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近日，波士顿大学Ji-XinCheng教授研究组在无线超声波的产生研究方面取得新进展。他们将电磁人工超表面和微波热声成像系统进行有机整合，充分发挥电磁人工超表面特有的无线、免接电源、高效电磁声波能量转换、设计灵活的优点，开发了一种硬币大小、可植入生物组织的无线超声波发生器，通过对超表面开口环（splitringresonator,SRR）几何尺寸的控制，以及脉冲调制技术，实现了无线、电磁声波高效转换、频率可调的超声波输出。成果以“Ultraefficientthermoacousticconversionthroughasplitringresonator”为题发表在《AdvancedPhotonics》（Adv.Photon.2(3),()）。波士顿大学生物医学工程系、电子工程系和光子研究中心Ji-XinCheng教授为该论文的通讯作者，波士顿大学生物医学工程系LuLan为第一作者。
研究背景
超声成像在预防、诊断、治疗疾病中具有很高的应用价值，由于该成像方式具有无损、相对便宜、舒适等特点，在当今医疗影像领域中应用广泛。但是超声成像仍有其局限性。首先，它的分辨率依然受到超声换能器的限制。传统的声学传感器通常采用压电材料，压电材料的几何结构及参数一旦固定，超声环能器的工作频率和带宽就固定不变了，其频率可调性因而受到限制，高分辨率、多尺度的超声成像充满挑战。其次，在神经调制研究方面，频率范围覆盖kHz~32MHz的超声波具有重要的研究价值，但目前应用的超声换能器在连续调频、宽频覆盖方面还存在诸多不足。还有一个问题就是在对病灶进行超声成像过程中如何更好地将超声波与生物组织耦合。生物组织和空气（或超声换能器）的声学阻抗失配通常会造成较高的声损耗。为了克服这个问题，通常的做法是将待检测部位涂上耦合液体或置于充满耦合液体的容器，以改善声学阻抗匹配。如果能够将声源放置在身体的任何位置，声学阻抗匹配问题或许可以得到解决。但传统的技术无法做到这一点，因为超声换能器通常需要外置一个体积庞大的电源。
微波热声成像技术与超声成像不同，它利用生物组织病变引起的生理参数或体内微环境的变化（包括但不限于电解质浓度水平，血供情况等）引起的生物组织电磁学特性（介电常数、电导率等）的变化作为主要对比度来源，具备较高的灵敏度与特异性，而微波的强穿透特性同时保证足够的成像深度，激发生物组织产生的超声信号具有较高的分辨率。但微波热声成像技术也存在一定局限性，由于内源性或外源性药物的低吸收，微波在肿瘤定位和组织调节等深部位成像应用中受到限制。原理上的解释是，与水背景相比，生物组织对微波的吸收效率偏低，热声图像对比度不高。为了开发出具有增强的微波吸收效率和声学转换效率的外源性造影剂，科研人员已经投入了大量的工作。然而，目前最好的效果也仅仅使对比度增强了1-2倍。
创新研究：金属开口环能产生信噪比高的热声信号
Ji-XinCheng教授及其课题组提出了一种应用于热声成像的金属开口环设计。这种开口环实际上是一种共振天线，它可以将微波能量局域到仅有亚毫米尺寸的微小空间，在开口环缝隙处几何级数倍地增强微波电磁场的电场强度，从而可构建高效率的微波热声转换平台，最终产生高信噪比的热声信号。据报道，这种基于金属开口环设计的无线超声波发生器，其微波热声转换效率相比所报道的热声成像造影剂高出三个数量级。另外，该创新性设计的峰值功率仅为瓦，较经典的热声成像采用的峰值功率低三个数量级。该研究另外一个亮点，实验发现在没有对热声信号取平均降噪的情况下，该开口环产生的热声信号信噪比仍高达40dB。
分析与讨论Ji-XinCheng等设计的开口环几何结构参数如下：直径为12.7mm，铜环宽度为0.8mm，开口缝隙宽为0.4mm，开口环的厚度为0.2mm。他们选择食用菜籽油作为热声实验的耦合介质，一方面食用菜籽油具有良好的声学耦合性质，另一方面，食用菜籽油的微波吸收系数小但非零，而且兼具高的热膨胀系数，有利于间接通过热声信号幅值分布获得空间中微波电场强度的空间分布。在不考虑吸收的前提下，通过COMSOL多物理场仿真，发现SRR在2.27GHz处存在一共振峰。该共振峰对应的模拟电场强度分布清楚地显示出缝隙处存在极强的电场局域。将实际测量获得的超声学信号峰峰值（Pk-Pk）与来自缝隙的仿真电场强度进行比较，发现二者在超声谱图上符合良好。为了进一步验证开口环的共振效应，他们还将直径为0.2mm，长度分别为39mm、41mm和43mm的铜丝弯曲成具有相似结构且相同缝隙宽度的开口环进行对比实验，发现随着环周长的增加，共振频率不断变小。与装有多壁碳纳米管（MWNT）加盐水（绿色）的溶液和去离子水（蓝色）溶液进行对比发现，铜SRR产生的热声信号，其幅值大小超过上述两组对应的热声信号幅值的0倍。相关原理分析及对比实验结果详见图1。
