CN106137251A - 用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术和健康电子产品领域，尤其提供了一种用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪。该超声探头包括：分离的发射晶片和接收晶片；发射侧背衬层，设置于所述发射晶片的背面；接收侧背衬层，设置于所述接收晶片的背面；以及隔板，由绝缘且吸声的材料制备，包括：第一隔离段，夹设于所述发射晶片和接收晶片之间；以及第二隔离段，夹设于所述发射侧背衬层和接收侧背衬层之间。本发明将发射晶片的被衬和接收晶片的背衬彻底隔开，避免了发射晶片的激励信号等影响接收晶片，从而提高了接收信号的信噪比，方便了信号判读。

Description

用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪

技术领域

本发明涉及医疗器械技术和健康电子产品领域，尤其涉及一种用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪。

背景技术

随着人们生活水平的提高和生活方式的改变，肥胖现象越来越普遍，肥胖及其所引发的健康问题已经成为人们所关注的热点。

人体中脂肪的百分含量是衡量健康状况的重要标志。从人体解剖学角度来看，人体中包括遍布全身的浅筋膜和深筋膜。其中，浅筋膜又称皮下筋膜，位于皮下，由疏松结缔组织构成，大多含有脂肪；深筋膜又称固有筋膜，位于浅筋膜以下，由致密结缔组织构成，用于包覆体壁、四肢的组织以及血管、神经等。人体的脂肪组织包括皮下脂肪和体内层状分布的脂肪。其中，皮下脂肪是指贮存在皮下的脂肪组织，位于皮肤层(即真皮层)以下，深筋膜以上；体内脂肪主要是贮存于腹腔的内脏脂肪组织和存在于骨髓中的黄色脂肪组织。

经临床实践证明，皮下脂肪是人体脂肪的主要组成部分，其大约储存了人体脂肪总量的2/3。因此，测量皮下脂肪厚度成为估计体内总脂肪状况的有效指数。此外，对特定部位皮下脂肪厚度进行测量还可以为相应塑身减肥方法提供参考依据。

近年来出现了采用超声法测量皮下脂肪厚度的技术。该技术主要利用超声波穿过人体皮下组织时，会在两种不同声阻抗的界面-皮下脂肪和深筋膜的交界面，发生反射的性质，来进行皮下脂肪厚度的测量。

现有技术(专利申请号：201210031518.2)提供了一种的脂肪厚度测量探头。图1为现有技术脂肪厚度测量探头的示意图。其中，(A)为收发一体式超声探头。该收发一体式超声探头包括：声接收层1、超声晶片2和声匹配层3。(B)、(C)、(D)为三种收发分离式平面超声探头。该收发分离式平面超声探头包括：声接收层1、声匹配层3、发射晶片4、绝缘层5和接收晶片6。与收发一体式超声探头相比，收发分离式超声探头可以方便的使发射探头采用发射灵敏度高的压电材料制成，而接收探头采用接收灵敏度高的压电材料制成，从而使超声探头达到尽可能高的灵敏度。

请参照图1中(B)、(C)和(D)所示，在发射晶片4和接收晶片6之间具有绝缘层5，以实现两者之间的电性隔离。同时，在发射/接收晶片与人体之间，具有匹配层3。该匹配层3的功能是增大频域带宽，使时域信号变窄，以提高检测的纵向分辨率。

图2为图1中所示收发分离式超声探头所测得的超声回波信号经放大后的波形图。在图2所示的波形图中，横坐标为时间轴，与超声波进入人体的深度相关，纵坐标为超声回波信号的幅度。其中，波形A对应激励发射晶片4的电信号，波形B对应于耦合层与皮肤表面之间交界处的一次反射回波，波形C对应于人体中表皮层和真皮层的交界面，波形D是真皮层与第一脂肪层的交界面。波形E和波形G同属于一个数据组，波形E为第一脂肪层与第一筋膜层之间的第一界面处产生的一次反射回波，波形G为波形E的二次反射回波。波形F和波形J分别为不同数据组中的两个不同超声回波，其中，波形F为第二脂肪层与第二筋膜层之间的第二界面处产生的一次反射回波，依次类推。

