超短脉冲微波高效激发的高分辨率热声成像＊

娄存广，计 钟，丁文正

(华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学研究所、暨激光生命科学教育部重点实验室，广东广州 510631)

0 引言

脉冲激光激发的光声成像及脉冲微波激发的热声成像近年在生物医学及材料的无损检测等领域引起了广泛关注［1-3］。物质吸收光能/微波而被激发，并通过非辐射跃迁把这种能量转换为热能而引起局部迅速膨胀和压力增大，强度随时间变化的光/微波辐射引起的热膨胀能产生声波的现象，即光声/热声效应。

微波致热声成像是将一定频率的微波(射频)调制为窄脉冲照射具有电磁波吸收差异的生物组织，在短时间内，生物组织吸收电磁波脉冲能量后转换为热膨胀而激发超声波信号。通过获取不同位置处的超声波信号即可以重建生物组织对微波脉冲能量的吸收分布特性。微波辐射与X光类似，但与光学频率相比，其优势在于它能够穿透材料的表面，从而获得表层之下物体的图像，而这却是通过光学频率所无法获得的结果。而微波辐射与X光不同之处在于，后者具有较高的光子能量(～103eV)可能对人体的组织、器官造成电离损伤。通常医疗和安检用的X光光子能量一般在数百到上万电子伏，而作为一种低能辐射的微波的光子能量仅为几个eV，其对人体是无害的。

脉冲微波激发的热声成像系统，激发源通常为峰值功率几百 kW，脉冲宽度500 ns～1 μs，频率为1 GHz左右的脉冲微波［4-5］，微波脉冲能量密度约为几个mJ/cm2，成像分辨率约为500μm。热声成像自从出现以来，相关的研究大都集中在模拟组织及成像算法等基础研究方面，尽管热声成像具有较高的穿透深度及较好的成像分辨率，然而，其临床应用一直停滞不前。究其原因，我们认为主要来自成像过程中存在潜在微波热损伤。在实时成像的条件下，传统脉冲微波热声成像的辐射剂量远远超过美国国家标准学会(ANSI)的辐射剂量安全标准［6］20 mW/cm2，这对热声成像临床应用提出了较大的挑战。寻找提高热声激发效率的途径，减小辐射剂量也成为热声成像的主要研究方向。

根据微波激发脉冲宽度与热声效应的关系［7］，微波脉宽越窄，热声效应激发效率越高，所需激发能量密度越小，潜在热损伤越小。此外，时域热声信号是激发源脉冲波形与样品冲击响应的卷积，激发脉冲持续时间越短，相应的热声成像分辨率越高。目前实验室现有的两台脉冲微波激发源都是采用脉冲调制触发磁控管的方式产生单频微波，磁控管通过磁场将电子能量转化为微波，由于功率等方面的限制，其产生的微波脉宽最窄只能达到几百ns。这也是造成目前国际上微波热声成像分辨率停留在亚毫米量级的关键影响因素。

1 超短脉冲微波源

热声效应早在19世纪末已经被Bell发现，但是由于当时缺乏高灵敏度的声探测器，无法进行定量试验。此后相当长的一段时间，由于受激发源及探测器的限制光声效应的发展几乎处于停滞状态。近半个世纪以来，科学技术的迅猛发展，尤其是激光技术、计算机技术、电子技术的发展，给光声热声技术的蓬勃发展注入了新的活力。特别是激光技术的迅速发展，使得光声信号的激发光源从种类及质量上均得到了充实和发展。在这些高功率技术的推动下，热声技术不仅从理论上得到了进一步的完善，应用领域也得到了较大的拓展［7-9］。

超短高功率微波发生器是目前国内外研究的一个热点［10，11］，除在军事上具有重要的应用价值，在民用领域也有广泛的应用前景。超短高功率微波发生器具有脉宽窄，功率高，体积小，重量轻，使用方便等特点。超短脉冲微波与目前热声成像中所用的微波源的一个主要差别在于脉冲宽度与微波产生途径。脉冲功率技术的研究始于上世纪30年代的用电容器放电产生 X射线。1938年，美国的 Kingdon和Tanis第一次发表了用高压脉冲电源放电产生微秒脉冲X射线的文章。20世纪60年代是脉冲功率技术迅猛发展并形成单独学科的黄金时代。一般来说，脉冲功率装置包括以下几个部分:初级能源，储能系统，脉冲形成系统、开关转换系统和负载。脉冲功率的形成过程是:首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量;之后向中间电容充电储能系统注入能量，能量经过电容放电形成电脉冲，经过升压及压缩形成高压窄脉冲，最后快速释放给天线负载，发射出电磁波。

本文所用的超短脉冲微波发生器主要由Tesla变压器、脉冲形成线、高压气体开关和高功率脉冲天线等部分组成。该脉冲发生器能够产生脉冲宽度小于10 ns的窄脉冲微波，峰值功率可达40 MW，脉冲重复频率为1-40 Hz连续可调，微波辐射主频为450 MHz。超短脉冲微波发生器的工作原理图如图1所示，充电系统经过交流整流及升压后给初级能源的电容器充电到要求的电压(～2.3 kV)，控制系统触发初级能源的半导体开关(绝缘栅双极型晶体管，IGBT)导通产生脉冲电压，之后经Tesla变压器升压后给脉冲形成线谐振充电，当形成线充电到ps级高压气体开关的自击穿电压(～100 kV)时，开关导通，高电压脉冲快速释放到天线负载上，辐射出高功率超短脉冲微波。

