前言

本文介绍的是南方科技大学奚磊教授课题组针对微波热声成像中基于比吸收率(SAR)分布的伪影研究，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2021年第14期。

Investigation of Artifacts by Mapping SAR in Thermoacoustic Imaging

微波热声成像中基于比吸收率(SAR)分布的伪影研究

Xiao Liang, Qiang Liu, Zezhou Sun, Weizhi Qi,Yubin Gong, Lei Xi

研究背景

微波热声成像（MI-TAI）是一种混合成像技术，它将微波成像和超声成像进行了高度融合。微波热声成像综合利用了微波、声学、信号处理及生物医学等领域技术，兼具了超声波成像的高分辨率和微波成像的高对比度特性。微波热声成像的物理过程包括：发射微波脉冲，使被照射的生物组织通过吸收微波能量，组织受热产生热膨胀进而产生超声波。该技术首先利用了病变与背景生物组织的电磁特性，如电导率、介电常数的高对比度，使病变组织成为强电磁波吸收源进而产生较强的超声波；其次，携带有病变组织特性的超声波具有波长短的特性，因而该模态具有高分辨率的特征。微波热声成像结合了微波深穿透、高对比度和声波高分辨率的优点，因而在生物医学影像学领域具有极大的发掘潜力。特别地，近期微波热声成像在乳腺癌、关节疾病的诊断，脑成像和内窥镜等方面均有报道。

微波热声成像在实际应用中通常会出现严重的物理伪影，比如线极化微波普遍产生一种被称为劈裂的图像伪影。另外，在长管形目标物、血管和木材样品中人们找到了更普遍的物理伪影。尽管微波热声成像在衍射效应、生物组织中的驻波形成、圆极化激发等方面取得了长足的进步，但到目前为止，针对物理伪影形成的机理研究还不太深入，这因而限制了该技术的进一步发展。

内容简介

本文围绕微波热声成像中的比吸收率(Specific absorption rate，简称SAR)分布，对微波在生物组织中传播过程中的法布里-珀罗共振、米氏散射(Mie scattering)以及小曲率效应伴随的衍射效应进行了较深入探讨。作者首先使用有限元方法，通过模拟在3GHz微波照射下具有不同形状、大小和厚度的组织模型来计算SAR的分布。模拟和热声成像实验结果表明，在线性极化辐照条件下，SAR的分布通常是非均匀的，并且伪影的模式随目标的形状和大小发生改变。另外，即使采用圆极化微波进行均匀辐照，物理伪影同样存在。文章最后通过离体肿瘤实验，验证了与之对应的仿真结果。本研究的主要贡献可能包括：（1）针对微波热声成像中更普遍的物理伪影提出了更深入的物理形成机制。（2）证明了圆极化微波辐照条件下也可能导致物理伪影的出现。

图文导读

1.实验装置

图1：微波热声成像实验装置图。MG:微波发生器, MC:转动电机；AMP:放大器; DA:偶极子天线; PT:仿体; T:超声换能器.

图1为所采用的微波热声成像系统，这里的扫描方式为圆形扫描。注意到微波的中心频率为 3 GHz，峰值功率为60 kW，最大重复频率为100 Hz。信号探测方面，使用了中心频率为1 MHz的平探头（V303，Olympus Inc.），该探头直径为0.5英寸，相对带宽为56%。图像重建采用延迟叠加算法。

2.仿体的物理参数

为了验证米氏散射(Mie scattering)、法布里-珀罗共振以及小曲率效应在物理伪影产生方面的作用，作者制备了用于微波热声成像实验的6组仿体。仿体的基本材料为去离子水以及2%浓度的琼脂粉。为了获得较高的信噪比，仿体中加入了5%的氯化钠。所有仿体的形貌特征和几何参数详见表1。注意到3 GHz微波在自由空间中的波长是λ₀= 100 mm，在仿体中的波长近似为λ_p=13.5 mm。仿体1的厚度小于λ_p，而仿体2及其他仿体的厚度均约为4λ_p，目的是便于比较不同厚度下法布里-珀罗共振对物理伪影的影响。其次仿体1、2、5、6的直径或边长为30 mm，约为λ_p的两倍，而仿体3、4的直径约为λ_p，这样设计的目的是便于比较不同直径下米氏散射对物理伪影的影响。最后，我们还设计了正四棱柱和正三棱柱，目的是便于比较不同形貌特征下小曲率效应对物理伪影的影响。

表1：6组仿体对应的几何形状、厚度及直径或边长.

