微波激励热声成像中微波源参数选择的理论分析

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生物组织中的癌细胞定位技术

（ＭＩＴＡＴ），ａｎｉｔｅｒａｔｉｖｅｔｉｍｅｒｅｖｅｒｓａｌ（ＩＲ）Ａｄｉｏｉｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄ．Ｔｈｅｉｔｅｒａｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｅｓｔｉｍａｔｅｓｔｈｅｍｉｓｌｉｔｌｏｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ
ＣＨＥＮＧｕｏｐｉｎｇ，ＣＨＥＮＱｉｎｇｈｕａ，ＬＩＹｉｘｕａｎ
（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃｉａｎＴｈｅｏｙｒａｎｄＮｅｗＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）
物组织复杂环境中对癌变细胞精确定位具有很大的优势。
【关键词】时间反转方法；微波致热超声扫描成像；Ａｄｊｏｉｎｔ算法
【中图分类号】ＴＮ９４９．６
【文献标志码】Ａ
ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＴｕｍｏｒＣｅｌｌｓｉｎＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＴｉｓｓｕｅ
１引言
微波热致超声波扫描成像技术是一种新兴的检测技术，它使用微波脉冲激励组织，在微波脉冲信号的照射下，生物组织内的电参数，如介电常数和导电率通过接收的反射，透射微波信号反映出来，即为微波成像机制；生物组织内不同电参数分布而产生的受热不均匀，会导致生物组织在形体上产生热膨胀，这

微波成像

微波成像微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或（复）介电常数分布。

微波是频率在300MHz～300GHz，相应波长为1m～1mm的电磁波。

与无线电波相比，微波具有频率高、频带宽、信息容量大、波长短、能穿透电离层和方向性好等特点，微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或(复)介电常数分布。

由于介电常数大小与生物组织含水量密切相关，故微波成像非常适合对生物组织成像，当大的不连续性限制了超声波成像的效率，生物组织的低密度限制了X射线的使用时，微波却可以发挥独特的作用，获得其它成像手段无法获得的信息。

微波成像具有安全、成本低、理论上可对温度成像等特点成像是个逆散射的问题，其根据散射的回波信号反演提取目标特征信息。

现在，为人们所熟知的X光、激光、声波、微波、毫米波等多种成像技术，只是选择的信息载体与目标的相互作用不同而已。

而微波成像是依赖电磁波与目标的相互作用，从散射回波信号中挖掘、提取目标信息，重构目标特征。

其主要困难在于微波波长与被测生物体尺寸接近，衍射作用明显，不能使用类似于X射线的投影成像方法，只能采用更加复杂的基于逆散射的反演算法作为成像反演计算出发的电磁散射方程，不但是一个非线性方程，求解困难，计算耗时长，而且属于病态方程，求解是不稳定的，微小误差会造成计算结果的巨大偏离微波CT微波成像过程中广泛使用最初是应用于医学上CT图像重建的一种方法,时域紧缩场微波成像算法与此类似,其原理是:将成像区域内的每一个分辨单元视为一个辐射点,首先得到某辐射点在各角度下的辐射功率,将这些功率相加即可得到该辐射点的总辐射强度。

求出该目标成像区域内所有辐射点的辐射功率强度,对这些功率归一化后逐个描点,即可得到成像区域的灰度图。

从发射出来的微波作用到生物体，将有(1)直射穿过生物组织的波，又称为透射波；(2)经生物体衍射和反射从斜偏方向入射来的波；(3)投射到生物体内部的微波激励生物组织，发出属于微波范围的电磁波。

