超声成像因其无创、安全、实时和成本低等优势，已经成为现代医学诊断中最常用的影像技术之一。在心脏功能评估、血管结构检测、胎儿发育监测等方面，超声技术为医生提供了直观而可靠的观察手段。然而，这一技术始终受到一个基础物理规律的限制——衍射极限。当待分辨的组织结构尺寸接近声波波长时，成像分辨率会显著下降，细微结构逐渐变得模糊，这已成为制约超声成像进一步发展的关键瓶颈之一。

围绕这一问题，研究者们已经探索了多种突破路径。例如，通过非线性谐波信号提升分辨能力，或借助微泡造影实现定位显微成像，亦或利用人工设计的声学结构对波前进行调控。这些方法在特定条件下取得了显著进展，但通常需要额外的物理机制或复杂系统支持，其适用性和稳定性在实际医学场景中仍面临挑战。本质上，这些策略大多仍围绕声波的线性动量展开调控，而声波本身还蕴含着尚未被充分利用的自由度。

在这一背景下，研究团队将目光转向了声波的另一种物理属性——轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）。携带轨道角动量的声波具有螺旋状的相位结构，其波前围绕传播轴旋转，并在中心形成相位奇点。这种特殊的空间结构不仅赋予声波丰富的模态自由度，还在相位奇点附近产生局域超振荡区域，使得局部空间频率可以超越传统频谱上限。正是这种特性，使研究团队意识到旋转声波有希望为突破衍射极限提供新的可能路径。

然而，已有研究主要集中于单一轨道角动量模态的传播与应用，例如用于粒子操控或声学通信。相比之下，不同模态之间的相互干涉与协同作用，尤其是在复杂成像问题中的信息承载能力，仍缺乏系统研究。特别是在连续目标的远场成像中，如何利用这种结构化声场来恢复亚波长细节，一直是一个尚未解决的问题。

针对这一关键问题，研究团队提出了一种基于复合轨道角动量声场的远场超分辨成像方法。通过将多个不同拓扑荷数的旋转声波进行合成，可以构建具有高度结构化的声场，其角向空间频谱逐渐收敛至类似狄拉克函数的分布。这一过程使得原本无法传播到远场的高空间频率信息能够被有效编码进散射信号中，从而在远距离条件下实现对亚波长结构的恢复。换言之，复合轨道角动量为超声成像引入了一个新的信息维度，使声波能够“携带更多细节”。

在理论层面，研究团队建立了复合轨道角动量声场与散射成像之间的统一框架。分析表明，在传统平面波激励下，散射场所包含的空间频谱严格受限于波数范围，这正对应经典衍射极限的来源。而当采用复合轨道角动量激励时，不同模态的频谱在角向叠加，其合成分布呈现出高度集中的特征，使得高空间频率分量得以进入远场并参与成像重建，从原理上突破了分辨率限制。

在数值模拟中，研究团队以1 MHz超声为例（对应波长约1.5 mm），利用多个轨道角动量模态构建复合声束，对多种亚波长目标进行了成像测试。结果显示，该方法不仅能够清晰恢复尺寸低至0.2倍波长的结构，还能够准确重建复杂几何形状，而传统聚焦超声在相同条件下则无法分辨这些细节。

实验方面，研究团队在水下搭建了基于环形阵列的超声场调控系统，并成功生成复合轨道角动量声束。通过精密扫描测量，实验验证了复合超声束的频谱收敛行为。进一步的成像实验表明，该方法在金属细丝结构中实现了约0.24倍波长的分辨率，并在模拟血管结构的柔性弱散射目标中实现了约0.37倍波长的高分辨成像。这一结果表明，该方法不仅适用于理想目标，也具备在类生物组织环境中应用的潜力。

在此基础上，本研究还发现，随着参与合成的轨道角动量模态数量增加，成像分辨率可以持续提升，显示出良好的可扩展性。同时，通过调控不同模态的编码组合，还可以实现对目标结构手性的识别。这意味着该方法不仅能够分辨物体有“多小”，还能够区分物体“旋向”，为声学成像和分子检测提供了新的功能维度。

这项研究从理论与实验两方面证明了复合轨道角动量在超声成像中的独特优势。相较于传统方法，该技术无需造影剂、无需复杂结构，具备非侵入、抗噪声和可扩展等特点。在医学应用中，这意味着未来有望实现更高分辨率的微血管成像、更敏感的早期病变检测以及更精细的组织结构可视化。

相关成果以“Composite Orbital Angular Momentum for Super-resolution Ultrasound Imaging”为题发表在 Physical Review Letters （DOI: https://doi.org/10.1103/5vqw-wz6t）。论文第一作者为复旦大学智慧医疗超声实验室硕士生李鑫鹏，通讯作者为江雪教授和他得安教授。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市曙光计划、上海启源青年学者、小米青年学者项目的支持。

图1：复合轨道角动量声场实现远场超分辨成像的基本原理。

在源平面叠加不同拓扑荷数m的OAM模态（典型范围-M ≤ m ≤ M，本文中M ≤ 5），形成复合声束。其相位奇点附近产生超振荡区域，对应局部空间频率超过背景波数k₀。在散射过程中，复合OAM声场的角向频谱逐渐收敛至类狄拉克分布，使目标的高空间频率分量（原本受限于|k|≤k₀）能够被编码进远场散射信号。通过求解Lippmann–Schwinger方程可恢复亚波长结构信息，并可通过选择轨道角动量模态实现被成像物体的手性识别。

图2：传统聚焦超声成像与复合OAM成像的仿真对比。

在1 MHz超声条件下（波长约λ ≈ 1.5 mm），对特征尺寸为0.2λ – 0.5λ的亚波长结构及MNIST目标进行成像。传统聚焦超声受衍射极限约束无法分辨细节，而复合OAM成像（模态数 M = 5，共11个模态）可清晰重建目标结构。半高全宽（FWHM）分析表明，最佳分辨率可达约 0.2λ，显著优于经典Rayleigh极限（约0.5λ）。

图3：复合轨道角动量声束的实验生成与频谱表征。

实验系统基于16阵元环形换能器阵列与锥形波导结构，在1 MHz水声环境中生成OAM声束。通过针式水听器扫描获取振幅与相位分布。单模态OAM声束呈典型环形强度分布，而复合OAM声束（M = 1–5）逐渐打破旋转对称性。频谱分析表明，随着模态数增加，角向频谱显著收窄并趋于集中，定量验证了其向狄拉克分布收敛的趋势。

图4：复合OAM方法的超分辨成像实验验证。

在1 MHz超声系统中，对多种亚波长目标进行成像，包括直径0.2λ的金属细丝、宽度0.33λ 的多丝结构以及直径0.33λ的血管仿体。传统聚焦成像无法分辨相邻结构，而复合OAM成像可清晰恢复目标边界与细节。横截面分析显示，实验中最佳分辨率达到约0.24λ，血管仿体成像分辨率约为0.37λ，表明该方法在弱散射、生物相关场景中的有效性，为超分辨成像提供了直接的实验验证。

图5：复合OAM成像的分辨率提升与手性识别能力。

随着参与合成的模态数量增加，金属细丝目标的成像分辨率持续提升，FWHM随模态数单调下降。对于特征尺寸约为λ/15 的手性结构，通过选择性激励正或负拓扑荷数模态，可实现手性匹配与不匹配条件下的成像对比：匹配情况下获得高保真重建，而不匹配情况下图像显著退化。