Virtual Issue onThermoacoustic Imaging andAcousticTomography

热声成像与声学断层扫描虚拟专刊

Thermoacoustic Imaging

1.Polarimetric thermoacoustic imaging

偏振热声成像技术研究

摘要：

热声成像（TAI）的对比度源于不同组织对微波吸收的电磁特性差异。然而，介电常数分布与电场极化方向之间的关联在一定程度上限制了TAI的应用。本文提出了一种基于旋转波导的偏振热声成像（pTAI）系统。通过优化旋转波导性能（在3GHz频段插入损耗<0.2dB，回波损耗>15dB），使得喇叭天线发射的激励波能够实现偏振方向的自由旋转。该系统采用多偏振脉冲微波信号激发样本在不同偏振方向下的热声信号（TAS）。研究首次通过仿真实现了多方向样本的pTAI成像，随后以10∘/秒的转速旋转波导，通过对随机放置的三支酱油管及离体牛肉样本进行成像实验，验证了pTAI系统的实际性能。研究表明，pTAI技术在介电特性"扩散"成像领域具有应用潜力，例如可为大脑和肌肉组织实现电导率张量成像。

引用：

Jiawei Long, Zheng Liang, Yihang Tu, Shimeng Xie, Lin Huang, and En Li. Polarimetric thermoacoustic imaging. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 02, 2443001 (2025)

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545824430016

2.Metal reflector-enhanced thermoacoustic imaging as a guidance for puncture biopsy

金属反射器增强型热声成像技术在穿刺活检引导中的应用

摘要：

穿刺活检作为获取病变组织进行病理诊断的重要临床手段，其成像引导至关重要。本文提出一种金属反射器增强的微波诱导热声成像（TAI）方法，可用于乳腺癌及关节疾病穿刺活检的引导。研究首先通过CST STUDIO SUITE软件进行数值模拟实验，分别构建乳腺癌和膝关节痛风模型中的穿刺引导过程，随后开展离体实验并进行定性观察与半定量分析。模拟与离体实验结果均表明：该反射器增强TAI技术能够以>1-2厘米的大成像深度对穿刺针实现高分辨率成像。

引用：

Shuang Du, Tao Qiang, Zihui Chi, and Huabei Jiang. Metal reflector-enhanced thermoacoustic imaging as a guidance for puncture biopsy. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 17, No. 06, 2450014 (2024)

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545824500147

3.Microwave-induced thermoacoustic elastic imaging: A simulation study

微波热声弹性成像仿真研究

摘要：

微波诱导热声成像（MTI）技术具有高分辨率、高对比度、无电离辐射及无创性等优势，近年来已应用于乳腺癌筛查领域。本文基于有限元法，通过COMSOL Multiphysics软件构建适用于MTI过程研究的三维乳腺癌模型，旨在探究乳腺癌组织杨氏模量对热声成像的影响。研究发现，整个乳腺组织的电磁加热与初始压力产生过程在时间上早于热膨胀过程。与正常乳腺组织相比，肿瘤组织具有更高的温升、位移量和压力升幅。特别值得注意的是，肿瘤的杨氏模量与热膨胀速度相关：杨氏模量越大，组织的加热收缩频率越高，产生的最大压力值也越大。不同的杨氏模量会对应不同的热声信号频谱特征。在MTI技术中，本研究成果可基于弹性成像原理实现对不同严重程度乳腺癌的判别，同时为探索微波热声弹性成像（MTAE）技术的可行性提供了重要参考。

引用：

Lin Huang, Zheng Liang, Shuaiqi Qiao, and Weipeng Wang. Microwave-induced thermoacoustic elastic imaging: A simulation study.Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 17, No. 02, 2350013 (2024)

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582350013X

Acoustic Tomography

4.Electroacoustic tomography with dual-frequency array for real-time monitoring of electroporation

双频阵列电声成像技术用于电穿孔过程的实时监测

摘要：

电声成像（EAT）是一种通过检测电脉冲诱导超声波信号的成像技术，为电穿孔过程的实时监测提供了解决方案。本研究提出采用双频超声阵列的EAT系统：由于电声信号的宽频特性，超声探测器需同时覆盖小尺寸目标产生的高频信号（约6MHz）和大尺寸目标产生的低频信号（约1MHz）。在本系统中，6MHz阵列用于检测电极产生的高频信号，1MHz阵列则用于电场监测。

