超声矩阵成像技术实现3D经颅活体定位显微成像：突破颅骨畸变限制的超分辨率脑血管可视化

研究人员针对经颅超声成像中颅骨导致的信号衰减和高阶畸变问题，开发了结合超声矩阵成像(UMI)和超声定位显微镜(ULM)的创新技术。通过在麻醉绵羊模型中进行实验，成功实现了深部脑微血管的三维超分辨率成像，分辨率提升达10倍。该技术显著提高了微泡检测率和定位精度，为无创观察人类脑微血管病变（如中风）开辟了新途径。

　　

在神经血管疾病诊断领域，经颅超声成像长期面临颅骨带来的双重挑战：声波衰减导致信噪比降低，颅骨异质性引发复杂波前畸变。虽然微泡造影剂(Microbubbles)与超快成像结合发展的超声定位显微镜(ULM)技术能够实现微米级分辨率，但颅骨引起的波前畸变仍会显著降低微泡检测率并产生血管重影等伪影。传统解决方案如深度学习算法需要大量训练数据，而基于微泡的导星方法在强畸变条件下难以保证检测可靠性。

针对这些技术瓶颈，研究人员开发了超声矩阵成像(UMI)技术，该技术通过记录反射矩阵并利用迭代相位反转(IPR)算法，无需导星即可实现局部自适应聚焦。研究团队选择三只麻醉绵羊作为模型，在其剃毛的颅骨上放置32×32阵列换能器，采用1-2MHz带宽以降低颅骨衰减。实验首先采集高维反射矩阵R_uv(τ)，通过虚拟源基构建聚焦反射矩阵R_ρρ(z)，进而量化颅骨引起的畸变和多重散射。研究显示，颅骨厚度变异与波前畸变程度直接相关，如颅骨厚度不规则（5.7±1.7mm）的6号绵羊其畸变程度比结构规则的绵羊高30%，且板障体积比达57%时多重散射率升至30%。

关键技术包括：1）反射矩阵记录系统；2）基于虚拟导星的畸变矩阵分析；3）混合发射序列（3个柱面波+2个球面波）的ULM成像；4）径向对称法的微泡亚波长定位。通过比较校正前后的反射点扩散函数(RPSF)，UMI使空间分辨率提升2-3倍，多重散射背景降低10dB以上。在50mm深度处，校正后的斯特列尔比(Strehl ratio)从0.03显著提升。

研究结果部分，RPSF分析显示：UMI校正显著改善焦点质量，使微泡检测率提升40-250%（随轨迹长度增加）。 Willis环区域的ULM图像对比度提高6dB，血管重影伪影完全消除。与金标准磁共振血管造影(MRA)对比显示，校正后的ULM图像与MRA结构相似度提升2倍，特别是前脑动脉（绿色箭头）和静脉系统（黄色箭头）的吻合度显著改善。在板障体积比高的6号绵羊中，UMI使最长微泡轨迹数量增加121.7%，证实其在复杂颅骨条件下的优势。

讨论部分强调，相比Robin等提出的微泡导星法（要求γ>0.6），UMI在斯特列尔比仅0.1-0.4的强畸变条件下仍能有效工作。该技术突破传统超声衍射极限，实现约10λ的超分辨率，为临床脑微血管病变（如缺血性和出血性卒中）的早期鉴别提供新工具。未来通过利用血管动力学特征，可进一步提升空间分辨率和补偿颅骨内多重反射。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，为从光学显微到地震学等所有波动物理领域的超分辨率定位技术提供了普适性方法学参考。