CST微波工作室视频培训教程讲义—激励

CST微波工作室入门与应用详解中文视频教程第八讲：CST微波工作室端口和激励详解主讲：李明洋概述激励•所谓激励，顾名思义就是指在进行仿真分析时需要提供的激励信号源•在CST微波工作室中，提供了多种不同类型的激励源，用于不同类型问题的分析•在运行仿真分析之前，至少要设置一个激励源作为结构的输入信号激励激励类型•端口激励(Port)：既可以分析给出S参数，也可以分析给出场分布–离散端口(Discrete Ports)–波导端口(Waveguide Ports)•场源激励(Field Source)：只能分析给出场分布–平面波激励(Plane Waves)–远区场激励(Farfield Sources)–近区场激励(Nearfield Sources)负载——集总元件(Lumped Element)波导端口—Waveguide Port什么是波导端口•波导端口模拟一段连接在结构模型上的无限长的波导，因为波导端口模式匹配良好，几乎能够全部吸收结构模型内传输过来电磁波，从而能够达到很高的仿真精度•波导端口默认的输入激励信号功率是1W设置操作和端口对话框应用范围•波导结构模型•同轴线结构模型•微带线/带状线/共面波导等传输线结构模型离散端口—Discrete Port什么是离散端口•离散端口是由具有内阻的电流源组成，设置于结构模型内部•定义更简单，只需要定义域结构相连的两个管脚即可•端口的电长度最好小于1/10个波长离散端口的设置•离散棱边端口•离散表面端口平面波激励—Plane Waves平面波激励是模拟从无限远处发射过来的电磁波激励，主要用于RCS一类的散射问题的分析只分析远区场，不计算S参数使用平面波激励需要设置开放边界条件（Open）场源激励—Farfield Sources、Nearfield Sources 远区场激励远区场激励波导端口平面设置波导结构同轴线结构波导端口平面设置(cont.)微带线•微带线是微波/射频领域常用的传输线，其端口大小是波导端口设置时要考虑的重要因素。

频率选择表面技术在微波电路中的应用研究

频率选择表面技术在微波电路中的应用研究频率选择表面技术（英文缩写为FBAR）是一项新颖的微波传输技术，其广泛应用于现代微波电路和无线通信领域。

它具有体积小、损耗小、高性能等特点，已成为了实现微波集成电路高频信号处理的重要手段之一。

本文将对FBAR在微波电路中的应用进行探讨。

一、FBAR的工作原理及特点1.1 工作原理FBAR是由一块石英晶片、电极以及Rh/Au的振荡结构组成的，FBAR的振荡结构与常规的SAW（Surface Acoustic Wave，表面声波）器件不同，其振荡频率由晶片厚度、晶体材料的声速以及电极的尺寸等因素所决定。

FBAR中的电极与石英晶片之间被填充了一层厚的电介质用于工作，当信号加入电极时，电极会被激励，产生一定频率的机械震荡，从而在晶片表面上形成表面波，并继而在FBAR内传输与反射。

