摘要： 為了評(píng)估3 GHz微波熱聲成像系統(tǒng)的性能，采用圓形掃描的探測方式，對(duì)不同形狀、不同對(duì)比度以及埋在豬肉脂肪中不同深度處的仿體進(jìn)行了熱聲成像實(shí)驗(yàn).仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)具有不同對(duì)比度的10 mm×20 mm的矩形吸收體、邊長8 mm的正方形吸收體以及直徑8 mm的圓形吸收體能夠清晰地成像，系統(tǒng)的空間分辨率和成像深度分別為2和5 cm.

關(guān)鍵詞： 微波；熱聲成像；仿體實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN24； R445.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 3 GHz Thermoacoustic Tomography SystemHUANG Lin1，LIU Lixin1，LU Kui1，ZHONG Xiaochun2，

微波熱聲成像（thermoacoustic tomography， TAT）是一種新型的非侵入、非電離式無損醫(yī)學(xué)成像方式，因其同時(shí)具有超聲成像的高分辨率和微波成像的高對(duì)比度優(yōu)勢，近年來受到廣泛的關(guān)注[15].該技術(shù)用窄脈沖微波照射吸收體，吸收體吸收微波能量后由于熱致伸縮產(chǎn)生熱致超聲波信號(hào)，利用檢測到的超聲波信號(hào)對(duì)吸收體中微波能量吸收分布成像.乳腺腫瘤組織和正常組織之間的微波吸收對(duì)比度約為 6∶1[6]，如此大的微波吸收差異會(huì)使產(chǎn)生的熱聲信號(hào)強(qiáng)度也有很高的對(duì)比度，因此，與傳統(tǒng)的乳腺癌檢測手段相比，熱聲成像技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)早期乳腺癌的高對(duì)比度、高分辨率成像.

熱聲成像技術(shù)的發(fā)展主要受制于熱聲源技術(shù)的落后.結(jié)合光聲成像[1]以及理論分析[7]可知，成像分辨率主要受到超聲探測器帶寬以及微波源脈寬的影響，窄脈寬微波源和高頻率、寬帶寬的探測器在理論上可以達(dá)到極限分辨率.同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織的深層成像，微波源頻率還必須滿足具有深層穿透性的條件.目前，研究熱聲成像的實(shí)驗(yàn)小組所采用的微波源要么是微波源頻率穿透性好但脈沖寬度較寬使得分辨率不高[2，8]；要么就是具有窄的脈沖寬度但是穿透性不好[910].本文綜合考慮成像深度、分辨率、對(duì)比度以及特異性[7]等方面因素后，采用對(duì)人體肌肉和脂肪的穿透深度分別是1.2和9.0 cm的3 GHz微波源來研究熱聲成像，在國內(nèi)乃至于國際上都具有先進(jìn)性.

本文首先對(duì)熱聲成像的基本理論和使用的圖像重建算法進(jìn)行了介紹，然后對(duì)3 GHz熱聲成像系統(tǒng)進(jìn)行了描述，最后利用該系統(tǒng)對(duì)不同形狀、不同對(duì)比度和埋在不同深度處的吸收體進(jìn)行了成像研究，得到了與原始吸收體吻合很好的熱聲成像結(jié)果.1熱聲成像理論基礎(chǔ)生物組織受到短脈沖電磁輻照會(huì)導(dǎo)致局部熱膨脹，這一熱膨脹過程會(huì)發(fā)射相應(yīng)頻率和幅值的超聲波信號(hào)，通過超聲換能器收集從生物組織中傳播西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)第48卷第2期黃林等：3 GHz微波熱聲成像系統(tǒng)出來的熱聲信號(hào)，并用相應(yīng)的算法重建圖像，就能夠?qū)⑸锝M織內(nèi)部微波能量吸收的分布重建出來.熱聲波動(dòng)方程（1）是熱聲成像的基本依據(jù)[11]：

其中，PAT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測試，所進(jìn)行的改進(jìn)僅僅是將脈沖激光源更換為脈沖微波發(fā)生器.在單探頭圓形掃描TAT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所用的微波源參數(shù)為：頻率3 GHz，峰值功率≥70 kW，脈寬0.75 μs，在波導(dǎo)末端通過一個(gè)喇叭天線（114 mm×144 mm角錐喇叭）將微波耦合到樣品上，從而產(chǎn)生熱聲波.脈寬以及峰值功率的選擇需要滿足熱限制和壓力限制[7]，以及安全性考慮.綜合考慮對(duì)生物組織的穿透能力和可提供的微波對(duì)比度[1]，實(shí)驗(yàn)選用3 GHz作為微波源的中心頻率.實(shí)驗(yàn)中照射到樣品表面的微波功率密度小于10 mW/cm2，這比IEEE Std C95.1TM， 2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3 GHz安全輻照功率為20 mW/cm2的值要小，保證了實(shí)驗(yàn)的安全性和可以臨床應(yīng)用的前提.由于系統(tǒng)中微波源脈寬在μs量級(jí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的超聲波頻率在1 MHz以下，所以選用中心頻率在2.25 MHz，帶寬60%（PANAMETRICS—NDT，V323）的超聲換能器可以獲得大約0.5 mm的空間分辨率.實(shí)驗(yàn)中將超聲換能器和吸收體同時(shí)浸于裝滿變壓器油的水槽中來實(shí)現(xiàn)微波傳輸和超聲信號(hào)的耦合，旋轉(zhuǎn)電機(jī)（分辨率0.001 25°）控制超聲換能器以天線的中心線為軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角取為2°，旋轉(zhuǎn)一周可以采集到180組數(shù)據(jù).采集到的熱聲信號(hào)首先被前置放大器放大，然后由數(shù)據(jù)采集卡（data sampling card DSC）將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中.整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程通過Labview程序控制.就系統(tǒng)目前的運(yùn)轉(zhuǎn)情況來看，進(jìn)行一次180組數(shù)據(jù)的采集需要約3 min.如果將單一超聲換能器更換為陣列超聲換能器將大大縮短數(shù)據(jù)采集的用時(shí).