通过COMSOL Multiphysics&reg;与MATLAB的k-Wave工具箱进行仿真验证，并采用定制双频换能器与实时数据采集系统开展实验。研究结果表明，该双频EAT系统在施加100ns脉宽、1kV电脉冲条件下，能精确同步监测电穿孔过程，清晰呈现治疗区域与电极位置。其中6MHz阵列的轴向分辨率达0.45mm，显著优于1MHz阵列的2mm分辨率。这些发现验证了双频EAT技术作为实时电穿孔监测方法的优越潜力。

引用：

Electroacoustic tomography with dual-frequency array for real-time monitoring of electroporation. Journal of Innovative Optical Health SciencesOnline ReadyOpen Access

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825500269

5.A graphical user interface (GUI) for model-based radiation-induced acoustic computed tomography

基于模型的辐射声学计算机断层成像图形用户界面

摘要：

辐射声学计算机断层成像（RACT）是一种新兴的生物医学成像技术，旨在重建组织中的辐射能量沉积分布。传统的反投影重建方法存在噪声干扰和有限视角伪影问题，而基于模型的算法已被证明能有效克服这些缺陷。然而，这类算法的开发相对复杂且计算量庞大。尽管近十年来涌现出大量新型算法，但对于不精通编程的研究人员而言，这些算法往往难以获取、使用或实现。我们开发了一款基于MATLAB的用户友好型图形用户界面（GUI；RACT2D），专门用于处理二维RACT问题的反投影和基于模型的图像重建。该界面集成了数值模拟和实验获得的X射线诱导声学数据集，以展示其功能。所开发的算法支持并行计算，可充分利用计算机多核资源加速重建过程。同时，我们公开了用于RACT重建评估的MATLAB代码，具备编程能力的使用者可根据需要进行修改。这套共享的GUI工具与代码将助力全球研究人员更高效地实现优化的RACT重建。

引用：

Michelle Simon, Prabodh Kumar Pandey, Leshan Sun, and Liangzhong Xiang. A graphical user interface (GUI) for model-based radiation-induced acoustic computed tomography.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 16, No. 01, 2245004 (2023)

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545822450043

6.Implantable bio-chip for visible and controllable microwave-induced transcranial acoustic generation

用于可见可控微波诱导跨颅声波发生的可植入生物芯片

摘要：

超声神经调控是脑科学研究的重要工具，在脑疾病治疗领域展现出广阔前景。然而，由于颅骨的不均匀声学特性，现有超声神经调控技术面临跨颅声波衰减严重的挑战。为突破这一局限，我们研发了一种可用于可见可控微波诱导跨颅声波发生（MI-tAG）的可植入生物芯片。该生物芯片具有柔软、柔韧和生物相容性特性，厚度仅3毫米，适于人体颅内植入。其内置的流体通道可覆盖50mm&times;60mm区域，实现宽场神经元刺激。填充在流体通道中的微粒兼具高微波吸收特性（确保高效超声生成）与磁响应特性（允许通过外部磁场进行非接触式灵活操控）。实验结果表明：采用线性排布微粒组合线性偏振微波照射可实现最优MI-tAG效果。稳定性评估显示微粒能保持稳定的声波强度，至少七天无衰减。离体与在体实验证实，MI-tAG系统不仅能灵活操控超声源，还能实时实现可视化定位。本研究为未来超声神经调控提供了一种潜在的创新方案，有望推动开发更有效的脑科学研究方法。这项跨颅声波生成技术的突破性进展，或将为超声神经调控领域的发展开辟新的途径。

引用：

Weian Chao, Ruyi Wen, Yubin Gong, Qiang Liu, and Lei Xi.Implantable bio-chip for visible and controllable microwave-induced transcranial acoustic generation.Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 18, No. 05, 2550012 (2025)

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825500129

版权声明：

本文由《创新光学健康科学杂志（英文）》编辑部负责整理翻译。中文内容仅供参考，一切内容请以英文论文为准。欢迎转发分享本文，如需转载，请留言或联系jiohs@mail.hust.edu.cn。