然而，对于图1给出的四种超声探头，其接收信号中无用信号较多，给后期的信号处理和判读造成困难，特别是具有检测盲区，即对于非常薄的组织结构，无法将无用信号与有用回波信号分离。如何尽可能的抑制无用信号，同时降低接收信号的噪声，提高信噪比，方便信号判读，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪，以降低超声探头的噪声，提高接收信号的信噪比。

(二)技术方案

本发明的一个方面提供了一种用于皮下组织厚度测量的超声探头。该超声探头包括：分离的发射晶片10和接收晶片20；发射侧背衬层4l，设置于发射晶片的背面；接收侧背衬层43，设置于接收晶片的背面；以及隔板30，由绝缘且吸声的材料制备，包括：第一隔离段31，夹设于发射晶片和接收晶片之间；以及第二隔离段32，夹设于发射侧背衬层41和接收侧背衬层43之间。

本发明的另一个方面提供了一种用于皮下组织厚度测量的测量仪。该测量仪包括：上述的超声探头；发射单元，通过第一信号线71电性连接至超声探头中的发射晶片；超声回波处理单元，通过第二信号线72电性连接至超声探头中的接收晶片，其接收所述接收晶片输出的超声回波信号并对其进行处理，确定各层皮下组织两两交界面所对应的超声回波；以及计算单元，其根据通过超声波的发射时间和超声回波的接收时间，结合超声波在皮下组织内传播的速度，计算各层皮下组织中一层或者多层的厚度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪至少具有以下有益效果其中之一：

(1)发射晶片和接收晶片之间的隔板向背衬方向延伸，从而将发射晶片的背衬和接收晶片的背衬彻底隔开，避免了发射晶片的激励信号影响接收晶片，从而抑制了无用发射信号的干扰；

(2)在发射晶片和接收晶片的前方设置延迟层，该延迟层厚度大于超声脉冲长度，其可以避免初始脉冲与反射信号叠加，去除近表面盲区，从而可以测量更薄的皮下组织结构；

(3)延迟层采用液体材料，如硅油、酒精、水等制备，从而改善了晶片与延迟层间的浸润效果，进一步增强了信号强度；

(4)发射晶片和接收晶片之间的隔板向延迟层一侧延伸，从而将发射晶片的延迟层和接收晶片的延迟层隔开，从而避免了接收到样品表面的第一个回波，使得信号处理更为方便。

附图说明

图1为现有技术中脂肪厚度测量探头的示意图；

图2为图1中所示收发分离式超声探头所测得的超声回波信号经放大后的波形图；

图3为根据本发明实施例用于皮下组织厚度测量的超声探头的剖面示意图；

图4为图3为根据本发明另一实施例内外分离式超声探头的剖面示意图；

图5为根据本发明用于皮下组织厚度测量的测量仪的结构示意图；

图6为图5所示测量仪中超声波测量的原理图；

图7为利用图5所示测量仪中超声探头在腹部肚脐一侧所测得的超声回波信号经放大后的波形图；

图8为利用图5所示测量仪中超声探头在肱二头肌位置所测得的超声回波信号经放大后的波形图；

图9为利用图5所示测量仪中超声探头在腹部肚脐一侧所测得的超声回波信号经放大后的波形图。

【本发明主要元件符号说明】

10-发射晶片；

20-接收晶片；

30-隔板；

31-第一隔离段；32-第二隔离段；33-第三隔离段；

41、43-发射侧背衬层；42、44-接收侧背衬层；

51-发射侧延迟层；52-接收侧延迟层；

60-外壳；

71-第一信号线；72-第二信号线。

具体实施方式

本发明通过对现有超声探头中隔板进行改进，同时在发射/接收晶片的正面增加了延迟层，以抑制无用信号，降低噪声，提高接收信号的信噪比，方便信号判读。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于皮下组织厚度测量的超声探头。请参照图3，本实施例超声探头为收发分离式超声探头，包括：发射晶片10、接收晶片20、隔板30、背衬、延迟层、外壳60和信号线(71、72)。其中，外壳60呈单侧开口的筒状结构，其内侧形成一容置空间。发射晶片10、接收晶片20、隔板30、背衬、延迟层均固定于该容置空间内。发射晶片10和接收晶片20为分离式构造。隔板30分为三段-第一隔离段31、第二隔离段32和第三隔离段33。其中，第一隔离段31将发射晶片10和接收晶片20电性隔离；第二隔离段32将发射晶片背面的背衬层和接收晶片背面的背衬层隔离；第三隔离段33将发射晶片正面的延迟层和接收晶片正面的延迟层隔离。

