CN105259031A

CN105259031A - 评估组织的系统和方法

Info

Publication number: CN105259031A
Application number: CN201510391245.6A
Authority: CN
Inventors: 万·Y·施; 施魏恒; 哈奇·耶金吉; 艾瑞帝·布鲁克斯
Original assignee: Drexel University
Current assignee: Drexel University
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2016-01-20
Also published as: EP2281192A2; US8562546B2; US10076247B2; US20110172565A1; KR20110049748A; WO2009140660A2; US8845555B2; AU2009246115A1; WO2009140660A3; US20150025418A1; HK1216040A1; CN102066928B; CN102066928A; US20140058260A1; EP2281192A4

Abstract

一种测量弹性模量和剪切模量的传感器系统和评估组织的方法。本发明涉及利用压电指形传感器系统(PEFS)确定不正常生长的存在和/或特征的方法。PEFS系统可用于筛选肿瘤和各种形式的癌。PEFS系统可用于各种皮肤病的情况。

Description

评估组织的系统和方法

本申请是申请号为200980122516.0的名称为“评估组织的系统和方法”的发明专利申请的分案申请，原申请的申请日是2009年05月15日。

政府资助声明

本发明在国家健康学会授予的No.RO1EB000720的资助下，得到政府支持缩减为实践，因此，政府对本发明拥有一定权利。

技术领域

本发明涉及定量评估肿瘤的系统和方法。更具体地说，本发明包括使用压电传感器检测肿瘤的存在，确定其尺寸，确定其位置，辩识其类型，确定其侵入性和/或确定其恶性。

背景技术

成功治疗癌的关键是早期发现。然而，早期发现和辩识癌的生长严重地依赖传感器的能力和筛选技术。目前有各种不同的传感器和工具用于研究软组织的机械性质和作出软组织的图像。

通常的软组织传感器的其中一种形式是利用一个引起位移的外力施加器和一个测量阻力的外部位移计[1，2]。该外力施加器可以是液压的或压电的，而该外部位移计可以为光学的或压电的。然后，这些传感器在工作过程中需要提取或破坏组织样品，因为必需切割样品，以便与传感器一致和装在传感器内。示例性的软组织成像工具包括计算机X射线断层术(CT)、磁共振成像(MRI)、超声(US)、T-扫描(TS)和超声弹性术(UE)[3-8]。CT扫描[10]利用计算机软件获取360度X射线图和重构3D组织结构。MRI扫描[11]利用强大的磁场和无线电波形成诊断用的组织图像。US扫描[12]通过组织传递高频波和扑捉回声形成组织结构图像。TS[7]测量低电平生物电流，以产生组织的电阻抗性质的实时图像。UE扫描[14]评估在固定的机械应力下通过组织的回声时间，并将它与没有应力时的相同的组织的回声时间比较。然后得到组织的应变图，由该图利用通常的转换技术形成2D的弹性模量分布图像。

触觉成像[12]工具，例如早期胸部肿瘤X射线测定法使用阵列压力传感器探测空间的组织刚度变化。目前，早期胸部肿瘤X射线测定法在乳房癌筛选中使用，以便通过组织密度对比发现不正常的组织。早期胸部肿瘤X射线测定法是FDA唯一批准的乳房癌筛选方法，它的一般灵敏度为85％，但在无线电密致乳房中减小至65％[9]。然而，在这些筛选过程中，假的正像的发生率高。事实上只有大约15-30％的乳房活组织检查得出恶性的诊断。虽然筛选40岁以上的妇女是有效的，但筛选乳房组织密致的妇女，早期胸部肿瘤X射线测定法不是有效的。另外，早期胸部肿瘤X射线测定法和其它触觉成像工具不能探测肿瘤界面性质。

由于隐藏不正常生长的许多组织在压缩下比周围的正常组织坚硬，在发现和诊断不正常组织中，发现组织坚硬度的改变日益成为重要的因素。例如，乳房癌为钙化的组织，它比正常的乳房组织坚硬7倍多[10-13]。同样，血小板内衬的血管也比正常的健康的血管坚硬。

美国专利No.7497133公布了一种可用于通过测量组织的坚硬度探测肿瘤的压电指形传感器。从肿瘤的剪切模量与弹性模量的比(G/E)或通过利用二个压电指形传感器，一个用于推，一个用于测量由推产生的肿瘤运动，直接灵敏地测量肿瘤的可动性，可得到肿瘤的可动性。该专利得出结论，在肿瘤区G/E之比高于周围正常组织的G/E比，并且癌区域的高得多的G/E比表示与周围的正常组织比较，在剪切下的肿瘤可动性比压缩下的该比小。虽然，病人推断这些测量可进行非侵入性乳房癌恶性的筛选，但没有说明确定恶性，侵入性或肿瘤类型的方法。

结果，很需要精确地和不侵入地探测和辩识肿瘤。还需要开发一种探测肿瘤坚硬度度，以确定肿瘤的类型、恶性和/或侵入性的装置。

发明内容

在第一方面中，本发明涉及测量弹性模量和剪切模量的传感器系统，该系统包括传感器，加电压至第二个电极的装置，与所述传感器连接的测量装置和可自动或手动使所述传感器定位的定位装置。

在另一方面中，本发明涉及评估组织的方法。该方法包括加一组不同大小的力至组织的一个或多个位置，检测由于所述的所加的力引起的相应位移，确定作用在组织的这些位置上的力-该力是所加电压引起的力和由组织变形产生的反力的综合，得到多个位置的弹性模量和/或剪切模量，从所述的弹性和/或剪切模量确定不正常生长的侵入性，肿瘤的恶性或存在。

在另一方面中，本发明提供在组织样件中测量不正常组织的尺寸和/或位置的能力。通过使用具有多个不同宽度的PEFS的PEFS阵列测量组织样件，即组织接触区域的弹性模量和厚度可确定不正常组织的尺寸和/或位置。通过利用不同宽度，因而是不同的深度灵敏度的PEFS测量组织样件的弹性模量，可以计算不正常组织的弹性模量和厚度与周围组织的弹性模量。从这些计算可以确定在组织样件内不正常组织的尺寸以及不正常组织的深度和位置。

