CN102940481A - 一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统及成像方法。本系统通过测得的压电探测梁接触共振频率，计算得待测组织或器官的弹性模量，形成弹性模量分布图像，进而对待测目标的刚度和健康状态做出定量的评价。本发明适用于表层组织的弹性成像，尤其是乳腺、甲状腺等器官的弹性成像。本发明对硬化组织的探测灵敏度高，其对硬化组织的分辨能力强于人体手指的触觉。本系统的成像分辨率能够达到毫米量级，能完成对硬化组织边缘的精确成像，因而能更加及时和准确地对组织进行评估。

Description

一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统。

背景技术

弹性成像是近年来迅速发展的生物体成像技术，它能够反映出不同组织的弹性模量的差别，弹性成像的基本原理是：不同弹性模量的组织对外界施加的力学激振响应也不同，因此可以通过探测组织对激振的响应来测量组织的模量。

弹性成像技术主要关注生物组织硬度模量等力学信息，而这些力学信息与病灶性质密切相关（例如：通过对手术标本的实验测试,乳腺癌变的弹性模量要比正常组织高5到20倍），因此弹性成像可用于病理诊断。该方法是一种新颖的医疗成像方法，能够提供传统影像学(如常规超声、CT、磁共振成像)所不能提供的待测组织的力学信息，在对组织健康信息进行评估等方面有广泛的应用前景，可用于乳腺、甲状腺、前列腺等器官的疾病的检查和诊断，因此一经出现便受到了广泛的关注。

传统的手指触诊能通过手指对待测区域的按压来判断组织的硬度，从而进行病理诊断，但手指触诊对医生的主观经验依赖较大，且不能定量地给出硬度的值，因此在诊断精确性和推广性上比较受限制。目前有一些科研论文中提出的新型超声成像技术能够实现对组织模量的成像，但是超声探头由于具有近场效应，因此难以实现对浅表组织的测量；对于未出现肿块或肿块影像不明显的情况，超声成像系统难以发现乳腺中的微小钙化及毛刺样改变；另外，声学图像大多缺乏特异性，且血流信号不明显，因此容易出现误判。

本发明提出了一种全新的弹性成像方法，该方法基于压电悬臂梁接触振动，通过压电探测梁与待测组织表面进行接触谐振来完成对待测组织的弹性模量的测量，悬臂梁的谐振特性对接触点的弹性模量敏感程度高，能通过力学上的方法测量悬臂梁的谐振特性来完成对组织弹性模量的定量表征。本发明提出的方法主要应用于浅表组织的弹性成像上，可用于乳腺、甲状腺、肝脏等器官的弹性成像。

发明内容

为了解决传统的触诊方法中只能依靠医生的主观经验而只能做定性判断的不足，并辅助超声等影像技术完成对浅表组织的弹性成像，本发明建立了一套基于压电悬臂梁接触振动的弹性成像系统，该方法能定量地对组织弹性模量进行检测成像。

本发明提供的技术方案如下：

一种压电探测梁（如图2所示），其特征是，包括悬臂梁、压电应变感知片、压电激振片和探针；

其中，悬臂梁的一端为自由端，设置有探针；压电应变感知片位于悬臂梁的上表面；压电激振片位于悬臂梁的下表面；探针为柱体，其头部为球状或球面，并垂直于悬臂梁，安装在自由端；压电激振片在交变信号激振下产生振动，压电激振片振动之后带动压电探测梁与样品发生接触振动；压电应变感知片测量所述压电探测梁的振动应变信号。

利用所述的压电探测梁，本发明同时提供一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统（如图1所示），其特征是，所述弹性成像系统包括：计算机、前面所述的压电探测梁、机械臂、压电梁激振电源、滤波器和数据采集卡；

其中，计算机通过数据线与机械臂、压电梁激振电源和数据采集卡相连；压电梁激振电源通过数据线与压电探测梁上压电激振片相连；数据采集卡与滤波器通过数据线相连，滤波器与压电探测梁上压电应变感知片通过数据线相连；压电探测梁一端固定在机械臂上，另一端带有朝下的探针，探针与待测目标接触。