以下对本发明用于皮下组织厚度测量的超声探头的各个组成部分进行详细说明。

发射晶片10和接收晶片20均是具有压电效应的晶体、陶瓷或复合材料，在外加电压激励下，发射晶片10可以产生超声波，接收晶片20接收来自皮下组织两种不同声阻抗的界面反射产生的超声回波。关于发射晶片和接收晶片的材质等方面的特性，可以参照本领域的相关技术文献，此处不再详细说明。

为了保证接收晶片能够接收到足够强度的回波，发射晶片与接收晶片的远端朝向待测组织方向翘起，翘起角度为α，其中，发射晶片的远端为发射晶片远离接收晶片的一端；接收晶片的远端为接收晶片远离发射晶片的一端。翘起角度α小于8.1°时，可保证利用正入射公式来近似引起的误差小于1％。

无论是发射晶片，还是接收晶片，其背面均设置有背衬。该背衬一般为固定在外壳60上的以环氧树脂为主的混合材料，作用是吸收晶片向背面发射的超声波，使晶片尽快停止振动，从而使超声脉冲宽度尽量小，提高纵向检测分辨率。其中，在发射晶片的背面与容置空间的底部之间，设置有发射侧背衬层41；在接收晶片的背面与容置空间的底部之间，设置有接收侧背衬层42。

对于现有技术中图1中(B)、(C)、(D)所示的收发分离式平面超声探头，虽然发射晶片和接收晶片之间设置有绝缘层，但该绝缘层仅能实现发射晶片和接收晶片之间的电性隔离。申请人经过多次的实验证实，在背衬中存在的导电粒子，如环氧树脂材料在制备过程中添加的钨粉粒子，会在发射晶片和接收晶片之间产生信号通路，从而发射晶片的激励信号会影响到接收晶片所接收到的信号(即图2中的信号A)。

本发明中，隔板30由绝缘且吸声的材料，例如：绝缘橡胶、塑料等材料制备。与本实施例左右分离式接头对应，隔板30呈平面板状，将左右两侧的发射晶片和接收晶片隔开，实现两者的电性隔离。同时，发射晶片和接收晶片之间的隔板30朝向下方延伸，形成第二隔离段32。该第二隔离段延伸至外壳的相应壁面，从而将发射晶片背面的发射侧背衬层41和接收晶片背面的接收侧背衬层42彻底隔开，实现干扰电信号与接收声回波信号的隔离。在这种情况下，发射晶片的激励信号不能再对接收晶片一侧的超声回波信号产生干扰，从而避免接收到图2中的无用信号A。

可以理解的是，图3所示的超声探头为左右分离式结构，即左侧为发射晶片10，右侧为接收晶片20。然而，对于内外分离式结构的超声探头，即内圆部分为发射晶片，外环部分为接收晶片，其同样适用于本发明。在这种情况下，隔板30将呈筒状构造，其第二隔离段将外侧的发射侧背衬层43和内侧的接收侧背衬层44隔开，如图4所示。

请参照图2，在发射晶片10和接收晶片20的正面，均设置有延迟层。其中，在发射晶片的正面，设置有发射侧延迟层51；在接收晶片的正面，设置有接收侧延迟层52。该两延迟层均包括：容器及灌充至该容器内的液体耦合材料。该液体耦合材料可为硅油、酒精、水等。其中，两延迟层中液体耦合材料的厚度L相同，满足：

L≥v*△t/2 (1)

其中，v为超声波在液体耦合材料中的传播速度，△t为超声脉冲的持续时间。

在延迟层中，容器的作用是就是盛放液体耦合材料，其厚度非常薄，在整个延迟层的厚度中可以忽略不计，故在上方公式1中并没有体现。

需要强调的是，本发明中的延迟层并不等同于图1所示收发分离式超声探头中的匹配层，具体来讲；

(1)从材料上来看，两延迟层是由容器及灌充至其中的硅油、酒精、水等液体耦合材料所构成；而现有技术超声部件中的匹配层是由陶瓷、刚玉等固体材料所构成。

(2)从作用上来看，两延迟层的厚度在满足上述情况下，均是大于半个超声波长的，可以去除近表面的盲区，从而可以测量皮下组织更薄的结构，然而，匹配层的厚度一般是1/4超声波长，作用是增大频域带宽，使时域信号变窄，从而提高检测的纵向分辨率。

