光声计算断层成像技术探究半球阵列空间采样对三维生物成像性能影响
关键词：光声断层成像；半球阵列；空间采样
三维光声计算机断层成像（3D‑PACT）是一种非侵入式生物医学成像手段，可获取活体的三维体积数据，用于组织结构与功能评估。半球形换能器阵列被广泛应用于该系统，用以扩大角度覆盖范围、减轻视角缺失带来的伪影。过往研究大多依靠后处理算法提升图像质量，硬件阵列排布对基础成像质量的内在影响缺少系统探究。该研究在固定硬件约束条件下探究半球阵列空间采样特性对成像性能的作用，提出等间距采样准则生成三种典型阵列排布，在多种测试场景下完成定量评估。研究证实斐波那契排布具备更均衡的重建鲁棒性，建立半球阵列的基准评估方法，为三维光声断层成像系统硬件设计提供实践指导。
该研究由 Wanqing Zhang、Hengyue Zhu 与 Yide Zhang 完成，论文题为《Spatial sampling of hemispherical arrays for three‑dimensional photoacoustic computed tomography》，2026年8月在线发表于《npj Imaging》。
重要发现
01阵列排布类型与固有采样特征
论文将现有半球形换能器阵列划分成三类：经纬度排布LLD、同心圆环排布 CRD 以及斐波那契排布 FBD。经纬度排布将换能器沿着子午线排布；同心圆环排布把半球划分成多条纬度环带，单环内部周向间距保持一致；斐波那契排布沿轴向均匀分布阵元，方位角采用黄金角增量完成排布。
研究采用等间距采样准则生成三组阵列，借助沃罗诺伊元面积变异系数CV 评价采样均匀程度，通过切平面功率谱密度 PSD 表征排布的周期性与各向异性。实验结果显示，斐波那契排布的变异系数最低，空间均匀性最优；经纬度排布变异系数最高，阵元在极点位置聚集、赤道区域采样稀疏。功率谱分析表明，经纬度排布存在显著径向条纹，同心圆环排布产生六边形谱特征，二者均体现较强方向各向异性；斐波那契排布仅出现特定空间频率下的环状谱特征，周期性伪影来源更少。
02点目标分辨率与有效视场评估研究以半球几何中心放置点目标，采用通用反投影算法UBP 开展图像重建，评估点扩散函数 PSF 的半高全宽 FWHM，同时改变点源轴向、径向位置，测量不同位置下分辨率变化，以此衡量系统可用视场。
在XY 平面内，经纬度排布产生明显的径向伪影结构；同心圆环排布中心区域重建质量较好，但远离中心位置会出现强度调制伪影。Z 方向上，经纬度排布伪影扩散严重，同心圆环排布在特定距离处出现局部亮斑；斐波那契排布三维空间内能量分布相对均匀，能够降低定向伪影被误判为真实解剖结构的风险。轴向扫描实验中，当目标源远离半球孔径，三类排布分辨率均出现明显劣化；相较另外两种排布，斐波那契排布在更大空间范围内可以维持稳定 Z 向分辨率。径向扫描条件下，随径向距离增加，三类排布 X 方向分辨率均出现下降，经纬度排布点扩散函数畸变最为突出；斐波那契排布可以在更大视场范围内维持与球面中心接近的点扩散函数形态，拓展了有效成像区域。
03血管体模静态成像与噪声鲁棒性采用血管仿真体模开展宏观成像测试，以高密度同心圆环阵列的重建结果作为图像质量上界。定量评价指标包含峰值信噪比PSNR、结构相似度 SSIM、对比度 CONT 以及高频误差范数 HFEN。
无噪声条件下，斐波那契排布取得最高结构相似度与最低高频误差范数，可以更好保留细微血管结构；同心圆环排布存在明显方向依赖，部分方向精细结构保存完好，其余方向细节发生退化；经纬度排布全部量化指标均表现最差。
为模拟真实实验环境，仿真引入泊松噪声与加性高斯白噪声，设置两种噪声强度开展对比。即便叠加噪声，斐波那契排布依旧维持更优的结构保存能力与更低高频误差；峰值信噪比属于全局强度指标，对局部结构丢失不敏感，经纬度排布有时可以取得较高PSNR，但图像会出现血管断裂、外周结构缺失。
04系统冲激响应、稀疏阵元与旋转采集测试研究将实验测得的有效系统冲激响应ESIR 卷积到仿真信号，复现换能器带宽、相位与振铃效应，叠加噪声模拟实际硬件条件。在该仿真条件下，同心圆环排布与斐波那契排布量化指标差距缩小，但是斐波那契排布血管分支连续性依旧更好。
将阵元数量从1024 降低至 256，实现半球面稀疏采样。稀疏条件下不同阵列的性能差距进一步放大，斐波那契排布依旧能够还原更精细连续的血管结构，该优势来源于稀疏采样条件下更加均衡的角度覆盖。
基于256 阵元阵列执行四次机械旋转，合成等效 1024 阵元虚拟阵列，探究动态采集模式性能。旋转之后的斐波那契阵列重建质量十分接近静态 1024 阵元阵列；经纬度排布、同心圆环排布旋转之后仍然存在采样间隙，图像质量提升有限，同心圆环排布高频重建误差提升幅度接近 40%。
创新与亮点
该研究弥补半球阵列硬件采样策略的研究空白，过往研究多依靠后处理算法改善伪影，本工作将阵列排布从经验设计转向定量评估框架。论文在统一硬件约束下，完成三类主流半球阵列的系统对标，建立包含均匀性、周期性、分辨率、噪声鲁棒性在内的整套评估流程。
该成果面向活体光声生物成像场景，能够在加工前预判阵列的分辨率、伪影特征以及可用视场。稀疏采样与旋转采集的仿真结果，对降低硬件通道成本、优化系统集成具备实际参考价值，可用于指导下一代三维光声断层成像设备的前期设计。
总结与展望
该工作证实半球阵列的硬件采样策略直接决定三维光声断层成像的基础重建质量。斐波那契排布整体重建均衡性与抗干扰能力最优；同心圆环排布适合优先考虑特定方向分辨率的场景；经纬度排布受限于采样不均，但部分加工条件下更易实现。未来还需要进一步探究阵元个体差异、半球开孔角度、光学辐照端口带来的影响，结合采样理论完善面向特定应用的阵列自上而下设计方案。
声明：本文仅用作学术目的。
Zhang, W., Zhu, H. & Zhang, Y. Spatial sampling of hemispherical arrays for three-dimensional photoacoustic computed tomography. npj Imaging (2026).
doi:https://doi.org/10.1038/s44303-026-00191-6
