肤色与波长对乳腺光声成像可检测性的影响
关键词：乳腺光声成像；波束形成；目标可检测性
光声成像在乳腺癌无创诊断领域具备良好应用前景，但皮肤黑色素含量会改变成像质量，不同波束形成算法、激光波长、病灶深度和肤色之间存在复杂交互作用。该研究以 29 名受试者的乳腺在体光声数据为基础，结合仿真与体模实验，探究延迟‑求和（DAS）与短滞后空间相干（SLSC）两种波束形成算法、757 nm 和 1064 nm 两种波长，以及肤色、病灶深度对目标可检测性的联合影响。研究证实，SLSC 波束形成能够改善深色皮肤受试者深部病灶成像效果，但该优势不存在于浅层目标，不同成像参数的适配效果与病灶深度强相关。
该研究由 Jamie Enslein、Madhavi Tripathi、Babita Panigrahi、Kelly Myers、Joselyn Wei Chen、José Timaná、Emily Ambinder 与 Muyinatu A. Lediju Bell 完成，论文题目为《In vivo photoacoustic breast imaging and the interactive effects of skin tone, wavelength, beamformer, and depth on target detectability》，2026年发表于《npj imaging》。
重要发现
01研究基础与实验设计肿瘤血管新生是乳腺癌的重要病理特征，光声成像可通过还原氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白分布，实现对血管密度的无创观测。皮肤中的黑色素是乳腺光声成像重要干扰因素，高黑色素会吸收表层激光能量，产生声学杂波，掩盖下方组织信号，造成成像结果的肤色偏倚。过往相关研究多局限于仿真、体模或者前臂在体数据，缺少人类乳腺病灶的临床在体验证。
该研究采用个体分型角度（ITA）作为肤色的定量评价指标，ITA 数值越低代表皮肤黑色素含量越高。整套实验分为仿真、体模、临床在体三个部分，形成三方相互验证的分析框架。仿真部分构建高致密性三维乳腺数值模型，设置 4mm 浅层与 10mm 深部球形靶标，仿真 ITA 覆盖‑54° 至 60°；体模实验采用乳胶膜模拟不同肤色的皮肤层，获得‑83° 至 68° 的 ITA 范围；在体实验纳入 29 名接受乳腺穿刺评估的患者，共 34 处乳腺病灶，受试者皮肤 ITA 跨度‑78° 至 71°。全部实验均采集 757nm、1064nm 波长下光声通道原始数据，分别使用 DAS 振幅型波束形成与 SLSC 相干型波束形成完成图像重建。
研究引入目标可检测性作为核心评价指标，该指标由广义对比度‑噪声比与信噪比做归一化加权得到，兼顾图像对比度与噪声水平。统计层面采用线性混合效应模型，将波束形成算法、波长、ITA 作为自变量，目标可检测性作为因变量，设置 p<0.05 作为统计学显著性阈值，评估多因素之间的交互效应。02仿真与体模实验结果
仿真结果显示，使用757nm 波长时，无论采用哪一种波束形成算法，浅层、深部靶标的可检测性都会随着肤色加深（ITA 降低）而下降。切换至 1064nm 波长后，可检测性可以在更宽肤色范围内维持较高水平。对于浅层靶标，DAS 波束形成整体可检测性优于 SLSC 波束形成。
体模实验复现仿真的主要趋势。当ITA 小于‑15° 时，757nm 波长无法识别浅层靶标。对于深部靶标，综合两个波长结果，SLSC 波束形成的平均目标可检测性高于 DAS 波束形成。实验同样观察到皮肤模拟层会在 DAS 重建图像中产生高振幅干扰信号，而 SLSC 波束形成能够有效抑制该类声学杂波。部分样本出现的局部异常成像结果，可以通过模拟皮肤层的光学吸收差异进行解释。
03在体临床实验结果在体数据显示，757nm 波长条件下，当 ITA＜14°，浅层靶标完全无法被检出。对于可识别的浅层病灶，757nm 下 DAS 平均可检测性 0.85，SLSC 仅为 0.31；1064nm 波长可以识别 757nm 不可见的浅层靶标，DAS 平均可检测性 0.80，SLSC 为 0.33。浅层场景下 DAS 性能整体优于 SLSC。
针对深度≥5mm 的深部靶标，两个波长下不同波束形成算法的平均可检测性差距不大。当 ITA≤0°，也就是深色皮肤人群，DAS 深部靶标平均可检测性为 0.74，SLSC 提升至 0.85。交互效应分析表明，浅层成像中 DAS 搭配任意波长在多数肤色条件下可检测性更高；深部成像场景，SLSC 结合 1064nm 在多数 ITA 区间优于 DAS 的两种波长组合；DAS 搭配 757nm 时，成像性能随肤色加深出现明显衰减。
浸润性导管癌的临床病例进一步佐证上述规律：深色皮肤受试者使用757nm 与 DAS 重建，病灶内部光声信号微弱甚至缺失；相同原始通道数据经过 SLSC 重建，病灶深部的靶标信号、周边放射状血管结构可以被观察到。
04机理阐释DAS 属于振幅依赖型波束形成，成像质量受光通量直接影响，黑色素吸收造成光通量下降后，图像质量随之衰减，同时皮肤层产生强振幅杂波信号。SLSC 作为基于信号空间相干性的算法，对光通量降低的耐受度更高，适合深部成像；但浅层成像时，阻抗不匹配带来的混响伪影会干扰 SLSC 重建，造成浅层目标检测性能下降。黑色素同时造成表层高振幅信号，这类宽范围的皮肤信号空间相干性较低，因此 SLSC 可以抑制皮肤来源的干扰。即便 SLSC 具备优势，当黑色素过高导致到达靶标的光通量整体不足时，振幅、相干两类算法均会失效。
创新与亮点
该研究首次开展仿真‑体模‑临床在体三方联合分析，系统解析肤色、激光波长、波束形成算法、病灶深度四者对乳腺光声成像的交互影响，填补临床乳腺光声成像肤色偏倚的人体数据空白。研究证实 SLSC 波束形成的增益仅局限于深部病灶，浅层病灶更适合 DAS 重建，打破 “SLSC 在全部场景均更优” 的固有认知。在临床应用层面，针对深色皮肤的乳腺受检者，深部病灶推荐采用 SLSC 搭配 1064nm，浅层病灶优先选择 DAS 重建，为光声乳腺检查的参数配置提供临床依据。同时研究提示，现有光谱解混算法只利用振幅信息，基于相干成像的解混方法具备新的发展空间。
总结与展望
该研究证实肤色、波长、波束形成算法与病灶深度之间存在显著交互作用，757nm 无法识别 ITA＜14° 的浅层靶标，1064nm 可以改善浅层目标检出；深部成像中 SLSC 对深色皮肤受试者的增益效果突出。研究存在缺少在体靶标真实位置金标准、仅评估两套固定实验参数的局限。未来可拓展更多波束形成算法与激光参数，继续完善面向不同肤色人群的光声成像优化方案，推动光声乳腺诊断的公平性。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Enslein, J., Tripathi, M., Panigrahi, B. et al. In vivo photoacoustic breast imaging and the interactive effects of skin tone, wavelength, beamformer, and depth on target detectability. npj Imaging (2026).
doi:https://doi.org/10.1038/s44303-026-00193-4
