專利名稱：一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
彈性成像是近年來迅速發(fā)展的生物體成像技術(shù)，它能夠反映出不同組織的彈性模量的差別，彈性成像的基本原理是不同彈性模量的組織對外界施加的力學(xué)激振響應(yīng)也不同，因此可以通過探測組織對激振的響應(yīng)來測量組織的模量。彈性成像技術(shù)主要關(guān)注生物組織硬度模量等力學(xué)信息，而這些力學(xué)信息與病灶性質(zhì)密切相關(guān)(例如通過對手術(shù)標(biāo)本的實驗測試，乳腺癌變的彈性模量要比正常組織高5到
20倍)，因此彈性成像可用于病理診斷。該方法是一種新穎的醫(yī)療成像方法，能夠提供傳統(tǒng)影像學(xué)(如常規(guī)超聲、CT、磁共振成像)所不能提供的待測組織的力學(xué)信息，在對組織健康信息進行評估等方面有廣泛的應(yīng)用前景，可用于乳腺、甲狀腺、前列腺等器官的疾病的檢查和診斷，因此一經(jīng)出現(xiàn)便受到了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的手指觸診能通過手指對待測區(qū)域的按壓來判斷組織的硬度，從而進行病理診斷，但手指觸診對醫(yī)生的主觀經(jīng)驗依賴較大，且不能定量地給出硬度的值，因此在診斷精確性和推廣性上比較受限制。目前有一些科研論文中提出的新型超聲成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對組織模量的成像，但是超聲探頭由于具有近場效應(yīng)，因此難以實現(xiàn)對淺表組織的測量；對于未出現(xiàn)腫塊或腫塊影像不明顯的情況，超聲成像系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)乳腺中的微小鈣化及毛刺樣改變；另外，聲學(xué)圖像大多缺乏特異性，且血流信號不明顯，因此容易出現(xiàn)誤判。本發(fā)明提出了一種全新的彈性成像方法，該方法基于壓電懸臂梁接觸振動，通過壓電探測梁與待測組織表面進行接觸諧振來完成對待測組織的彈性模量的測量，懸臂梁的諧振特性對接觸點的彈性模量敏感程度高，能通過力學(xué)上的方法測量懸臂梁的諧振特性來完成對組織彈性模量的定量表征。本發(fā)明提出的方法主要應(yīng)用于淺表組織的彈性成像上，可用于乳腺、甲狀腺、肝臟等器官的彈性成像。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)的觸診方法中只能依靠醫(yī)生的主觀經(jīng)驗而只能做定性判斷的不足，并輔助超聲等影像技術(shù)完成對淺表組織的彈性成像，本發(fā)明建立了一套基于壓電懸臂梁接觸振動的彈性成像系統(tǒng)，該方法能定量地對組織彈性模量進行檢測成像。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種壓電探測梁(如圖2所示)，其特征是，包括懸臂梁、壓電應(yīng)變感知片、壓電激振片和探針；其中，懸臂梁的一端為自由端，設(shè)置有探針；壓電應(yīng)變感知片位于懸臂梁的上表面；壓電激振片位于懸臂梁的下表面；探針為柱體，其頭部為球狀或球面，并垂直于懸臂梁，安裝在自由端；壓電激振片在交變信號激振下產(chǎn)生振動，壓電激振片振動之后帶動壓電探測梁與樣品發(fā)生接觸振動；壓電應(yīng)變感知片測量所述壓電探測梁的振動應(yīng)變信號。利用所述的壓電探測梁，本發(fā)明同時提供一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)(如圖I所示)，其特征是，所述彈性成像系統(tǒng)包括計算機、前面所述的壓電探測梁、機械臂、壓電梁激振電源、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，計算機通過數(shù)據(jù)線與機械臂、壓電梁激振電源和數(shù)據(jù)采集卡相連；壓電梁激振電源通過數(shù)據(jù)線與壓電探測梁上壓電激振片相連；數(shù)據(jù)采集卡與濾波器通過數(shù)據(jù)線相連，濾波器與壓電探測梁上壓電應(yīng)變感知片通過數(shù)據(jù)線相連；壓電探測梁一端固定在機械臂上，另一端帶有朝下的探針，探針與待測目標(biāo)接觸。