经颅光声成像高保真去畸变技术的原理与应用
2026-03-25 来源:本站 点击次数:128一项发表在《Communications Physics》上的最新研究，成功攻克了长期困扰非侵入式人脑光声成像的技术壁垒——颅骨导致的声音畸变。由加州理工学院汪立宏教授领导的团队，通过建立一个均匀弹性颅骨模型，首次实验证明了可对穿过离体成人颅骨的光声图像进行高质量的去畸变处理。该研究仅需从X射线计算机断层扫描或磁共振成像等辅助影像中获取颅骨的几何形状、位置和方向，便能显著恢复被颅骨扭曲的图像特征，使得原本模糊不清的仿体图像变得清晰可辨，其图像质量接近无颅骨阻碍时的水平。
这一重要发现由Yousuf Aborahama、Karteekeya Sastry、Manxiu Cui 等学者共同完成，通讯作者为 Lihong V. Wang。论文标题为《De-aberration for noninvasive transcranial photoacoustic computed tomography through an adult human skull》。该成果标志着向实现无创、高分辨率的人脑光声功能成像迈出了决定性的一步，为未来脑科学研究和临床神经疾病诊断提供了极具潜力的新工具。
重要发现
01实验设计与方法
本研究的核心在于验证一个假设：若能精确地将颅骨的声学特性纳入图像重建过程，则可以有效校正由其引起的声波畸变。研究团队使用了一套三维光声计算机断层扫描系统，该系统包含一个由四个弧形超声换能器阵列旋转构成的半球形探测面。实验中，他们将多种吸光仿体（模拟脑血管）放置于离体成人颅骨的内表面附近，并采用两种照明方式：内部照明（光线直接照射仿体，用于获取高信噪比信号以验证方法有效性）和外部照明（光线从颅骨外照射，模拟真实的非侵入式临床场景）。
为了精确地将颅骨置于成像系统的坐标系中，研究人员在颅骨表面设置了 fiducial markers，并利用其光声图像与颅骨的X射线CT或MR图像进行配准。随后，他们将颅骨建模为一个均匀的弹性介质，并设定了其纵波和横波速度等关键声学参数。图像重建则通过求解一个正则化最小二乘问题来实现，该问题的核心算子是求解各向同性弹性波方程的时域正问题，并利用其伴随算子进行迭代优化。这一过程相当于在图像重建的“数学公式”中，预先写入了声音在颅骨中如何传播和变形的物理规则，从而能够从畸变的信号中反向推算出真实的源图像。
02关键实验结果研究结果清晰地展示了该方法的强大效能。对于三种不同复杂程度的吸光仿体（包括3D打印的聚乳酸结构和充满血液的管子），使用传统反投影法重建的经颅图像严重畸变，几乎无法辨认任何特征。然而，经过该研究的去畸变算法处理后，图像质量发生了质的飞跃，几乎所有在无颅骨情况下能看到的特征都得到了恢复。量化指标也印证了这一显著提升：三组仿体图像与无颅骨图像的相关系数分别从畸变图像的0.36、0.14和0.03提升至去畸变后的0.69、0.76和0.60；结构相似性指数也从0.16、0.23和0.18分别提升至0.88、0.82和0.68。
更重要的是，该方法的有效性在更贴近实际的非侵入式成像场景中同样得到了验证。当使用外部照明时，虽然颅骨本身会产生强烈的干扰信号，使得原始畸变图像中的目标几乎不可见，但去畸变处理后，仿体的主要结构依然被清晰地揭示出来，其图像质量与内部照明下的去畸变图像相当。此外，通过将仿体放置在距离颅骨不同深度的位置进行成像，结果证明该方法在不同成像深度下均能稳定工作，展现了其三维空间内的普适性。研究团队甚至在第二块离体成人颅骨上重复了实验，同样取得了显著的图像改善效果，证实了该方法对不同个体颅骨结构差异的鲁棒性（鲁棒性就是指一个系统或方法在面对内部扰动或外部环境变化时，依然能保持稳定、有效工作的能力）。
03方法稳健性分析一项优秀的成像技术不仅需要有效，还需对参数误差具有一定的容忍度。研究系统地分析了模型失配对去畸变效果的影响。结果表明，若完全忽略横波（即将颅骨简化为仅支持纵波的声学模型），图像质量会显著下降，这凸显了在模型中纳入弹性波，尤其是横波效应的必要性。然而，当对颅骨的位置、旋转角度以及纵波和横波速度进行小范围的人为扰动时，去畸变后的图像质量并未出现灾难性的崩塌，许多关键特征依然可见。进一步的量化分析显示，横波速度的准确性对最终图像质量的影响比纵波速度更为敏感。这一发现为未来在体应用提供了宝贵的指导：即在实际操作中，精确获取颅骨几何并合理设定声学参数（尤其是横波速度）是成功的关键，但该方法本身具备一定的容错空间，增强了其临床转化的可行性。
创新与亮点
该研究精准地击破了非侵入式经颅光声成像领域一个悬而未决的“硬骨头”——颅骨造成的声学畸变。由于成人颅骨具有远超软组织的声速、密度以及支持横波传播的特性，它就像一个不规则的“毛玻璃”，使得穿过它的光声信号严重扭曲，导致传统成像方法失效。这项工作的核心创新在于，它没有试图回避或简化这一问题，而是首次通过一个相对简洁但物理内涵深刻的均匀弹性模型，在实验中实现了对人脑级成像目标的高保真去畸变。
它摒弃了早期方法中对波传播过程的过度简化（如忽略横波、反射和多次反射），采用了能够精确处理流体-固体界面的全波建模方案，从而在图像质量上实现了质的飞跃。同时，它也克服了依赖“记忆效应”等方法需要侵入式预校准且仅适用于小区域的局限。
从光学生物医疗的实际价值来看，这项突破为功能性光声成像从特殊患者群体（如颅骨切除术后患者）走向普通大众铺平了道路。结合本研究的去畸变技术，未来有望实现一种便携、开放、低成本、无电离辐射且不受金属植入物影响的人脑功能成像新模态。它不仅可以用于脑肿瘤、中风、创伤性脑损伤等疾病的诊断与床旁监测，还有潜力在认知科学、神经反馈治疗等更广阔的领域发挥关键作用，为临床和科研提供了一把透视活体人脑功能的新“钥匙”。
总结与展望
本研究通过构建均匀弹性颅骨模型，首次在实验中成功实现了对离体成人颅骨下复杂吸光仿体的高保真光声图像去畸变，图像特征恢复显著，且对模型参数误差具有一定鲁棒性。该成果有力证明了校正颅骨诱导声学畸变的可行性，为非侵入式人脑光声功能成像的临床应用扫除了一项关键障碍。
展望未来，引入更精确的非均匀颅骨模型，并探究如何将色散和频率依赖衰减等效应纳入模型，有望进一步提升成像分辨率。开发结合光声和超声的混合成像系统，实现颅骨几何与声学参数的同机原位测量，将极大简化流程，推动临床转化。如何有效处理并分离来自颅外组织（如头皮）的强干扰信号，将是实现在体人脑高分辨率成像的下一个前沿挑战。随着这些难题的逐步攻克，经颅光声成像有望成为与功能性磁共振成像比肩互补、在特定场景下甚至更具优势的新一代脑功能研究及疾病诊疗工具。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Yousuf Aborahama, Karteekeya Sastry, Manxiu Cui, Yang Zhang, Yilin Luo, Rui Cao, Geng Ku, Jigmi Basumatary, Junhao Zhu, Siying Kong, Lihong V Wang
DOI:10.1038/s42005-026-02545-3.