3.实验结果及分析

我们首先比较不同厚度下法布里-珀罗共振对物理伪影的影响，这里考虑x方向线极化辐照情况。图2显示的是仿体1和2在此条件下的SAR分布情况，其中彩色（黑白）图为仿真（实验）结果。注意到仿体1和2的直径相等，但仿体1的厚度仅为亚波长尺寸。基于有限元分析方法的边界模式发现，横截面（xy平面）内仿体1的SAR沿着y轴方向呈现出劈裂，另外，SAR沿z方向的变化并不明显，该结果与实验结果高度一致，见图2(a1) ~图2(a6)。针对仿体2的仿真与实验发现，横截面（xy平面）内仿体2的SAR沿着x轴方向呈现出劈裂，而沿z方向的变化非常明显，仿真与实验结果高度一致。通过比较我们推断，厚度为亚波长尺寸的仿体在x轴方向产生感应电流，这种电流激发出沿y方向的磁偶极子，这里的SAR劈裂或与该磁偶极子有很强的关联性。z方向上，由于亚波长厚度破坏了法布里-珀罗共振条件，微波无法在仿体边界实现多次反射，因而层析获得的图像或SAR在z轴的分布呈现出对z变化的不敏感性质。

图2：沿x方向线极化辐照情况下，通过有限元方法建模，获得的（a）仿体1及（b）仿体2在xz截面上的SAR分布图。（a1）~（a6）仿体1中的SAR在不同层析深度z下的分布，其中（a1）~（a2）对应z= 49.5 mm,（a3）~（a4）对应z= 47.5 mm,（a5）~（a6）z= 45.5 mm。（b1）~（b6）仿体2中的SAR在不同层析深度z下的分布，其中（b1）~（b2）对应z / l= 0.6,（b3）~（b4）对应z / l= 0.35,（b5）~（b6）z / l= 0.1。这里的l的为仿体沿z方向的长度。注意到（a2）、（a4）、（a6）（b2）、（b4）及（b6）显示的是微波热声成像实验获得的影像图.

接下来比较不同直径下米氏散射对物理伪影的影响，同样考虑x方向线极化辐照情况。图3显示的是仿体3和4在此条件下的SAR分布情况，其中彩色（黑白）图为仿真（实验）结果。注意到仿体3和4的厚度相等，但仿体3的直径仅为亚波长尺寸。基于有限元分析方法的边界模式发现，横截面（x-y平面）内仿体3的SAR沿着x轴方向呈现出劈裂，另外，SAR沿z方向的变化并不明显，该结果与实验结果高度一致，见图3(a1) ~图3(a6)。针对仿体4的仿真与实验发现，横截面（x-y平面）内仿体4的SAR沿着x轴方向呈现出劈裂，而沿z方向的变化非常明显，仿真与实验结果高度一致。通过比较我们推断，仿体3在横截面产生了准米氏模式，由于直径小于一个波长，该模式可理解为衰减系数极大的波导模式，注意到与传播方向垂直的x方向上具有明显的倏逝特性。对于仿体4，无论在横截面上还是z方向，由于其尺度都大于或等于一个波长，米氏模式可在横截面上稳定存在，另外z方向上微波在仿体边界多次反射，因而层析获得的图像或SAR在z轴的分布呈现出对z变化的敏感性。

图3：沿x方向线极化辐照情况下，通过有限元方法建模，获得的（a）仿体3在xz截面的SAR分布图。（b）~（e）仿体3中的SAR在不同层析深度z下的分布，其中（b）~（c）对应z / l= 0.25,（d）~（e）对应z / l= 0.75。（b）仿体4在xz截面的SAR分布图。（g）~（j）仿体4中的SAR在不同层析深度z下的分布，其中（g）~（h）对应z / l= 0.25,（i）~（j）对应z / l= 0.75。这里的l的为仿体沿z方向的长度。注意到（c）、（e）、（h）及（j）显示的是微波热声成像实验获得的影像图.

我们还比较了不同形貌特征下小曲率效应对物理伪影的影响，同样考虑x方向线极化辐照情况。图4显示的是仿体5和6在此条件下的SAR分布情况，其中彩色（黑白）图为仿真（实验）结果。注意到仿体5和6对应的边长或厚度相等，但两种仿体呈现不同的形貌特征。基于有限元分析方法的边界模式发现，较大的SAR或重建图上的亮斑一般存在于矩形区域的四个角和中心区域。类似的结果也可以在正三棱柱的SAR分布图或热声重建图中找到。值得注意的是，仿真结果与实验结果高度一致。通过比较，我们推测仿体5中的矩形边角处，其曲率半径小，更有助于形成较大的等效电感。基于此，涡旋电流形成，更强的电流密度因而在边角处实现局域。

图4：沿x方向线极化辐照情况下，通过有限元方法建模，获得的（a）仿体5在xy截面上的SAR分布图。（b）微波热声成像实验获得的SAR分布图。这里（a）和（b）的层析深度设置为z / l= 0.16。（c）仿体6在xy截面上的SAR分布图。（d）微波热声成像实验获得的SAR分布图。这里（c）和（d）的层析深度设置为z / l= 0.09.