1.2 特点FBAR具有以下优点：（1）频率精度高，可以精确控制FBAR在所需频率范围内的振动。

（2）损耗小，由于其体积小，采用的是毫微制造工艺，因此可以实现高效地阻尼。

（3）容易集成，由于FBAR是一种超过5 GHz的微波器件，可以在集成电路上紧密布局，从而实现集成。

二、微波滤波器中的FBAR技术滤波器是微波电路中最基本也是最常用的无源元件之一，它主要用于对微波信号进行一定频率范围内的筛选与过滤。

FBAR作为一种微波传输技术，可以被广泛应用于微波滤波器的设计与制造中。

下面将简要地介绍FBAR在微波滤波器中的应用。

2.1 FBAR微波滤波器的设计原理FBAR微波滤波器的设计原理基于其工作原理，其基本思想是利用FBAR器件所产生的强烈的谐振，来形成对信号的带通、带阻滤波。

FBAR滤波器利用FBAR的低振荡杂散辐射以及其内部的谐振点特性进行设计，完全可以控制其谐振频率。

FBAR滤波器在选择构建器件时通常采用串联结构，即将多个FBAR器件串联起来，从而获得更严格的滤波特性。

由于FBAR器件具有峰度高、谐振频带窄以及高Q值的特点，因此在微波滤波器的设计中得到了广泛的应用。

超短脉冲微波高效激发的高分辨率热声成像

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【摘要】Pulsed microwave induced thermoacoustic imaging takes advantage of the depth penetration of microwave energy and the resolution of acoustic waves. The microwave source generally employed in thermoacoustic imaging has a pulse width of sub-microsecond, with the energy density of several mJ/cm2 . The excited thermoacoustic wave has a main frequency of 2 MHz, and a resolution of 500 μm can be obtained. With the development of thermoacoustic imaging toward clinical application, it is very important to effectively reduce the radiation dose and improve the imaging resolution, which is a key factor for the successful application of thermoacoustic imaging system. In this paper, we designed a ultra-short microwave induced thermoacoustic imaging system, the experimental results show that this system can improve the generation efficiency of thermoacoustic waves with two orders of magnitude, and the resolution can approximately reach up to about 100 μm.%微波热声成像综合了微波成像和超声成像的优点,具有很好的穿透深度及较高的图像分辨率.热声成像的激发源通常为基于脉冲调制的亚微秒级脉冲微波,激发能量密度约为几mJ/cm2,激发出的热声信号主频通常为2 MHz,成像分辨率约为500 μm.随着热声成像向着临床应用方向发展,能否有效的减小辐射剂量并提高成像分辨率,是热声成像系统设计成败的一个关键因素.为了有效改善微波热声成像中热损伤及分辨率,设计开发了超短脉冲微波热声成像系统,实验结果表明该系统提高了热声转化效率约两个数量级,成像分辨率达到105 μm,为热声成像的临床应用铺平了道路.【期刊名称】《激光生物学报》【年(卷),期】2013(022)001【总页数】5页(P48-52)【关键词】热声成像;脉冲微波;转化效率;分辨率【作者】娄存广;计钟;丁文正【作者单位】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;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;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【正文语种】中文【中图分类】Q684;R3120 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］。

一种基于单脉冲磁场激励的磁性纳米粒子热声成像方法及装置

专利名称：一种基于单脉冲磁场激励的磁性纳米粒子热声成像方法及装置
专利类型：发明专利
发明人：刘洪家,李艳红,刘国强
申请号：CN202111406206.0
申请日：20211124
公开号：CN114052699A
公开日：
20220218
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种基于单脉冲磁场激励的磁性纳米粒子热声成像方法及装置，其中基于朗之万理论和热力学第一定律，推导出磁性纳米粒子在单脉冲磁场激励下的热声效应产生机制。

基于这项新机制，提出利用涡旋线圈对注入磁性纳米粒子的待测体施加单脉冲磁场，使磁性纳米粒子内产生磁化能量，进而导致磁热效应，再由热膨胀激发出热声信号。

设计32通道圆周扫描装置用于接收热声信号，对接收到的热声信号进行采集和处理，然后采用图像重建方法获取待测体中磁性纳米粒子的浓度图像。

通过本发明，能够重建待测体中MNPs的浓度分布，并且所述32通道圆周扫描装置用于接收信号，能够缩短成像时间。

申请人：中国科学院电工研究所
地址：100190 北京市海淀区中关村北二条6号
国籍：CN
代理机构：北京科迪生专利代理有限责任公司
代理人：江亚平
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微波声子频谱学基础