图1利用金属开口环实现微波到超声波的高效率转换
（a）左图：电磁波波矢、电场和磁场方向。右图：在工作频率附近，由于大量电荷在SRR的缝隙两端累计，缝隙处产生了一个极强的微波电场，因而可通过耦合油的热声效应在该狭小区域激发出高信噪比的热声信号。插图显示了实验制作的铜SRR的几何尺寸；（b）取Log值获得的电场强度分布图；（c）在不同频率的微波激励下，基于数值仿真实验中获得的缝隙处的电场强度极大值与超声信号峰-峰（Pk-Pk）值对比；（d）不同长度的SRR对应的归一化热声信号谱图，铜丝周长分别为39mm（红色点）、41mm（绿色星形）和43mm（蓝色正方形）；（e）三组样品：铜SRR（红色）、装有多壁碳纳米管（MWNT）+盐水（绿色）的溶液和去离子水（蓝色）溶液，产生的热声信号幅值对比。值得注意的是铜开口环产生的热声信号没有经过后期处理，而其他两组信号由于幅值过小，为了方便比较，它们已经通过放大0倍的后期处理。
为了验证开口环缝隙处产生的热效应，研究人员对SRR进行了热成像实验。首先，他们将SRR贴在热敏纸（BrotherLB，USA）上，将带有SRR的热敏纸浸入耦合液并置于以连续波运行的微波激励环境下，开口环缝隙处下的纸片区域会形成一个黑斑（图2）。当微波的工作频率为2.27GHz，黑斑的直径呈现最大值，这一实验结果说明2.27GHz为开口环的共振频率。实验结果与图1(c)获得的仿真结果十分符合，因而可通过热成像实验定性地研究开口环缝隙中的微波共振以及相应的热声信号的产生机制。
接下来，作者还开展了一系列针对开口环的热声成像实验，该实验进一步验证了开口环缝隙处可实现高效率微波超声转化。他们引入了一个通道阵列（L7-4，ATL）的热声成像系统以及一个超声换能器阵列，其频带宽度为4至7MHz。脉冲微波源工作频率为2.33GHz,重频为ns。图3显示的是开口环水平及垂直放置时的超声发射剖面。通过调整激励脉冲与超声检测之间的延迟，还可了解从开口环缝隙处产生的超声波的传播情况。
图2微波以连续模式运行对SRR激励情况下的热成像实验
（a）贴有开口环的热敏纸示意图；（b）贴有开口环的热敏纸实物图；（c）用不同频率的微波激励贴有开口环的热敏纸，获得的热刻印斑点；（d-f）微波激励前的温度空间分布；（g-i）微波激励后的温度空间分布；（j）共振、接近共振和非共振三种情况下SRR缝隙处的温度随时间变化图。
图3用于验证开口环产生高信噪比热声信号的热声成像实验
左上：开口环水平放置；左下：开口环垂直放置。其中超声阵列换能器置于环的正上方。开口环水平放置条件下（a）超声波、（b）热声及(c)二者影像融合图(x-z平面)；(d)x-y横截面下的热声影像图；（e-g）在超声检测和微波激发之间分别设置延迟时间为0、4和8微秒，所获得的三维超声波、热声影像融合图；开口环垂直放置条件下（h）超声波、（i）热声及(j)二者影像融合图(x-y平面)。
实验还发现，利用微波电子学中的脉冲宽度调制(PulseWaveModulation,简称PWM)技术，可实现对热声信号中心频率的自由调节。这里研究者首先通过外部电路对中心频率为2.27GHz的微波进行了脉冲宽度调制，调制的结果即产生频率为1/T（T为两个相邻脉冲之间的时间间隔），占空比为50%，N=10的脉冲序列，图4(a)为调制原理图。根据热声信号产生原理，调制后的微波脉冲序列会以1/T的频率对组织产生激励，由于激励源与输出信号在一定的调制频率范围内具有简单的线性对应关系，因而所产生的热声信号频率也相应变成1/T。为了验证并实现热声信号中心频率的自由调节，研究者分别使用T=0.4微秒、1.0微秒和1.2微秒对微波进行脉冲宽度调制，对应的实测热声信号时域波形图，如图4(b)左图所示，其中红色、绿色、蓝色曲线分别对应T=0.4微秒、1.0微秒和1.2微秒调制下获得的热声信号时域波形图。傅里叶变换显示，三种情况下的热声信号中心频率分别为2.、1.和0.MHz，与理论值1/T符合，如图4(b)右图所示。图4(c)显示了可实现自由调节的热声信号中心频率与T之间的关系，可看出该频率范围大致区间为0.5~3MHz。