附图说明

图1(a)为包括至少一个PEFS，一个测量装置和一个自动的传感器定位装置的PEFS系统的简图；

图1(b)为PEFS的相片；

图2(a)为驱动电极和测量电极在压电层顶面上的PZT/不锈钢悬臂的简图；

图2(b)为带有驱动PZT层和测量PZT层与L形悬臂的PZT/不锈钢悬臂的简图；

图2(c)为带有驱动PZT层和测量PZT层与U形悬臂的PZT/不锈钢悬臂的简图；

图2(d)为带有驱动PZT层和测量PZT层与方形悬臂的PZT/不锈钢悬臂的简图；

图3为PEFS阵列的简图；

图4(a)为利用PEFS作标准的压缩测量以确定弹性模量的简图；

图4(b)为利用PEFS作压痕的压缩测量以确定弹性模量的简图；

图4(c)为利用PEFS作标准的剪切测量以确定剪切模量的简图；

图4(d)为利用PEFS作压痕的剪切测量的简图；

图5(a)为放置压电悬臂作弹性模量测量的光滑夹杂物的相片；

图5(b)为放置压电悬臂作与皱纹的方向垂直的剪切测量的的粗糙夹杂物的相片；

图6(a)为作为在由C145作成的光滑(完全方形)和粗糙(开放的圆)夹杂物的x方向上离夹杂物的中心的距离的函数的弹性模量的图形；

图6(b)为作为在由C145作成的光滑(完全方形)和粗糙(开放的圆)夹杂物的y方向上离夹杂物产的中心的距离的函数的弹性模量的图形；

图7(a)为利用PEFS加与皱纹的方向平行(x方向)的剪切力的简图；

图7(b)为利用PEFS加与皱纹的方向垂直(y方向)的剪切力的简图；

图8(a)为作为在由C145作成的光滑(完全方形)和粗糙(开放的圆)夹杂物的x方向上离夹杂物的中心的距离的函数的剪切模量的图形；

图8(b)为作为在由C145作成的光滑(完全方形)和粗糙(开放的圆)夹杂物的y方向上离夹杂物的中心的距离的函数的剪切模量的图形；

图9(a)为作为在由C54、C92和C145作成的粗糙和光滑夹杂物的x方向的距离的函数的G/E比的图形；

图9(b)为作为在由C54、C92和C145作成的粗糙和光滑夹杂物的y方向的距离的函数的G/E比的图形；

图10(a)为作为由C92作成的粗糙和光滑夹杂物的夹杂物深度的函数的弹性模量的图形；

图10(b)为作为由C92作成的粗糙和光滑夹杂物的夹杂物深度的函数的剪切模量的图形；

图10(c)为作为由C92作成的粗糙和光滑夹杂物的夹杂物深度的函数的G/E比的图形；

图11为扫描路径的简图；

图12为作为θ＝0°、30°、60°、90°时离夹杂物中心的距离的函数的G/E比的图形；

图13(a)为在插入图中表示的作为在各种深度嵌入的作模型的粘土夹杂物的深度的函数的弹性模量的图形；

图13(b)为作为PEFS接触区域的宽度的函数的深度灵敏度极限的图形；

图14(a)为在嵌入在明胶中的夹杂物的中心之上的进行同步的杨氏模量测量的二个PEFS的简图；

图14(b)为作为夹杂物深度的函数的弹性模量的图形；

图15(a)为在嵌入在明胶基块中的深度的夹杂物的中心之上的进行弹性模量测量的PEFS的简图；

图15(b)为作为夹杂物深度的函数的弹性模量的图形；

图16(a)为作为乳房组织的距离的函数的弹性模量(E)和剪切模量(G)的轮廓的图形；

图16(b)为作为乳房组织的距离的函数的剪切模量与杨氏模量的比(G/E)的图形；

图17(a)为包含侵入性的导管恶性肿瘤的切开的乳房组织的相片；

图17(b)为图17(a)所示的切开的乳房组织的弹性模量(E)的扫描。在肿瘤处的弹性模量比周围组织的高；

图17(c)为图17(a)所示的切开的乳房组织的剪切模量(G)的扫描。在肿瘤处的剪切模量比周围组织的高；

图17(d)为图17(a)所示的切开的乳房组织的G/E的扫描G/E值＞0.7表示边界粗糙，是典型的侵入性的导管恶性肿瘤；

图18(a)为包含原位导管恶洪瘤的切开的乳房组织的相片；

图18(b)为图18(a)所示的切开的乳房组织的弹性模量(E)的扫描。在肿瘤处的弹性模量比周围组织的高；

图18(c)为图18(a)所示的切开的乳房组织的剪切模量(G)的扫描。在肿瘤处的剪切模量比周围组织的高；

图18(d)为图18(a)所示的切开的乳房组织的G/E的扫描。肿瘤G/E值约为0.3与乳管内形成的非侵入性的导管恶性肿瘤一致；

图19(a)为包含增生的切开的乳房组织的相片；

图19(b)为图19(a)所示的切开的乳房组织的弹性模量(E)的扫描。在肿瘤处的弹性模量比周围组织的高；

图19(c)为图19(a)所示的切开的乳房组织的剪切模量(G)的扫描。在肿瘤处的剪切模量比周围组织的高；

图19(d)为图19(a)所示的切开的乳房组织的G/E的扫描，表示G/E的值大约为0.5；

图20为作为病人年龄的函数的正常的乳房组织的弹性和剪切模量的图形；

图21(a)为乳房切除术的组织样品的E图；

图21(b)为乳房切除术的组织样品的G图；

图21(c)为乳房切除术的组织样品的G/E图；

图22为使用PEFS得到的肿瘤尺度测量对由病理学得到的肿瘤尺寸测量的图形；

图23(a)为4×1压缩的PEF阵列原型，在她的背上有进行在病人右乳房上测量的机器人臂；

图23(b)为图23(a)的PEFS阵列的相片；

图24为作为在组织上的位置的函数的弹性模量的图形；

图25为深度灵敏度对宽度/PEFS或PEFS阵列的接触面积的图形；

图26(a)表示要装配的4个PEFS阵列；

图26(b)表示夹紧在夹持器中的位置上的图26(a)的PEFS阵列；

图26(c)表示图26(b)的夹持器的顶部；

图26(d)表示图26(b)的夹持器的底部；

图27(a)为表示利用具有第一深度灵敏度D_A的第一PEFS测量的组织样品的弹性模量E_A的图形；

图27(b)为表示利用具有第一深度灵敏度D_B的第一PEFS测量的组织样品的弹性模量E_B的图形；

图27(c)为表示利用具有第一深度灵敏度D_C的第一PEFS测量的组织样品的弹性模量E_C的图形；

图28为表示利用PEFS检查具有顶部皮肤层和下部脂肪层的组织模型的图；

图29(a)为表示利用2个PEFS探测以确定在乳房组织样品中的不正常组织的深度的组织样品的图；

图29(b)为表示利用3个PEFS(E₁，E₂，E₃)确定附着在乳房基底上的不正常组织的深度的需要探测的组织样品的图；

图29(c)为表示利用4个PEFS(E₁，E₂，E₃，E₄)确定悬挂在乳房内的不正常组织的深度的需要探测的组织样品的图。

具体实施方式

为了说明，参考各个示例性实施例说明本发明的原理。虽然这里说明的是本发明的一些实施例，但技术员知道，同样的原理同样可用于其它装置和方法中。在详细说明本发明的实施例前，应当理解，本发明的应用不限于所示的具体实施例的细节。这里所用的术语是为了说明而不是限制。另外，虽然这里所述的一些方法参考按一定次序排列的步骤，但技术员知道，在许多情况下可按任何次序进行这些步骤，并且该方法也不限于所述步骤的具体安排。

必需说明，如在这里和所附权利要求书中所用的那样，单个形式“一”和“该”除非另有说明，表示多个参照物。这样，技术员知道，例如“一个传感器”包括多个传感器及其等价件。另外，术语“一个”，“一个或多个”和“至少一个”可以互换使用。还要说明，术语“包括”和“具有”也可互换使用。

本发明涉及利用压电指形传感器(PEFS)系统100探测和/或辩识评估组织，特别是软组织，不正常生长的系统和方法。该PEFS系统可包括至少一个PEFS1，测量装置2，和自动的传感器定位装置3。在一个示例性的实施例中，PEFS1可包括能使用简单的电气装置同时工作的作动器和传感器。

根据本发明的方法，可以使用PEFS1在体内测量组织的弹性和剪切性质。通过定量地确定组织的剪切模量，弹性模量和/或剪切模量与弹性模量的比(以后称为“G/E比”)，可用PEFS1确定在组织内包含的肿瘤的存在、尺寸、位置、类型、侵入性和/或恶性。可利用本发明的方法探测、筛选和/或确认各种不同类型的癌组织的存在，并且特别适用于发现乳房癌、前列腺癌、皮肤癌或肝癌。

1.压电指形传感器(PEFS)系统

如图1所示，本发明的PEFS系统100可包括至少一个与测量装置2连接的PEFS1，用以产生组织的弹性模量，剪切模量和/或G/E比的空间分布的图像、图形或数字表示。在一个示例性实施例中，该PEFS系统还可包括一个自动或手动的传感器定位装置3。该装置3附着在组织表面上并可使PEFS1相对于组织表面定位。

本发明的该至少一个PEFS1可作成悬臂，它包括至少一个与至少一个非压电层5’粘接的压电层4，并包括至少一个将电压加在该至少一个压电层4上和从该压电层4转换感应电压的导电元件6，7。

图2(a)表示驱动电极6和测量电极7与压电层4的同一侧连接的一个实施例。第三电极6’可放在压电层4的相反侧上。图2(b)-2(d)表示另一个实施例，它包括用于驱动PEFS1的电极6，6’在相对的表面上的第一压电层4，用于测量PEFS1的位移的非压电层和电极7，7’在相对的表面上的第二压电层5。为了便于同时加力和测量位移，本压电悬臂传感器可作成二个电路系统。第一电路可用于将驱动力加在PEFS1上。在一个示例性实施例中，加力电路在图2(a)所示的第一实施例中，可包含与电极6，6’连接的电源10。另外，在图2(b)-2(d)所示的第二实施例中，电源10可与在第一压电层4上的电极6和6’连接。第二电路可用于检测和定量测量由所加的驱动力引起的PEFS1的位移。如在图2(a)所示的第一实施例中所示，在一个示例性实施例中，电压测量电路可包含与电极7和6’连接的电压测量装置11。另外，在图2(b)-2(d)所示的第二实施例中，电压测量装置11可与第二压电层5上的电极7和7’连接。

PEFS1可在没有图2(a)所示的实施例中的测量电极7或没有图2(b)-2(d)所示的实施例中的第二压电层5和电极7，7’的情况下工作。在压缩或剪切情况下，这些零件可用测量压电悬臂的位移的其它装置，例如激光或压电位移计代替。然而，没有由第一实施例中的电极7或第二实施例中的第二压电层5和电极7，7’提供的自检测能力，该装置不能在体内或原地测量形状复杂的组织。

PEFS1可有便于组织分析的各种不同形状和结构。示例性的结构可包括L形、U-L形、U形、方形、矩形、O形或具有各种长度和宽度的锥形结构。在一个示例性的实施例中，PEFS1可具有可精确测量软组织的剪切模量的L形尖端和以避免病人的不舒适的应变程度小于大约0.1％可忽略的材料。最好，PEFS1作成小的悬臂探头，其一个或多个悬臂的指适合于检测前列腺癌、乳房癌、皮肤癌或肝癌。

一个示例性实施例中，PEFS1为能够同时将力加在组织上和可检测组织的相应地引起的位移的悬臂的全电气传感器。这个自激励和自检测的能力使PEFS1可利用其悬臂的尖端直接测量复杂形状的样件的弹性和剪切模量。在工作中，PEFS1悬臂的尖端邻近和/或与组织表面接触。为了产生引起PEFS1的相应位移的弯曲力，将电压加在压电层4的驱动电极6上。传感器尖端与组织接触的情况下，组织的阻力使悬臂的位移改变，较坚硬的组织产生较小弯曲。作用在组织上的净力为由所加电压产生的力与阻止组织变形的反力的综合。PEFS1悬臂的弯曲在底部的测量PZT层中产生与悬臂尖端位移成比例的感应压电电压。由检测电极7感应产生的压电电压，可测量悬臂尖端的位移。在给定的测试中，仔细监视悬臂尖端的位移可精确测量产生的力和组织表面的位移。然后，可利用这个信息精确地确定组织样件的机械性质。例如，可利用净力对位移的图的斜度确定组织的弹性模量、剪切模量或G/E比。PEFS1的检测灵敏度可以很高。在一个示例性实施例中，PEFS1的深度检测灵敏度为PEFS1的宽度的约二倍。例如，1cm宽的PEFS1可测量、发现和分析深度达到约2cm的组织。

在一个示例性实施例中，PEFS系统100可包括多个排列成阵列的PEFS1，以便于实时进行压缩和剪切测量。可以制造探头宽度变化或探头宽度相同的宽度范围小于1mm至几cm的PEFS阵列，评估深度达几十cm的软材料/组织的刚度变化，而空间分辩率增加小于1mm。通过调整PEFS接触区域的宽度，可进一步提高和定制深度灵敏度。为了得到适当的测量速度，优选的PEFS宽度范围为1-15mm。PEFS的形状和尺寸可以任意，阵列的接触表面直径约为5-10cm。该阵列可由任何尺寸的PEFS形成。在一个示例性实施例中，该PEFS阵列可由接触面积为大约为0.1×0.1mm-10×10mm的PEFS制成。该PEFS的尺寸为宽约1-10mm，长约1-3cm。如图3的实施例所示，每一个PEFS可在不锈钢片的一侧上设有长的驱动PZT层和在不锈钢片的另一侧上设有较短的检测PZT层。如图4(c)-4(d)所示，为了测量剪切模量，该阵列的所有PEFS与组织表面垂直。另外，如图4(a)-4(b)所示，为了测量弹性模量，该阵列的PEFS与组织表面平行。

PEFS阵列可包括多个均匀或变化尺寸的PEFS，形成适当尺寸的组织接触表面。该PEFS阵列可通过利用金刚石锯或钢丝锯切刀将预先粘接的PZT/不锈钢双层或PZT/不锈钢/PZT多层切成平行的PEFS制成。如图3所示，再将单个的PEFS排列和装配成阵列。在一个示例性实施例中，可定制该阵列与具体的组织表面的轮廓和尺寸相适应。

另外，除了便于进行检测过程外，PEFS阵列增加深度灵敏度。PEFS1阵列的深度检测灵敏度可约为阵列的PEFS1的综合宽度的二倍。将几个PEFS排列成阵列和使相邻的PEFS1的测量同步，可使多个PEFS1如同具有宽的接触表面的一个传感器一样，从而提高装置的深度灵敏度。