所述计算机包含：

运动控制模块，用于控制机械臂的运动，完成扫描检测过程；

信号发生模块，用于控制压电梁激振电源产生激振压电探测梁的信号；

信号采集模块，用于控制数据采集卡采集应变信号；

计算模块，用于追踪压电探测梁共振频率，并计算各个测点的弹性模量。

所述压电梁激振电源产生激振信号控制压电激振片振动，滤波器调节处理压电应变感知片感知到的振动信号，采集卡采集经过调理的振动信号并传给计算机。

所述压电探测梁采用弹性好的金属片或高分子板制作。

利用所述系统，本发明同时提供一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像方法，包括如下步骤：

将压电探测梁的探针与待测样品的表面接触；

计算机运动控制模块控制机械臂移动压电探测梁扫描待测组织所在的区域；

计算机信号发生模块发出交变的电信号激励压电激振片，压电激振片带动压电探测梁进行谐振；

压电应变感知片感知压电探测梁的振动并输出振动信号，该信号经由滤波器进行信号调理，调理之后的振动信号由数据采集卡采集，最后由计算机处理数据采集卡采集得到的振动信号；

计算机中的计算模块从振动信号中提取压电探测梁的共振频率；

计算模块通过压电探测梁共振频率与测点弹性模量之间的力学关系完成对待测组织弹性模量的定量计算；

计算模块存储记录各探测点的弹性模量值和各探测点的位置，通过组合弹性模量和位置信息进行数字成像，得到表征待测组织的力学信息的弹性模量分布图。一般来说弹性模量的突然变大，可能是组织产生某种硬化病变造成，得到弹性模量分布图之后，医生就可以通过对比健康组织的弹性模量状态，判断待测目标是否发生病变，并且能通过弹性模量具体的值，判断硬化（病变）的具体程度。

本发明同时提供另一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像方法，包括如下步骤：

1)确定待检测器官或组织的扫描区域；

2)设定弹性成像系统的扫描参数；

3)根据所设定的扫描参数，计算机控制机械臂运动；

4)压电探测梁的与检测目标接触点发生接触谐振；

5)计算机采集并处理压电探测梁振动信号，记录测点位置；

6)计算模块追踪共振频率，计算所测点的弹性模量值；

7)移动台按照设定的扫描程序移动到下一个测点，对下一测点进行测量；

8)重复步骤3）至7），完成对检测区域所有点的测量；

9)主控程序控制数据处理程序形成弹性模量分布图。

本系统通过测得的压电探测梁接触共振频率，计算得待测组织或器官的弹性模量，形成弹性模量分布图像，进而对待测目标的刚度和健康状态做出定量的评价。本发明从测量病变组织弹性模量入手，通过悬臂梁进行接触探测获得组织的力学信息，适用于表层组织的病变检测，尤其是乳腺癌、肝硬化等疾病的早期病变检测。本发明对硬化组织的探测灵敏度高，对模量差异的探测灵敏度能达到5%甚至更精细的差别，其对硬化组织的分辨能力强于人体手指的触觉。本系统的成像分辨率能够达到毫米量级，并且能发现手指所不能发现的微小病变，该系统能完成对硬化组织边缘的精确成像，因而能更加及时和准确地探测出组织的异常状态。本方法能定量地给出组织的弹性模量的值，可以辅助医生对组织健康情况做出正确的判断，并可以解决医生传统触诊中只能依靠主观经验的问题。

附图说明

图1一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统示意图

图2压电探测梁的结构示意图

图3压电探测梁与待测样品接触谐振的力学模型图

图4检测流程图

图5压电探测梁实物示意图

图6待测的生物组织样品

图7生物样品检测区域的共振频率影像图

具体实施方式

下面通过一个具体的实例，结合附图进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统包括：压电探测梁1、多自由度机械臂2、计算机3、压电梁激振电源4、滤波器5、数据采集卡6、待测病变目标7。其中，压电探测梁1一端固定在多自由机械臂2上，另一端与待测目标7表面接触；多自由度机械臂2、压电梁激振电源4和数据采集卡6由控制计算机3控制。

如图2所示，压电探测梁1包括悬臂梁21、压电应变感知片22、压电激振片23和探针24；其中悬臂梁21的一端为自由端，设置有探针24；另一端固定在机械臂2上；压电应变感知片22位于悬臂梁21的上表面；压电激振片23位于悬臂梁21的下表面。探针24为柱体，其头部为球状或球面，并垂直于悬臂梁21，安装在自由端。压电梁激振电源4产生激振信号控制压电激振片23振动，滤波器6调节处理压电应变感知片22感知到的振动信号，采集卡6采集经过调理的振动信号并传给计算机3。

本发明通过力学领域的理论分析和计算，建立了一个压电探测梁-样品接触系统的力学谐振模型，如附图3所示，由振动力学相关理论可知，压电探测梁的谐振特性与其边界支撑状态关系密切，进一步分析该梁所处的实际边界支撑可知，当压电探测梁一端固定在机械臂2上时，接触系统的振动力学特性完全由另一端的接触点所在的样品的弹性模量所决定。