微波声子频谱学基础
微波声子频谱学是研究物质中微波辐射与声子的相互作用的一种方法。

声子是晶体中与晶格振动相关的量子化的能量子，而微波辐射是频率在微波范围内的电磁波。

通过测量物质中微波辐射的吸收、散射或发射光谱，可以得到物质中声子能级结构的信息。

基于微波声子频谱学的研究方法有多种，其中比较常见的包括：
1. 微波吸收谱：通过测量物质对微波辐射的吸收强度和频率之间的关系，可以获得物质中声子的能量分布情况。

吸收峰的位置和强度可以反映物质中声子模式的特性和密度。

2. 微波散射谱：通过测量物质对微波辐射的散射强度和散射角度之间的关系，可以获得物质中声子的动量分布情况。

散射峰的位置和形状可以反映物质中声子的动态性质和散射机制。

3. 微波发射光谱：通过测量物质在受到激发后发射出的微波辐射强度和频率之间的关系，可以获得声子在物质中的传播和退激发过程的信息。

发射光谱的峰位和发射强度可以提供声子的热传导和辐射传输的特征。

微波声子频谱学在材料科学、能源研究和纳米技术等领域有广泛的应用。

通过精确地测量和分析微波声子频谱，可以揭示材料中的声子特性，研究其热输运和辐射特性，从而为材料的设计和性能优化提供重要的参考。

微波热声成像技术及其临床诊断应用探索

260 引言医学影像可以为临床疾病诊断提供重要的参考依据。

目前常用的医学影像技术有X射线、超声、核磁、光学/荧光显微成像等。

其中，X射线成像是基于人体组织密度和厚度差异的投射性成像，但由于有些疾病在其发病早期组织的密度差异性不大，故X射线成像对该类疾病诊断灵敏度不高，且X射线的反复电离辐射会对生物组织产生潜在损害[1-3]。

超声成像是利用生物组织的声阻抗差异进行成像，但早期肿瘤组织与正常组织的声阻抗差异小，且图像的对比度较差，分辨率不高，不易实现早期病变检测[4,5]。

核磁成像是一种基于生物磁学核自旋的成像技术，但其成本高、成像速度慢且灵敏度较差，因此不适用于早期病变的快速筛查[6-8]。

光学/荧光显微成像技组[26,27]、S. K. Patch小组[28,29]、R. A. Kruger小组[15,16,30]和H. Xin小组[31-33]等。

在众多科研工作者的努力下，MTAI技术在医学诊断方面有了巨大的突破。

至今已经被应用到脑、胰腺、血管、乳腺和关节显像等。

本文拟介绍MTAI技术及其在临床诊断中的应用研究现状，并对未来的发展趋势进行展望。

1 微波热声成像技术概述微波在生物组织内的吸收主要由吸收物质如水含量、钠钾等离子浓度决定，不同类型组织的微波吸收差异决定了MTAI的对比度。

因而MTAI反映了生物组织的微波吸收特性，可用吸收系数α进行表述：28图1 热声效应示意图Fig.1 Schematic of thermoacoustic effect1.1 微波激励源获产生微波能量的微波激励源由微波管和微波管电源组成。

其中微波管电源将交流电能转变成直流电能，接着微波管将直流电能转变成微波能[37]。

MTAI技术目前主要采用的是基于磁控管调制技术的高功率脉冲微波源。

该类微波源技术成熟、稳定性好，信号信噪比高，图像质量好。

目前MTAI研究小组所报道的微波源详细情况见表1。

表1 各小组研究的微波源类型Tab.1 Microwave source types studied bydifferent groups1.2 微波天线微波天线能够接收电脉冲信号，并无畸变地辐射出去，最终变为微波振荡，它的辐射场随时间变化，表现为脉冲形式。