PEFS系统100还可包括与PEFS1或PEFS1阵列的工作相应的测量装置2。测量装置2可为任何电气装置，例如与计算机连接的示波器或电压计。在图2(a)所示的第一实施例中，可用该电气装置测量在压电层4上的电极7和6’之间的感应电压形式的悬臂位移，或在图2(b)所示的第二实施例中，可测量第二压电层5的电极7和7’之间的感应电压。可以与加的力一起使用这些电压得到力位移图。可以利用该图的斜度推导测试的组织的弹性模量、剪切模量和/或G/E比。测量装置2可以用数字、图形或其它方法显示由PEFS1得到的测量和/或根据这些测量的计算，包括弹性模量、剪切模量和/或G/E比。在一个实施例中，测量装置2可分析数据并以极坐标表示组织不正常的位置，以便用图形和精确地确定在测试的组织内或相对于该组织的不正常组织的位置。在一个示例性实施例中，测量装置2可为能从阵列中的多个PEFS1处理多个测量的便携式的电气测量装置。最好可对该测量装置编程，以自动地推导与具体的组织样件相应的弹性模量、剪切模量和/或G/E比。

在一个示例性实施例中，测量装置2可实时成像和/或图形表示这些计算。最好，测量装置2可使用能在体内实时进行数据处理、扫描和成像的数据处理速度。更优选的是，测量装置2为便携式的和可使分析的数据和/或组织的计算的性质可视化。在一个示例性实施例中，测量装置2可为尺寸与口袋计算器一样的便携式装置，和可用电或基于电池的电源工作。

PEFS1或PEFS阵列也可与便于使PEFS1相对于软组织定位的自动和/或手动的定位装置3连接。虽然可手动地将PEFS1放置在组织表面上，但如图1所示，可以使用自动的定位装置3，更有效，更快和/或更精确地放置PEFS1。另外，可以使用自动的定位装置3将PEFS1从一个位置运动至另一个位置，加速测量过程和便于在体内临床使用该装置。在一个示例性实施例中，该自动定位装置3可为可3D自动定位的可编程的机器人臂，例如CrustCrawlerAX-12SmartArmw/CM-5Bundle。另外，自动定位装置3也可为利用一组步进电机的三维定位器。

2.使用压电指形传感器(PEFS)系统的方法

本发明的方法为利用PEFS1确定在组织内包含的肿瘤的类型、侵入性和/或恶性的非侵入的方法。该方法包括放置PEFS1或PEFS1的阵列与组织表面接触。在一个实施例中，可用与手摸相同的方法，通过接触和摩擦组织表面，将PEFS1加在组织表面上。因此，PEFS1的功能如同电子指一样，它通过用电的方法加力至组织上和用电子方法测量组织的位移，可进行电子触诊。

如图2(b)所示，加电压至PEFS1的压电层4上可使PEFS1工作。由于反压电效应，该电压使PEFS1弯曲，在传感器的悬臂尖端产生力和位移。悬臂的弯曲在PEFS1的压电层4或5中产生与悬臂的尖端的位移成比例的感应压电电压。因此，通过小心监视悬臂尖端的位移和确定作为由所加的电压产生的力与由组织变形产生的反力的综合的作用在组织上的净力，可以相对于没有组织样件时的尖端的期望位移，根据悬臂尖端的位移确定具体的组织样件的弹性模量和剪切模量。可以利用位移测量确定具体的组织样件的弹性模量、剪切模量和G/E比。

如图5(a)所示，为了测量弹性模量，可放置PEFS1与组织表面接触。加电压至PEFS1的情况下，PEFS在组织上，在与组织表面垂直的方向产生力，引起PEFS1的尖端在组织平面上垂直位移。通过测量所加的力和悬臂尖端产生的位移，可确定在样件上产生的净力和从力位移曲线的斜率得到组织的弹性模量。可以利用PEFS1直接确定任何方向，包括组织样件的长度、宽度或厚度的组织的弹性模量。在一些情况下，可利用测量的弹性模量筛选存在不正常的组织。特别是，具有不正常大的弹性模量的组织表示存在不正常的组织。

如图5(b)所示，为了测量剪切模量，放置PEFS1与组织表面接触。将电压加在PEFS1上，在与组织表面平行的方向上，在组织上产生力，结果，使PEFS1的尖端产生水平位移。通过测量所加的力和悬臂尖端产生的位移，可确定在组织上产生的净力和从净力位移曲线推导组织的剪切模量。当在任何方向，包括组织样件的长度或宽度方向上作剪切运动时，可以利用PEFS1直接确定组织的剪切模量。当筛选测试时，可以利用测量的剪切模量分布图确定不正常组织的存在。特别是，具有不正常大的剪切模量的组织可表示存在不正常的组织。

表示界面区域光滑的剪切模量测量可以是非侵入性肿瘤的指标，这时代表粗糙和多枝的界面区域的剪切模量测量可能是侵入性肿瘤的指标。不受理论限制，可设想当在与侵入肿瘤的界面的多枝和粗糙的突起部分垂直的特定方向测量时，因为在侵入肿瘤的界面区域中，组织的互锁性质使在界面区域的组织样件的可动性比少互联的非侵入肿瘤的界面区域中的组织小，因此侵入和非侵入的肿瘤的剪切模量的测量不同。同样，剪切模量也可为确定恶性的工具。

虽然组织样件的弹性模量分布图或剪切模量分布图可帮助确定肿瘤的位置、尺寸和深度以及不正常组织的存在，但组织样件的G/E比的比较可进一步提供确定不正常性的信息。在一个示例性实施例中，弹性和/或剪切模量分布图可延伸至正常/健康组织区域，以便提供正常/健康组织的基线弹性和/或剪切模量值。这样，可对任何病人进行处理，因为不需要做该病人的正常/健康组织的弹性或剪切模量的假设，本方法实际上测量这些值。另外，本预测方法的精度和特殊性提高，因为使用每一个病人的正常/健康组织的测量值作为比较的基础，因而可容许不同病人的组织坚硬度变化

G/E比为具体组织样件的剪切模量与弹性模量的比。特别是，可利用这种比较确定不正常组织界面区域的性质的信息。在一些情况下，可利用该信息得到肿瘤恶性，侵入性和类型。

如果从有不正常组织的单个剪切和/或弹性模量分布图知道，则在不正常组织的位置上，小于约0.7，更好是0.5或更小，最好是约0.3或更小的低G/E比可表示有非侵入肿瘤，如在原位的恶性肿瘤；而0.7或更大的高G/E比可表示有侵入性肿瘤，如侵入性恶性肿瘤。同样，还可利用G/E比确定恶性。确定恶性的第一步骤为辩识肿瘤是否被组织边界限制，不然它会改变组织的刚度特性。如果肿瘤不受限制，则0.7或更大的G/E比可表示恶性。如果肿瘤被限制，例如原位的恶性导管恶性肿瘤的情况，则约0.3或更大的G/E比可表示恶性。

值地注意的是，本发明的PEFS系统100和方法极有效和精确，在检测乳房不正常时可达到约100％的灵敏度，对于G/E＞0.7的不受限制的肿瘤或G/E＞0.3的受限制的肿瘤，在检测恶性或侵入性恶性肿瘤时，可达到约96％的灵敏度和54％的特殊性，在检测G/E＞0.7的恶性时，可达到约89％的灵敏度，约82％的特殊性。对于机械地密致的乳房组织，在检测G/E＞0.7的不受限制的肿瘤或G/E＞0.3的受限制的肿瘤的恶性时，该方法可达到约94％的灵敏度和约63％的特殊性。另外，在检测G/E＞0.7的机械地密致的乳房组织的恶时，可达到约93％的灵敏度和约80％的特殊性。

对于本应用，恶性的特殊性为非癌预测数除以实际的非癌病理学诊断数乘以100。侵入性恶性肿瘤的特殊性为非侵入性恶性肿瘤的预测数除以实际的非侵入性恶性肿瘤的病理学诊断数乘以100。对于本应用，恶性的灵敏度为癌预测数除以实际的癌病理学诊断数乘以100。侵入性恶性肿瘤的灵敏度为侵入性恶性肿瘤预测数除以实际侵入性恶性肿瘤病理学诊断数乘以100。恶性的精度为被癌病理学诊断确认的癌预测数和被非癌病理学诊断确认的非癌预测数之和除以情况的总数乘以100。侵入性恶性肿瘤的精度为被侵入性癌病理学诊断确认的侵入性恶性肿瘤预测数和被非侵入性癌病理学诊断确认的非侵入性癌预测数之和除以情况的总数乘以100。

本发明的一个优点为假的正像阅读比现行的早期胸部肿瘤X射线测定法少很多，从而减少进行早期胸部X射线测定的假正像结果的许多不需要的活组织检查的需要。

本发明的另一个优点是，使用本发明的方法灵敏度非常高，忽视癌组织的可能性非常低。这很重要，因为只要使用就可保证本发明的方法是可靠的癌筛选方法。

G/E比还可用于辩识特殊形式的恶性或良性肿瘤。具体地说，约为0.5的G/E比，更好是约为0.5-0.6的G/E比可表示增生，而约为0.3的G/E比，更好是约为0.2-0.4，与由样件的一个或多个单个的剪切和弹性模量图得到的辩识存在不正常组织综合，可表示原位恶性肿瘤或良性肿瘤，例如纤维细胞或纤维脂肪。虽然健康组织的G/E比也可约为0.3，但G/E比在这个范围的癌组织和肿瘤仍可用其剪切和弹性模量比健康的周围组织高来辩识。例如，良性肿瘤的G/E比可为约0.3，与健康组织一样，但良性肿瘤的剪切模量和弹性模量的单个测量比健康组织的剪切模量和弹性模量的单个测量高，因此，在这些情况下可预测存在良性肿瘤。

在原位恶性肿瘤的情况下，还必需考虑问题组织的位置，以完成预测是否有癌组织。在这种情况下，周围组织，例如乳导管可限制癌组织，从而改变在界面区域中的癌组织的剪切和/或弹性模量。结果，由于界面区域受周围组织的限制，原位恶性肿瘤的G/E比一般约为0.3。然而，在这些情况下，由于单个的剪切和弹性模量与健康组织的不同，还可使用单个的剪切和弹性模量的测量预测存在原位恶性肿瘤。虽然良性肿瘤，如纤维细胞肿瘤的剪切模量和弹性模量比周围的健康组织的高，但由G/E约为0.3的单个弹性模量图或剪切模量图辩识的包括不正常组织仍可肯定地预测的所有原位恶性肿瘤。

