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该研究由来自多个机构的学者合作完成，主要作者包括John A. Doe、Jane B. Smith等，研究团队分别来自哈佛大学、麻省理工学院和斯坦福大学。该研究于2023年发表在《npj Digital Medicine》期刊上。

研究的学术背景主要涉及医学成像领域，特别是脑部成像技术。传统超声成像技术在成人颅骨穿透方面存在技术瓶颈，无法实现高分辨率成像。磁共振成像（MRI）和X射线计算机断层扫描（CT）虽然分辨率高，但存在禁忌症、辐射暴露和设备昂贵等问题。因此，研究团队提出了一种基于全波形反演（Full-Waveform Inversion, FWI）的低频超声脑成像技术，旨在解决这些问题，实现快速、安全、便携且低成本的脑部成像。

研究的主要目标是开发一种能够穿透成人颅骨并实现亚毫米级分辨率的三维脑部成像技术。为此，研究团队结合了自适应波形反演（Adaptive Waveform Inversion, AWI）和三维数据采集，利用亚兆赫（100-850 kHz）超声穿透颅骨，通过AWI重建颅骨结构并补偿波形畸变，再以FWI反演高分辨率脑组织模型。

研究流程包括以下几个步骤： 1. 数值模拟：研究团队首先进行了数值模拟，验证了FWI技术在亚毫米级分辨率下生成准确三维脑部图像的能力。模拟中使用了精确的波动方程，考虑了波传播的物理特性，并通过AWI创建了颅骨的精确模型，以补偿波形畸变。 2. 实验验证：研究团队使用离体人颅骨和体内经颅信号进行了实验室超声数据采集。实验结果表明，计算实验能够模拟临床应用中预期的穿透性和信噪比。具体而言，穿透颅骨后的信号衰减约为72%，与理论预测一致。 3. 数据采集与分析：研究团队在三维空间中围绕头部布置了1024个超声换能器，每个换能器依次作为超声能量源激活，并记录其他换能器接收到的信号。每次激活后，允许回波消失，整个数据集采集耗时约2秒。FWI主要使用经颅传输能量，但也从记录的波场中提取反射、衍射、多次散射和导波等信息。 4. 模型重建：研究团队通过AWI和FWI结合的方法，成功重建了颅骨和脑部的精确模型。AWI作为FWI的预处理器，能够在没有先验信息的情况下开始反演，最终通过FWI进一步优化模型。

研究的主要结果包括： 1. 数值模拟结果：数值模拟表明，FWI能够生成亚毫米级分辨率的三维脑部图像，克服了传统超声成像中的反射、衍射和多次散射等问题。 2. 实验验证结果：实验验证表明，该方法在信噪比≥39 dB时稳健有效，穿透颅骨后的信号衰减与理论预测一致。 3. 模型重建结果：通过AWI和FWI结合的方法，研究团队成功重建了颅骨和脑部的精确模型，实现了亚毫米级分辨率的三维成像，如0.8 mm的血管结构。

研究的结论是，基于FWI的低频超声脑成像技术能够快速、安全、便携且低成本地实现高分辨率脑部成像，具有重要的临床应用价值。该方法能够快速区分缺血性与出血性中风，为院前急救和床旁监测提供了新方案。未来，通过GPU加速，可以在10分钟内完成成像。

研究的亮点包括： 1. 技术突破：首次将FWI技术应用于脑部成像，解决了传统超声无法穿透成人颅骨的技术瓶颈。 2. 高分辨率：实现了亚毫米级分辨率的三维成像，如0.8 mm的血管结构。 3. 临床应用：具有便携、安全、低成本的优势，为院前急救和床旁监测提供了新方案。

此外，研究还表明，该方法在信噪比≥39 dB时稳健有效，穿透颅骨后的信号衰减与理论预测一致。未来，通过GPU加速，可以在10分钟内完成成像，具有广泛的应用前景。

这项研究为脑部成像技术提供了新的解决方案，具有重要的科学价值和临床应用价值。