微波激励热声信号采集系统

微波激励热声信号采集系统韦育森;朱新亚;王华;杨莺;焦腾;杨国胜【期刊名称】《北京生物医学工程》【年(卷),期】2008(027)006【摘要】为了能够成功采集和提取微波脉冲照射生物组织所产生的微弱热声信号,实现对组织的微波热声成像,开发出了一种热声信号数据采集系统.制作了增益105dB、带宽3MHz的可调增益信号预处理器,结合软件设计解决了四通道大数据量保存问题;通过对LabVIEW和C语言进行混合编程实现数字式平均计算,对强噪声背景中的信号进行消噪处理,解决了平均计算过程中的数据漂移问题,这种方法还能够去除奇异信号从而获得更为准确的结果;最后通过实验对微波激励的信号进行采集和分析.实验结果证明本采集系统完全可以满足微波热声成像中热声信号采集的要求.达到预期效果.【总页数】5页(P604-608)【作者】韦育森;朱新亚;王华;杨莺;焦腾;杨国胜【作者单位】第四军医大学生物医学工程系,西安,710032;第四军医大学生物医学工程系,西安,710032;第四军医大学生物医学工程系,西安,710032;第四军医大学生物医学工程系,西安,710032;第四军医大学生物医学工程系,西安,710032;第四军医大学生物医学工程系,西安,710032【正文语种】中文【中图分类】TN911.7;TP274;R318.03【相关文献】1.基于LabVIEW的微波热声信号采集及消噪处理 [J], 王华;焦腾;张杨;于霄;路国华;吕昊;张华;薛慧君2.微波激励热声成像中微波源参数选择的理论分析 [J], 陶春静;宋涛;吴石增;阎静3.一种新型医用成像技术--微波激励热声CT [J], 吴石增;于阳;宋涛4.热声激励下燃烧室热声固耦合特性数值研究 [J], 杨光;田晶;艾延廷;关鹏;韩斌5.热声激励下燃烧室热声固耦合特性数值研究 [J], 杨光; 田晶; 艾延廷; 关鹏; 韩斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

微波热声实时成像系统及应用

微波热声实时成像系统及应用崔永胜;计钟【摘要】A set of real-time microwave thermoacoustic imaging system was established. The system was composed of a pulsed microwave generator, a multi-element ring-shaped detector, a multi-channel data acquisition and a data recon-struction device. From experiments,the performance of the two plastic tubes filled with physiological saline was verified, and the results showed that the imaging speed was 16.7 frames per second. Subsequently,the normal and tumor area of the living mice were imaged, respectively, and the contrast between the tumor and normal area was1.7:1, which proved that the system had a high contrast in tumor detection. Finally,a dynamic process monitoring experiment was im-plemented. In summary,the established system has the advantage of non-invasive,fast imaging speed and large field of view, and is expected to be widely used in biomedicine, especially real-time tumor screening and monitoring.%本文建立了一套微波热声实时成像系统,该系统由脉冲微波发生器,多元环形探测器,多通道数据采集装置和数据重建装置共同组成.在实验中,利用填充盐水的两个塑料管验证其实时成像的性能,结果表明,该系统能够实现每秒16.7帧的成像速度.随后,对活体小鼠的正常区域和肿瘤区域分别进行热声成像,得到肿瘤和正常区域的对比度为1.7:1,证明了该系统在肿瘤检测中有较高的对比度.最后,利用该系统监控细管趋近离体肿瘤的过程.因此该系统有望应用于实时监测.综上所述,该热声成像系统具有无损,成像速度快和大视场的良好性能,有望在生物医学中得到广泛的应用,尤其在肿瘤筛查和实时监控方面发挥作用.【期刊名称】《激光生物学报》【年(卷),期】2018(027)001【总页数】6页(P81-86)【关键词】脉冲微波;热声成像;实时成像【作者】崔永胜;计钟【作者单位】华南师范大学,生物光子学研究院激光生命科学研究院,暨激光生命科学教育部重点实验室,广东广州510631;华南师范大学,生物光子学研究院激光生命科学研究院,暨激光生命科学教育部重点实验室,广东广州510631【正文语种】中文【中图分类】R318.510 引言微波热声成像(热声成像)是近年来发展的一种新型无损医学成像方法[1-9]，它结合了纯电磁波成像的高对比度和纯超声成像的高分辨率的优点。

