超短脈沖微波高效激發的高分辨率熱聲成像＊

婁存廣，計 鐘，丁文正

(華南師范大學生物光子學研究院激光生命科學研究所、暨激光生命科學教育部重點實驗室，廣東廣州 510631)

0 引言

脈沖激光激發的光聲成像及脈沖微波激發的熱聲成像近年在生物醫學及材料的無損檢測等領域引起了廣泛關注［1-3］。物質吸收光能/微波而被激發，并通過非輻射躍遷把這種能量轉換為熱能而引起局部迅速膨脹和壓力增大，強度隨時間變化的光/微波輻射引起的熱膨脹能產生聲波的現象，即光聲/熱聲效應。

微波致熱聲成像是將一定頻率的微波(射頻)調制為窄脈沖照射具有電磁波吸收差異的生物組織，在短時間內，生物組織吸收電磁波脈沖能量后轉換為熱膨脹而激發超聲波信號。通過獲取不同位置處的超聲波信號即可以重建生物組織對微波脈沖能量的吸收分布特性。微波輻射與X光類似，但與光學頻率相比，其優勢在于它能夠穿透材料的表面，從而獲得表層之下物體的圖像，而這卻是通過光學頻率所無法獲得的結果。而微波輻射與X光不同之處在于，后者具有較高的光子能量(～103eV)可能對人體的組織、器官造成電離損傷。通常醫療和安檢用的X光光子能量一般在數百到上萬電子伏，而作為一種低能輻射的微波的光子能量僅為幾個eV，其對人體是無害的。

脈沖微波激發的熱聲成像系統，激發源通常為峰值功率幾百 kW，脈沖寬度500 ns～1 μs，頻率為1 GHz左右的脈沖微波［4-5］，微波脈沖能量密度約為幾個mJ/cm2，成像分辨率約為500μm。熱聲成像自從出現以來，相關的研究大都集中在模擬組織及成像算法等基礎研究方面，盡管熱聲成像具有較高的穿透深度及較好的成像分辨率，然而，其臨床應用一直停滯不前。究其原因，我們認為主要來自成像過程中存在潛在微波熱損傷。在實時成像的條件下，傳統脈沖微波熱聲成像的輻射劑量遠遠超過美國國家標準學會(ANSI)的輻射劑量安全標準［6］20 mW/cm2，這對熱聲成像臨床應用提出了較大的挑戰。尋找提高熱聲激發效率的途徑，減小輻射劑量也成為熱聲成像的主要研究方向。

根據微波激發脈沖寬度與熱聲效應的關系［7］，微波脈寬越窄，熱聲效應激發效率越高，所需激發能量密度越小，潛在熱損傷越小。此外，時域熱聲信號是激發源脈沖波形與樣品沖擊響應的卷積，激發脈沖持續時間越短，相應的熱聲成像分辨率越高。目前實驗室現有的兩臺脈沖微波激發源都是采用脈沖調制觸發磁控管的方式產生單頻微波，磁控管通過磁場將電子能量轉化為微波，由于功率等方面的限制，其產生的微波脈寬最窄只能達到幾百ns。這也是造成目前國際上微波熱聲成像分辨率停留在亞毫米量級的關鍵影響因素。

1 超短脈沖微波源

熱聲效應早在19世紀末已經被Bell發現，但是由于當時缺乏高靈敏度的聲探測器，無法進行定量試驗。此后相當長的一段時間，由于受激發源及探測器的限制光聲效應的發展幾乎處于停滯狀態。近半個世紀以來，科學技術的迅猛發展，尤其是激光技術、計算機技術、電子技術的發展，給光聲熱聲技術的蓬勃發展注入了新的活力。特別是激光技術的迅速發展，使得光聲信號的激發光源從種類及質量上均得到了充實和發展。在這些高功率技術的推動下，熱聲技術不僅從理論上得到了進一步的完善，應用領域也得到了較大的拓展［7-9］。

超短高功率微波發生器是目前國內外研究的一個熱點［10，11］，除在軍事上具有重要的應用價值，在民用領域也有廣泛的應用前景。超短高功率微波發生器具有脈寬窄，功率高，體積小，重量輕，使用方便等特點。超短脈沖微波與目前熱聲成像中所用的微波源的一個主要差別在于脈沖寬度與微波產生途徑。脈沖功率技術的研究始于上世紀30年代的用電容器放電產生 X射線。1938年，美國的 Kingdon和Tanis第一次發表了用高壓脈沖電源放電產生微秒脈沖X射線的文章。20世紀60年代是脈沖功率技術迅猛發展并形成單獨學科的黃金時代。一般來說，脈沖功率裝置包括以下幾個部分:初級能源，儲能系統，脈沖形成系統、開關轉換系統和負載。脈沖功率的形成過程是:首先經過慢儲能，使初級能源具有足夠的能量;之后向中間電容充電儲能系統注入能量，能量經過電容放電形成電脈沖，經過升壓及壓縮形成高壓窄脈沖，最后快速釋放給天線負載，發射出電磁波。

本文所用的超短脈沖微波發生器主要由Tesla變壓器、脈沖形成線、高壓氣體開關和高功率脈沖天線等部分組成。該脈沖發生器能夠產生脈沖寬度小于10 ns的窄脈沖微波，峰值功率可達40 MW，脈沖重復頻率為1-40 Hz連續可調，微波輻射主頻為450 MHz。超短脈沖微波發生器的工作原理圖如圖1所示，充電系統經過交流整流及升壓后給初級能源的電容器充電到要求的電壓(～2.3 kV)，控制系統觸發初級能源的半導體開關(絕緣柵雙極型晶體管，IGBT)導通產生脈沖電壓，之后經Tesla變壓器升壓后給脈沖形成線諧振充電，當形成線充電到ps級高壓氣體開關的自擊穿電壓(～100 kV)時，開關導通，高電壓脈沖快速釋放到天線負載上，輻射出高功率超短脈沖微波。

