控型超声洗器

项目组科研人员与同行专家交流合影。 研究团队供图中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）实验室里，一台高精尖仪器一排排控制灯交替闪烁。一万多个探头发出超声波形成的操控声场，如同“上帝之手”穿过实验动物的颅骨，直抵大脑深处，精准“触碰”一些神经元，产生仅仅几微米的细微形变，被磁共振仪敏锐捕捉到。“亮了！亮了！”深圳先进院研究员郑海荣看到，磁共振图像上黑漆漆的实验动物大脑中间出现白色的小亮点，犹如在脑科学的未知宇宙中点亮一颗新的星球。2019年初，郑海荣团队迎来里程碑式的一天，这也是他们在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目支持下开发“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器”的第4年。如今项目顺利结题，这台原创的高端科研仪器已进入产业化阶段。“科研需要一股不服输的韧劲！”回首研发历程，郑海荣向《中国科学报》表示，“6年来，一步步攻克科学难题、一个个突破工程难关，离不开整个团队攀登科学高峰的坚定信念和持久韧劲。”解脑科学“刚需”之急近年来，帕金森病、阿尔茨海默氏症、抑郁症、癫痫等脑疾病得到越来越多的关注，患者数量剧增，脑疾病带来的经济负担和社会负担越发严重，已成为我国人口老龄化面临的重要社会问题之一。然而，从科学上看，脑疾病发病机制仍不清晰，其诊治仍然是重大医学难题。“国际上脑科学研究者已经认识到，帕金森病、抑郁症等疾病多与深部脑区核团病变有关，对核团及其所在环路的神经调控是疾病治疗和科学研究的基本途径之一。”郑海荣表示。多年来，科学家将电、磁、光等技术与神经科学相结合，产生了脑深部电刺激、磁刺激、光遗传学等神经刺激与调控技术。但是，由于各自物理属性的不同，如何实现无创、精准对大脑深部进行有效调控仍面临严峻挑战。因此，脑科学面临的“刚需”是开发出一种适用于灵长类动物和人类、可无创到达大脑深部的刺激与调控工具。2013年前后，从事物理医学成像研究的郑海荣开始思考，有没有可能利用超声波来操控神经元活动。这个想法并不是天方夜谭。据了解，超声是一种机械波，医学上利用超声波在人体组织中的波散射来成像，就是大家熟悉的B超。早在几十年前，科学家曾观察到，超声波能够通过“声辐射力”让声场中的微小颗粒产生移动。不过，从来没有人尝试过专门设计一台这样的仪器，用超声波辐射力实现对大脑中神经元的“隔空探物”。基于此前对超声辐射力的研究，郑海荣团队下决心对“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器”进行自主研发，经多轮严格论证，2015年获得国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目支持。啃原创仪器“硬骨头”“虽然我们之前做过体量小一些的成像仪器，但这个项目从科学验证到工程实践面临的挑战非常大，刚开始心里也不太有底。”郑海荣坦承。一开始，他们就做好了啃“硬骨头”的打算。这台仪器共有4个关键部件，包括超声面阵辐射力产生与发射部件、超声电子指向与时间反演控制部件、磁共振导航超声刺激定位部件和多模态刺激反应监测部件。其中，超声面阵辐射力产生与发射部件中包含16384个阵元的面阵列超声辐射力发生器。“我们做的是原创仪器，不仅仪器国际上没有，连其器件和部件在国际市场上也买不到现成的，只能利用基础材料、元器件和芯片，在深圳自主设计、自主加工、自主调试和验证。”郑海荣介绍。更大的困难还在科学和工程上。他们遇到的第一道难题便是如何让超声波安全“穿过”颅骨。