專利名稱：一種基于壓電懸臂梁接觸振動(dòng)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(dòng)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(lái)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(duì)外界施加的力學(xué)激振響應(yīng)也不同，因此可以通過(guò)探測(cè)組織對(duì)激振的響應(yīng)來(lái)測(cè)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(guò)對(duì)手術(shù)標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)組織的力學(xué)信息，在對(duì)組織健康信息進(jìn)行評(píng)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(guò)手指對(duì)待測(cè)區(qū)域的按壓來(lái)判斷組織的硬度，從而進(jìn)行病理診斷，但手指觸診對(duì)醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)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(duì)組織模量的成像，但是超聲探頭由于具有近場(chǎng)效應(yīng)，因此難以實(shí)現(xiàn)對(duì)淺表組織的測(cè)量；對(duì)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(hào)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(dòng)，通過(guò)壓電探測(cè)梁與待測(cè)組織表面進(jìn)行接觸諧振來(lái)完成對(duì)待測(cè)組織的彈性模量的測(cè)量，懸臂梁的諧振特性對(duì)接觸點(diǎn)的彈性模量敏感程度高，能通過(guò)力學(xué)上的方法測(cè)量懸臂梁的諧振特性來(lái)完成對(duì)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(yàn)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(duì)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(dòng)的彈性成像系統(tǒng)，該方法能定量地對(duì)組織彈性模量進(jìn)行檢測(cè)成像。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種壓電探測(cè)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(hào)激振下產(chǎn)生振動(dòng)，壓電激振片振動(dòng)之后帶動(dòng)壓電探測(cè)梁與樣品發(fā)生接觸振動(dòng)；壓電應(yīng)變感知片測(cè)量所述壓電探測(cè)梁的振動(dòng)應(yīng)變信號(hào)。利用所述的壓電探測(cè)梁，本發(fā)明同時(shí)提供一種基于壓電懸臂梁接觸振動(dòng)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(jì)算機(jī)、前面所述的壓電探測(cè)梁、機(jī)械臂、壓電梁激振電源、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與機(jī)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(guò)數(shù)據(jù)線與壓電探測(cè)梁上壓電激振片相連；數(shù)據(jù)采集卡與濾波器通過(guò)數(shù)據(jù)線相連，濾波器與壓電探測(cè)梁上壓電應(yīng)變感知片通過(guò)數(shù)據(jù)線相連；壓電探測(cè)梁一端固定在機(jī)械臂上，另一端帶有朝下的探針，探針與待測(cè)目標(biāo)接觸。所述計(jì)算機(jī)包含運(yùn)動(dòng)控制模塊，用于控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，完成掃描檢測(cè)過(guò)程；信號(hào)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(cè)梁的信號(hào)； 信號(hào)采集模塊，用于控制數(shù)據(jù)采集卡采集應(yīng)變信號(hào)；計(jì)算模塊，用于追蹤壓電探測(cè)梁共振頻率，并計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)的彈性模量。所述壓電梁激振電源產(chǎn)生激振信號(hào)控制壓電激振片振動(dòng)，濾波器調(diào)節(jié)處理壓電應(yīng)變感知片感知到的振動(dòng)信號(hào)，采集卡采集經(jīng)過(guò)調(diào)理的振動(dòng)信號(hào)并傳給計(jì)算機(jī)。所述壓電探測(cè)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(shí)提供一種基于壓電懸臂梁接觸振動(dòng)的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟將壓電探測(cè)梁的探針與待測(cè)樣品的表面接觸；計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊控制機(jī)械臂移動(dòng)壓電探測(cè)梁掃描待測(cè)組織所在的區(qū)域；計(jì)算機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出交變的電信號(hào)激勵(lì)壓電激振片，壓電激振片帶動(dòng)壓電探測(cè)梁進(jìn)行諧振；壓電應(yīng)變感知片感知壓電探測(cè)梁的振動(dòng)并輸出振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由濾波器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，調(diào)理之后的振動(dòng)信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集，最后由計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)采集卡采集得到的振動(dòng)信號(hào)；計(jì)算機(jī)中的計(jì)算模塊從振動(dòng)信號(hào)中提取壓電探測(cè)梁的共振頻率；計(jì)算模塊通過(guò)壓電探測(cè)梁共振頻率與測(cè)點(diǎn)彈性模量之間的力學(xué)關(guān)系完成對(duì)待測(cè)組織彈性模量的定量計(jì)算；計(jì)算模塊存儲(chǔ)記錄各探測(cè)點(diǎn)的彈性模量值和各探測(cè)點(diǎn)的位置，通過(guò)組合彈性模量和位置信息進(jìn)行數(shù)字成像，得到表征待測(cè)組織的力學(xué)信息的彈性模量分布圖。