被动波束成形超表面用于微波诱导热声成像

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微波诱导热声成像 超表面 脑成像 信号噪声比 组织成像

微波诱导热声成像中的被动波束成形超表面研究

学术背景

微波诱导热声成像（Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging, MTAI）是一种新兴的医学成像技术，结合了微波和超声成像的优点。它通过微波脉冲照射生物组织，组织吸收电磁能量后产生热膨胀，进而生成超声波（即热声信号），这些信号携带了组织内部的形态和功能信息。MTAI具有无创、高分辨率、深穿透和高对比度等优点，因此在乳腺癌筛查、脑部成像、关节成像等领域得到了广泛应用。然而，随着成像深度的增加，微波能量的衰减导致热声信号的信噪比（SNR）和对比度显著降低，限制了其在深层组织中的应用。

为了解决这一问题，研究者们提出了多种方法，如使用高功率微波源、多天线耦合等，但这些方法存在生物安全性问题、电路设计复杂、成本高等缺点。因此，开发一种安全、低功耗且易于集成的技术来增强生物组织的微波响应，成为当前研究的重点。

论文来源

本论文由Shuangfeng Tang, Yichao Fu, Yu Wang, Xiaoyu Tang, Lizhang Zeng和Huan Qin共同撰写，他们分别来自华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室和脑认知与教育科学教育部重点实验室。论文于2025年发表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering期刊上，题为《Passive Beamforming Metasurfaces for Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging》。

研究流程

1. 被动波束成形超表面（PB-MS）的设计与原理

研究者提出了一种被动波束成形超表面（PB-MS），通过相位控制原理将微波能量聚焦在目标区域，从而增强深层组织成像的信噪比和对比度。PB-MS由27个超结构单元组成，每个单元由多层金属（铜）和介质材料（F4B-M2）构成。当微波场激发时，这些单元会产生表面等离子体，通过排列这些单元，可以重塑微波场，使其在目标区域聚焦并均匀分布。

PB-MS的设计基于相位控制原理，通过调节单元的几何尺寸和排列方向，改变通过单元后的微波相位，从而实现微波场的聚焦。研究者使用电磁仿真软件CST（CST Studio Suite 2022）对PB-MS进行了建模和仿真，最终设计出一个270 mm × 270 mm × 5 mm的超表面阵列。

2. MTAI系统与PB-MS的集成

研究者将PB-MS集成到MTAI系统中，系统包括微波源、天线、超声换能器和数据采集系统。微波源产生6.7 GHz的脉冲微波，通过PB-MS后照射到成像对象上，产生的热声信号由128通道的半环形聚焦超声换能器接收，并通过数据采集系统进行信号处理。数据重建采用延迟求和（DAS）算法，最终得到组织的微波吸收分布图像。

3. 仿真与实验验证

为了验证PB-MS的可行性，研究者进行了仿真和实验。仿真结果表明，PB-MS能够显著增强微波场的能量密度，并在传播方向上保持一定的均匀性。实验部分包括肌肉仿体的成像实验、不同电导率仿体的灵敏度实验以及小鼠脑组织的成像实验。

  • 肌肉仿体成像实验：在不同深度（0.5 cm至7.5 cm）下，使用PB-MS的MTAI系统在7.5 cm深度下仍能保持22.2 dB的高信噪比，且热声信号振幅和信噪比分别提高了3.9倍和4.6倍。
  • 电导率灵敏度实验：通过仿真和实验，研究者证明PB-MS能够检测到0.095 S/m的电导率变化，表明其对电磁参数的微小变化具有高度敏感性。
  • 小鼠脑组织成像实验：PB-MS显著提高了脑组织成像的对比度，能够更清晰地显示内部结构。在小鼠脑出血模型中，PB-MS能够检测到微升级别的出血，对比度提高了2.78倍。

研究结果

研究表明，PB-MS能够显著提高MTAI系统的成像深度、信噪比和对比度。在肌肉仿体中，PB-MS使得MTAI系统在7.5 cm深度下仍能保持高信噪比；在电导率灵敏度实验中，PB-MS能够检测到0.095 S/m的电导率变化；在小鼠脑组织成像中，PB-MS显著提高了成像对比度，能够检测到微升级别的出血。

结论与意义

本研究的结论是，PB-MS通过相位控制原理实现了微波能量的高效聚焦，显著提高了MTAI系统的成像深度、信噪比和对比度。PB-MS的引入为MTAI的临床应用提供了新的可能性，特别是在深层组织成像和早期疾病检测方面。此外，PB-MS的易于集成和广泛适用性使其在未来的临床推广中具有重要价值。

研究亮点

  1. 创新性设计：PB-MS是首次应用于MTAI的被动波束成形超表面，通过相位控制原理实现了微波能量的高效聚焦。
  2. 深度成像能力：PB-MS使得MTAI系统在7.5 cm深度下仍能保持高信噪比，显著提高了深层组织成像的能力。
  3. 高灵敏度：PB-MS能够检测到0.095 S/m的电导率变化，表明其对电磁参数的微小变化具有高度敏感性。
  4. 临床潜力：PB-MS在小鼠脑出血模型中能够检测到微升级别的出血，展示了其在临床诊断中的潜在应用价值。

其他有价值的信息

研究者指出，未来将进一步优化PB-MS的设计，扩展其工作频率范围，并引入FPGA控制的超表面，以实现对微波场焦点、焦深和极化方向的实时控制，从而满足更多样化的临床需求。