所述計算機包含運動控制模塊，用于控制機械臂的運動，完成掃描檢測過程；信號發(fā)生模塊，用于控制壓電梁激振電源產(chǎn)生激振壓電探測梁的信號； 信號采集模塊，用于控制數(shù)據(jù)采集卡采集應(yīng)變信號；計算模塊，用于追蹤壓電探測梁共振頻率，并計算各個測點的彈性模量。所述壓電梁激振電源產(chǎn)生激振信號控制壓電激振片振動，濾波器調(diào)節(jié)處理壓電應(yīng)變感知片感知到的振動信號，采集卡采集經(jīng)過調(diào)理的振動信號并傳給計算機。所述壓電探測梁采用彈性好的金屬片或高分子板制作。利用所述系統(tǒng)，本發(fā)明同時提供一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟將壓電探測梁的探針與待測樣品的表面接觸；計算機運動控制模塊控制機械臂移動壓電探測梁掃描待測組織所在的區(qū)域；計算機信號發(fā)生模塊發(fā)出交變的電信號激勵壓電激振片，壓電激振片帶動壓電探測梁進行諧振；壓電應(yīng)變感知片感知壓電探測梁的振動并輸出振動信號，該信號經(jīng)由濾波器進行信號調(diào)理，調(diào)理之后的振動信號由數(shù)據(jù)采集卡采集，最后由計算機處理數(shù)據(jù)采集卡采集得到的振動信號；計算機中的計算模塊從振動信號中提取壓電探測梁的共振頻率；計算模塊通過壓電探測梁共振頻率與測點彈性模量之間的力學(xué)關(guān)系完成對待測組織彈性模量的定量計算；計算模塊存儲記錄各探測點的彈性模量值和各探測點的位置，通過組合彈性模量和位置信息進行數(shù)字成像，得到表征待測組織的力學(xué)信息的彈性模量分布圖。一般來說彈性模量的突然變大，可能是組織產(chǎn)生某種硬化病變造成，得到彈性模量分布圖之后，醫(yī)生就可以通過對比健康組織的彈性模量狀態(tài)，判斷待測目標(biāo)是否發(fā)生病變，并且能通過彈性模量具體的值，判斷硬化(病變)的具體程度。本發(fā)明同時提供另一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟I)確定待檢測器官或組織的掃描區(qū)域；2)設(shè)定彈性成像系統(tǒng)的掃描參數(shù)；3)根據(jù)所設(shè)定的掃描參數(shù)，計算機控制機械臂運動；4)壓電探測梁的與檢測目標(biāo)接觸點發(fā)生接觸諧振；
5)計算機采集并處理壓電探測梁振動信號，記錄測點位置；6)計算模塊追蹤共振頻率，計算所測點的彈性模量值；7)移動臺按照設(shè)定的掃描程序移動到下一個測點，對下一測點進行測量；8)重復(fù)步驟3)至7)，完成對檢測區(qū)域所有點的測量；9)主控程序控制數(shù)據(jù)處理程序形成彈性模量分布圖。本系統(tǒng)通過測得的壓電探測梁接觸共振頻率，計算得待測組織或器官的彈性模量，形成彈性模量分布圖像，進而對待測目標(biāo)的剛度和健康狀態(tài)做出定量的評價。本發(fā)明從測量病變組織彈性模量入手，通過懸臂梁進行接觸探測獲得組織的力學(xué)信息，適用于表層組織的病變檢測，尤其是乳腺癌、肝硬化等疾病的早期病變檢測。本發(fā)明對硬化組織的探測靈敏度高，對模量差異的探測靈敏度能達到5%甚至更精細的差別，其對硬化組織的分辨能 力強于人體手指的觸覺。本系統(tǒng)的成像分辨率能夠達到毫米量級，并且能發(fā)現(xiàn)手指所不能發(fā)現(xiàn)的微小病變，該系統(tǒng)能完成對硬化組織邊緣的精確成像，因而能更加及時和準(zhǔn)確地探測出組織的異常狀態(tài)。本方法能定量地給出組織的彈性模量的值，可以輔助醫(yī)生對組織健康情況做出正確的判斷，并可以解決醫(yī)生傳統(tǒng)觸診中只能依靠主觀經(jīng)驗的問題。


