一項(xiàng)發(fā)表在《Communications Physics》上的最新研究，成功攻克了長期困擾非侵入式人腦光聲成像的技術(shù)壁壘——顱骨導(dǎo)致的聲音畸變。由加州理工學(xué)院汪立宏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，通過建立一個均勻彈性顱骨模型，首次實(shí)驗(yàn)證明了可對穿過離體成人顱骨的光聲圖像進(jìn)行高質(zhì)量的去畸變處理。該研究僅需從X射線計算機(jī)斷層掃描或磁共振成像等輔助影像中獲取顱骨的幾何形狀、位置和方向，便能顯著恢復(fù)被顱骨扭曲的圖像特征，使得原本模糊不清的仿體圖像變得清晰可辨，其圖像質(zhì)量接近無顱骨阻礙時的水平。

這一重要發(fā)現(xiàn)由Yousuf Aborahama、Karteekeya Sastry、Manxiu Cui 等學(xué)者共同完成，通訊作者為 Lihong V. Wang。論文標(biāo)題為《De-aberration for noninvasive transcranial photoacoustic computed tomography through an adult human skull》。該成果標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)、高分辨率的人腦光聲功能成像邁出了決定性的一步，為未來腦科學(xué)研究和臨床神經(jīng)疾病診斷提供了極具潛力的新工具。

重要發(fā)現(xiàn)
01實(shí)驗(yàn)設(shè)計與方法
本研究的核心在于驗(yàn)證一個假設(shè)：若能精確地將顱骨的聲學(xué)特性納入圖像重建過程，則可以有效校正由其引起的聲波畸變。研究團(tuán)隊(duì)使用了一套三維光聲計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個由四個弧形超聲換能器陣列旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的半球形探測面。實(shí)驗(yàn)中，他們將多種吸光仿體（模擬腦血管）放置于離體成人顱骨的內(nèi)表面附近，并采用兩種照明方式：內(nèi)部照明（光線直接照射仿體，用于獲取高信噪比信號以驗(yàn)證方法有效性）和外部照明（光線從顱骨外照射，模擬真實(shí)的非侵入式臨床場景）。

為了精確地將顱骨置于成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系中，研究人員在顱骨表面設(shè)置了 fiducial markers，并利用其光聲圖像與顱骨的X射線CT或MR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。隨后，他們將顱骨建模為一個均勻的彈性介質(zhì)，并設(shè)定了其縱波和橫波速度等關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)。圖像重建則通過求解一個正則化最小二乘問題來實(shí)現(xiàn)，該問題的核心算子是求解各向同性彈性波方程的時域正問題，并利用其伴隨算子進(jìn)行迭代優(yōu)化。這一過程相當(dāng)于在圖像重建的“數(shù)學(xué)公式”中，預(yù)先寫入了聲音在顱骨中如何傳播和變形的物理規(guī)則，從而能夠從畸變的信號中反向推算出真實(shí)的源圖像。

更重要的是，該方法的有效性在更貼近實(shí)際的非侵入式成像場景中同樣得到了驗(yàn)證。當(dāng)使用外部照明時，雖然顱骨本身會產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾信號，使得原始畸變圖像中的目標(biāo)幾乎不可見，但去畸變處理后，仿體的主要結(jié)構(gòu)依然被清晰地揭示出來，其圖像質(zhì)量與內(nèi)部照明下的去畸變圖像相當(dāng)。此外，通過將仿體放置在距離顱骨不同深度的位置進(jìn)行成像，結(jié)果證明該方法在不同成像深度下均能穩(wěn)定工作，展現(xiàn)了其三維空間內(nèi)的普適性。研究團(tuán)隊(duì)甚至在第二塊離體成人顱骨上重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，同樣取得了顯著的圖像改善效果，證實(shí)了該方法對不同個體顱骨結(jié)構(gòu)差異的魯棒性（魯棒性就是指一個系統(tǒng)或方法在面對內(nèi)部擾動或外部環(huán)境變化時，依然能保持穩(wěn)定、有效工作的能力）。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
該研究精準(zhǔn)地?fù)羝屏朔乔秩胧浇?jīng)顱光聲成像領(lǐng)域一個懸而未決的“硬骨頭”——顱骨造成的聲學(xué)畸變。由于成人顱骨具有遠(yuǎn)超軟組織的聲速、密度以及支持橫波傳播的特性，它就像一個不規(guī)則的“毛玻璃”，使得穿過它的光聲信號嚴(yán)重扭曲，導(dǎo)致傳統(tǒng)成像方法失效。這項(xiàng)工作的核心創(chuàng)新在于，它沒有試圖回避或簡化這一問題，而是首次通過一個相對簡潔但物理內(nèi)涵深刻的均勻彈性模型，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了對人腦級成像目標(biāo)的高保真去畸變。

它摒棄了早期方法中對波傳播過程的過度簡化（如忽略橫波、反射和多次反射），采用了能夠精確處理流體-固體界面的全波建模方案，從而在圖像質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。同時，它也克服了依賴“記憶效應(yīng)”等方法需要侵入式預(yù)校準(zhǔn)且僅適用于小區(qū)域的局限。

從光學(xué)生物醫(yī)療的實(shí)際價值來看，這項(xiàng)突破為功能性光聲成像從特殊患者群體（如顱骨切除術(shù)后患者）走向普通大眾鋪平了道路。結(jié)合本研究的去畸變技術(shù)，未來有望實(shí)現(xiàn)一種便攜、開放、低成本、無電離輻射且不受金屬植入物影響的人腦功能成像新模態(tài)。它不僅可以用于腦腫瘤、中風(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷等疾病的診斷與床旁監(jiān)測，還有潛力在認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)反饋治療等更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為臨床和科研提供了一把透視活體人腦功能的新“鑰匙”。

總結(jié)與展望
本研究通過構(gòu)建均勻彈性顱骨模型，首次在實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了對離體成人顱骨下復(fù)雜吸光仿體的高保真光聲圖像去畸變，圖像特征恢復(fù)顯著，且對模型參數(shù)誤差具有一定魯棒性。該成果有力證明了校正顱骨誘導(dǎo)聲學(xué)畸變的可行性，為非侵入式人腦光聲功能成像的臨床應(yīng)用掃除了一項(xiàng)關(guān)鍵障礙。

展望未來，引入更精確的非均勻顱骨模型，并探究如何將色散和頻率依賴衰減等效應(yīng)納入模型，有望進(jìn)一步提升成像分辨率。開發(fā)結(jié)合光聲和超聲的混合成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)顱骨幾何與聲學(xué)參數(shù)的同機(jī)原位測量，將極大簡化流程，推動臨床轉(zhuǎn)化。如何有效處理并分離來自顱外組織（如頭皮）的強(qiáng)干擾信號，將是實(shí)現(xiàn)在體人腦高分辨率成像的下一個前沿挑戰(zhàn)。隨著這些難題的逐步攻克，經(jīng)顱光聲成像有望成為與功能性磁共振成像比肩互補(bǔ)、在特定場景下甚至更具優(yōu)勢的新一代腦功能研究及疾病診療工具。

DOI:10.1038/s42005-026-02545-3.