以往的研究表明，圆极化辐照可以潜在地改善图像质量，因为图像劈裂问题不再存在，但这些研究的对象仅限于球状或圆柱形目标仿体，具有其他形貌特征的仿体往往被忽略。在这里，我们通过仿真以及热声成像实验考察了圆极辐照下不同形貌的目标物其SAR分布情况，这里的研究对象包括表1中的仿体2、5和6。相关结果如图5所示。如图5（a）和（b）所示，圆柱形仿体中图像劈裂问题的确不再存在，但取而代之的是中间亮两边暗淡的非均匀SAR分布。对于具有小曲率或边角的仿体5和6，圆极化辐照下同样存在边角伪影，如图5（c）~（f）所示。我们推测，在圆偏振微波的照射下，伪影问题仍然无法避免。

为了研究线极化对真实生物组织热声成像的影响，我们对嵌入猪脂肪中的肿瘤组织进行了仿真和热声成像实验，仿真及实验结果分别如图5（g）和5（h）所示。实验前，我们准备了体积为40×40×30mm³的猪脂肪长方体。实验中，将一个直径约10毫米的小鼠皮下肿瘤植入到该长方体中，植入深度约为15毫米。可以观察到肿瘤的左右边缘存在由偏振引起的图像伪影。此外，由于猪油不是理想的均匀介质，因此，猪油中的SAR分布呈现出不均匀性。

图5：圆极化辐照情况下，通过有限元方法建模，获得的（a）仿体2在xy截面上的SAR分布图。（b）与（a）对应的微波热声成像实验获得的SAR分布图。（c）仿体5在xy截面上的SAR分布图。（d）与（c）对应的微波热声成像实验获得的SAR分布图。（e）仿体6在xy截面上的SAR分布图。（f）与（e）对应的微波热声成像实验获得的SAR分布图。（g）沿x方向线极化辐照情况下，通过有限元方法建模，获得的嵌入猪脂肪的小鼠皮下肿瘤在xy截面上的SAR分布图。（h）与（g）对应的微波热声成像实验获得的SAR分布图.

总之，我们通过仿真与实验证明了微波热声成像中的物理伪影存在的普遍性，更重要的是上述伪影的出现与许多物理因素包括目标物的厚度、半径/边长、形貌特征以及微波的极化情况具有强烈的关联性。法布里-珀罗共振、米氏散射(Mie scattering)以及小曲率效应伴随的衍射效应可能较常规的机理解释更具说服力。为了有效地发现和定位病变区域，可能需要引入深度学习或人工智能来捕捉或者预测具有任意形状、大小的病变组织所呈现的SAR分布。

通讯作者简介

奚磊，南方科技大学生物医学工程系教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2007年获得华中科技大学光信息科学与技术学士学位、2012年获得美国佛罗里达大学生物医学工程博士学位。2014年11月回国加入电子科技大学任物理电子学院教授、博士生导师，并建立了多功能光学影像实验室(www.mfoil.org)，于2018年2月入职南方科技大学，长期从事生物医学光子学方面的研究工作，主要包括光声成像、光学相干层析成像、热声成像、扩散光显微成像、荧光分子成像等各类成像技术在基础和临床中的应用研究及成果转化。至今，共发表SCI论文74篇，其中，以第一作者/通信作者身份发表SCI论文58篇，这些论文被包括Nature Methods在内的学术期刊引用1700余次；近3年在SPIE Photonics West, Photonics Europe等各类国际/国内会议中受邀请做报告10余次；申请专利15项，拥有授权专利5项、其中包括美国授权发明专利1项。近5年，以项目负责人身份获得国家自然科学基金优秀青年科学基金1项、面上项目2项、海外及港澳学者合作研究基金项目1项、省市级项目6项。受邀担任国际光学学会(SPIE)期刊Journal of Medical Imaging副主编、中国光学学会生物医学光子学专委会委员、中国仪器仪表学会显微仪器分会理事会委员、中国生物医学工程学会生物医学光子学专委会青年委员、中国医学装备协会超声装备技术分会超声换能器及材料专委会委员、中国医药生物技术协会造影技术分会委员、广东省生物医学工程学会青年学术分会委员。申请人的成果在学校和政府的支持下，由光声光显科技有限公司进行转化，已在包含澳门大学、中南大学、中国地质大学在内的多所高校安装使用。