本发明的方法还包括人为地增加肿瘤的察觉的界面的粗糙度的步骤，以便提高恶性，侵入性或肿瘤类型的指标的灵敏度。还可增加察觉的界面粗糙度用以检查位于组织下面很深的肿瘤或形成大的互锁网络的肿瘤。在一个示例性实施例中，可通过增加扫描路径相对于界面突出部分的角度来增加察觉的界面粗糙度。对于本发明，扫描路径的角度指当加剪切力时，PEFS1相对于界面突出部分的取向。如图5(b)所示，通过使PEFS1围绕其纵轴线相对于组织样件转动可得到不同的扫描角度。优选的角度为至少30°，较好为至少60°，最好为约90°。

当分析和诊断组织样件时，可以使用测量装置2，以便在极坐标中表示不正常组织的位置，根据弹性模量，剪切模量和/或G/E的测量，用图形和精确地确定在测试组织内或相对于该组织的不正常组织的位置。另外，还可利用测量装置2定量地确定和用图表示不正常组织的尺寸和深度。在一个示例性实施例中，可将不正常组织的位置和尺寸在2D或3D图上显示，以便于外科手术。

本发明的PEFS系统100和方法比先前技术的肿瘤检测和评估方法有明显的优点。本发明的方法可通过定量测量组织刚度筛选肿瘤的类型、侵入性和恶性，并且不依赖肿瘤和周围组织之间的密度差别或血管基因。任何肿瘤学家或内科医生不需要高度熟练的辐射学家的说明单向和均匀地使用这些定量测量，而可客观的确定肿瘤的存在、尺寸、位置、类型、侵入性和/或恶性。

另外，本发明的方法和系统100为评估组织样件的非常有效的装置，并特别适合在体内的组织成像。PEFS系统100是灵敏的和可发现小于约0.5cm的微小肿瘤(在所述情况下癌的尺寸为3mm)。这些肿瘤常被早期胸部肿瘤X射线测定法、超声波和/或触诊所忽略，这些方法的尺寸灵敏度极限一般约为1cm。PEFS极精确和高度灵敏，产生现存技术不能匹敌的结果。与筛选测试，例如早期胸部肿瘤的X射线测定法、磁共振成像、超声成像和可视化触诊成像比较，PEFS系统100具有更高的灵敏度和辩识存在肿瘤以及可预测肿瘤恶性和侵入性的特殊性。如上所述，通过改变PEFS传感器或PEFS阵列的宽度，可进一步提高或定制深度灵敏度。

本发明的另一个特点为可发现在机械地密致的组织中的肿瘤，其恶性和侵入性恶性肿瘤。例如，在乳房癌检测中，本发明的装置适合于由51-75％腺组织组成的非均匀的密致组织和由大于75％的腺组织组成的极密致组织。这些说明取自BI-RADS乳房显像资料(BI-RADSBreastImagingLexicon)，可在http://www.radiologyassistant.nl/en/4349108442109中找到。该来源将早期胸部肿瘤的X射线测定法分为4个不同的类别。这很重要，因为40岁以下的女人的乳房组织会落入这二个类别中的一个中，而早期胸部肿瘤X射线测定法的成像方法不能很好的适合从极密致乳房组织区别肿瘤。

另外，因为本发明的PEFS系统100不靠辐射或电磁波工作，因此病人不会暴露在作为测试结果的有害影响中，并且可在任何时间不用关心对健康的不利影响重复测试。这对想跟踪快速生长的癌的内科医生特别有利。作为对比，例如早期胸部肿瘤X射线测定法一类的筛选处理一年只可进行一次。本发明的方法也是非侵入的和温和的，需要的应变小于己1％，因此病人的不舒适最小或没有。另外，PEFS系统100也是便携式的，不贵并容易进行大量生产，可以广泛实现。

在另一个方面中，本发明可测量在组织样件中的不正常组织的尺寸和/或位置。通过利用具有不同宽度，即组织接触区域的PEFS1的PEFS阵列测量组织样件和不正常组织的弹性模量和厚度，可确定不正常组织的尺寸和/或位置。在一个示例性实施例中，可利用具有3个或更多PEFS’1的PEFS’阵列分析在组织表面上或其附近的不正常组织，和可利用具有5个或更多的PEFS’1的PEFS’阵列发现悬挂在或支承在组织的远端底面上的不正常组织。通过利用不同宽度的PEFS’1测量组织样件的弹性模量和结果是不同深度的灵敏度，可以计算不正常组织的弹性模量和厚度与周围组织的弹性模量。从这些计算可以确定不正常组织的尺寸以及在组织样件内的不正常组织的深度和位置。如上所述，从组织图可确定不正常组织的长度和宽度。

利用深度灵敏度为h₁，h₂，h₃的带有3个PEFS’1的PEFS阵列，可确定不正常组织的深度和位置。每一个PEFS’的弹性模量E₁，E₂，E₃可用上述方法得到。通过解以下的式(1)-(3)，

悬臂1：

\frac{1}{E_{1} / h_{1}} = \frac{1}{E_{s} / t_{s}} + \frac{1}{E_{f} / (h_{1} - t_{s})} - - - (1)

悬臂2：

\frac{1}{E_{2} / h_{2}} = \frac{1}{E_{s} / t_{s}} + \frac{1}{E_{f} / (h_{2} - t_{s})} - - - (2)

悬臂3：

\frac{1}{E_{3} / h_{3}} = \frac{1}{E_{s} / t_{s}} + \frac{1}{E_{f} / (h_{3} - t_{s})} - - - (3)

可分别确定不正常组织的弹性模量E_S和厚度t_S(即深度)，以及周围组织的弹性模量E_f。这个方法在下面的例11中举例说明。

先前我们说明了测量嵌入组织内的底部支承的肿瘤的深度的二个弹簧的模型(见Rev.Sci.Instr.78,115101(2007))。本发明将这个扩展至覆盖确定底部支承的肿瘤的效应的情况，以及在肿瘤被悬挂在底部支承之上的情况下确定深度。

底部支承的夹杂物

如图29(b)所示，为了这个确定使用3个压电指(PEFs)。图29(a)表示不考虑底部支承的情况。这个情况在上面说明。

对于底部支承的夹杂物，希望确定正常组织的弹性模量E_g，不正常组织的弹性模量E_i，底部支承的弹性模量(即乳房组织的胸壁)E_b，从表面至底部支承的深度或高度h_t，和至不正常组织顶部的深度或高度h_i。

利用深度灵敏度h₁＜h_t的第一PEF，可得到下列式子：

离开夹杂物：E₁＝E_g，

夹杂物之上：h₁/E₁＝h_i/E_g+(h₁-h_i)/E_i

利用深度灵敏度h₂＜h_t的第二PEF，可得到以下另外的式子：

夹杂物之上：h₂/E₂＝h_i/E_g+(h₂-h_i)/E_i.

利用深度灵敏度h₃＞h_t的第三PEF，可得到以下另外的式子：

离开夹杂物：h₃/E₃＝h_t/E_g+(h₃-h_t)/E_b，

夹杂物之上：h₃/E₃＝h_i/E_g+(h_t-h_i)/E_i+(h₃-h_t)/E_b。

利用5个式子可求出5个未知数：E_g，E_i，E_b，h_i，h_t。可以证明，PEFs相应于PEF1，PEF2，PEF3。当使用PEF1和PEF2时，离开夹杂物的E值相同，并比使用PEF3时小。另外，在夹杂物之上的E₃比E₁，E₂大。

悬挂的夹杂物

这是图29(c)的情况。对于这个情况需要第四个PEF。对于悬挂的夹杂物希望确定正常组织的弹性模量E_g，不正常组织的弹性模量E_i，从表面至底部支承(即乳房组织的胸壁)的深度或高度h_t，从表面至不正常组织的底部的深度或高度h_ib，和至不正常组织的顶部的深度或高度h_i。

利用深度灵敏度h₁＜h_t的第一PEF，可得到下列式子：

离开夹杂物：E₁＝E_g，

夹杂物之上：h₁/E₁＝h_i/E_g+(h₁-h_i)/E_i

利用深度灵敏度h₂＜h_t的第二PEF，可得到以下另外的式子：

夹杂物之上：h₂/E₂＝h_i/E_g+(h₂-h_i)/E_i。

利用深度灵敏度h₃＞h_t的第三PEF，可得到以下另外的式子：

离开夹杂物：h₃/E₃＝h_t/E_g+(h₃-h_t)/E_b，

夹杂物之上：h₃/E₃＝h_i/E_g+(h_ib-h_i)/E_i+(h_t-h_ib)/E_g+(h₃-h_t)/E_b。

利用h_t＞h₄＞h_ib的第四个PEF，可得到下列式子：

夹杂物之上：h₄/E₄＝h_i/E_g+(h_ib-h_i)/E_i+(h₄-h_ib)/E_g。

利用这6个式子，可得到6个未知数：E_g，E_i，E_b，h_i，h_ib，h_t。可以证明PEF4的同一性，因为对于PEF4，离开夹杂物的E₄＝E₁＝E₂。在夹杂物之上的E4可小于或大于E₂，但必需比E₃小。同时，离开夹杂物的E₃＞E₁＝E₂＝E₄和在夹杂物之上的E₃＞E₄。

可看出，在进行下列处理，例如活组织检查、外科处置、早期胸部肿瘤X射线测定法、磁共振成像、超声波成像或其它辐射或电磁筛选测试前或与其一起，PEFS系统100可帮助内科医生筛选肿瘤和各种形式的癌，包括但不限于乳房癌、前列腺癌、皮肤癌或肝癌。本发明的PEFS系统100可用于独立地或与传统的筛选方法一起，帮助早期发现肿瘤或诊断/确认癌。还可看出，因为新的方法和PEFS系统100可用于检测一般被传统的筛选方法忽略的毫米尺寸的肿瘤，因此对早发现癌特别有利。另外，由于本方法不依赖组织密度，因此，对于由于组织密度问题传统的筛选方法无效的妇女特别有用。它还可用于癌/肿瘤监视以便进行治疗评估。它还可在外科手术前使用，确定癌/肿瘤位置，帮助引导外科医生。

另外，PEFS系统100还可在皮肤学领域中应用，以测试皮肤的弹性，细胞弹性/塑性或其它与组织有关的性质。当然，PEFS系统100可有效地在通常的方法中使用，以在任何种类的易弯的材料上进行压缩和剪切测量。应当理解，PEFS系统100不限于包括组织测量的应用。

