本文介绍的是加州大学尔湾分校生物医学工程系和放射系向良忠教授课题组对于消除XACT重建过程中产生的环形伪影的技术讨论，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第3期。论文的第一作者为毕业于印度理工大学（IIT）的Prabodh Kumar Pandey博士。

Ring artifacts removal in X-ray-induced acoustic computed tomography

X光致超声层析成像（XACT）环形图像伪影消除技术

Prabodh Kumar Pandey, Hari Om Aggrawal, Siqi Wang, Kaitlyn Kim, An Liu and Liangzhong Xiang

研究背景

X光致超声层析成像（X-ray-induced Acoustic Computed Tomography， XACT）是近年来发展起来的一种新型生物医学成像方法。当X射线光子照射到生物组织中时，组织的X光子能量吸收域将产生超声信号，我们称这种由X射线激发产生的超声信号为X光致超声信号。该信号携带了组织的X光吸收特征信息，通过探测X光致超声信号能重建出组织中的X射线吸收分布图像。XACT成像具备从单一X射线投射实现三维图像重建的能力，进而缩短扫描时长和减少辐射剂量。自向良忠教授课题组2013年发明了XACT成像技术后，课题组为提高成像效率和质量，提出了大量的重建优化算法。

内容简介

本文对XACT成像重建过程中由于超声探头阵列工艺原因产生的环形伪影问题进行了系统性的技术讨论，主要包括对比在反投影重建算法（Universal Back-Projection， UBP）， 基于简单反投影模型的重建算法（Model Back-Projection，MBP）, 和基于无矩阵正则化最小平方原则的迭代重建算法（Matrix-Free Least Square Regularization， MF-LSQR）之间的成像质量优化效果。这些研究对于消除XACT重建环形伪影，进而提高XACT技术的成像质量，拓展其在科学研究及临床诊断中的应用具有重要意义。

图文导读

1. X光致超声层析成像（XACT）重建数值模拟环境搭建

图1：(a) 数值模拟原始X光致超声激发分布； (b) 噪声覆盖 和 (c) 环形伪影叠加模拟信号接收正弦图； (d) 噪声覆盖和环形伪影干扰叠加信号展示； (e) 模拟环形超声传感器阵列角度覆盖展示

在XACT系统利用环状超声阵列传感器采集X光致超声信号的过程中，由于超声探头的工艺精度问题，各传感器阵元之间存在一定电磁场干扰。这种电磁场干扰在声信号正弦图中会以不规则竖条的形式出现。经过环形探头重建处理之后，这种干扰会以环形伪影的方式显示。X光致超声数值模拟可以很好地重现这种现象。

2.基于带通滤波器校准的重建算法对比

图2：基于带通滤波方法去除伪影的X光致超声重建数值模拟。 (a), (d), (g) 反投影技术（BP）重建效果， (b), (e), (h) 简单反投影模型技术（MBP）重建效果 和 (c), (f), (i) 最小平方原则的迭代重建效果（MF-LSQR）对比。（第一，二，三行分别为360度，180度，120度探头角度覆盖效果）

带通滤波器是普遍一种流行的解决图像伪影的技术手段。通过带通滤波方法，环状伪影问题在以牺牲一定目标结构成像质量的前提下在反投影（BP）和简单反投影模型（MBP）重建结果中能得到一定程度上的改善。然而带通滤波器对迭代类重建算法（MF-LSQR）的改善效果非常有限，甚至在处理后重建质量有所恶化。

3.XACT成像环形伪影矫正实验验证

图3：(a)XACT成像系统搭建简图, (b)C形成像目标物实体照片，(c)实际实验采集超声数据正弦图

图3展示了为了验证环形伪影矫正算法的XACT实验数据采集系统搭建简图。此XACT实验成像运用到了128环形超声传感器阵列。C形成像目标被固定在拟肤琼脂中然后摆放到环形传感器阵列中心。图3（c）中展示了造成环形伪影重建效果的典型正弦图竖条型干扰。

图4：XACT成像实验数据重建结果：(a), (e), (i) MBP与(b), (f), (j) MF-LSQR标准重建结果；和环形伪影矫正后(c), (g), (k) MBP和(d), (h), (l) MF-LSQR重建结果

通过权重模型重建计算中的数据保真项相关值，对比图4(a), (e), (i) MBP与(b), (f), (j) MF-LSQR标准模型重建中未经校准的原始重建，采用权重计算的算法在不降低成像质量的情况下，基于环形超声传感器工艺的环形伪影得到了有效抑制。此外，如图4(d), (h), (l)所示，配合基于无矩阵正则化最小平方原则的迭代重建算法（MF-LSQR），XACT重建图像对比度得到了进一步提升。

总之，本文通过改善XACT成像算法，进一步提高了图像质量，将会对XACT未来在临床上的应用起到重要的推动作用。

通讯作者简介

向良忠，现任加州大学尔湾分校生物医学工程系（工学院），放射系（医学院）双料终身（副）教授。向教授同时也是贝克曼激光研究所（Beckman Laser Institute）和癌症研究中心（UCI Chao Family Comprehensive Cancer Center）的核心教授。向教授课题组首次提出了X光致超声层析成像（XACT），快速质子超声成像（fast proton-induced acoustic imaging）,以及电场致超声成像（Electroacoustic tomography, EAT）。获中国发明专利5项，申请美国发明专利8项。担任包括JIOHS在内的多种国际科学期刊的编委。组织过多次包括AAPM，IEEE IUS在内的国际学术会议。向教授曾荣获美国国立卫生研究院NIH MERIT award (2019), DOD前列腺研究奖（2013），美国医学物理学会最佳论文奖（2008）等。在加入加州大学之前，向教授曾是俄克拉荷马大学的校长首席教授（Presidential Professor）。他同时也是美国国立卫生研究院（NIH）,能源部（DOE）；德国Helmholtz研究中心；及俄罗斯国家自然科学基金评审专家。