[论文解读] RF heating-enhanced photoacoustic tomography

Selvin, Skyler P., Wang, XuanHao+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用 0

一句话总结

本论文将低成本射频加热器与光声层析相结合，能够在组织拟体中同时映射光学吸收、射频吸收以及随温度改变的Grüneisen参数(dGamma/dT)，实现以极低射频硬件实现的三对比成像。

ABSTRACT

Photoacoustic tomography (PAT) and thermoacoustic tomography (TAT) both leverage acoustic signals generated by electromagnetic absorption to noninvasively image deep tissues. PAT operates by detecting optical absorption, whereas TAT targets radiofrequency (RF) absorption, providing complementary information on tissue composition and structure. Combining these modalities into a single system promises richer contrast but remains difficult due to the expense and complexity of the RF source. Here, we show that PAT can be integrated with a low-cost RF heater and used to image both optical and RF absorption in tissue phantoms. RF Heating-Enhanced Photoacoustic Tomography (HEPAT) maps RF absorption via temperature-dependent changes in thermomechanical properties, which enables the use of slow, inexpensive RF subsystems and provides an additional layer of contrast. HEPAT therefore provides distinct, complementary contrast relative to existing photoacoustic imaging systems, expanding specificity and diagnostic power while opening new avenues for studying temperature-related tissue phenomena.

研究动机与目标

• 推动扩展 PAT 对比度，超越仅光学吸收，结合射频与热机械性质。
• 引入 HEPAT 作为一种结合 PAT/TAT 启发的思路，使用廉价射频加热来产生额外对比。
• 在拟体中证明三种对比——光学吸收(mu_opt)、射频吸收(mu_RF)和温度相关的Grüneisen对比(dGamma/dT)——可在一次成像循环中获得。
• 展示基于低成本硬件与简单实验装置的射频加热对比实现的可行性，以映射射频吸收和温度效应。

提出的方法

• 将射频加热器集成到现有 PAT 系统中，形成射频加热增强的 PAT (HEPAT)。
• 在 t0（基线）、t1（射频加热后立即）和 t2（热扩散后）三个时刻获取三张 PAT 图像，以区分 mu_RF 和 dGamma/dT 对比。
• 建模 PA 信号 p0 = Gamma eta mu F，并解释 Gamma(T)=beta c^2 / Cp 如何将温升联系到热机械对比。
• 利用温度相关的 Gamma 变化，从加热后图像中提取 dGamma/dT 对比。
• 在包含 RF 吸收的琼脂和对 RF 透明的聚氨酯的拟体中验证，以分别演示 mu_RF 和 dGamma/dT 对比。
• 演示一个大约 $50 的低成本射频系统放置在微波炉内来加热拟体，并使用标准超声探头和 1.064 µm 激光实现射频吸收映射。
• 展示两种射频加热配置：带双磁控管与波导的线性超声系统，以及带圆形波导与端火照明的环形阵列系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 将低成本射频加热器与 PAT 集成，是否能提供与热致声成像类似的射频吸收对比而无需复杂射频源？
• RQ2 是否可以在单次成像循环中，通过时间差分 PAT 图像分离光学吸收、射频吸收和温度相关的Grüneisen对比？
• RQ3 在 HEPAT 下，具有相反 dGamma/dT 符号的材料（如脂肪 PU 与水性琼脂）会如何表现，是否可利用此对比区分组织类型？
• RQ4 在体内实现的实际考虑与限制，包括安全性和热扩散效应？
• RQ5 周期性射频加热结合锁定检测是否能够进一步提高信噪比、实现更深层次、更灵敏的成像？

主要发现

• HEPAT 能在单次成像循环中映射三种材料对比——光学吸收 mu_opt、射频吸收 mu_RF、以及温度相关的Grüneisen对比 dGamma/dT。
• 射频加热引起对射频吸收区域的 PA 信号可测量的变化，从而在廉价硬件下实现 mu_RF 映射。
• 成像序列中的温度扩散使得提取 dGamma/dT 对比成为可能，能够区分 Grüneisen 参数随温度变化符号相反的材料（如琼脂 vs PU）。
• 在微波炉内使用的 50 美元射频系统的拟体实验清晰显示琼脂与硅胶之间的射频吸收对比，验证了在简单硬件下对 mu_RF 的映射。
• 两种设计的射频加热系统（线性阵列与环形阵列）表明，即使在扩散导致无法直接测量 mu_RF 的情况下，dGamma/dT 对比仍可揭示材料差异。
• HEPAT 提供了一个独特的热机械对比层，补充光学吸收对比，并能以远低成本的射频硬件部分实现某些热声层成像能力的等效。