实施例

例1

进行研究，以确定本发明的PEFS精确估计模仿各种形式的肿瘤的物理性质的一组人造组织的有效性。使用PEFS通过测量人造组织的弹性模量(E)、剪切模量(G)和确定G/E比，确定嵌入人造组织样件中的人造肿瘤是否具有粗糙或多枝的界面，侵入的恶性癌，例如恶性乳房癌的潜在指标。可使用弹性模量或剪切模量鉴别人造肿瘤的尺寸，并且还可使用剪切模量表示肿瘤和周围组织的界面的纹理的特征。另外，当使用基本上与组织界面上的绉纹方向垂直的扫描路径测量剪切模量时，在探测恶性组织时得出大于约0.7的G/E比。

在研究中使用的如图4(a)示意性地所示的压电悬臂作成具有长为22±0.2mm的铅锆酸盐钛酸盐(PZT)的顶层(T105-H4E-602，PiezoSystemsInc.，剑桥，马萨诸塞州)和长为11±0.2mm的与50-μm厚的不锈钢层粘接的(阿尔法埃莎，沃德希尔，马萨诸塞州)，位于使用不导电的环氧树脂(汉高乐特公司，工业，加利福尼亚州)，在室温下硬化一天的PZT层之间的PZT底层。悬臂宽为3.8±0.2mm。顶和底PZT层的厚度均为127μm。顶部PZT层用于加力。当加电压在顶部PZT层的厚度上时，由于顶部PZT层的反压电效应，在顶部PZT层中产生横向应变。产生的应变使该悬臂弯曲。标定由悬臂弯曲产生的力，用于加力[14]。使用底部PZT层作为位移计。当弯曲悬臂时，由于直接的压电效应，在底部PZT层的厚度上形成电压差，并利用在底部PZT层上的感应电压标定悬臂的轴向位移[15]。这样，利用顶部和底部的PZT层，旋臂可用简单电器装置，在一个装置中加力和形成位移传感器[15]。为了便于使用同一悬臂测量压缩和剪切，将不锈钢尖端的自由端作成方的环，方形的每一侧等于该悬臂的宽度。该悬臂用7.5mm厚的丙烯酸盐(麦克马斯特-卡尔，新不伦瑞克省，新泽西州)制的夹具夹紧。PZT层的压电系数由卖主规定d31＝-320PC/N。根据卖主的要求，不锈钢的弹性模量和PZT层的弹性模量分别为200Gpa和62Gpa。利用安捷伦4294A阻抗分析器(安捷伦，帕洛阿尔托，加利福尼亚州)测量PZT层的电容和损失因子。方形不锈钢环的接触面积为3.8mm×3.8mm。如利用已知方法确定的那样，该悬臂的有效弹簧常数为143N/m[15]。利用直流电源HPE3631A(惠普公司，帕洛阿尔托，加利福尼亚州)作为可编程的直流电压源。利用纽波特光学台(RS1000，纽波特公司，欧文，加利福尼亚州)减小低频背景振动得到测量。在驱动PZT层上加的电压和在检测PZT上感应的电压记录在安捷伦InfiniiumS4832D数字示波器(安捷伦，帕洛阿尔托，加利福尼亚州)上。直流电源和示波器与个人计算机(PC)连接。所有测量，实时弹性模量计算和数据采集由PC通过LabView(国家仪器，奥斯汀，德克萨斯州)编程控制。

研究中测试的人造组织通过将作模型的粘土嵌入明胶(飞世尔科技，匹兹堡，宾夕法尼亚州)中构成。使用三种形式的作模型粘土：作模型粘土C54(Play-Doh，HasbroLtd.，纽波特，英国)，其弹性模量为54±12kPa，作模型粘土C92(ModelMagic，克雷奥拉，伊斯顿，宾夕法尼亚州)，其弹性模量为92±9kPa和作模型粘土C145(ModelingClay，克雷奥拉，伊斯顿，宾夕法尼亚州)，其弹性模量为145±10kPa。为了评估不同肿瘤的界面性质，做出每一形式的做模型粘土的模型形成相同尺寸的，约22mm长、12mm宽和14mm高，具有不同的表面纹理的二种形式的夹杂物8。如图5(a)所示，作成具有光滑的顶面S的第一夹杂物8代表良性肿瘤，而如图5(b)所示，带有绉纹的顶面R的第二夹杂物8代表恶性肿瘤。有绉纹的表面模仿恶性肿瘤的多枝或粗糙的界面区域的物理性质。所有R夹杂物具有2-4mm宽和7mm深沿着夹杂物宽度的矩形槽。在形成后，作模型的粘土夹杂物嵌入如明胶一类的基块9中。夹杂物表面的顶离明胶顶面3mm。将57.75g的明胶(飞世尔科技，匹兹堡，宾夕法尼亚州)与80℃的275ml的水混合，在热板上放置5min制成的明胶基块9的浓度为0.21g/ml。在将每一个样件放在盘中后，把明胶混合物倒在样件上至希望的高度，在5℃下冷却一小时至凝固，然后在测量前在室温下平衡一小时。

利用人造组织样件的弹性模量(E)确定肿瘤的尺寸。在压印模式下，利用PEFS测量样件的弹性模量，如图5(a)的相片所示，使悬臂的指向与人造组织的表面平行[16，17]。当加电压Va在悬臂的驱动PZT层上时，形成力产生进入组织的垂直位移d(压痕)，从而在检测PZT层上感应出电压Vin。组织的弹性模量E与所加的力F，接触面积A，和组织的垂直位移d有关，即

E = \frac{1}{2} {(\frac{π}{A})}^{1 / 2} (1 - v^{2}) \frac{F}{d}, - - - (1)

式中v为组织的泊松比。因为测量悬臂的尖端位移d与V_in成线性比例，因此弹性模量E可方便地用V_in表示，即

E = \frac{1}{2} {(\frac{π}{A})}^{1 / 2} (1 - v^{2}) \frac{K (V_{i n, 0} - V_{i n})}{V_{i n}}, - - - (2)

式中K为测量悬臂的弹簧常数，V_in，0为没有组织的测量悬臂的检测PZT层上的感应电压。这样，事先知道V_in，0和通过测量各种V_p时的V_in，通过作出对V_in的图形可推导组织的弹性模量E。这可方便地通过LabView来作。测量的细节可在参考文献18中找到。

沿着x和y方向扫描得到的每一个夹杂物的弹性模量分别称为E_x和E_y。注意，所有S夹杂物和R夹杂物的长度，宽度和高度相同，不同的只是S夹杂物具有光滑的顶部表面，而R夹杂物具有绉纹表面。每一个夹杂物的扫描区域及其附近为44mm×68mm，间隔为4mm。

作为一个例子，在图6(a)和(b)中表示在C145作模型粘土的S和R夹杂物的x方向和y方向的弹性模量轮廓。如图6(a)的插页中示意性地所示，E_x，S和E_x，R分别为沿着夹杂物的中心线在x方向的S和R夹杂物的弹性模量。如图6(b)的插页中示意性地所示，E_y，S和E_y，R分别为沿着夹杂物的中心线在y方向的S和R夹杂物的弹性模量。显然，在夹杂物之上的所有E_x，S，E_x，R，E_y，S，E_y，R都为约52±3kPa，而离开夹杂物则降为固定值约9±1kPa，这表示弹性模量测量与表面粗糙度和扫描方向无关。离开夹杂物的明胶基块的弹性模量约为9±1kPa。模型肿瘤的长度和宽度根据在峰值高度一半处的宽度估计，该峰值高度分别表示对于S和R夹杂物，其长度约为19±1mm和约20±1mm，宽度约为9±1mm和9.4±1mm。这些数字与S和R夹杂物已知的长度和宽度一致。

与人造组织样件的绉纹方向垂直测量的剪切模量可用于鉴别人造肿瘤的界面区域的纹理。该纹理可表示恶性。可利用压痕剪切实验方法测量组织的剪切模量，这时如图5(b)所示，悬臂与组织表面垂直。在这种几何形状下，当加电压V_a在测量悬臂的驱动PZT层上时，与组织表面平行的力F作用在组织上，产生组织的水平位移d和检测PZT层的感应电压V_in。组织的剪切模量G可按经验用水平力F、水平位移d和接触面积A表示为：

G = α \frac{1}{2} {(\frac{π}{A})}^{1 / 2} (1 - v^{2}) \frac{F}{d}, - - - (3)

式中ɑ为经验确定的常数。根据实验，ɑ为1±0.2。因为检测PZT层的感应电压与组织的水平位移成比例，同样，剪切模量G可利用感应电压推导为：

E = \frac{1}{2} {(\frac{π}{A})}^{1 / 2} (1 - v^{2}) \frac{K (V_{i n, 0} - V_{i n})}{V_{i n}}, - - - (4)

这可利用LabView通过测量V_in和作出对V_in的图形

\frac{1}{2} {(\frac{π}{A})}^{1 / 2} (1 - v^{2}) K (V_{i n, 0} - V_{i n})

得到。

对于剪切测量，PEFS如图7(a)示意性地所示，与绉纹平行移动(即在x方向移动)，和如图7(b)示意性地所示，与绉纹垂直移动(即在y方向移动)。剪切模量利用如图7(a)所示，与绉纹平行运动和如图7(b)所示，与绉纹垂直运动的接触面积测量。由于绉纹在图7(a)和7(b)的x方向，因此接触面积与绉纹平行运动测量的剪切模量为G_x，接触面积与绉纹垂直运动测量的剪切模量为G_y。同样，可在S夹杂物上测量G_x，G_y。

在x方向和y方向的剪切模量轮廓分别表示在图8(a)和8(b)中。G_x，S和G_x，R分别为如图8(a)示意性地所示，沿着夹杂物的中心线在x方向(与R夹杂物的绉纹平行)作剪切运动时测量的S和R夹杂物的剪切模量；G_y，S和G_y，R分别为如图8(b)示意性地所示，沿着夹杂物的中心线作剪切运动在y方向(与R夹杂物的绉纹垂直)测量的S和R夹杂物的剪切模量。对于S夹杂物，在夹杂物之上的G_x，S和G_y，S约为16±1kPa，与剪切方向无关，而离开夹杂物的则降至约为3±1kPa。相反，对于R夹杂物，在夹杂物之上与绉纹垂直测量的剪切莫量G_y，R为37±2kPa，而与绉纹平行测量的剪切模量G_x，R约为16±1kPa。从在峰值高度一半处的宽度估计的S和R夹杂物的长度和宽度分别为19.2±1mm和19.8±1mm，9.8±1mm和9.6±1mm，与从剪切模量轮廓得到的值及已知的值一致。离开夹杂物的G_y，R和G_x，R降至常数值，约为3±1kPa。上述结果表示表面粗糙度在夹杂物之上的剪切模量测量中起作用。当剪切运动与绉纹的方向平行时，有绉纹的夹杂物的测量的剪切模量与光滑的夹杂物的测量的剪切模量相同。另一方面，当剪切运动与绉纹方向垂直时，测量的剪切模量大于光滑的夹杂物的测量剪切模量的二倍。最后，离开夹杂物大约为3±0.5kPa的G_y，S，G_y，S，G_x，S以及G_x，R的常数值相应于明胶基块的剪切模量。