请参照图3，隔板30朝向上方延伸，形成第三隔离段33。该第三隔离段33将发射晶片正面的发射侧延迟层51和接收晶片正面的接收侧延迟层52隔开。

对于图1中(B)、(C)、(D)所示的收发分离式超声探头。由于直接反射，从而在时间段上产生波形，如图2中波形B所示。对于本发明的收发分离式超声探头而言，由于设置有延迟层，同时隔板的第三隔离段32将发射侧延迟层51和接收侧延迟层52隔开，该隔板由绝缘且吸声的材料制备，一方面实现发射晶片和接收晶片之间的电信号隔离；另一方面实现发射晶片和接收晶片之间的声信号隔离，即使得发射信号在样品表面的第一次回波信号被隔板反射和吸收(如图6中所示虚线)，不能直接被接收晶片所收到，从而避免了接收到图2中的波形B，使得信号采集更为方便。

基于上述超声探头，本发明还提供了一种用于皮下组织厚度测量的测量仪。请参照图3和图5，该测量仪包括：超声探头、发射单元、超声回波处理单元和计算单元。

其中，超声探头为上文所述的超声探头，用于向被测对象发射超声波，同时接收该超声回波经由皮下组织各个界面所产生的超声回波信号。发射单元通过第一信号线71电性连接至超声探头中的发射晶片，用于控制超声探头中的发射晶片10发射超声。超声回波处理单元通过第二信号线72电性连接至超声探头中的接收晶片20，用于接收超声探头中接收晶片输出的超声回波信号并对所述超声回波信号进行处理，得到皮下的脂肪层与深筋膜层的交界处的超声回波。计算单元，用于根据通过超声波的发射时间和超声回波的接收时间，结合超声波在脂肪内传播的速度，计算脂肪层的厚度。

在利用本发明测量仪测量皮下组织厚度时，由于隔板的存在，接收晶片不会接收到来自皮肤表面的回波，而是直接接收到皮下组织中两种不同声阻抗界面的回波。

举例来说，请参照图6，在测量仪的超声探头中，发射晶片和接收晶片的中心频率均为2.5MHz，用2.5MHz单周期正弦电脉冲激励发射晶片，产生超声波。

图7为利用图5所示测量仪中超声探头在腹部肚脐一侧所测得的超声回波信号经放大后的波形图。与图2类似，横坐标为时间，与超声波进入人体的深度相关，单位为s；纵坐标为超声回波信号的相对幅度。超声波到达浅筋膜层和深筋膜层的界面，产生反射，接收晶片接收该反射的回波，得到波形E′(对应于图2中的波形E)。部分声波穿过深筋膜层，到达深筋膜和肌肉界面，产生反射，接收晶片接收该反射的回波，得到波形F′(对应于图2中的波形F)。

测量得到发射信号与波形E′的时间差t₁，减去由延迟层和外壳引起的固定时间t₀，可得超声在样品中的传播时间：

t＝t₁-t₀ (2)

脂肪层的厚度为：

d＝t*c/2 (3)

其中c为超声波在脂肪层内传播的速度。

由延迟层和外壳引起的t₀经测量为8μs，波形E′的时间为20μs，波形F′的时间为30μs。因此，从皮肤表层到浅筋膜与深筋膜的界面的时差为12μs。人体皮下组织的声波速度可估计为1500m/s，故皮肤表层到浅筋膜间的皮下组织(包括表皮层、真皮层和皮下脂肪层)的厚度可由式(3)算出为9mm，进而由波形F′和波形E′的时间差可以得到深筋膜的厚度为7.5mm。

同样的，利用上述测量仪还可以测量除脂肪厚度之外的其他皮下组织，例如肌肉组织的厚度。

图8为利用图5所示测量仪中超声探头在肱二头肌位置所测得的超声回波信号经放大后的波形图。请参照图8，其中波形L对应在肱二头肌位置浅筋膜与深筋膜界面处的回波，即对应脂肪层厚度；波形M对应肱二头肌位置在肌肉与骨骼处的界面回波。波形L和波形M之间的时间差，则对应着肌肉层的厚度。从图8可知，波形L的时间t_L为12.4μs，波形M的时间t_M为51.5μs。

