交叉振幅调制成像理论突破：X波束调控与非线性对比度增强新策略

《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Cross amplitude modulation imaging: theory and basic principles

本文推荐研究人员针对气体囊泡（GVs）在深部组织细胞成像中特异性检测的挑战，开展了交叉振幅调制（xAM）成像理论与方法的系统性研究。通过建立X波束宽和旁瓣距离的解析模型、实验验证非衍射声束特性，并提出基于旁瓣相干复合与帧平均的对比度增强策略，显著提升了xAM成像的灵敏度和特异性。该研究为生物分子超声领域的探针开发与成像方法协同演进提供了重要支撑。

　　

随着基因编码气体囊泡（Gas Vesicles, GVs）技术的突破，深部组织细胞成像领域迎来新的可能性。这些蛋白质纳米结构能够通过声散射实现细胞级成像，并被进一步工程化为声学报告基因和生物传感器。然而，如何在活体组织中实现GV的高特异性检测仍面临挑战：传统振幅调制（AM）成像易受非线性声波传播伪影干扰，导致组织回声被误判为对比剂信号。

为攻克这一难题，研究人员在《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》上发表了关于交叉振幅调制（cross amplitude modulation, xAM）成像的最新理论研究。该技术通过交叉传播的平面波在交汇处产生X波干涉，将非线性散射信号精确约束于波束等分线的高压区域，从而有效规避声传播伪影，成为活体GV成像的金标准方法。

关键技术方法包括：1）建立X波束宽（W_-6dB）和主旁瓣距离（d_lobe）的解析模型；2）通过针状水听器扫描验证非衍射声束特性；3）开发双平面波波束合成方法可视化非线性声束；4）利用GV-琼脂糖体模评估对比度增强策略。实验采用12.5 MHz线性阵列（Verasonics Vantage系统）及行-列阵列（RCA）实现二维/三维成像。

xAM成像序列与视场分析

xAM序列通过三次发射实现声压调制：首次发射倾斜平面波（角度θ），第二次发射对称的-θ平面波，第三次同时发射两波形成X波。当等分线处声压（2*P₀）超过GV屈曲阈值（如Anabaena GV为320 kPa）时，GV产生非线性散射。通过扣除前两次回声信号，可特异性提取GV沿等分线的非线性响应。视场深度Z_X=A/(2·tanθ)（A为有效孔径），扫描宽度W_scan=L-A。对于128阵元线性阵列（θ=17°），理论视场达8.6×14.1 mm（宽×深）。行-列阵列（RCA）可将扫描扩展至三维，但会引入角部盲区（面积A²/4）。

X波干涉模式表征

理论分析表明X波最大声压场p_max(x,z)=|2·cos(ωx·sinθ/c)|，具备非衍射特性（与深度z无关）。实验通过水听器扫描验证：脉冲波形周期数增加（0.5→2.5周期）会导致旁瓣数量与幅度上升，而角度θ减小（26°→10°）则使主瓣全宽半高（FWHM）从98 μm增至254 μm，主旁瓣距离从144 μm增至341 μm。理论模型（d_lobe=λ/(2·sinθ)）与实测误差仅1.4 μm（标准差1.3 μm），证实了解析表达式的准确性。

xAM成像重建与GV检测

提出两种波束合成方法：基于X波顶点延时（τ_apex=[A·tanθ/2+z]/c_X，c_X=c/cosθ）的常规重建，以及双平面波重建法（分别合成两平面波图像后叠加）。后者成功可视化非线性xAM声束（图5a），显示扫描过程中声束的横向移动。通过调控波形周期数（0.5周期脉冲仅存主瓣，2.5周期脉冲出现三级旁瓣）和角度（10°时旁瓣间距增至341 μm），可灵活调制干涉模式。

无损xAM对比度增强策略

研究提出两种互补的对比度提升方法：1）旁瓣相干复合：利用X波干涉的多个旁瓣作为额外非线性信号源，通过对齐接收波束与旁瓣位置合成多幅图像。对于2.5周期波形，复合3个旁瓣图像使对比度（CR）提升4.2 dB（理论值4.8 dB），复合5个旁瓣提升5.7 dB（理论值7.0 dB）；2）帧平均：利用xAM背景噪声的非相干特性，平均5帧可使CR提升6.2 dB。两种方法独立且可叠加使用（如2.5周期波形+3帧平均+3旁瓣复合，CR提升8.6 dB）。

讨论与结论

本研究系统建立了xAM成像理论框架，首次实验证实可通过脉冲带宽调控X波旁瓣水平：0.5周期脉冲可生成无旁瓣的非线性声束，而长脉冲（4.5周期）则能激活多级旁瓣用于对比度增强。提出的双平面波波束合成方法为可视化非衍射声束提供了新工具。对比度增强策略的创新性在于利用xAM背景噪声的非相干性（附录图7验证帧平均可使CR从3 dB提升至16 dB），与传统超声成像中相干斑噪声形成鲜明对比。这些进展为生物分子超声从二维线扫描向三维容积成像（如非线性声层显微镜NSSM）过渡奠定了方法论基础，有望推动超声分子成像在肿瘤监测、脑血管成像等领域的应用。