通过成人颅骨进行非侵入性经颅光声计算层析成像的去像差

在不打开颅骨的情况下观察大脑

医生和科学家梦想着在不借助笨重的核磁共振成像仪或外科开颅的情况下实时观察大脑活动。光声计算层析成像是一种有前景的技术，它利用短促的光脉冲和灵敏的麦克风来绘制脑内血液分布。但是成人颅骨会严重扭曲这些声波，使图像模糊并掩盖重要细节。本研究在带有成人人类颅骨的真实感实验中首次表明，这些扭曲在很大程度上可以被纠正——使我们更接近一种可行的、非侵入性的床边脑成像工具。

光与声如何绘制大脑

光声成像的工作原理既简单又强大。短促的激光脉冲照射组织，血液对光吸收强烈并产生极微量的快速升温。这种快速加热使血液发出超声波，超声波向外传播并被探测阵列捕捉。由于不同形态的血红蛋白对光的吸收不同，该方法能够比常规磁共振更直接地追踪血氧和血流——这是脑活动的重要指标，而且设备更小、更安静、成本更低。在乳房或肢体等软组织中，声波传播平稳，标准数学重建方法可以准确还原图像。然而颅骨的情况则大不相同。

为什么颅骨会使图像模糊

人类颅骨在力学性质上与大脑和周围软组织截然不同。颅骨更硬、更密，并且不仅支持常见的纵向压缩波，还支持横向的剪切波。当来自脑部的光声音波撞击颅骨时，部分能量被反射，部分在这两种波型之间转换，而且所有波都被复杂地减速和折射。此外，颅骨对高频声音的衰减大于对低频声音的衰减。传统的重建方法将头部视为单一均匀材料，因此当波被骨头扭曲和延时时，这些方法会显著失效。放在真实颅骨后面的模拟脑靶标图像会变成难以辨认的模糊块。

一种新的去扭曲方法

作者通过明确将颅骨建模为弹性固体而不是忽视它，来解决这一长期存在的问题。他们首先利用 CT 或 MRI 等常规医学扫描获取离体成人颅骨的三维形状和位置，然后假设该轮廓内的骨组织可视为具有现实声速的单一均匀材料。通过强大的全波模拟，他们计算了从颅骨内许多可能的声源点到探测阵列的声波传播。随后，一个迭代计算算法搜索最能匹配测得信号的初始压力分布，同时遵守诸如信号强度非负性和平滑性等基本假设。

在不同装置和颅骨上都能得到更清晰的图像

为测试该方法，团队将细的充血管状软管、黑色导线和 3D 打印的形状放置在颅骨内部以模拟脑血管。他们比较了无颅骨、置入颅骨但用常规方法重建、以及置入颅骨但用新模型重建的图像。带颅骨的标准重建严重失真，图案几乎无法辨认。相比之下，新方法成功恢复了目标的细小分支结构和位置，无论光是来自颅骨腔内还是像临床所需的从外部照射，恢复效果都很显著。该改进在不同深度、不同目标形状，甚至在来自不同供体的两块独立颅骨上均能保持。研究人员还故意在假定的颅骨位置、朝向和声速中引入误差，发现尽管忽视剪切波会严重削弱性能，但对其他参数的适度不准确性仍能产生有用的图像。

这对未来脑部扫描意味着什么

这项工作表明，颅骨引起的光声脑成像模糊并非不可逾越的障碍。仅凭颅骨的形状、位置和朝向——医院已经可以通过 CT 或特定 MRI 扫描获得的信息——新方法就能重新聚焦被打乱的声波并在成人颅骨后恢复清晰图像，至少在受控实验条件下是如此。尽管仍有进一步挑战，例如处理来自头皮结构的信号并充分考虑颅骨内部的变化，该研究展示了一条通向便携式、无辐射成像工具的现实路径，该工具将来可能作为 MRI 的补充用于床边监测中风、损伤和其他脑部疾病。

引用: Aborahama, Y., Sastry, K., Cui, M. et al. De-aberration for noninvasive transcranial photoacoustic computed tomography through an adult human skull. Commun Phys 9, 116 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02545-3

关键词: 光声脑成像, 经颅成像, 颅骨像差校正, 功能性神经成像, 超声与光