 信息学院蔡夕然课题组提出基于互相关角谱法的高质量被动空化成像方法

近日，上科大信息学院蔡夕然课题组在《IEEE超声学、铁电体技术与频率控制汇刊》（ IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Contro l ）期刊在线发表了题为《High-Quality Passive Acoustic Mapping with the Cross-Correlated Angular Spectrum Method》的研究成果。该研究提出了一种基于互相关角谱法的高质量被动空化成像方法（Passive Acoustic Mapping, PAM），可有效地抑制成像伪影、高效地定位微泡（Microbubble, MB）空化声源，具有计算成本低、成像质量高的优势，为超声空化治疗的实时、精准监测和引导提供关键技术支撑。

基于声空化效应的聚焦超声治疗（Focused ultrasound, FUS）需要实时监测超声聚焦区域的空化活动，以确保治疗的安全性和有效性。PAM作为一种无创、灵敏度高的成像方法，能够实时捕捉微泡声空化信号并重建其空化活动的空间分布，已成为FUS治疗中监测空化活动的重要手段。然而，传统PAM多采用基于时域“延迟求和积分”的方法，存在成像速度慢、伪影多的问题。尽管数据自适应方法可通过最小化干扰功率提高图像质量，但计算复杂，难以满足实时成像需求。为兼顾质量与速度，已有研究提出时域双变迹互相关法，利用变迹孔径将空化信号分组并计算不同孔径间的声场空间互相关系数来抑制伪影。尽管该方法在一定程度上提升了成像性能，但仍受限于“延迟求和”带来的计算负担及X型伪影影响，难以实现高质量的快速成像。

为克服上述挑战，研究团队提出一种基于互相关角谱法的高质量被动空化成像方法（图1），利用多重变迹函数将信号分成两组（AS-DAX）或三组（AS-TAX），计算频域声场间互相关系数矩阵作为空间权重，抑制图像伪影。与传统时域双变迹互相关方法相比，该方法不仅在X型伪影抑制方面表现更优，同时兼具计算效率高、成像质量好的显著优势。实验结果表明（图2），该方法能够高效定位微泡空化声源，并在伪影抑制方面表现出色，具备良好的算法扩展性和临床应用潜力。该方法在FUS治疗应用中实现微泡空化活动的实时监测与精确定位方面具有良好的应用前景。

图1 (a-c)AS-DAX的算法原理示意图。(d)DAX空间权重、AS法成像结果和AS-DAX法成像结果。(e)AS-TAX的算法原理示意图。(f)TAX空间权重。

图2 (a-b)仿体和(c)小鼠肿瘤实验的被动空化成像结果。AS-DAX和AS-TAX是本研究提出的新方法。

上海科技大学是该成果的第一完成单位，上海科技大学信息学院博士生曾一为第一作者，上海科技大学蔡夕然助理教授和西安交通大学路舒宽副教授为共同通讯作者。该工作得到上科大数学所蒋诗晓助理教授、生命学院李剑峰助理教授和中科院深圳先进技术研究院李飞研究员的指导。

论文链接：

DOI - 10.1109/TUFFC.2025.3586460

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