开关元件的参数和特性将对脉冲的持续时间，上升时间，幅值等产生最直接的影响，因此开关元件在脉冲微波发生器中占有特殊的地位。近些年来，一些高性能开关也不断涌现，如磁开关、半导体开关器件、光导开关等。随着科技的发展，气体开关技术发展趋向成熟，具有低成本，耐压高，输出脉宽窄的特点，在高功率脉冲装置中取得了广泛的应用。本超短脉冲微波发生器采用2.5 MPa高压氮气开关，实现了800 ps上升时间，单脉冲为2～3 ns的微波发射(图2(b))，将热声成像的激发脉宽较以前减小了数十倍。

图1 超短脉冲微波发生器原理框图Fig.1 The block diagram of ultrashort microwave generator

图2 (a)超短脉冲微波发生器装置图，(b)超短脉冲微波波形Fig.2 (a)The steup of ultrashort microwave generator，(b)The waveform of ultrashort microwave pulse

2 实验系统与方法

为了验证超短脉冲微波激发的热声成像系统分辨率及热声转化效率，实验中选用了两种不同脉宽的微波源，分别为超短脉冲微波源及陕西北微机电科技有限公司的微波发生器(BW-6000HPT，China)，其发射出频率分别为450 MHz，6 GHz，脉宽为10 ns及450 ns，微波辐射能量密度分别为350 μJ/cm2和31 mJ/cm2。本实验选用了不同形状、不同大小的模拟样品进行热声成像。实验样品是用琼脂粉、水加热到沸腾，然后在烧杯中冷却凝结而成。样品放置在一个聚乙烯塑料旋转平台上，通过步进电机带动样品旋转进行全方位数据采集。声探测器采用广州多浦乐电子科技有限公司的点聚焦高频探测器(I10P6NF20，Doppler，China)，样品台和超声传感器一同被浸泡在装有矿物油的容器内。试验时样品以1.8°的步距旋转200个位置进行热声数据采集，通过示波器(Tektronix，TDS3032，USA)采集并经过GPIB接口传输存储到计算机进行后处理。热声图像的重建利用Matlab滤波反投影算法在计算机上实现［12-17］。

热声效应的激发效率依赖于激发源的脉冲宽度，脉宽越窄，激发效率越高。为了验证不同脉宽下热声效应的效率，试验中选用水作为吸收体，将探测得到的不同脉宽下热声信号的幅值对微波能量密度、吸收系数、声探测器频带响应进行归一化，得到不同脉宽的热声转化效率。为了进一步验证热声成像分辨率，本文对一系列不同形状及大小的模拟样品进行了热声图像重建。

3 实验结果与讨论

图3(a)为不同脉宽微波激发下水的热声信号波形图，可见，超短微波激发的热声信号具有较窄的时域持续时间。图中10 ns(450 MHz)微波激发的热声信号约比450 ns(6 GHz)微波激发的热声信号小5倍，然而水对6 GHz微波的吸收系数比450 MHz微波强7.6倍，并且两者能量密度差异为89倍。此外，考虑到不同脉宽激发热声信号主频及相应的声探测器频带响应不同，经过归一化处理计算得到10 ns超短微波热声转化效率比450 ns微波提高了约两个数量级图3(b)。

图3 不同脉宽微波激发的热声信号波形(a)及热声激发效率的比较(b)Fig.3 (a)Thermoacoustic signals induced by microwave with different pulse duration，(b)Comparison of thermoacoustic conversion efficiency for different pulse duration

图4(a)为直径1.3 cm椭圆形琼脂样品热声图像，图4(b)为中间填充水的两个壁厚110μm的椭圆形聚乙烯塑料管的热声重建图像。上述实验结果表明，该系统可以清晰的重建不同大小及形状的样品的热声图像，成像分辨率可以达到约 100μm［7］，远高于目前热声成像的mm级分辨率。采用更高主频的超声探测器将具有更高的热声成像分辨率。微波的穿透深度与波长及吸收系数有关，超短脉冲微波发生器输出的微波主频在450 MHz，其在肌肉及脂肪组织中的穿透深度分别可以达到5.1 cm和30.2 cm。高的成像分辨率及穿透深度使得超短脉冲微波热声成像具有广阔的临床应用前景。

4 结论

本文设计实现了基于超短脉冲微波的热声成像系统，大大提高了热声激发效率及成像分辨率，使热声成像所需的激发能量密度降低到国际安全标准以下，消除了潜在的热损伤，突破了热声成像临床应用的技术限制。此外，超短脉冲微波的高分辨率高穿透深度成像也为疾病的早期检测与定位提供了切实可行的方法。超短脉冲微波热声成像在激发效率及成像分辨率方面取得的里程碑式的进展必将在生物医学领域有广阔的应用前景，为人类健康做出重要贡献。

图4 不同形状模拟样品的热声图像Fig.4 Thermoacoustic imaging of different samples

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