在体外实验阶段，研究人员已经实现了用面阵列超声换能器发射的声辐射力“点亮”神经元。为模拟动物体内环境，仪器部件被置于水中，如果跨过颅骨能“击出”水花则代表超声辐射力发挥作用。“外边（超声）打得挺激烈，（颅骨）里边却没丝毫动静、一点水花都没有，超声波几乎完全被颅骨散射和吸收了。”在前期屡败屡战的实验中，大家互相鼓励坚持下去。郑海荣说：“就像在挖一条隧道，没挖通之前总是黑暗笼罩，谁也不知道已经挖了多少，但只要确定大概的方向，坚持下去，终究会看到光明。”为打通这条“隧道”，他们回到科学理论中，引入非均匀多层介质中的“时间反演”理论，对每一个声信号通道的时空传播特征进行模拟、计算、调控与调试，实现各通道间纳秒级高精度控制，最终成功让上万个超声通道协同工作，“齐心协力”安全地穿过颅骨，精准聚焦在预定靶点，而且不引起脑组织损伤。一个通俗的解释是，就像北京2022年冬奥会开幕式《雪花》节目中，从节目结束时每位小演员的站位开始，通过“倒放”的方式确认每位小演员的出发时间、地点和行走路径。第二道难题是如何用核磁共振成像灵敏地检测到超声辐射力给神经元带来的4~5微米的精细变化。这事关刺激的精准，但超声本身“看不到”颅内自己的轨迹。为此，在项目支持下，他们坚持不懈开展攻关，发挥磁/声兼容的优势，创造性地研制了“快速磁共振射频激发与梯度编码成像技术、磁共振声辐射力成像技术”，用于监测超声辐射力刺激引起的微形变，有效地提高磁共振成像的时空分辨率和灵敏度，实现磁共振对于声波轨迹和靶点的敏感捕捉和可视化。2019年初，项目进行到第4年，研究团队终于解决这个问题，在“隧道”中迎来一束光明。合作才能融通高端科研仪器的研制不仅需要开创前沿科学理论，也要挑战诸多工程技术极限，只有团队相互协作、密切配合，才能实现共同的目标。该项目汇集了来自多家科研机构、不同学科背景的多个团队，70多位研究人员在统一的目标下开展分工合作。据郑海荣介绍，由他带领的深圳先进院团队主要承担超声辐射力高密度面阵辐射力发生器、万通道电子控制系统及实时磁共振刺激定位成像部件等仪器主体部分研制。强梯度声场设计工作主要由中国科学院声学研究所团队承担，刺激效果对标与标定工作由清华大学团队承担，神经生物学基础机制工作由浙江大学等团队承担，刺激的应用效果工作由首都医科大学、苏州大学团队承担。几年实践下来，多学科交叉团队形成了一套行之有效的工作机制和组织模式。“我们整个大仪器团队划分为12个小组，每周召开一次小组会，每月召开一次大组会，会议纪要有厚厚的几大本。”郑海荣介绍。研究成员表示，这样的机制形成了不同学科背景研究人员之间相互交流和学习、围绕同一目标共同攻关的良好氛围，为高效解决问题奠定了基础。如今，这台由中国科学家独创的高端仪器已经成为脑科学研究领域的“抢手货”。团队核心成员之一、深圳先进院研究员牛丽丽告诉《中国科学报》，目前已经有超过40家国内外科研机构使用了超声刺激仪器，主要应用在有癫痫、帕金森病、抑郁症、成瘾等疾病的小动物和非人灵长类大动物实验中，其有效性和安全性得到了验证。面向未来，让更多科学家用上这种仪器、助力人类脑疾病诊疗，是团队成员共同的期待。

中特协2021年首期全国超声相控阵培训班本次活动如期举办，奥林巴斯特派无损检测专家刘沛先生，为参与考核的学员进行实操培训及演示。本次活动旨在加强特种设备检验检测行业与其他相关行业的沟通交流，扩大行业影响力和服务领域，展现行业凝聚力和技术能力。在本次奥林巴斯参与中国特种设备检验协会举办的2021年首期超声相控阵培训班，有20多位学员积极踊跃学习奥林巴斯的设备，培训内容包括设备的实际操作及数据分析判读。附：本次活动时间安排表

