Page 11 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 陈洪磊等： 定量超声骨检测技术研究进展 271

行组织超声 -光声多模态成像，通过仿体、离体和 制的超声 -光声多模态成像仪器，图 5(b)、图 5(c) 分
在体试验分析该成像系统对骨组织结构和生化成 别为多模态成像仪器对指关节的在体光声和超声
分的成像能力。图 5(a) 为复旦大学的研究人员研 成像图。

0 0

mm 4 mm 4

8 8
-6 0 6 -6 0 6
mm mm
(a) ᡔܦ-Аܦܳവগੇϸ́٨ (b) ૉТᓬښʹАܦੇϸ (c) ૉТᓬښʹᡔܦੇϸ
图 5 多模态超声骨成像仪及指关节在体成像图
Fig. 5 Multimodal ultrasound imaging instrument and in vivo imaging of knuckle

3.2 层析反演成像 随状态法计算目标函数的梯度，使用共轭梯度法、高
层析反演成像 (Ultrasound computed tomog- 斯牛顿法等梯度下降算法进行数值模型参数更新，
raphy, UCT) 采用环形阵列和全矩阵数据采集方式 直至算法收敛，获得骨结构图像。虽然 FWI 具有骨
进行超声波激励和接收，通过参数反演的方式重 骼高分辨率成像的优点，但反演优化问题具有强非
建骨骼声速、密度的空间分布。UCT 反演算法包 线性、目标函数具有非凸性，FWI 易陷入局部极值。
括基于射线声学理论的走时反演、采用散射模型 低频信息对算法收敛至关重要，传统的时间域 FWI
的散射反演和全波形反演三类。走时反演利用超 采用低通滤波器避免周期跳变效应。研究人员提出
声最早到达时间来重建声速模型，依托于程函方 了跨尺度反演策略，将实际观测波形数据经滤波器
程建立介质中超声波传播时间、传播路径和声速分 分解成由低至高的不同频段，依次采用较粗的网格
布的关系。通过迭代求解非线性最小二乘问题，实 和较大的时间步长至较细的网格和较小的时间步
现目标区域的声速分布成像。走时反演求解效率 长进行反演。频率域 FWI 直接在频率域求解波动
高且稳定，但分辨率有限，无法重建尺寸小于第一 方程，容易实现低频到高频数据的多尺度反演，具
菲涅尔区直径的结构。走时反演可以作为一种预 有更高的计算效率。张晓毓 [40] 采用频率 -网格多尺
处理技术，与脉冲回波成像技术结合实现更高精度 度算法获得大腿胫腓骨波速、密度的反演成像；Li
的成像。超声散射反演技术采用声波在非均匀介 等 [41] 、Zhou等 [42] 通过仿真验证了多频率超声和频
质内的衍射模型进行成像。基于一阶 Born 近似的 域FWI技术对骨微结构、多层肌骨模型定量成像的
散射 UCT 反演适用于成像目标与周围介质具有相 可行性。贾琰等 [43] 研究了基于全 FWI 的骨骼超声
似的声阻抗的软组织成像，当试图重建高声阻抗对 层析成像方法，用于动态监测骨质疏松性微结构退
比的硬组织时，需要使用更高阶 Born 近似的迭代 化的进程。Suo等 [44] 提出改进的Laplacian-Fourier
方案。 域 FWI，在较高频率下实现高对比度骨成像，避免
全波形反演(Full waveform inversion, FWI)通 反演陷入局部最优。此外，研究人员将高频特征
过物理模型波场正演和数值模型反演优化的思路 增强的双编码 Unet 神经网络与 FWI 算法结合提出
进行骨骼成像，寻找能够输出与观测波场一致的数 数据驱动 FWI 算法，实现骨结构反演的精度及效
值波场对应的数值模型进行骨骼结构表征。通过有 率 [45] 。
限差分法、有限元法和伪谱法等数值计算方法计算 图 6 为 FWI 骨成像，图6(a)∼(c) 分别为胫腓骨
数值模型得到仿真声场，利用UCT阵列采集到的实 远端模型腿骨密度真实图、FWI 反演骨密度图及两
测声场信号与仿真声场信号建立目标函数；通过伴 者的对比图，论证了超声 FWI 具有骨微结构精确