一項發(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)的團隊，通過建立一個均勻彈性顱骨模型，首次實驗證明了可對穿過離體成人顱骨的光聲圖像進行高質(zhì)量的去畸變處理。該研究僅需從X射線計算機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。論文標題為《De-aberration for noninvasive transcranial photoacoustic computed tomography through an adult human skull》。該成果標志著向?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實驗設(shè)計與方法
本研究的核心在于驗證一個假設(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。研究團隊使用了一套三維光聲計算機斷層掃描系統(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。實驗中，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證方法有效性）和外部照明（光線從顱骨外照射，模擬真實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圖像進行配準。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行迭代優(yōu)化。這一過程相當于在圖像重建的“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的源圖像。

更重要的是，該方法的有效性在更貼近實際的非侵入式成像場景中同樣得到了驗證。當使用外部照明時，雖然顱骨本身會產(chǎn)生強烈的干擾信號，使得原始畸變圖像中的目標幾乎不可見，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。此外，通過將仿體放置在距離顱骨不同深度的位置進行成像，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。研究團隊甚至在第二塊離體成人顱骨上重復(fù)了實驗，同樣取得了顯著的圖像改善效果，證實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
該研究精準地擊破了非侵入式經(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重扭曲，導(dǎo)致傳統(tǒng)成像方法失效。這項工作的核心創(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，在實驗中實現(xiàn)了對人腦級成像目標的高保真去畸變。

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)校準且僅適用于小區(qū)域的局限。

從光學(xué)生物醫(yī)療的實際價值來看，這項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，首次在實驗中成功實現(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)，實現(xiàn)顱骨幾何與聲學(xué)參數(shù)的同機原位測量，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）的強干擾信號，將是實現(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、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.