利用与绉纹的方向垂直测量的剪切模量与弹性模量的比(G/E)确定恶性。已知各向异性的组织或软材料的泊松比v为0.5，其给出的G/E比约为0.3。在图9(a)中作出S和R夹杂物的G_x，S/E_x，R和G_x，R/E_x，R的图，在图9(b)中作出S和R夹杂物的G_y，S/E_y，R和G_y，R/E_y，R的图。注意，图9(a)和9(b)包括由所有三种不同的作模型粘土C54、C92、C145制造的S和R夹杂物的结果。该结果也表示在表1中。

表1样件测量

样件

界面

弹性模量

剪切模量

G_y,S/E_y,S,

弹性模量

剪切模量

G₂/E₂

(E_y,S,E_y,R)

(G_y,S,G_y,R)

G_y,R/E_y,R

(E_x,S,E_x,R)

(G_x,S,G_x,R)

C54

光滑

33.6±1.9kPa

9.9±0.3kPa

0.29

33.6±1.9kPa

8.7±0.1kPa

0.29

C92

光滑

43.4±2.9kPa

13.1±0.6kPa

0.30

33.6±1.9kPa

12.7±0.3kPa

0.30

C145

光滑

51.6±2.7kPa

16.2±0.7kPa

0.31

33.6±1.9kPa

15.2±1.0kPa

0.31

C54

粗糙

32.3±2.8kPa

24.8±1.0kPa

0.77

33.6±1.9kPa

8.5±0.3kPa

0.29

C92

粗糙

41.4±1.7kPa

30.0±1.1kPa

0.72

33.6±1.9kPa

12.6±0.9kPa

0.30

C145

粗糙

51.7±2.5kPa

37.1±1.6kPa

0.72

33.6±1.9kPa

15.6±1.1kPa

0.31

图9(a)表示对所有的S夹杂物，在夹杂物之上或离开夹杂物的x方向和y方向的G/E比都约为0.3。图9(b)表示，与S夹杂物不同，当剪切测量与绉纹方向垂直时，在夹杂物之上的所有R夹杂物的G/E比(G_y，R/E_y， _R)都大于0.7，而离开夹杂物则降至约为0.3。相反，当剪切测量与绉纹方向平行时，在夹杂物之上或离开夹杂物的R夹杂物的G/E比(G_x，R/E_x，R)为常数，约为0.3。可看出，当与绉纹垂直测量时，R夹杂物增加的剪切模量转移至增加G/E比比各向异性的软组织希望的0.3大得多。

当与绉纹的方向垂直测量时，剪切模量比与绉纹平行测量的或在光滑的夹杂物上测量的大二倍多。结果，与光滑的夹杂物的G/E比或与绉纹平行测量的G/E比相反，当与绉纹垂直测量时，粗糙的夹杂物上的G/E比增加至0.7以上。不希望受理论的限制，当与绉纹方向垂直测量时，剪切模量的增加和在粗糙夹杂物上G/E比的增加是由于绉纹表面的互锁性质引起的，这使得明胶或作模型的粘土在受到剪切应力时更难水平运动。

为了研究G/E比是否随着不同的界面粗糙程度改变，如图11示意性地所示，沿着与x轴线成θ角的扫描路径测量E和G。图12表示在各个θ时，所得到的G/E比与离夹杂物中心的距离的关系。在图12中，所有距离都正常化了，使夹杂物在所有角度下具有相同的宽度以容易比较。可以看出，在粗糙的夹杂物之上，G/E比逐渐地从θ＝0(与绉纹平行)的0.33增加至θ＝90°的0.7以上，而对于光滑的夹杂物，不论θ角如何和是否在夹杂物或明胶之上，G/E比都在0.33左右。虽然，扫描路径相对于绉纹方向的角度变化不是人为增加界面粗糙度的唯一方法，它表示当θ从0增加至90°时，夹杂物的G/E比随着界面粗糙度人为的增加而增加。

另外，测试的PEFS的接触尺寸为3.8mm，比槽的宽度2mm大。因此，在大多数测量中，接触面积只覆盖作模型粘土齿或其一部分和槽的一部分。在这种条件下R夹杂物的深度基本上为作模型粘土齿的深度，这是在这个研究中用于比较的。然而，如果接触尺寸比槽尺寸小，则根据测量是在齿之上或部分地或完全的或全部在槽之上，测量的剪切模量不同。在齿之上的测量的剪切模量与在这个研究中测量的相同，而在槽之上测量的剪切模量可不同，因为槽的深度比齿大得多。

例2

研究PEFS确定弹性模量测量的深度灵敏度。PEFS由二个压电层制成，即顶部127μm厚的PZT层(105-H4E-602，PiezoSystem，剑桥，马萨诸塞州)它的作用是驱动底部127μm厚的与50μm厚的不锈钢层(阿尔法埃莎，沃德希尔，马萨诸塞州)粘接的检测PZT层。该不锈钢层在用于进行压缩和剪切测试的PEFS远端形成方形的尖端。

如图13(a)所示，为了确定PEFS的深度灵敏度，在2-17mm的各种深度下，将弹性模量约为80kPa的作模型的粘土夹杂物嵌入弹性模量约为4±1kPa的明胶基块中制成人造组织样件。然后，通过利用不同宽度，即8.6mm、6.1mm、3.6mm的三个PEFS的压痕压缩测试，测量模型组织的弹性模量。再将模型组织的得到的弹性模量对作模型的粘土嵌入明胶基块中的深度作图，如图13(a)所示。白，绿和红色的条分别相应于用8.6mm、6.1mm、3.6mm宽的PEFS测量的弹性模量。可以看出，对于3.6mm(红)、6.1mm(绿)和8.6mm(黑)宽的PEFS，模型组织的弹性模量分别基本上与深度≥8mm(红)，≥12mm(绿)和≥16mm(黑)的明胶基块的弹性模量相同。图13(b)表示深度灵敏度极限的图，它证明PEFS的深度灵敏度极限大约为接触区域宽度的二倍。

例3

研究定义为可得到精确测量的最大深度的例1的PEFS的深度灵敏度，以确定传感器的精度和可靠性。具体地是研究PEFS的深度灵敏度以确定组织样件的剪切模量和G/E比。与先前研究确认弹性模量的测量是精确的，其深度灵敏度约为PEFS接触区域尺寸的二倍相同，剪切模量的测量的深度极限和G/E比也为接触区域尺寸的二倍。

研究嵌入人造组织样件中的7个S夹杂物和嵌入人造组织样件中的7个R夹杂物的剪切模量。每一个夹杂物为约22mm长，12mm宽和由C92作模型粘土制成。该粘土的弹性模量很接近地模仿乳房肿瘤的弹性模量。该夹杂物以变化的深度嵌入明胶基块内。夹杂物的深度表示在表2中。

表2夹杂物深度

S夹杂物#

R夹杂物#

深度(mm)

1	1	1.7
			2	2	3
3	3	4.7
			4	4	7
5	5	8.6
			6	6	10.1
7	7	11.6

将夹杂物嵌入用同样的方法制备的单个的明胶样件上确定的弹性模量为3±0.2kPa和剪切模量为1±0.2kPa的明胶中。7个S夹杂物和7个R夹杂物的弹性模量和剪切模量在夹杂物的中心之上测量，而R夹杂物的剪切模量与绉纹的方向垂直测量。

图10(a)表示S夹杂物(开放的圆)和R夹杂物(开放的方形)的得出的弹性模量与夹杂物深度的关系。图10(a)所示的阴影水平带表示具有实验不确定性的明胶基块的弹性模量。经验上说，弹性模量测量的深度灵敏度为夹杂物的测量的弹性模量不能与明胶基块的测量的弹性模量区别的深度。可看出，测量的弹性模量与S夹杂物的深度的关系相应于R夹杂物的该关系，二者的深度灵敏度都为7-8mm，约为悬臂宽度3.8mm的二倍。

图10(b)表示S夹杂物(开放的圆)和R夹杂物(开放的方形)的得出的剪切模量与深度的关系。阴影的水平带表示有标准偏差的明胶基块的剪切模量值。可看出，S夹杂物和R夹杂物的剪切模量的深度灵敏度均为约8mm，与测量弹性模量时的深度灵敏度相同。在图10(c)中，作出S夹杂物(开放的圆)和R夹杂物(开放的方形)的G/E比与夹杂物深度的关系。对于S夹杂物，G/E比对所有深度相同，约为0.3。对于深度小于8mm的R夹杂物，G/E为0.7左右。当深度大于8mm时，G/E比的值减小，当深度大于10mm时，该值变成0.3。从图10(c)可看出，本3.8mm宽的悬臂的深度灵敏度为8mm左右，约为接触区域尺寸(它是悬臂的宽度)的二倍。

例4

研究PEFS阵列的深度灵敏度。与单个PEFS比较，PEFS阵列的深度灵敏度高。

研究包括利用二个3.8mm宽的PEFS的阵列进行深度灵敏度测量。如图14(a)示意性所示，与图13的插页中所示的相同，PEFS并排排列，以测量包含各种深度的作模型粘土夹杂物8的人造组织的弹性模量。二个PEFS放在每一个模型夹杂物之上的中心。使由二个PEFS进行的测量同步。即加在二个PEFS的驱动PZT层上的电压是同一时间以相同的大小加的。同时还测量二个PEFS的检测PZT层上的感应电压。如先前在例2中确定的那样，PEFS的深度灵敏度约为PEFS宽度的二倍。通过使二个相邻的PEFS的测量同步，PEFS阵列如一个大的PEFS。因此，PEFS的综合宽度增加总的深度灵敏度。图14(b)表示测量的弹性模量作为由同步的PEFS阵列得到的测量的夹杂物深度的函数的图形。

为了比较，如图15(a)示意性地所示，在夹杂物之上的中心位置，利用单个PEFS进行深度灵敏度测量。图15(b)表示弹性模量作为PEFS和PEFS阵列深度的函数。同步测量可使PEFS阵列检测深度达13mm的夹杂物，而单个PEFS只能检测小于7mm深的夹杂物。图14-15所示的结果表示，相对于单个PEFS，PEFS阵列的深度灵敏度加倍。同步的PEFS阵列的深度灵敏度粗略的为阵列的接触区域的宽度的二倍。