圖I 一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)示意2壓電探測梁的結(jié)構(gòu)示意3壓電探測梁與待測樣品接觸諧振的力學(xué)模型4檢測流程5壓電探測梁實物示意6待測的生物組織樣品圖7生物樣品檢測區(qū)域的共振頻率影像圖
具體實施例方式下面通過一個具體的實例，結(jié)合附圖進一步闡述本發(fā)明。如圖I所示，本發(fā)明的基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)包括壓電探測梁I、多自由度機械臂2、計算機3、壓電梁激振電源4、濾波器5、數(shù)據(jù)采集卡6、待測病變目標(biāo)7。其中，壓電探測梁I 一端固定在多自由機械臂2上，另一端與待測目標(biāo)7表面接觸；多自由度機械臂2、壓電梁激振電源4和數(shù)據(jù)采集卡6由控制計算機3控制。如圖2所示，壓電探測梁I包括懸臂梁21、壓電應(yīng)變感知片22、壓電激振片23和探針24 ;其中懸臂梁21的一端為自由端，設(shè)置有探針24 ;另一端固定在機械臂2上；壓電應(yīng)變感知片22位于懸臂梁21的上表面；壓電激振片23位于懸臂梁21的下表面。探針24為柱體，其頭部為球狀或球面，并垂直于懸臂梁21，安裝在自由端。壓電梁激振電源4產(chǎn)生激振信號控制壓電激振片23振動，濾波器6調(diào)節(jié)處理壓電應(yīng)變感知片22感知到的振動信號，采集卡6采集經(jīng)過調(diào)理的振動信號并傳給計算機3。本發(fā)明通過力學(xué)領(lǐng)域的理論分析和計算，建立了一個壓電探測梁-樣品接觸系統(tǒng)的力學(xué)諧振模型，如附圖3所示，由振動力學(xué)相關(guān)理論可知，壓電探測梁的諧振特性與其邊界支撐狀態(tài)關(guān)系密切，進一步分析該梁所處的實際邊界支撐可知，當(dāng)壓電探測梁一端固定在機械臂2上時，接觸系統(tǒng)的振動力學(xué)特性完全由另一端的接觸點所在的樣品的彈性模量所決定。附圖3所示的振動系統(tǒng)的彎曲振動方程可表示為
權(quán)利要求
1.一種壓電探測梁，其特征是，包括懸臂梁(21)、壓電應(yīng)變感知片(22)、壓電激振片(23)和探針(24)； 其中，懸臂梁(21)的一端為自由端，設(shè)置有探針(24);壓電應(yīng)變感知片(22)位于懸臂梁(21)的上表面；壓電激振片(23)位于懸臂梁(21)的下表面；探針(24)為柱體，其頭部為球狀或球面，并垂直于懸臂梁(21)，安裝在自由端；壓電激振片(23)在交變信號激振下產(chǎn)生振動，壓電激振片(23)振動之后帶動所述的壓電探測梁與樣品發(fā)生接觸振動；壓電應(yīng)變感知片(22)測量所述壓電探測梁的振動應(yīng)變信號。
2.一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)，其特征是，所述彈性成像系統(tǒng)包括計算機(3)、如權(quán)利要求I所述的壓電探測梁(I)、機械臂(2)、壓電梁激振電源(4)、濾波器(5)和數(shù)據(jù)采集卡(6)； 其中，計算機(3)通過數(shù)據(jù)線與機械臂(2)、壓電梁激振電源(4)和數(shù)據(jù)采集卡(6)相連；壓電梁激振電源(4)通過數(shù)據(jù)線與壓電探測梁(I)上的壓電激振片(23)相連；數(shù)據(jù)采集卡(6 )與濾波器(5 )通過數(shù)據(jù)線相連，濾波器(5 )與壓電探測梁(I)上壓電應(yīng)變感知片(22 )通過數(shù)據(jù)線相連；壓電探測梁(I) 一端固定在機械臂(2)上，另一端帶有朝下的探針(24)，探針與待測目標(biāo)接觸。