附图3所示的振动系统的弯曲振动方程可表示为：

$\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{4}q(x,t)}{{\∂x}^4}+\mathrm{\ρA}\frac{{\∂}^{2}q(x,t)}{{\∂t}^2}=0---\left(1\right)$

（1）式中，q(x,t)是压电探测梁上各点相对于初始位置的位移，x为压电探测梁上各点坐标位置，t为时间，E为杨氏模量，I＝ab³/12是压电探测梁的弯曲刚度，a是沿压电探测梁轴向截面宽度，b是压电探测梁的厚度，ρ是压电探测梁的密度，A是沿压电探测梁轴向截面的面积，压电探测梁的边界条件可表示为：

固定端：y＝0、 $\frac{\∂y}{\∂x}=0,$ 弹性接触端： $\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂x}^2}=0,$ $\frac{{\∂}^{3}y}{{\∂x}^3}=\frac{k^{*}y}{\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

（2）式中，k^*为系统的接触刚度，若梁的共振频率为f_n，则能计算得到接触刚度k^*的计算表达式：

$k^{*}=k_c\frac{{\left(c_c\sqrt{f_n}\right)}^3}{3}\frac{\cos \left(c_c\sqrt{f_n}\right)\cosh \left(c_c\sqrt{f_n}\right)+1}{\sinh \left(c_c\sqrt{f_n}\right)\cos \left(c_c\sqrt{f_n}\right)-\sin \left(c_c\sqrt{f_n}\right)\cosh \left(c_c\sqrt{f_n}\right)}---\left(3\right)$

（3）式中，k_c为压电探测梁的刚度且k_c＝Eab³/4L³，L为梁的长度，c_c是一个与梁自身特性相关的常数且

根据赫兹接触理论即可得到待测点的弹性模量E_x的计算表达式：

$E_x=\frac{E_t\sqrt{\frac{{\left(k^{*}\right)}^3}{6\mathrm{RF}}}}{\sqrt{\frac{{\left(k^{*}\right)}^3}{6\mathrm{RF}}}-E_t}---\left(4\right)$

（4）式中，E_t为探针针尖的杨氏模量，R为探针的半径，F为探针与样品之间的接触力，这些参数均为已知，而在测得共振频率f_n之后，k^*可以通过（3）式计算得到，因此就能计算出待测点的弹性模量E_x，以上（3）式和（4）式即为基于悬臂梁接触谐振原理计算压电探测梁共振频率f_n与测点弹性模量之间的解析力学关系。

本发明的一个典型的弹性成像方法包括以下步骤：

1)确定待检测器官或组织的扫描区域；

2)设定弹性成像系统的扫描参数，如扫描分辨率、速度、采样率、接触力等信息；

3)根据所设定的扫描参数，计算机控制机械臂运动；

4)压电探测梁的与检测目标接触点发生接触谐振；

5)计算机采集并处理压电探测梁振动信号，记录测点位置；

6)计算模块追踪共振频率，计算所测点的弹性模量值；

7)移动台按照设定的扫描程序移动到下一个测点，对下一测点进行测量；

8)重复步骤3）至7），完成对检测区域所有点的测量；

9)主控程序控制数据处理程序形成弹性模量分布图；

10)分析处理弹性模量分布图，检测结束。

为了进一步说明本发明所提出方法的实用性和科学性，提高本申请的说服力，我们按照本发明提出的方法搭建了实验系统，并使用该系统完成了对某生物样品的测试。

图5是我们所制作的压电探测梁示意图，该梁采用弹性好的金属片或高分子板制作，梁下表面贴有压电陶瓷片用来激励梁振动，上表面贴有高灵敏度的压电片来感知梁的振动。生物样品采用市场上购得的五花肉（脂肪和蛋白质条纹相间），如图6所示，从该样品可以看出明显的脂肪组织与蛋白质组织，这种结构的样品便于我们对比和观察检测结果，图6中虚线框所围成的区域为检测的区域，所形成的影像图也就是这部分区域的模量分布图。

通过使用搭建的实验系统，我们进行了生物组织的弹性模量成像实验，得到了生物组织的弹性模量测量结果。如前面申请所述，在进行弹性模量成像实验时，首先测量的是各测点的共振频率值，之后再使用共振频率值计算各点的弹性模量值。

图7为我们进行的成像实验所得到的待测组织的模量影像图，在图7中，各点的模量值可以通过图片右侧的图例标尺中得到，图中颜色较亮区域为模量较高的组织，最大模量为35.4KPa，颜色较暗的区域为模量较低的区域，最低模量为1.2KPa。