此外，利用通信领域的双路复用技术，可以实现对热声信号频率的自由加减组合操作，如图4(d-h)所示。例如，图4(d)和(e)显示的是调制频率分别为1/T=0.63MHz及1.67MHz情况下的微波脉冲序列(左图)，热声信号波形图(中图),及热声信号谱线图（右图）。图4(f)右图显示了(d)和(e)中微波信号混频情况下，热声信号可输出新的频率成分，分别为~2.30MHz和1.04MHz，即0.63MHz±1.67MHz。图4(g)和(h)显示的是调制频率分别为0.63MHz和1.67MHz的脉冲序列在时域前置情况下的微波脉冲波形图、热声信号时域波形图和相应的谱线图，可以看到由于两个脉冲序列之间出现了一定的时间间隔，复用后产生的热声信号（见图4(g)-4(h)）中心频率相对原始信号（见图4(f)）的中心频率发生了一定的平移。
图4利用脉冲调制技术实现频率可调的超声波发射示意图（a）脉冲宽度调制原理及热声信号产生及探测装置。这里N为脉冲序列包含的单个脉冲总个数，T为一个单脉冲的时间周期，Dutycycle/T即为占空比；（b）研究者分别使用周期T=0.4微秒（红色曲线）、1.0微秒（绿色曲线）和1.2微秒（蓝色曲线）对2.27GHz微波进行宽度调制，所获得的实测热声信号波形（左）及相应应的频谱图（右）；（c）使用不同的周期T对微波进行调制，获得的的热声信号中心频率（黑色方点）和理论值（红色实线）对比图；（d-f）双路复用技术在一定范围内的任意频率超声波产生方面的应用，其中（d）、（e）为原始双路信号，（f）为复用后生成的新信号。左、中、右图分别为对应的微波脉冲波形图、热声信号时域波形图和相应的谱线图；(g-h)调制频率分别为0.63MHz和1.67MHz的脉冲序列在时域中前置下的微波脉冲波形图、热声信号时域波形图和相应的谱线图。由于两路序列之间出现了一定的时间间隔，复用后产生的热声信号中心频率相对原始信号发生了一定的平移。
实验最后对无线、无电池的超声波发射器这一概念设计进行了讨论。如图5(a)所示，将开口环封装在一个小塑料袋中，袋中充满了微量的菜籽油用于将开口环绝缘，将封装好的开口环置于乳腺活检仿体中。这里仍然通过微波热声实验来获得热声信号的时域波形图。所用的微波工作频率为2.33GHz，重复频率为1kHz，脉冲持续时间为ns,平均功率仅为10mW。图5(b)为经过64次平均的超声波实测信号，其信噪比约为30dB。当波导输入端口逐渐远离乳腺活检仿体，可观察到超声信号的峰峰值逐渐减小，如图5(c)所示。但在距离为mm的位置仍然可以获得中等强度的热声信号。接下来，研究者在波导管和乳腺活检仿体之间放置了一个卡片盒和一个装满橡胶手套的盒子，信号强度并没有如预期下降，反而当橡胶手套箱靠近时，超声信号强度略有增加。可能原因是橡胶手套与乳腺活检仿体的电阻抗接近，更多的微波可以透射进入仿体并与开口环相互作用。
图5验证开口环可作为无线、无电池的超声波发射器的仿体实验
（a）关键实验装置及封装在绝缘塑料袋中的开口环；（b）超声探头置于仿体上方获得的热声信号时域波形图；（c）热声信号峰峰值与波导、仿体间隔距离变化关系图；（d）波导与仿体之间插入、没有插入障碍物两种情况下的热声信号波形图，这里的障碍物为装满卡片的盒子；（e）波导与仿体之间插入、没有插入障碍物两种情况下的热声信号波形图，这里的障碍物为装满橡胶手套的盒子。
结论与展望基于开口环的人工超表面通常在传感、信息处理和通信等方面有相关报道及应用。波士顿大学的Ji-XinCheng教授领导的课题组首次展示了开口环人工超表面在生物医学领域中的优势及潜在应用，他们先后通过数值仿真，热成像、热声成像、超声成像等实验验证了微波场在开口缝隙处的微波场增强机制及热声信号产生机制。基于开口环的人工超表面具有高信噪比、热声信号频率可自由调节、可在深层生物组织中工作、无线、无电池、可穿戴等重要特性。可以预见的是，该创新性研究对疼痛治疗、病变位置定位导航、肿瘤精确切除等基础研究或临床应用工作具有积极的指导意义。
原文信息
LuLan,YuemingLi,TiffanyYang-Tran,YingJiang,YingchunCaoandJi-XinCheng,“Ultraefficientthermoacousticconversionthroughasplitringresonator”,Adv.Photon.2(3),().
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