一般來(lái)說(shuō)彈性模量的突然變大，可能是組織產(chǎn)生某種硬化病變?cè)斐桑玫綇椥阅Ａ糠植紙D之后，醫(yī)生就可以通過(guò)對(duì)比健康組織的彈性模量狀態(tài)，判斷待測(cè)目標(biāo)是否發(fā)生病變，并且能通過(guò)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(shí)提供另一種基于壓電懸臂梁接觸振動(dòng)的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟I)確定待檢測(cè)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(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；4)壓電探測(cè)梁的與檢測(cè)目標(biāo)接觸點(diǎn)發(fā)生接觸諧振；
5)計(jì)算機(jī)采集并處理壓電探測(cè)梁振動(dòng)信號(hào)，記錄測(cè)點(diǎn)位置；6)計(jì)算模塊追蹤共振頻率，計(jì)算所測(cè)點(diǎn)的彈性模量值；7)移動(dòng)臺(tái)按照設(shè)定的掃描程序移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)下一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量；8)重復(fù)步驟3)至7)，完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域所有點(diǎn)的測(cè)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(guò)測(cè)得的壓電探測(cè)梁接觸共振頻率，計(jì)算得待測(cè)組織或器官的彈性模量，形成彈性模量分布圖像，進(jìn)而對(duì)待測(cè)目標(biāo)的剛度和健康狀態(tài)做出定量的評(píng)價(jià)。本發(fā)明從測(cè)量病變組織彈性模量入手，通過(guò)懸臂梁進(jìn)行接觸探測(cè)獲得組織的力學(xué)信息，適用于表層組織的病變檢測(cè)，尤其是乳腺癌、肝硬化等疾病的早期病變檢測(cè)。本發(fā)明對(duì)硬化組織的探測(cè)靈敏度高，對(duì)模量差異的探測(cè)靈敏度能達(dá)到5%甚至更精細(xì)的差別，其對(duì)硬化組織的分辨能 力強(qiáng)于人體手指的觸覺(jué)。本系統(tǒng)的成像分辨率能夠達(dá)到毫米量級(jí)，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(duì)硬化組織邊緣的精確成像，因而能更加及時(shí)和準(zhǔn)確地探測(cè)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(duì)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(yàn)的問(wèn)題。


圖I 一種基于壓電懸臂梁接觸振動(dòng)的淺表組織彈性成像系統(tǒng)示意2壓電探測(cè)梁的結(jié)構(gòu)示意3壓電探測(cè)梁與待測(cè)樣品接觸諧振的力學(xué)模型4檢測(cè)流程5壓電探測(cè)梁實(shí)物示意6待測(cè)的生物組織樣品圖7生物樣品檢測(cè)區(qū)域的共振頻率影像圖
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例，結(jié)合附圖進(jìn)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(dòng)的淺表組織彈性成像系統(tǒng)包括壓電探測(cè)梁I、多自由度機(jī)械臂2、計(jì)算機(jī)3、壓電梁激振電源4、濾波器5、數(shù)據(jù)采集卡6、待測(cè)病變目標(biāo)7。其中，壓電探測(cè)梁I 一端固定在多自由機(jī)械臂2上，另一端與待測(cè)目標(biāo)7表面接觸；多自由度機(jī)械臂2、壓電梁激振電源4和數(shù)據(jù)采集卡6由控制計(jì)算機(jī)3控制。如圖2所示，壓電探測(cè)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(jī)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(hào)控制壓電激振片23振動(dòng)，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(dòng)信號(hào)，采集卡6采集經(jīng)過(guò)調(diào)理的振動(dòng)信號(hào)并傳給計(jì)算機(jī)3。本發(fā)明通過(guò)力學(xué)領(lǐng)域的理論分析和計(jì)算，建立了一個(gè)壓電探測(cè)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(dòng)力學(xué)相關(guān)理論可知，壓電探測(cè)梁的諧振特性與其邊界支撐狀態(tài)關(guān)系密切，進(jìn)一步分析該梁所處的實(shí)際邊界支撐可知，當(dāng)壓電探測(cè)梁一端固定在機(jī)械臂2上時(shí)，接觸系統(tǒng)的振動(dòng)力學(xué)特性完全由另一端的接觸點(diǎn)所在的樣品的彈性模量所決定。附圖3所示的振動(dòng)系統(tǒng)的彎曲振動(dòng)方程可表示為
權(quán)利要求
1.一種壓電探測(cè)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(hào)激振下產(chǎn)生振動(dòng)，壓電激振片(23)振動(dòng)之后帶動(dòng)所述的壓電探測(cè)梁與樣品發(fā)生接觸振動(dòng)；壓電應(yīng)變感知片(22)測(cè)量所述壓電探測(cè)梁的振動(dòng)應(yīng)變信號(hào)。
