本文介绍的是电子科技大学电子科学与工程学院黄林副教授课题组对金属丝在热声成像实验中的响应特性进行的理论分析以及仿真研究，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第3期。

Study on response of metal wire in thermoacoustic imaging

金属丝在热声成像中的响应特性研究

Zheng Liang, Weipeng Wang, Shuaiqi Qiao and Lin Huang

研究背景

热声成像技术（Thermoacoustic imaging，TAI）是近年来新兴发展的一种综合微波成像和超声成像优点的成像方式，具有高分辨率、高对比度、无创性以及非电离性的特点。热声成像技术对生物组织的电磁辐射危害较小，具有广泛的生物医学领域发展潜力以及临床应用能力。由于不同生物组织的电导率和电介质系数不同，可以方便地利用微波成像技术来获得热声图像，对于高电导率的金属，其电磁特性和生物组织具有很大的差异性。目前，世界上很多研究小组使用包括铜在内的金属材料进行热声成像实验来分析热声图像的对比度和空间分辨率，在实验中，发现了并不是任意长度的铜丝都能产生声波。

内容简介

本文对金属丝在热声成像实验中涉及到的理论进行了详细地分析，此外本文利用三维电磁场仿真软件 CST对铜丝进行热声成像的过程进行了仿真模拟研究，提出在热声成像过程中，铜丝的响应类似于一种半波偶极子天线，当其长度接近入射波波长一半时具有最佳响应。本文研究工作有助于评估热声成像分辨率时，针对不同的激发微波频率，选择合适长度的铜丝来获得高质量的微波热声图像，有助于提高空间分辨率测量的准确性。

图文导读

1.仿真模型示意图

图1：仿真模型示意图以及所用天线模型图。（a）铜丝进行微波热声成像实验的仿真过程,其中电磁波的传播方向垂直于铜丝的轴向和电场强度方向。（b）展示了不同的工作频率及极化方式的天线，微波源通过这些天线向外辐射能量

使用不同工作频率和不同极化方式的天线辐射铜丝，保持铜丝的截面直径、摆放位置不变，研究铜丝表面的比吸收率（SAR）分布及能量耦合效率与铜丝长度变化之间的关系。其中，框图(a)概述了使用发射天线激励铜丝产生响应的仿真过程。图(b)展示了用作发射天线的三种高功率辐射天线，从左到右分别是：工作频率为1.3 GHz的偶极子天线、工作频率为3.0 GHz的偶极子天线、工作频率为5.3 GHz的喇叭天线。两种偶极子天线为线极化，喇叭天线为圆极化。仿真模拟了铜丝受微波辐照然后吸收微波能量的过程，并根据热声成像中的SAR理论，采用了SAR参数来观测铜丝吸收微波能量大小。

2.铜丝表面的SAR分布随长度的变化过程

图2：铜丝表面的SAR分布随长度的变化过程。框图(a)、（b）、(c)分别对应仿真使用1.3 GHz、3.0 GHz、5.3 GHz的微波源所得结果

应用不同工作频率的发射天线辐射不同波长的微波至铜丝处，根据天线响应与天线长度的关系，设置各个仿真组如图2所示，分别为：(a)在1.3 GHz微波激励情况，铜丝长度分布为40mm、110mm、150mm；(b)在3.0 GHz微波激励情况，铜丝长度分布为20mm、50mm、80m以及(c)在5.3 GHz微波激励情况，设置其长度分布为10mm、250mm、50mm。图2展示了在不同频率微波源激励下，铜丝长度分别远小于、接近和远大于所用微波激励的半波长时，其表面的SAR参数分布变化情况。

3.不同类型的微波激励下，改变铜丝长度所得的仿真结果图

图3：不同频率微波激励下，改变铜丝长度获得的SAR分布最大值与能量耦合效率的仿真结果散点图（黄点、紫点）、修正贝塞尔曲线拟合图（红色、绿色）。其中，(a)为1.3 GHz，(b)为3.0 GHz，(c)为5.3 GHz

在不同频率微波激励下，铜丝的响应特性与铜丝的长度之间的关系，现以3.0 GHz微波激励下的铜丝仿真结果为例进行分析。如图3(b)所示，当铜丝的长度从10mm逐渐变化到100mm时，铜丝的SAR参数整体上表现出先增大至半波长（即50mm)所对应的位置处，其后随着铜丝长度的增加保持减下。对于发射天线与铜丝之间的能量耦合效率，可以发现其变化趋势与SAR参数的变化趋势相同。特别地，当铜丝长度超过半波长时，SAR参数会下降到原来铜丝长度小于半波长时所对应的SAR参数，但此时铜丝的尺寸却在变大，能量耦合效率不会下降至半波长之前所对应的水平。相同的分析用于图 3的(a)、(c)两组数据图都能达到相同的结论。

4.半波偶极子天线长度与其频率的关系

图4：理论条件下，半波偶极子天线长度与其响应频率的关系曲线图。半波偶极子天线在自由空间的总长度计算方法为：L = 143 / f (MHz),其中L代表天线长度，f代表天线的响应频率

结合天线长度和工作频率的曲线图以及上述仿真结果图，可以得知铜丝在热声成像过程中的响应特性等同于一种半波偶极子天线，当铜丝的长度达到所用微波激励的半波长时，此时铜丝的表面能量分布特征为：中心处SAR数值最强，等同于半波偶极子天线的中心馈电处，且朝着两端递减。同时，此刻的铜丝整体SAR参数分布和能量耦合效率也达到最大，意味着微波能量场用来驱使铜丝中的电荷运动产生感应电流的能量也达到最大，说明铜丝在半波长处是最佳响应，这就等同于半波偶极子天线达到了工作频率。

通讯作者简介

黄林,电子科技大学电子科学与工程学院副教授，硕士生导师。研究领域主要涉及微波热声成像技术基础研究及其应用推广，包括：乳腺癌和脑卒中的微波热声成像检测、高分辨率微波热声显微成像、小型化便携式微波热声成像系统，以及基于超声和微波热声成像的多模态成像等技术开发。同时，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。