当有人因中风症状走进急诊室时，每一秒都至关重要。然而目前，诊断中风类型——即血栓性中风与出血性中风这一关乎生死的区别——需要使用大型固定设备如CT扫描仪，而这些设备并非随处可得。在救护车、乡村诊所和全球许多医院中，医生往往无法及时做出这种判断。
多年来，科学家们一直构想一个不同的世界，其中一种轻量级微波成像设备，大小不比自行车头盔大，可以让临床医生无需辐射、无需屏蔽室、也无需等待就能查看头部内部。这个想法并非天方夜谭。微波成像技术已经存在，能够检测组织电学特性的变化——这些变化发生在中风、肿胀或肿瘤破坏大脑正常结构时。
真正的障碍始终是速度。
"硬件可以是便携式的，"纽约大学坦登工程学院(NYU Tandon School of Engineering)生物医学工程系研究教授斯蒂芬·金(Stephen Kim)说道，"但将原始微波数据转换为实际图像所需的计算速度一直太慢。你不能等上一小时才知道某人是否正在经历出血性中风。"
金与生物医学工程系博士生拉腊·皮纳尔(Lara Pinar)和系主任安德烈亚斯·希尔舍(Andreas Hielscher)认为，这一障碍可能正在消失。在发表于*《IEEE计算成像汇刊》(IEEE Transactions on Computational Imaging)*的一项研究中，该团队描述了一种创新算法，其微波图像重建速度比现有最佳方法快10至30倍，这一飞跃可能使实时微波成像从理论走向实践。
"这一突破并非来自构建新设备或设计更快的硬件，而是来自重新思考成像背后的数学原理。"金回忆起在实验室度过的漫漫长夜，看着微波重建一帧一帧地缓慢进行。"你几乎能听到计算机呻吟，"他说道，"这就像试图将巨石推上山。我们知道一定有更好的方法。"
问题的核心在于传统算法的工作方式。它们反复尝试"猜测"组织的电学特性，检查该猜测是否能解释测得的微波信号，然后再次调整猜测。这是一个繁琐的过程，可能需要数百次求解大型电磁方程。
该团队的新方法选择了不同的路径。他们的算法不再要求每次迭代都得到完全准确的中间解，而是允许早期快速而不完美的近似，并仅在需要时提高精度。这一转变在概念上简单，但在实践中强大，大幅减少了繁重的计算量。
为了使过程更加高效，团队引入了几种巧妙的技巧：使用紧凑的数学表示来缩小问题规模，简化更新计算方式，以及采用即使对于复杂头部形状也能保持稳定的建模方法。
结果令人瞩目。曾经需要近一小时的重建现在在40秒内即可完成。在使用真实实验数据的测试中，包括使用曼尼托巴大学(University of Manitoba)微波扫描仪成像的圆柱形目标，该方法始终能在几秒而非几分钟内提供高质量结果。
对于多年来一直合作研究光学和微波成像技术的金和希尔舍来说，速度的提升感觉像是期待已久的转折点。"我们一直知道微波成像有潜力成为便携式且价格合理的设备。但如果没有快速重建，这项技术就无法跃入真正的临床环境，"希尔舍说道，"现在我们终于弥合了这一差距。"
这一前景远不止于中风检测。便携式微波设备有朝一日可能在资源有限的环境中提供乳腺X光检查的替代方案，在重症监护室中无需重复CT扫描即可监测脑肿胀，或通过观察组织成分的细微变化来追踪肿瘤对治疗的反应。
该团队目前正专注于将算法扩展到全3D成像，这一步骤将使微波断层扫描更接近实际部署。但这种势头是显而易见的。
"我们正在将一项多年来一直停留在实验室的技术赋予其在临床上发挥作用所需的速度，"金说道，"这正是让我们兴奋的部分：想象一下，将来可能会有多少患者从这项技术中受益。"
**更多信息：**斯蒂芬·H·金(Stephen H. Kim)等人，《基于偏微分方程约束优化方法的加速微波断层成像》，《IEEE计算成像汇刊》(IEEE Transactions on Computational Imaging)(2025)。DOI: 10.1109/tci.2025.3629414
由纽约大学坦登工程学院(NYU Tandon School of Engineering)提供
【全文结束】