開關元件的參數和特性將對脈沖的持續時間，上升時間，幅值等產生最直接的影響，因此開關元件在脈沖微波發生器中占有特殊的地位。近些年來，一些高性能開關也不斷涌現，如磁開關、半導體開關器件、光導開關等。隨著科技的發展，氣體開關技術發展趨向成熟，具有低成本，耐壓高，輸出脈寬窄的特點，在高功率脈沖裝置中取得了廣泛的應用。本超短脈沖微波發生器采用2.5 MPa高壓氮氣開關，實現了800 ps上升時間，單脈沖為2～3 ns的微波發射(圖2(b))，將熱聲成像的激發脈寬較以前減小了數十倍。

圖1 超短脈沖微波發生器原理框圖Fig.1 The block diagram of ultrashort microwave generator

圖2 (a)超短脈沖微波發生器裝置圖，(b)超短脈沖微波波形Fig.2 (a)The steup of ultrashort microwave generator，(b)The waveform of ultrashort microwave pulse

2 實驗系統與方法

為了驗證超短脈沖微波激發的熱聲成像系統分辨率及熱聲轉化效率，實驗中選用了兩種不同脈寬的微波源，分別為超短脈沖微波源及陜西北微機電科技有限公司的微波發生器(BW-6000HPT，China)，其發射出頻率分別為450 MHz，6 GHz，脈寬為10 ns及450 ns，微波輻射能量密度分別為350 μJ/cm2和31 mJ/cm2。本實驗選用了不同形狀、不同大小的模擬樣品進行熱聲成像。實驗樣品是用瓊脂粉、水加熱到沸騰，然后在燒杯中冷卻凝結而成。樣品放置在一個聚乙烯塑料旋轉平臺上，通過步進電機帶動樣品旋轉進行全方位數據采集。聲探測器采用廣州多浦樂電子科技有限公司的點聚焦高頻探測器(I10P6NF20，Doppler，China)，樣品臺和超聲傳感器一同被浸泡在裝有礦物油的容器內。試驗時樣品以1.8°的步距旋轉200個位置進行熱聲數據采集，通過示波器(Tektronix，TDS3032，USA)采集并經過GPIB接口傳輸存儲到計算機進行后處理。熱聲圖像的重建利用Matlab濾波反投影算法在計算機上實現［12-17］。

熱聲效應的激發效率依賴于激發源的脈沖寬度，脈寬越窄，激發效率越高。為了驗證不同脈寬下熱聲效應的效率，試驗中選用水作為吸收體，將探測得到的不同脈寬下熱聲信號的幅值對微波能量密度、吸收系數、聲探測器頻帶響應進行歸一化，得到不同脈寬的熱聲轉化效率。為了進一步驗證熱聲成像分辨率，本文對一系列不同形狀及大小的模擬樣品進行了熱聲圖像重建。

3 實驗結果與討論

圖3(a)為不同脈寬微波激發下水的熱聲信號波形圖，可見，超短微波激發的熱聲信號具有較窄的時域持續時間。圖中10 ns(450 MHz)微波激發的熱聲信號約比450 ns(6 GHz)微波激發的熱聲信號小5倍，然而水對6 GHz微波的吸收系數比450 MHz微波強7.6倍，并且兩者能量密度差異為89倍。此外，考慮到不同脈寬激發熱聲信號主頻及相應的聲探測器頻帶響應不同，經過歸一化處理計算得到10 ns超短微波熱聲轉化效率比450 ns微波提高了約兩個數量級圖3(b)。

圖3 不同脈寬微波激發的熱聲信號波形(a)及熱聲激發效率的比較(b)Fig.3 (a)Thermoacoustic signals induced by microwave with different pulse duration，(b)Comparison of thermoacoustic conversion efficiency for different pulse duration

圖4(a)為直徑1.3 cm橢圓形瓊脂樣品熱聲圖像，圖4(b)為中間填充水的兩個壁厚110μm的橢圓形聚乙烯塑料管的熱聲重建圖像。上述實驗結果表明，該系統可以清晰的重建不同大小及形狀的樣品的熱聲圖像，成像分辨率可以達到約 100μm［7］，遠高于目前熱聲成像的mm級分辨率。采用更高主頻的超聲探測器將具有更高的熱聲成像分辨率。微波的穿透深度與波長及吸收系數有關，超短脈沖微波發生器輸出的微波主頻在450 MHz，其在肌肉及脂肪組織中的穿透深度分別可以達到5.1 cm和30.2 cm。高的成像分辨率及穿透深度使得超短脈沖微波熱聲成像具有廣闊的臨床應用前景。

4 結論

本文設計實現了基于超短脈沖微波的熱聲成像系統，大大提高了熱聲激發效率及成像分辨率，使熱聲成像所需的激發能量密度降低到國際安全標準以下，消除了潛在的熱損傷，突破了熱聲成像臨床應用的技術限制。此外，超短脈沖微波的高分辨率高穿透深度成像也為疾病的早期檢測與定位提供了切實可行的方法。超短脈沖微波熱聲成像在激發效率及成像分辨率方面取得的里程碑式的進展必將在生物醫學領域有廣闊的應用前景，為人類健康做出重要貢獻。

圖4 不同形狀模擬樣品的熱聲圖像Fig.4 Thermoacoustic imaging of different samples

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