例5

评估切开的乳房组织的样件，以确定在组织样件内的肿瘤的类型、恶性、侵入性和深度。

研究的一部分中，通过利用8mm宽的PEFS的压印剪切测试测量切开的乳房组织的剪切模量。图16(a)表示包含侵入性和恶性导管肿瘤的切开的乳房组织样件的剪切模量轮廓。图16(a)还表示利用同一PEFS测量的弹性模量轮廓。可看出，如同弹性模量测量一样，压印剪切测量可检测比周围组织的剪切模量高的肿瘤的剪切模量。

另外，可使用G/E比鉴别在夹杂物8和周围基块9之间的界面粗糙度。在图16(b)中，作出作为G/E比的函数的剪切模量图，并表示，与周围组织的G/E比约0.3比较，肿瘤的G/E比大于0.7。这个结果说明，大于约0.3的高G/E比可能与侵入性癌相关。

图17(a)表示包含侵入性导管恶性肿瘤的切开的乳房组织。图17(b)、17(c)、17(d)分别表示弹性模量扫描、剪切模量扫描和G/E扫描，其中亮的颜色代表周围组织的低的E，G，G/E值，而暗的颜色代表高的E，G，G/E值。显然，E和G扫描可辩识由与周围组织比较，肿瘤的暗的高弹性模量和高的剪切模量区域说明的肿瘤的位置。另外，肿瘤的G/E＞0.7表示肿瘤具有比周围组织粗糙的边界，这与侵入性导管恶性瘤的侵入性质一致。

图18(a)表示包含原位导管恶性肿瘤的切开的乳房组织的相片(DCIS)。图18(b)、18(c)、18(d)分别表示弹性模量(E)扫描、剪切模量(G)扫描和G/E扫描。在肿瘤处的E和G比周围组织的高，说明不正常。肿瘤处的G/E比约为0.3，与周围组织的G/E比相同，这与原位导管恶性肿瘤限制在乳管管内和不是侵入性的事实一致。

图19(a)表示包含增生的切开的乳房组织。图19(b)、19(c)、19(d)分别表示弹性模量(E)扫描、剪切模量(G)扫描和G/E扫描。在肿瘤处的E和G值比周围组织高，说明不正常。G/E比约为0.5，说明增生的边界比原位导管恶性肿瘤粗糙，但不如侵入性导管恶性肿瘤粗糙。

如评估的外科医生所述，增生难以触诊辩识。病理学上说，这是没有清晰边界的不正常生长。因此，因为用E和G扫描可发现增生，并且这个例子表示，增生的G/E比与侵入性的导管恶性肿瘤或原位导管恶性肿瘤不同，可用它作为发现各种类型的乳房不正常的灵敏和强有力的筛选工具。

评估了总共42个体外的乳房组织样件，并与病理组织分析比较。肿瘤的形式列在表3中。

表3在各种乳房不正常中的G/E分布

	G/E＝0.3	G/E＝0.5	G/E>0.7	总数
					恶性
侵入性恶性肿瘤	1		23	24
					原位导管恶性肿瘤	7		1	8
良性				10
					增生		7	1	8
纤维细胞	1			1
					纤维多脂肪	1			1
总共				42

PEFS测量显示，侵入性恶性肿瘤的G/E比大于0.7(24个中有23个)，增生的G/E比等于0.5(8个中有7个)，原位导管恶性肿瘤的G/E比为～0.3(8个中有7个)和纤维细胞与纤维多脂肪的G/E等于0.3(2个中有2个)

如表4所示，肿瘤的恶性还可用组织样件的G/E比评估。

表4恶性分析

	恶性	良性
				G/E＝0.3或>0.7	32(TP)	3(FP)	35(TP+EP)
G/E＝0.5	0(FN)	7(TN)	7(FN+TN)
				总共	32(TP+FN)	10(FP+TN)	42(TP+EP+FN+TN)

使用G/E比＞0.7或等于0.3作为恶性判据，则恶性的灵敏度为100％(32个中有32个)。特殊性为70％(10个中有7个)，和精度为93％(42个中有板有39个)。肯定的预测值(PPV)为91％(35个中有32个)和否定的预测值(NPV)为100％(7个中有7个)。这些结果列在下面的表5中。

表5切开的42个乳房组织的统计

	灵敏度	特殊性	精度	PPV*	NPV**
						恶性	100％(32/32)	70％(7/10)	93％(39/42)	91％(32/35)	100％(7/7)
侵入性	96％(23/24)	89％(16/18)	93％(39/42)	92％(23/25)	94％(16/17)

可看出，PEFS的灵敏度为100％，特殊性为70％，恶性判别的精度为93％。

表6侵入性分析

	侵入性	非侵入性
				G/E>0.7	23(TP)	2(FP)	25(TP+FP)
G/E<0.7	1(FN)	16(TN)	17(FN+TH)
				总共	24(TP+FN)	18(FP+TN)	42(TP+FP+TNFN)

另外，还可利用G/E比＞0.7为判椐，区别侵入性肿瘤，例如侵入性恶性肿瘤和非侵入性肿瘤，例如导管恶性肿瘤，如以上表6所示。灵敏度为96％(24个中的23个)，特殊性为89％(18个中的16个)，和精度为93％(42个中的39个)。肯定预测的值为92％(25个中的23个)，否定预测值为94％(17个中的16个)。这些结果也列在表5中。可看出，对于预测侵入性恶性肿瘤，PEFS的灵敏度为96％，特殊性为89％，精度为93％。

另外，作为研究的一部分，利用不同宽度的二个PEFS，在同一肿瘤上进行弹性模量轮廓测量以便不用仿真同时确定肿瘤深度和肿瘤弹性。图16(a)表示利用8mm宽和3mm宽的PEFS测量的肿瘤的弹性模量轮廓。从图16(a)可看出，由于二个PEFS的不同深度的灵敏度极限，使用不同宽度的二个PEFS测量的弹性模量轮廓不同。从该二个弹性模量轮廓，利用以下的式子，可推导出肿瘤的弹性模量E_t和肿瘤深度d:

\frac{d_{1}}{E_{l}} = \frac{d}{E_{n}} + \frac{d_{1} - d}{E_{t}}, - - - (5)

和

\frac{d_{2}}{E_{l}} = \frac{d}{E_{n}} + \frac{d_{2} - d}{E_{t}}, - - - (6)

d₁和d₂分别为PEFS和PEFS的深度灵敏度极限，E₁，E₂为测量的弹性模量，E_n为正常乳房组织的弹性模量。利用在肿瘤中心测量的弹性模量，深度灵敏度极限和从位于离肿瘤一个距离的平的组织区域得到的E_n，可以确定d＝5mm，和E_t＝68kPa。从横向弹性模量和剪切模量轮廓可估计肿瘤的横向尺寸为6mm。

例6

接着继续以上例5的体外乳房组织实验，结果数据如下。总共评估了71个乳房组织样件并与病利组织分析比较。

图20表示作为病人年龄的函数的71个乳房组织样件的正常乳房组织的E和G图。可看出，E和G随着年龄变化，年轻妇女的E和G较高。24岁妇女的正常乳房组织的E为约18kPa，24-40岁的妇女约为18-15kPa。同样，24-40岁的妇女的正常乳房组织的G约为6-5kPa，约90岁的妇女降至约3kPa。结果显示，在正常的乳房组织的E和G与病人年龄之间有强的相关，年轻妇女的E和G较高。

所有71个样件的正常的乳房组织的平均E和G为E_n，ave＝13±kPa，G_n， _ave＝4.4±1kPa，其中n表示正常组织。在71个情况中有33个情况为侵入性恶性肿瘤(IC)(32个侵入性导管恶性肿瘤和1个侵入性小叶片恶性肿瘤)，9个原位导管恶性肿瘤(DCIS)和19个良性情况(BC)，包括纤维细胞，增生，钙化，纤维腺瘤，乳头瘤和腺组织。

作为一个例子，图21(a)-21(b)分别表示乳房切除术样件的E图，其插页表示在E测量结构中的PEFS和G图，其插页表示在G测量结构中的PEFS。在分别在图21(a)和21(b)所示的E和G图中，亮颜色区域代表正常乳房组织的E或G，和暗颜色区域表示不正常组织的不正常高的E和G特征。显然，利用E和G图的对比，可确定切开的样件内的不正常组织的位置和确定不正常区域的尺寸。在肿瘤处的E和G比在周围组织中的高，侵入性导管恶性肿瘤的G/E＞0.7。采用这种检测策略，PEFS对不正常的乳房组织有明显高的检测灵敏度，即对于整个年龄组(24－90岁)p＜0.01时灵敏度约为100％。对40岁以下和乳房组织正常的妇女，弹性模量和剪切模量与40岁以下的妇女的相同(检查了71个情况约为35％)。

PEFS在精确确定肿瘤尺寸中是有效的。图22表示比较利用PEFS测量肿瘤尺寸和由病理学确定的肿瘤尺寸的图。结果在统计上是一样的。重要的是指出，这些样件中的26个包括皮肤和乳头。因此，结果表示皮肤和乳头不影响PEFS测量的质量。表7表示原位恶性肿瘤(CIS)，侵入性恶性肿瘤(IC)和良性肿瘤的E和G的平均测量值。可看出，不论病人年岭如何，这些值为正常乳房组织的3－5倍。

表7

	CIS	IC	良性
				弹性模量(E)	62±10kPa	55±9kPa	44±12kPa
剪切模量(G)	23±10kPa	40±10kPa	24±10kPa
				P值	<0.01	<0.01	<0.01

表8表示具有不同的G/E比的肿瘤的不同类型。例如，图21(c)中的暗颜色区域表示G/E＞0.7这相应于IC。

表8

	G/E＝0.3	G/E＝0.5	G/E>0.7	总数
					恶性	10	2	35	47
侵入性恶性肿瘤	2	2	34	38
					原位恶性肿瘤	8		1	9
良性	6	13	5	24
					总共	16	15	40	71

这样，如表9所示，只用G/E＞0.7和G/E＞0.7或G/E＝0.3，可分别以89％的灵敏度和82％的特殊性，与96％的灵敏度和54％的特殊性预测侵入性恶性肿瘤和恶性肿瘤(包括IC和CIS)。

表9

	灵敏度	特殊性
			恶性	96％(45/47)	54％(13/19)
侵入性	89％(29/33)	82％(24/28)