通过对比图6和图7，可以看出，该模量影像图与检测区域对应良好，在模量影像图中可以明显地看出脂肪区域与蛋白质区域。该图也说明了，在我们所选用的组织的检测区域，脂肪组织的模量值要略大于蛋白质组织的模量值。

图6与图7符合良好，这也就证明了本方法的实用性和科学性，本发明能够准确快速地得到生物浅表组织的弹性模量影响分布图，若本发明得到推广，则可能为医疗诊断领域带来一种新的影像方法，使得医疗诊断技术得到进一步的发展和完善。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种压电探测梁，其特征是，包括悬臂梁（21）、压电应变感知片（22）、压电激振片（23）和探针（24）；

其中，悬臂梁（21）的一端为自由端，设置有探针（24）；压电应变感知片（22）位于悬臂梁（21）的上表面；压电激振片（23）位于悬臂梁（21）的下表面；探针（24）为柱体，其头部为球状或球面，并垂直于悬臂梁（21），安装在自由端；压电激振片（23）在交变信号激振下产生振动，压电激振片（23）振动之后带动所述的压电探测梁与样品发生接触振动；压电应变感知片（22）测量所述压电探测梁的振动应变信号。

2.一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像系统，其特征是，所述弹性成像系统包括：计算机（3）、如权利要求1所述的压电探测梁（1）、机械臂（2）、压电梁激振电源（4）、滤波器（5）和数据采集卡（6）；

其中，计算机（3）通过数据线与机械臂（2）、压电梁激振电源（4）和数据采集卡（6）相连；压电梁激振电源（4）通过数据线与压电探测梁（1）上的压电激振片（23）相连；数据采集卡（6）与滤波器（5）通过数据线相连，滤波器（5）与压电探测梁（1）上压电应变感知片（22）通过数据线相连；压电探测梁（1）一端固定在机械臂（2）上，另一端带有朝下的探针（24），探针与待测目标接触。

3.如权利要求2所述的浅表组织弹性成像系统，其特征是，所述计算机包含：

运动控制模块，用于控制机械臂的运动，完成扫描检测过程；

信号发生模块，用于控制压电梁激振电源产生激振压电探测梁的信号；

信号采集模块，用于控制数据采集卡采集应变信号；

计算模块，用于追踪压电探测梁共振频率，并计算各个测点的弹性模量。

4.如权利要求2所述的浅表组织弹性成像系统，其特征是，所述压电梁激振电源（4）产生激振信号控制压电激振片（23）振动，滤波器（6）调节处理压电应变感知片（22）感知到的振动信号，采集卡（6）采集经过调理的振动信号并传给计算机（3）。

5.如权利要求2所述的浅表组织弹性成像系统，其特征是，所述压电探测梁（1）采用弹性好的金属片或高分子板制作。

6.一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像方法，包括如下步骤：

将压电探测梁的探针与待测样品的表面接触；

计算机运动控制模块控制机械臂移动压电探测梁扫描待测组织所在的区域；

计算机信号发生模块发出交变的电信号激励压电激振片，压电激振片带动压电探测梁进行谐振；

压电应变感知片感知压电探测梁的振动并输出振动信号，该信号经由滤波器进行信号调理，调理之后的振动信号由数据采集卡采集，最后由计算机处理数据采集卡采集得到的振动信号；

计算机中的计算模块从振动信号中提取压电探测梁的共振频率；

计算模块通过压电探测梁共振频率与测点弹性模量之间的力学关系完成对待测组织弹性模量的定量计算；

计算模块存储记录各探测点的弹性模量值和各探测点的位置，通过组合弹性模量和位置信息进行数字成像，得到表征待测组织的力学信息的弹性模量分布图。

7.一种基于压电悬臂梁接触振动的浅表组织弹性成像方法，包括如下步骤：

1)确定待检测器官或组织的扫描区域；

2)设定弹性成像系统的扫描参数；

3)根据所设定的扫描参数，计算机控制机械臂运动；

4)压电探测梁的与检测目标接触点发生接触谐振；

5)计算机采集并处理压电探测梁振动信号，记录测点位置；

6)计算模块追踪共振频率，计算所测点的弹性模量值；

7)移动台按照设定的扫描程序移动到下一个测点，对下一测点进行测量；

8)重复步骤3）至7），完成对检测区域所有点的测量；

9)主控程序控制数据处理程序形成弹性模量分布图。

8.如权利要求7所述的浅表组织弹性成像方法，其特征是，步骤2）所述的扫描参数包括：扫描分辨率、速度、采样率、接触力。

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