热声成像评价

热声成像评价介绍热声成像评价是一种利用声波和热量来评估物体内部结构和材料性质的非接触性无损检测技术。

它通过将热能转化为声波信号，并根据声波在材料中的传播特性来获取有关物体内部的信息。

热声成像评价在工程、医学、材料科学等领域有着广泛的应用。

工作原理热声成像评价的工作原理基于声学和热学的相互作用。

首先，通过外部热源加热被测物体的某一部分，产生温度梯度。

随后，被加热部分的温度梯度会引起声波的生成和传播。

这些声波会在材料中传播，并受到材料的声学性质和内部结构的影响。

最后，通过检测传播的声波信号，可以获得有关材料内部结构和性质的信息。

应用领域热声成像评价在多个领域具有广泛的应用，以下是其中的几个例子：1. 材料科学热声成像评价可以用于评估材料的热传导性能、热膨胀系数以及内部缺陷等。

通过测量材料中的声波传播速度和衰减情况，可以推断出材料的物理性质和结构信息。

这对于材料的设计、制造和质量控制至关重要。

2. 医学热声成像评价在医学领域中有着广泛的应用。

它可以用于检测人体组织中的病变、肿瘤和血管等。

通过测量声波在不同组织中的传播速度和衰减情况，可以帮助医生判断病变的位置、大小和类型，并指导治疗方案的制定。

3. 电子设备热声成像评价可以用于评估电子设备中的散热性能和内部结构。

通过测量声波在电子元件中的传播速度和衰减情况，可以判断散热效果和元件的连接质量。

这对于电子设备的设计和维护具有重要意义。

优势和局限性热声成像评价具有以下优势：•非接触性：热声成像评价不需要与被测物体直接接触，避免了对物体的损伤和污染。

•高分辨率：热声成像评价可以获得高分辨率的图像，能够显示物体内部的细节和缺陷。

•快速性：热声成像评价可以在短时间内获取物体的内部信息，适用于实时监测和快速检测。

然而，热声成像评价也存在一些局限性：•受材料限制：热声成像评价对材料的声学性质和热导率有一定的要求，不适用于所有材料。

•信号干扰：热声成像评价的结果可能受到环境噪声和杂散信号的干扰，影响成像质量。

仪器仪表行业注意了

1465系列微波信号发生器应用之——窄脉冲调制应用来源：仪商网微波信号发生器的调制脉冲广泛应用于脉冲体制雷达系统、粒子加速器、导引头、射频微波系统的测量与校准、微波通信收发机系统、电子对抗、生物医学等领域。

在高功率微波源、电磁环境效应研究等特殊领域，常规的微波信号源脉冲调制能力（微秒级脉宽）已经不能满足应用需求，以微波窄脉冲信号（几百纳秒脉宽）为基础的“微波激励热声成像”技术已经应用于乳腺癌等病变的诊断，但其需要有足够的成像分辨率和足够的穿透深度才能在早期病灶的诊断等应用中获得最佳的成像质量。

研究发现：减小微波脉冲的宽度与提高微波脉冲的峰值功率都能改善成像分辨率、获得更好的成像效果。

同时，越窄的微波脉宽（几十纳秒脉宽），对身体潜在的热损伤越小。

基于1465系列微波信号发生器（窄脉冲选件）为您提供具有高速上升下降沿时间（10ns 以内）、高精度脉宽最小到20ns和准确稳定的功率电平输出窄脉冲调制信号，且窄脉冲调制信号具有多种调制格式如脉内线性调频、脉内调相等特点，能够为被测设备的测试提供更丰富的激励信号。

图1 脉冲调制脉宽为20ns的窄脉冲输出设置测试步骤：1、为了保证测试的准确性，1465和示波器开机预热30分钟以上。

2、设置1465微波信号发生器，选择频率设置在5GHz，功率0dBm，射频开，调制开。

3、选择1465脉冲调制，脉冲调制开，脉冲源设置为自动，设置脉宽，如20ns，脉冲周期为5μs。

图2 1465微波信号发生器窄脉冲设置4、连接好电缆，1465微波信号发生器输出端口接示波器通道1，为了更好测试效果，需要外部触发信号，用1465脉冲同步作为示波器通道2的触发输入。

5、设置示波器，选择通道2触发，每格幅度1V，触发电平1.7V，通道1每格幅度100mV，采样率自动。

图3 20ns窄脉冲输出图4 100ns窄脉冲输出以上是1465系列窄脉冲调制设置，其优秀的窄脉冲调制输出、准确的功率电平、超低的脉冲过冲和视频馈通为您的测试保驾护航。