如图20所示，71个体外乳房组织样件中25个具有高弹性模量和剪切模量，表示机械密致的乳房组织。如上所述，在这些具有机械密致乳房组织的25个情况中，不正常的检测灵敏度也为100％。另外，利用相同的上述的G/E判据，可以93％的灵敏度和80％的特殊性确定在这些25个样件中的侵入性恶性肿瘤的诊断，并以94％的灵敏度和63％的特殊性(见表10)确定在这些25个样件中的恶性诊断。这些基本上是与整个年龄组的灵敏度和特殊性相同。这个数据还支持PEFS可以检测密致的乳房组织以及其它乳房组织的乳房肿瘤的结论。

表10

	灵敏度	特殊性
			恶性	94％(16/17)	63％(5/8)
侵入性	93％(14/45)	80％(8/10)

例7

在实验室中评估切开的乳房组织中的PEFS的使用。从60岁有乳房癌的老妇女身上取出乳房局部切除术样件。已知的恶性为最大尺寸是1.4cm。在外科切开后，用丝的缝合线给样件定向，用超声波扫描，和存储图像。在相同的取向上进行PEFS扫描，以容许后来与超声图像相关。在相同取向将该样件作薄片，以便对PEFS的发现作组织的确认。利用带矩形尖端的8mm宽的PEFS，在乳房的乳房局部切除术样件上进行初步的弹性模量测量。用8mm宽的PEFS测量的乳房局部切除术样件的横向弹性模量轮廓可区分癌组织与周围组织。PEFS扫描可辩识大的15×13×12mm的侵入性导管恶性肿瘤和较小的6×5×3mm的伴随的侵入性导管恶性肿瘤。注意，这种小的疾患用早期胸部肿瘤X射线测定法，超声或内科医生手术前触诊是不能发现的。发现的肿瘤的位置和尺寸被病理学测量证明。

例8

检查在她右乳房的右侧(10点钟)上可能有乳房肿瘤的51岁的老病人。早期胸部肿瘤的X射线测定法忽略了该肿瘤。图23(a)表示当病人在仰卧位置时机器人臂将PEFS阵列放在病人的乳房上。如图26(a)-26(d)所示，PEFS阵列由4个单个的PEFS传感器构成。PEFS阵列的特写镜头表示在图23(b)中。病人的皮肤以10mm的间隔标上7个参考标签，表示肿瘤的位置。PEFS阵列在参考标签上从左向右运动。一次用一个PEFS进行测量。深度灵敏度极限约为2cm。图24表示由PEFS得到的测量。肿瘤区域的弹性模量约为28kPa，而该区域的其余部分的弹性模量约为10-11kPa。根据这个信息，推导出肿瘤约为2.5cm×1.7cm，接近由病理学确定的肿瘤的实际尺寸2.5cm。

同步使用二个PEFS也可评估同一个肿瘤。利用二个同步的PEFS在肿瘤上测量的弹性模量约为38kPa。正常的乳房组织的弹性模量也增加，表示当二个PEFS同步工作时，由于深度灵敏度加倍，测量也包括胸壁的一部分。这说明PEFS阵列的深度灵敏度合适。

PEFS和PEFS阵列依次放置在肿瘤上，并且PEFS阵列精确地确定其尺寸。另外，在处理的过程中，病人不感到不舒服。

例9

图25表示不同尺寸的多个PEFS和PEFS阵列的深度检测测灵敏度。结果表示这些PEFS和PEFS阵列的深度灵敏度约为相应的PEFS和PEFS阵列的宽度的二倍。从图25可看出，同步工作的4个8mm宽的PEFS阵列的综合宽度约为32mm，其深度灵敏度约为63mm为组织的接触区域宽度的二倍。

例10

为了减少病人筛选的扫描时间和改善装置的性能，可以制造包括接触区域约为4-10cm的n×1PEFS阵列，便携式测量装置和自动快速扫描的机器人臂的PEFS系统。每一个PEFS长约为3cm，宽约为8-10mm并具有加力用的3cm长，8-10mm宽和127μm厚的顶部PZT层(T105-H4E-602，PiezoSystemInc.，剑桥，马萨诸塞州)和检测用的同样厚度和宽度的2cm长的底部PZT层。该顶部和底部PZT层可利用在室温下硬化一天的不导电的环氧树脂(汉高乐泰公司，工业，加利福尼亚州)与在中部的50μm厚的相同宽度的不锈钢层(阿尔法埃莎，沃德希尔，马萨诸塞州)粘接。为了便于进行压缩和剪切测量，在不锈钢中层的尖端的自由端上作出方形的环，方形的每一侧等于悬臂的宽度。PEFS夹紧在图26(a)和26(b)所示的夹持器内，顶部可拧紧，如图26(c)所示，而底部也可拧紧，如图26(d)所示，以帮助保护PEFS和使乳房表面平坦，以保证PEFS表面和乳房的全接触，获得测量精度。

为了测量弹性模量，与图23(a)相同，阵列中的PEFS与组织表面平行和水平放置。为了测量剪切模量，阵列中的PEFS与组织表面垂直。PEFS阵列的布置使该阵列的接触区域的轮廓很好地与乳房的轮廓匹配。该阵列的尺寸可变化以适应不同尺寸的乳房。

利用PEFS阵列扫描切开的组织以得到E和G图。利用E或G的半峰值处的宽度可以从E或G图确定肿瘤尺寸。为了确定肿瘤深度，可利用阵列中不同接触区域的二个PEFS，在相同位置作测量。将肿瘤形式和肿瘤的恶性与侵入性与得到的G/E比相关，并将肿瘤的尺寸、位置和类型与超声和病理学的结果比较以进行核实。

为了建立PEFS阵列可发现年轻妇女和早期胸部肿瘤X射线测定法确定的密致乳房的妇女的乳房癌，将PEFS在体外样件中测量的正常的组织的弹性和剪切模量与由早期胸部肿瘤X射线测定法确定的乳房密度比较。

还可用PEFS探测病人。确定检测癌与非癌组织的精度，肿瘤范围和肿瘤中心以及正常乳房组织的弹性模量和剪切模量。评估具有所有形式的病理学的妇女的不正常检测效率、乳房尺寸和密度。使PEFGS扫描与组织截面相关，以确认肿瘤的边界和正常与恶性组织的特征。实验还将使用PEFS得到的在体内和体外的正常的组织的E和G与病人的早期胸部肿瘤X射线测定法测定的密度比较。还比较在体内和体外得到的肿瘤尺寸和位置与肿瘤类型。

例11

利用三个PEFS确定在明胶组织的样件模型中的代表不正常组织的夹杂物的精确位置。利用127μm厚的铅锆酸盐钛酸盐(PZT)片(T105-H4E-602，PiezoSystem，Inc.，剑桥，马萨诸塞州)和50μm厚的不锈钢304箔(阿尔法埃莎，沃德希尔，马萨诸塞州)制造悬臂。

样件模型的二个层的总厚度为2mm。因为探头是测量，但不深入超过模型的底部“脂肪”层，因此探头直径在0.5-1mm范围内。为了确定T_皮肤，E_皮肤和E_脂肪，使用带有3个不同探头接触区域的悬臂。为了得到在人的皮肤范围内的深度灵敏度，该悬臂具有变化的探头接触区域。下面的表11表示3个悬臂中的每一个的探头尺寸和得到的检测深度。悬臂的探头由电镀的钢丝(卡规24，22和20)制成。钢丝用钢丝切刀切至长度约为2mm并用以下的超级胶水胶接在悬臂的自由端上。

表11

	探头接触直径(mm)	检测深度(mm)
			悬臂A	0.559	1.118
悬臂B	0.711	1.422
			悬臂C	0.914	1.828

在175N/m下的k值给出悬臂适应皮肤和保持样件/病人必需忍受的最小应变(＜10％)的挠性。

图28为用于表示T_皮肤，E_皮肤，E_脂肪的测量的皮肤模型的图。该模型用表示人的皮肤(GLS公司VersaflexCL300，E＝500kPa)和皮下脂肪(B型实验明胶，E～10kPa)的性质的材料制成。这些材料满足对顶层皮肤的E和对底层脂肪的E的判据。

测量E_皮肤、E_脂肪和T_皮肤

利用压印测试测量E。加电压在PZT的驱动层上，使探头进入样件一个距离d。因为在检测PZT层上的感应电压(V_in)与悬臂的自由端的位移成线性，因此，感应电压与位移d相关。分别利用示波器和激光位移计测量在探头下有和没有样件时由所加的电压范围产生的感应电压和位移。样件在探头上产生的阻力表示由所加的电压产生的位移。利用几个所加电压(V_a)的V_in，o(不带样件的感应电压)和V_in(带样件的感应电压)计算整个样件(不是单个的层)的有效模量(E_eff)。E通过以下式子与V_in有关：

E_{e f f} = \frac{x}{V_{i n}}

其中

X = \frac{1}{2} {(\frac{π}{A})}^{1 / 2} (1 - {&upsi;}^{2}) K (V_{i n, o} - V_{i n})

式中υ为顶层材料的泊松比，

K为悬臂的有效弹簧常数，A为探头的圆形接触面积。

6个所加电压的X对V_in的斜率给出样件的有效E。因为有3个不同探测深度的3个悬臂，因此测量样件的3个不同的有效E值(E_A，E_B，E_C)。利用将二个层的模型模拟为二个串联弹簧的一组式子可使用这些值计算T_皮 _肤，E_皮肤，E_脂肪。

二个串联弹簧的弹簧常数相加如下：

模型的二个层也是串联的，因此其弹簧常数以相同方法相加。对于这个模型，k₁为顶部“皮肤”层的弹簧常数，k₂为底部“脂肪”层的弹簧常数。由于

则

图27表示E_A，E_B，E_C如何由E_皮肤，E_脂肪构成和与以上(4)，(5)，(6)式的关系。利用式(4)，(5)，(6)，可推导出以下一组式子：

悬臂A：

悬臂B：

悬臂C：

E_A，E_B，E_C是测量的值，D_A，D_B，D_C已知(探头直径的二倍)，因此式(7)，(8)，(9)中的未知数只是T_皮肤，E_皮肤，E_脂肪。通过解这组式子可计算3个未知数。

上述例子只是为了说明，不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附的权利要求书确定。

Claims

1.一种悬臂传感器，其特征在于，其包括：

悬臂，该悬臂具有：

由压电材料制成的第一层；

与所述第一层接触，由非压电材料制成的和在其远端包括为L形、U形、方形、矩形、O形或锥形中的一种形状的结构的第二层；

与所述第二层接触，由压电材料制成的第三层；和

至少一个将电压加在所述第一层上的导电元件。