引言随着可提供全聚焦方式（TFM）功能的检测设备陆续进入到市场中，无损检测（NDT）行业也在经历着一个技术进步突飞猛进的重要时期。全聚焦方式（TFM）的出现标志着相控阵超声检测（PAUT）技术又向前迈出了重要的一步。然而，一些相控阵超声检测（PAUT）的从业人员可能仍然对全聚焦方式（TFM）及其与全矩阵捕获（FMC）的关系，以及常规相控阵超声检测（PAUT）和全矩阵捕获/全聚焦方式（FMC/TFM）处理之间的差异，感到困惑。这篇文章可使那些熟悉相控阵超声检测（PAUT）成像的检测人员对全聚焦方式（TFM）成像有个基本的了解。常规相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）的基本区别在相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）检测中，都使用一个多晶片探头，在被测样件中发射脉冲超声波，并记录回波随着时间而变化的轨迹（波形）。然后，这些波形被合成处理，以生成被测样件中反射体的图像。超声波图像可被视为由众多子图像（被称为帧）堆栈在一起而生成的图像。例如：相控阵超声检测（PAUT）中的扇形扫描是由一系列以不同角度采集到的A扫描（波幅对应时间）堆栈而成。在扇形扫描的定义中，单个A扫描的作用相当于帧。相控阵超声检测（PAUT）策略就是以尽可能快的方式处理这些帧，并实时显示和刷新总体图像。常规相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）之间的基本差别在于信号采集和帧处理的策略不同。常规相控阵超声检测（PAUT）成像为了演示在相控阵超声检测（PAUT）中采集帧的过程，这里我们使用一个S扫描作为示例。S扫描由众多单个的帧组成，这些帧对应于在工件中以不同角度采集到的A扫描。在采集过程中，一组晶片（被称为孔径）同时发射脉冲，并记录下声波的轨迹。延迟被应用到每个晶片，以使超声声束以所需的角度偏转，并在工件中期望的深度处聚焦。这样，每个帧就是由折射角度和聚焦深度而定义。因此，要采集的帧的总数量就是构成总体图像的不同角度的数量。相控阵超声检测（PAUT）的优点是只需要完成有限的采集量。向被测材料中发射的声束是不同单个发射器的声学波幅“物理求和”的结果，而接收声束则是由前端电子设备通过快速求和算法而获得的合成声束。因此，可以非常迅速地显示通过相控阵超声检测（PAUT）方法获得的图像。相控阵超声检测（PAUT）的缺点是所有帧都在一个恒定的深度上聚焦。位于聚焦区域之外的反射体会显得模糊不清，而且会比位于聚焦区域内的同等大小的反射体看起来更大些。全聚焦方式（TFM）技术可以解决这种显示分辨率的问题。全聚焦方式（TFM）的基本概念是在多个不同深度的聚焦线上显示波幅，换句话说就是不只在单一的深度线上聚焦，而是具有“随处聚焦”的特点，因此可以为聚焦区域内的任何位置生成高度清晰的图像。如果使用相控阵超声检测（PAUT）采集策略（获得每帧图像需要一次采集）生成全聚焦方式（TFM）图像，则所需的时间就会显著增加。生成一个全聚焦方式（TFM）图像所需的像素数量比生成一个S扫描所需的不同角度的数量高得多。例如：通过以100个不同角度进行扫查而获得的一个S扫描需要100次采集，而由100 × 100像素构建的全聚焦方式（TFM）图像则需要10000次采集。为了避免这个采集数量过多的问题，我们可以使用另一种采集策略，这种策略是在后处理过程中计算出帧。这种采集策略需要一组对应于每个像素位置的聚焦法则，以及被称为全矩阵捕获（FMC）的一组原始基础波形。这样一来，基础波形会得到适当的延迟和求和处理，以在发射和接收过程中以合成方式生成超声声束，并在每个像素位置聚焦。因此，所生成的图像具有“随处聚焦”的特点。