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論為了驗(yàn)證TAT系統(tǒng)的成像能力和對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，利用微波吸收特性與乳腺病變組織相似的模擬吸收體進(jìn)行實(shí)驗(yàn).吸收體由瓊脂+水+鹽+墨水按照一定比例配置后加熱、冷卻而成，其對(duì)微波吸收特性的不同主要由其中的鹽含量決定，墨水含量并不影響成像的對(duì)比度，其作用僅是為了便于觀察.實(shí)驗(yàn)中吸收體是將100 mL水+10 g瓊脂+1滴墨水+1/2/3/4/5 g鹽混合后加熱、冷卻而形成的凝膠狀物體，圖3～7中x軸和y軸分布代表坐標(biāo)尺度.

圖3給出了TAT系統(tǒng)對(duì)單個(gè)吸收體的成像能力，在微波能量分布不均勻的情況下仍然可以得到清晰的熱聲圖像，重建圖像中吸收體的形狀和尺寸也與實(shí)物基本一致，都是10 mm×20 mm的矩形吸收體；同時(shí)可以看到，不同含鹽量吸收體的熱聲重建圖像信號(hào)質(zhì)量也不一樣，濃度高的吸收體得到重建圖像對(duì)比度較高，這與具有高鹽含量對(duì)應(yīng)高微波吸收和高熱聲信號(hào)幅值的事實(shí)相符.

（a） 含3 g鹽/100 mL水吸收體（b） 含4 g鹽/100 mL水吸收體（c） 含5 g鹽/100 mL水吸收體（d） 4 g鹽/100 mL水吸收體照片注：所有吸收體尺寸均為10 mm×20 mm圖3單個(gè)吸收體熱聲重建圖像

Fig.3Recovered TA images for single absorbers圖4和5分別是不同濃度、同一形狀吸收體和不同濃度不同形狀吸收體的熱聲重建圖像.對(duì)不同濃度吸收體的熱聲成像可以進(jìn)一步驗(yàn)證高鹽含量對(duì)應(yīng)高微波吸收的結(jié)論，同時(shí)對(duì)不同形狀吸收體的成像也為該系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜目標(biāo)成像提供了前期可靠的參考依據(jù).圖4（a）中下方的吸收體在圖像重建中出現(xiàn)中間斷裂的問題，是由于微波能量分布不均勻以及吸收體制作過程中存在的鹽分布不均勻造成的，這也是導(dǎo)致圖5（a）和圖5（b）中下方吸收體形狀與實(shí)物之間出現(xiàn)差異的原因.鑒于這些因素，下一步將會(huì)設(shè)計(jì)能量分布更加均勻的天線以及完善在吸收體制作過程中的工藝流程.

另外，采用不同尺寸的矩形吸收體對(duì)TAT系統(tǒng)分辨率進(jìn)行研究，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，目前2 mm是系統(tǒng)能夠分辨的最小尺寸，其樣品圖像及重建圖像如圖6所示.

圖7是將一個(gè)規(guī)則吸收體埋在豬肉脂肪中不同深度處得到的熱聲成像結(jié)果，這一成像結(jié)果證實(shí)了該系統(tǒng)具有深度成像的能力，對(duì)于以脂肪為主的乳房組織，深達(dá)5 cm的熱聲成像能力完全具備臨床實(shí)用價(jià)值，這為我們研制第1臺(tái)早期乳腺癌熱聲成像系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

4結(jié)論本文基于熱聲成像基本理論和系統(tǒng)介紹，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，對(duì)3 GHz微波熱聲成像系統(tǒng)的性能進(jìn)行了多方面的評(píng)估，利用該系統(tǒng)對(duì)具有不同形狀、不同含鹽量和埋在不同深度處的吸收體實(shí)現(xiàn)了熱聲成像.通過控制吸收體中鹽含量的變化模擬了不同類型的乳房組織，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果有臨床參考價(jià)值，為今后乳腺腫瘤的熱聲成像研究打下了基礎(chǔ).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明吸收體的含鹽量越高，則對(duì)比度越高，從理論上與微波成像和熱聲轉(zhuǎn)換機(jī)理相吻合，使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步的驗(yàn)證；雖然實(shí)驗(yàn)得出的2 mm分辨率比實(shí)驗(yàn)所用微波源脈寬0.75 μs對(duì)應(yīng)的1.13 mm的最好分辨率要大，但是2 mm的分辨率已經(jīng)能夠滿足乳腺癌早期檢測的需求.為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的分辨率，下一步將會(huì)采用聚焦型的超聲換能器.

綜上所述，該系統(tǒng)對(duì)早期乳腺癌檢測具有高對(duì)比度、非侵入、深層成像的潛在能力，這些實(shí)驗(yàn)研究為下一步的動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)和臨床研究提供了可靠的保障，同時(shí)為下一階段定量微波熱聲層析成像重建電導(dǎo)率分布的研究也打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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