2.一種基于壓電懸臂梁接觸振動(dòng)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(jì)算機(jī)(3)、如權(quán)利要求I所述的壓電探測(cè)梁(I)、機(jī)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(jì)算機(jī)(3)通過(guò)數(shù)據(jù)線與機(jī)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(guò)數(shù)據(jù)線與壓電探測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)線相連，濾波器(5 )與壓電探測(cè)梁(I)上壓電應(yīng)變感知片(22 )通過(guò)數(shù)據(jù)線相連；壓電探測(cè)梁(I) 一端固定在機(jī)械臂(2)上，另一端帶有朝下的探針(24)，探針與待測(cè)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(jì)算機(jī)包含 運(yùn)動(dòng)控制模塊，用于控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，完成掃描檢測(cè)過(guò)程； 信號(hào)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(cè)梁的信號(hào)； 信號(hào)采集模塊，用于控制數(shù)據(jù)采集卡采集應(yīng)變信號(hào)； 計(jì)算模塊，用于追蹤壓電探測(cè)梁共振頻率，并計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)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(hào)控制壓電激振片(23 )振動(dòng)，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(dòng)信號(hào)，采集卡(6)采集經(jīng)過(guò)調(diào)理的振動(dòng)信號(hào)并傳給計(jì)算機(jī)(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(cè)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(dòng)的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟 將壓電探測(cè)梁的探針與待測(cè)樣品的表面接觸； 計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊控制機(jī)械臂移動(dòng)壓電探測(cè)梁掃描待測(cè)組織所在的區(qū)域； 計(jì)算機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出交變的電信號(hào)激勵(lì)壓電激振片，壓電激振片帶動(dòng)壓電探測(cè)梁進(jìn)行諧振； 壓電應(yīng)變感知片感知壓電探測(cè)梁的振動(dòng)并輸出振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由濾波器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，調(diào)理之后的振動(dòng)信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集，最后由計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)采集卡采集得到的振動(dòng)信號(hào)； 計(jì)算機(jī)中的計(jì)算模塊從振動(dòng)信號(hào)中提取壓電探測(cè)梁的共振頻率； 計(jì)算模塊通過(guò)壓電探測(cè)梁共振頻率與測(cè)點(diǎn)彈性模量之間的力學(xué)關(guān)系完成對(duì)待測(cè)組織彈性模量的定量計(jì)算； 計(jì)算模塊存儲(chǔ)記錄各探測(cè)點(diǎn)的彈性模量值和各探測(cè)點(diǎn)的位置，通過(guò)組合彈性模量和位置信息進(jìn)行數(shù)字成像，得到表征待測(cè)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(dòng)的淺表組織彈性成像方法，包括如下步驟1)確定待檢測(cè)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(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)； 4)壓電探測(cè)梁的與檢測(cè)目標(biāo)接觸點(diǎn)發(fā)生接觸諧振； 5)計(jì)算機(jī)采集并處理壓電探測(cè)梁振動(dòng)信號(hào)，記錄測(cè)點(diǎn)位置； 6)計(jì)算模塊追蹤共振頻率，計(jì)算所測(cè)點(diǎn)的彈性模量值； 7)移動(dòng)臺(tái)按照設(shè)定的掃描程序移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)下一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量； 8)重復(fù)步驟3)至7)，完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域所有點(diǎn)的測(cè)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(dòng)的淺表組織彈性成像系統(tǒng)及成像方法。本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)得的壓電探測(cè)梁接觸共振頻率，計(jì)算得待測(cè)組織或器官的彈性模量，形成彈性模量分布圖像，進(jìn)而對(duì)待測(cè)目標(biāo)的剛度和健康狀態(tài)做出定量的評(píng)價(jià)。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(duì)硬化組織的探測(cè)靈敏度高，其對(duì)硬化組織的分辨能力強(qiáng)于人體手指的觸覺(jué)。本系統(tǒng)的成像分辨率能夠達(dá)到毫米量級(jí)，能完成對(duì)硬化組織邊緣的精確成像，因而能更加及時(shí)和準(zhǔn)確地對(duì)組織進(jìn)行評(píng)估。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102940481SQ20121046063
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京大學(xué)