全矩阵捕获（FMC）可以获取探头所有成对（发射-接收）单个晶片所生成的所有波形。一般来说，要使用探头的整个孔径，因为对于某种特定的探头来说，这样可以获得最佳聚焦结果。在这种情况下，获得全矩阵捕获（FMC）数据所需的采集数量等同于探头晶片的数量。全矩阵捕获（FMC）收集到有关探头每个晶片之间声束传播的所有信息，包括被测材料表面的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何类型的相控阵超声检测（PAUT）图像都可以使用全矩阵捕获（FMC）数据重建，其中包括：扇形扫描、平面波成像（PWI）、动态深度聚焦（DDF）等。虽然全矩阵捕获（FMC）生成图像所需的采集数量与相控阵超声检测（PAUT）大致相同，但是要存储单个全矩阵捕获（FMC）数据集，却需要很大的存储容量、很宽的传输带宽，以及很强的处理能力。取决于所用设备的电子器件，获得全矩阵捕获/全聚焦方式（FMC/TFM）结果的速度可能会比相控阵超声检测（PAUT）更慢。以实验案例说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）图像的差异为了说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之间的差别，我们在此介绍一个使用线性相控阵（PA）探头对钢块中垂直分布的几个相同的横通孔（SDH）进行扫查的设置。下面是OmniScan X3探伤仪使用相同的检测配置获得的相控阵超声检测（PAUT）S扫描（a）和全聚焦方式（TFM）图像（b）。在S扫描中，每帧图像都使用独特的20毫米聚焦深度获得（红色虚线代表聚焦深度）。处于聚焦区域内的几个横通孔（SDH）以相似的波幅和大小出现在图像中。与较短的聚焦深度相比，使用这种聚焦深度，可以获得更大的具有优质图像分辨率的区域，这也是图中几个横通孔都清晰可见的原因。位于聚焦深度以外较远的横通孔的图像会出现失真现象，且其波幅会大幅降低。因此要使所有横通孔获得更为一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多个图像。在全聚焦方式（TFM）图像（b）中，超声声束在每个像素上聚焦。如您所见，图像中的每个横通孔（SDH）都很清晰鲜明，因此只需一个图像就可以准确地定量分布在更大深度范围内的横通孔。不过，我们可以观察到，位于电子聚焦能力所及的边限处的横通孔有横向失真的现象。这种失真情况是相控阵成像固有的问题，因此也会出现在全聚焦方式（TFM）图像中。探头正在进行全矩阵捕获（FMC）扫查比较相控阵超声检测（PAUT）扫描图与全聚焦方式（TFM）图像。全聚焦方式/全矩阵捕获（TFM/FMC）采集优势特性的总结全聚焦方式（TFM）和相控阵超声检测（PAUT）之间的主要区别在于构成图像的帧的性质和数量不同。在相控阵超声检测（PAUT）中，帧是一些1维信号或A扫描。后处理工作只包含前端电子设备对信号的实时求和操作，而且在处理的同时，会采集并呈现帧（图像）。与相控阵超声检测（PAUT）不同，全聚焦方式（TFM）的帧是来自每个像素坐标位置的聚焦声束的0维度数据点。因此，要处理的全聚焦方式（TFM）的帧的数量远多于相控阵超声检测（PAUT）的帧的数量。全聚焦方式（TFM）成像需要通过全矩阵捕获（FMC）方式采集数据，以在后处理过程中以合成方式生成聚焦声束。全聚焦方式（TFM）的主要优点是整个图像都以最佳分辨率显示，而相控阵超声检测（PAUT）图像仅在声束的聚焦区域中具有较高的分辨率。在使用全聚焦方式（TFM）进行检测时唯一值得注意的局限性是相控阵成像技术所带来的电子聚焦能力。