基于收敛玻恩级数的高效光声场计算方法及其在红细胞多散射效应研究中的应用

推荐：研究人员针对生物医学光声成像中非均匀Helmholtz方程求解计算量大的问题，开发了基于收敛玻恩级数(CBS)的高效算法。通过GPU并行计算实现了24倍加速，验证了红细胞集群中声波多重散射的物理特征，为组织光声场精确建模提供了新工具。

　　

在生物医学成像领域，光声成像(Photoacoustic Imaging)技术因其独特的混合对比机制备受关注。该技术利用脉冲激光激发生物组织产生超声波，通过检测这些声波信号重建组织内部的光学吸收分布。然而，当研究红细胞(RBC)等微小散射体时，传统数值方法面临两大挑战：一是非均匀Helmholtz方程的求解计算复杂度高；二是声波在细胞集群中的多重散射效应难以量化。这些瓶颈严重制约了高分辨率光声显微技术的临床应用。

针对这一难题，印度理工学院等机构的研究团队在《Photoacoustics》发表了创新性解决方案。研究人员将理论物理学中的收敛玻恩级数(Convergent Born Series, CBS)算法引入生物医学工程领域，开发出兼容多GPU系统的计算框架。该工作首次系统研究了红细胞集群中声速差异导致的声波多重散射现象，为理解复杂生物组织中的声学相互作用提供了新视角。

研究采用三大关键技术：(1) 基于Metropolis-Hastings算法的红细胞空间分布建模；(2) 改进的CBS迭代框架处理声学不均匀性；(3) 多GPU并行加速的快速傅里叶变换(FFT)实现。实验验证使用直径5.5μm的二维圆盘模拟红细胞，在7.3-2197MHz频段进行系统测试。

研究结果部分：

1. 单粒子系统验证：通过对比解析解证实CBS算法精度，在声速对比度±30%范围内，2048×2048网格计算仅需337次迭代收敛。
2. 多粒子系统分析：403个红细胞(40%血细胞比容)的模拟显示，当声速对比度Δv=450m/s时，183MHz频点下CBS与离散粒子法(DPA)结果差异达37%，证实多重散射效应。
3. 计算效能：4GPU系统实现1006倍加速，单频点计算时间从15.37小时缩短至55秒。

讨论部分指出，该研究的核心突破在于：(1) 建立声学不均匀细胞集群的光声场计算标准；(2) 发现组织内部压力场对声速对比度的非线性响应规律；(3) 开发出可扩展至三维的组织建模框架。特别值得注意的是，当红细胞声速(v_s
)从1950m/s降至1200m/s时，频谱第一极小值位置从432MHz偏移至264MHz，这一现象为红细胞力学特性检测提供了新思路。

研究团队在结论中强调，该计算工具可精确量化声波多重散射对光声信号的影响，未来通过结合深度学习算法，有望实现活体组织中红细胞力学参数的实时动态监测。这项跨学科研究不仅推动了计算声学方法的发展，也为疟疾、镰状细胞贫血等血液疾病的早期诊断开辟了新途径。