"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种融合X射线与超声波技术的创新成像方法，旨在实现低辐射剂量下的单视角三维成像。XACT利用超短脉冲X射线激发目标内部的热弹性效应，产生声波信号。超声矩阵阵列检测这些声波，并通过时间编码获取深度信息，再通过重建算法生成三维图像。这一技术无需传统CT的机械旋转，具有更高的便携性和更低的辐射剂量（仅为传统CT的1/10）。实验验证了XACT在数字乳房模型、分层深度物体和生物样本（如猪肋骨）上的成像能力，展示了XY平面3.5毫米、XZ平面0.4毫米的分辨率。XACT通过结合X射线的深层穿透性和超声波的高时间分辨率，克服了传统CT的局限，为医学诊断、便携式CT设备和资源受限环境中的成像应用提供了广阔的前景。 |
X射线激发声波计算机断层扫描（XACT）是一种结合X射线和超声波的创新成像技术。通过超短脉冲X射线激发目标内部产生超声波，利用超声波的慢传播特性和超声矩阵阵列检测声波信号，实现三维图像重建。X射线提供深层穿透能力，超声波捕捉声学信号以解析深度信息。相比传统CT，XACT无需机械旋转，显著降低辐射剂量并提升便携性。作为一种融合X射线和超声成像优势的混合技术，XACT为医学诊断和无损检测开辟了新的可能性。
传统CT成像需要通过机械旋转采集多角度投影，以生成三维图像。这种方法虽然广泛应用于医学和工业检测，但机械扫描设备体积庞大、耗时且辐射剂量较高，限制了在资源有限场景如战场或太空的应用。为了突破这一局限性，研究团队提出了X射线激发声波计算机断层扫描（XACT），一种依赖辐射激发声波进行单视角三维成像的全新技术。
XACT通过超短X射线脉冲激发声波，这些声波在介质中传播速度远低于X射线，被超声波阵列接收并用于三维图像重建。此技术不仅能降低辐射剂量，还能消除机械旋转需求，为便携式CT的开发铺平了道路。
3D XACT成像示意图。(A) 传统CT：获取CT图像需要多个投影角度并通过机械装置（gantry）的旋转来组合生成三维图像。(B) XACT方法：无需机械装置旋转即可重建三维图像。在这种方法中，超声（US）换能器阵列的每个元件接收到包含飞行时间信息的传播声波，并通过时间编码的维度来确定深度。使用超声阵列可以仅通过一次X射线投影实现三维成像。
核心技术
技术实现：
研究开发了一种基于二维超声矩阵阵列的XACT系统，结合超短脉冲X射线源（持续时间50纳秒），通过声学波的时间编码信息进行三维图像重建。
系统采用基于MATLAB的通用反投影算法，实现了从单视角捕获三维结构。
通过单次X射线投影使用XACT确定模拟人乳房的三维结构。(A 和 B) 通过不同检测器对数字模型（由人乳房CT切片生成）进行三维XACT重建。这些重建结果与乳房模型CT图像的真实数据高度一致。(C) 从三维XACT模拟重建中获取的不同深度切片，与根据三种不同皮肤类型分割的乳房CT切片进行了比较。标注“Z = 0 cm”表示模型高度的中点位置。a.u. 表示任意单位。
性能验证：
数值模拟： 在数字乳房模型上模拟了XACT的成像能力，重建结果与传统CT图像高度一致，验证了XACT的可行性。
深度检测： 在三层铅点模型中，XACT准确检测了0毫米、8毫米和16毫米深度的目标，分辨率分别为XY平面3.5毫米和XZ平面0.4毫米。
三维渲染： XACT成功重建了带有复杂结构（如“UC”字样）的三维目标。
生物样本： 通过对猪肋骨进行三维成像，验证了系统在生物组织中的适用性。
使用XACT对不同成像深度下多个物体的三维结构进行确定。(A) 实验装置示意图，显示嵌入三层铅点的模型；(B 到 D) 不同深度（0、8 和 16 毫米）下分层模型的三维XACT横截面重建图；(E) 点扩展函数分析显示成像分辨率在XY平面约为0.4毫米，在XZ平面约为1毫米（图S2）。随着成像深度的增加，分辨率略有下降。FWHM表示半高全宽。
优势与潜力：
低辐射剂量： XACT所需的辐射剂量仅为传统乳房CT的1/10。
便携性： 系统不依赖机械旋转，具有轻量化设计潜力，可应用于战场、偏远地区和空间站。
多领域应用： XACT在医学诊断、工业无损检测等领域展现了广阔前景。
XACT成像用于确定三维结构的示意图。(A) 三维XACT成像系统示意图，配备二维矩阵超声阵列。ch表示通道，IO表示输入和输出，USB表示通用串行总线，FPGA表示现场可编程门阵列。(B) 三维反投影重建的正面视图，展示了模型内的“UC”标志。(C 到 E) 三维XACT重建图像的侧视图。黄色虚线表示“UC”标志与琼脂模型底部之间的倾斜角度（25°）。
讨论与展望
XACT为单视角三维成像提供了一种创新解决方案，其在以下方面表现出显著潜力：
突破传统CT的限制： 通过消除机械旋转需求和降低辐射剂量，XACT为便携式CT开发提供了技术基础。
成像分辨率优化： 当前分辨率受限于超声阵列的尺寸和频带宽度，未来通过高频阵列优化和改进反演算法可进一步提升成像精度。
深度学习辅助： 深度学习方法将用于解决图像重建中的“有限视角”问题，提升复杂场景中的图像质量。
实际应用测试： 下一步将开展动物体内实验，验证XACT在复杂生物环境中的适用性，并结合透射X射线图像增加解剖细节。
使用3D XACT对生物样本的实验研究。(A) 骨样本的微CT切片扫描，作为参考标准；(B 和 C) 基于骨样本研究的3D XACT体积重建结果；(D 到 F) 不同成像深度（9.2 毫米、9.8 毫米和10.2 毫米）下的体积重建切片；(G) 基于成像深度（从7.6毫米到11.2毫米范围）的颜色编码最大强度投影图像。
尽管XACT技术尚处于早期阶段，其通过单视角实现三维重建的能力为医学诊断和无损检测开辟了新的可能性。
参考文献
Siqi Wang, Prabodh Kumar PandeyGerald LeeRick J. P. van BergenLeshan SunYifei XuLiangzhong) Xiang, X-ray–induced acoustic computed tomography: 3D X-ray absorption imaging from a single view Science AdvancesVol. 10, NO. 4906 Dec 2024
"怀长期主义，聊医工科技"
我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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