《Photoacoustics》：Radon–Full-Waveform Inversion for Suppressing Scalp Reverberation and Skull-Induced Aberration in Transcranial Photoacoustic Computed Tomography
编辑推荐：
光声计算机断层成像（Photoacoustic Computed Tomography, PACT）作为一种非侵入性脑功能成像手段极具前景，然而其应用受限于颅骨诱导的声学像差（acoustic aberrations）。此外，头皮产生的强浅表信号常在颅骨内产生
光声计算机断层成像（Photoacoustic Computed Tomography, PACT）作为一种非侵入性脑功能成像手段极具前景，然而其应用受限于颅骨诱导的声学像差（acoustic aberrations）。此外，头皮产生的强浅表信号常在颅骨内产生混响（reverberations），干扰皮质信号并在皮质成像区域引入伪影。传统的通用反投影算法（Universal Back-projection, UBP）和全波重建算法无法充分缓解这些效应，导致图像保真度下降。针对这些挑战，研究人员提出了一种混合框架，称为Radon变换–全波形逆演化（Radon Transform–Full Waveform Inversion, RT–FWI），旨在同时抑制头皮伪影并校正颅骨诱导的声学像差。该方法首先利用高分辨率线性Radon变换分离头皮相关的多次反射，无需依赖先验速度模型。分离出的信号分量用于重建清洗后的波场，并构建空间自适应正则项约束后续的弹性全波形逆演化（Elastic FWI）过程，从而防止伪影增强。数值模拟和离体实验表明，RT–FWI优于UBP和传统FWI，将轴向空间分辨率从1.14 mm提升至0.28 mm，结构相似性指数（Structural Similarity Index, SSIM）从0.415提高至0.875。该研究方法推动了经颅光声脑成像的发展。
研究背景与意义
光声计算机断层成像（PACT）通过融合光学对比度与声学分辨率，为非侵入性脑成像提供了极具吸引力的途径。然而，经颅成像面临着严峻挑战：一是头皮黑色素、毛囊及丰富血管产生的浅表光声信号，会在颅骨界面产生表面回波和混响，掩盖深部脑结构并产生声学杂波伪影；二是颅骨在厚度、密度和声速（Speed of Sound, SoS）上的异质性，导致折射、多径散射和模式转换引起的声学像差。传统重建算法如通用反投影（UBP）和时间反转（Time Reversal, TR）基于简化的传播假设，难以精确建模经颅传播的复杂物理过程。全波形逆演化（FWI）虽能基于波动方程进行高精度建模，但在经颅PACT中，强头皮信号往往主导测量波场，不仅掩盖微弱的脑部响应，还会误导FWI收敛至局部极小值。因此，开发能够同时分离头皮混响与校正颅骨像差的物理驱动算法，是实现高分辨率经颅光声成像的关键。
关键技术方法
本研究提出了一种混合重建框架RT–FWI。首先，采用基于贝叶斯推断和高斯先验的高分辨率线性Radon变换，在慢度-截距时间域（slowness–intercept time domain）分离头皮相关的多次反射，并通过自适应阈值处理构建头皮掩膜（scalp mask）。其次，利用逆Radon变换获得清洗后的颅内波场，并将其作为输入。最后，结合有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）求解的一阶速度-应力弹性波方程，构建包含数据拟合项和头皮能量惩罚项的优化目标函数，通过快速迭代收缩阈值算法（Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm, FISTA）进行弹性全波形逆演化（Elastic FWI），实现声速、剪切波速及初始压力分布的定量重建。
研究结果
3.1 数值模拟
研究人员构建了包含头皮层、颅骨层和背景介质的三层二维数值体模。通过在背景介质中嵌入九个点声源模拟深部脑结构。原始射频（RF）数据显示，头皮产生的混响呈弯曲轨迹，通过基于首波到达时延迟重新排列后，在Radon域形成紧凑的高能簇。利用高分辨率线性Radon变换成功分离了头皮信号（R1–R5）与源自点源的颅内波场。经逆变换回时空域后，清洗后的波场显著降低了表面干扰，验证了该算法在不依赖先验声速模型的情况下，利用运动学特征分离波场的能力。
3.2 基于仿颅骨平板的离体实验
为验证框架有效性，研究人员设计了简化离体实验，采用8毫米厚的丙烯酸板模拟颅骨，构建包含仿头皮猪组织层、丙烯酸板和注水层的phantom。利用定制线性超声阵列和光学参量振荡激光器进行数据采集。实验数据处理流程与数值模拟一致，结果显示，RT–FWI处理后的波场有效抑制了丙烯酸板产生的强混响，清晰地恢复了水下点吸收体的信号。相较于UBP和常规FWI，RT–FWI重建图像的轴向分辨率显著提升，证明了该方法在处理真实声学界面多重反射方面的鲁棒性。
讨论与结论
讨论部分指出，尽管在活体场景中，颅内血管可能产生与头皮混响斜率相近的相干波前，但由于头皮信号在幅度上具有数量级优势，基于幅度的阈值机制能够有效隔离并减去高频伪影，而不会过度屏蔽共享相似斜率的弱颅内血管信号。研究结论强调，RT–FWI通过将波场分离与物理驱动的逆演化相结合，突破了传统方法的局限。该研究提出的双域（Radon域和时空域）处理策略，不仅提高了经颅PACT的图像分辨率和结构相似性，也为其他涉及复杂声学界面和强相干噪声的医学成像模态提供了通用的解决思路。该成果标志着经颅光声脑成像向临床转化迈出了重要一步。
