Polarimetric thermoacoustic imaging
Jiawei Long, Zheng Liang, Yihang Tu, Shimeng Xie, Lin Huang, and En Li
热声成像（TAI）是一种结合了微波吸收对比和超声空间分辨率的混合成像方法，在生物医学领域具有重要的应用潜力。然而，其在某些应用中的局限性促使研究人员探索新的技术突破。近期，一项来自于电子科技大学研究团队且发表于《Journal of Innovative Optical Health Sciences》的研究提出了一种基于旋转波导的偏振热声成像（pTAI）系统，为这一领域带来了新的希望。
研究背景
热声成像（TAI）通过检测微波吸收产生的热弹性膨胀来生成图像，其成像对比度来源于不同组织的电学性质（EPs）。尽管TAI在早期乳腺癌检测等方面取得了进展，但电场方向与电学性质分布之间的关系限制了其应用范围。例如，在白质纤维方向平行和垂直测量时，导电率的比值可达10:1。利用圆极化天线进行微波照明可以提高TAI图像质量，但缺乏偏振敏感性。因此，研究团队提出了偏振热声成像（pTAI）的概念。
研究方法
pTAI系统的核心是一个优化的旋转波导，能够在3 GHz频率下实现低插入损耗（<0.2 dB）和高回波损耗（>15 dB）。该系统通过旋转波导发射多偏振方向的脉冲微波信号，激发样品产生不同偏振方向的热声信号（TAS）。研究团队首先通过模拟验证了pTAI对多方向样品的成像能力，然后通过实验展示了pTAI系统的性能，实验对象包括三个随机放置的酱油管和离体牛肉。
实验结果
实验结果表明，pTAI系统能够清晰地成像多方向样品。对于三个随机放置的酱油管，pTAI系统通过每10度旋转发射150个脉冲微波信号，激发热声信号。最终合成的图像与实际样品非常吻合。此外，pTAI系统在离体牛肉成像中也表现出更高的信噪比（SNR），图像更清晰。
Fig. 1. A simulation for pTAI experimental. (a)–(d) The simulation results of different polarization angles. (e) The final composited image. (f) The model of imaging simulation experiments.
Fig. 5. The part test results of ex vivo beef in different angles and the final composite image. (Full results with 10-degree rotation, please see movies S2).
主要创新点
1. 旋转波导设计：研究团队设计并优化了一种旋转波导，能够在不同旋转角度下保持良好的传输性能，为多偏振方向的微波信号提供了稳定的基础。
2. 多偏振成像能力：通过旋转波导发射多偏振方向的微波信号，pTAI系统能够激发样品在不同偏振方向上的热声信号，从而实现对多方向样品的全面成像。
3. 提高成像质量：pTAI系统不仅能够清晰地成像多方向样品，还能在离体组织成像中显著提高信噪比，改善图像质量。
应用前景
pTAI技术为生物医学成像提供了一种新的视角，特别是在需要高分辨率和高对比度成像的应用中。例如，它可以用于脑和肌肉的电导率张量映射，为神经科学和肌肉疾病的研究提供新的工具。此外，pTAI技术还可以扩展到其他需要精确成像的领域，如肿瘤检测和组织特性分析。
结语
这项研究成功地展示了pTAI系统的成像能力，为未来在生物医学领域的应用奠定了基础。尽管目前的系统在某些方面仍有改进空间，但其在多方向样品成像和离体组织成像中的表现已经显示出巨大的潜力。未来的研究将致力于进一步优化系统设计，提高成像质量和时间分辨率。
通讯作者简介
李恩，电子科技大学电子科学与工程学院教授，主要从事电磁场与微波技术、微波测量、微波器件及天线、材料与微波互作用等方面的研究工作。更多详情见https://faculty.uestc.edu.cn/lien
黄林，电子科技大学电子科学与工程学院副教授，主要从事微波热声成像技术基础研究及其应用推广，其研究兴趣还涉及基于微波热声和超声技术对包括电磁热疗在内多种疾病治疗方法的术前引导、术中监测和术后疗效评估。更多详情见https://faculty.uestc.edu.cn/huanglin
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