3.如權(quán)利要求2所述的淺表組織彈性成像系統(tǒng)，其特征是，所述計算機包含 運動控制模塊，用于控制機械臂的運動，完成掃描檢測過程； 信號發(fā)生模塊，用于控制壓電梁激振電源產(chǎn)生激振壓電探測梁的信號； 信號采集模塊，用于控制數(shù)據(jù)采集卡采集應(yīng)變信號； 計算模塊，用于追蹤壓電探測梁共振頻率，并計算各個測點的彈性模量。
4.如權(quán)利要求2所述的淺表組織彈性成像系統(tǒng)，其特征是，所述壓電梁激振電源(4)產(chǎn)生激振信號控制壓電激振片(23 )振動，濾波器(6 )調(diào)節(jié)處理壓電應(yīng)變感知片(22 )感知到的振動信號，采集卡(6)采集經(jīng)過調(diào)理的振動信號并傳給計算機(3)。
5.如權(quán)利要求2所述的淺表組織彈性成像系統(tǒng)，其特征是，所述壓電探測梁(I)采用彈性好的金屬片或高分子板制作。
6.一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟 將壓電探測梁的探針與待測樣品的表面接觸； 計算機運動控制模塊控制機械臂移動壓電探測梁掃描待測組織所在的區(qū)域； 計算機信號發(fā)生模塊發(fā)出交變的電信號激勵壓電激振片，壓電激振片帶動壓電探測梁進行諧振； 壓電應(yīng)變感知片感知壓電探測梁的振動并輸出振動信號，該信號經(jīng)由濾波器進行信號調(diào)理，調(diào)理之后的振動信號由數(shù)據(jù)采集卡采集，最后由計算機處理數(shù)據(jù)采集卡采集得到的振動信號； 計算機中的計算模塊從振動信號中提取壓電探測梁的共振頻率； 計算模塊通過壓電探測梁共振頻率與測點彈性模量之間的力學(xué)關(guān)系完成對待測組織彈性模量的定量計算； 計算模塊存儲記錄各探測點的彈性模量值和各探測點的位置，通過組合彈性模量和位置信息進行數(shù)字成像，得到表征待測組織的力學(xué)信息的彈性模量分布圖。
7.一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟1)確定待檢測器官或組織的掃描區(qū)域； 2)設(shè)定彈性成像系統(tǒng)的掃描參數(shù)； 3)根據(jù)所設(shè)定的掃描參數(shù)，計算機控制機械臂運動； 4)壓電探測梁的與檢測目標(biāo)接觸點發(fā)生接觸諧振； 5)計算機采集并處理壓電探測梁振動信號，記錄測點位置； 6)計算模塊追蹤共振頻率，計算所測點的彈性模量值； 7)移動臺按照設(shè)定的掃描程序移動到下一個測點，對下一測點進行測量； 8)重復(fù)步驟3)至7)，完成對檢測區(qū)域所有點的測量； 9)主控程序控制數(shù)據(jù)處理程序形成彈性模量分布圖。
8.如權(quán)利要求7所述的淺表組織彈性成像方法，其特征是，步驟2)所述的掃描參數(shù)包括掃描分辨率、速度、采樣率、接觸力。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于壓電懸臂梁接觸振動的淺表組織彈性成像系統(tǒng)及成像方法。本系統(tǒng)通過測得的壓電探測梁接觸共振頻率，計算得待測組織或器官的彈性模量，形成彈性模量分布圖像，進而對待測目標(biāo)的剛度和健康狀態(tài)做出定量的評價。本發(fā)明適用于表層組織的彈性成像，尤其是乳腺、甲狀腺等器官的彈性成像。本發(fā)明對硬化組織的探測靈敏度高，其對硬化組織的分辨能力強于人體手指的觸覺。本系統(tǒng)的成像分辨率能夠達到毫米量級，能完成對硬化組織邊緣的精確成像，因而能更加及時和準(zhǔn)確地對組織進行評估。
文檔編號A61B5/00GK102940481SQ20121046063
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者李法新, 付際, 李應(yīng)衛(wèi), 周錫龍, 孫瑤 申請人:北京大學(xué)