肌肉层的计算公式与公式2、3类似，只是时间差t₁更正为t₁＝t_M-t_L，计算出肌肉层厚度约为29.3mm。波形L和波形M中间的信号是由血管等组织的界面引起的回波，本发明不作关注。

图9为利用图5所示测量仪中超声探头在腹部肚脐一侧所测得的超声回波信号经放大后的波形图。与图7所示的波形图相比，图9所示的波形图采集时间更长，因此测量的组织厚度更深。请参照图9，波形N对应腹部浅筋膜与深筋膜的界面回波；波形O对应腹肌与腹腔间的界面回波。

类似地，波形N处的时间为22.8μs，波形O的时间为45.6μs。可计算出脂肪层和肌肉层厚度分别为11.1mm、17.1mm。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于皮下组织厚度测量的超声探头及测量仪有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)隔板中的各个隔离段可以是一个整体，可以是分开的三段，只要能够实现将两侧电性隔离，防止信号的干扰，均可以实现本发明，优选地，三个隔离段为连续的整体；

(2)关于背衬层、延迟层的厚度，可以根据需要合理调整。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。并且，不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明将发射晶片和接收晶片之间的隔板向下方延伸，将发射晶片对应的背衬和接收晶片对应的背衬隔绝开，实现了干扰电信号与接收声信号的隔离，并且，通过在超声探头的发射晶片和接收晶片的正面设置延迟层，从而去除了近表面的盲区，可以测量更薄的结构，同时，隔板向上方延伸，将发射晶片一侧的延迟层和接收晶片一侧的延迟层隔开，从而回波不能直接被接收晶片所收到，避免了接收到样品表面的第一个回波，使得信号处理更为方便。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于皮下组织厚度测量的超声探头，其特征在于，包括：

分离的发射晶片(10)和接收晶片(20)；

发射侧背衬层(41)，设置于所述发射晶片的背面；

接收侧背衬层(43)，设置于所述接收晶片的背面；以及

隔板(30)，由绝缘且吸声的材料制备，包括：

第一隔离段(31)，夹设于所述发射晶片和接收晶片之间；以及

第二隔离段(32)，夹设于所述发射侧背衬层(41)和接收侧背衬层(43)之间。

2.根据权利要求1所述的超声探头，其特征在于，还包括：

外壳(60)，呈单侧开口的筒状结构，其内侧形成容置空间；

其中，所述发射晶片(10)和接收晶片(20)设置于所述容置空间内，靠近外壳的开口侧；所述发射侧背衬层(41)和接收侧背衬层(43)固定于所述容置空间内，所述隔板的第二隔离段(32)的远端延伸至所述外壳的相应壁面。

3.根据权利要求1所述的超声探头，其特征在于，还包括：

发射侧延迟层(51)，设置于所述发射晶片的正面；

接收侧延迟层(52)，设置于所述接收晶片的正面；

其中，所述发射侧延迟层(51)和接收侧延迟层(52)均包括：容器及灌充于该容器内的液体耦合材料。

4.根据权利要求3所述的超声探头，其特征在于，所述发射侧延迟层(51)和接收侧延迟层(52)中液体耦合材料的厚度均为L，满足：

L≥v*Δt/2

其中，v为超声波在液体耦合材料中的传播速度，Δt为用于皮下组织厚度测量的超声脉冲的持续时间。

5.根据权利要求3所述的超声探头，其特征在于，所述液体耦合材料为硅油、酒精或水。

6.根据权利要求3所述的超声探头，其特征在于，所述隔板(30)还包括：

第三隔离段(33)，夹设于所述发射侧延迟层(51)和接收侧延迟层(52)之间。

7.根据权利要求6所述的超声探头，其特征在于，所述隔板中，所述第一隔离段(31)、第二隔离段(32)和第三隔离段(33)为连续整体。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超声探头，其特征在于：

所述发射晶片和接收晶片为左右分离结构，所述隔板为平面板状结构；或者

所述发射晶片和接收晶片为内外分离式结构，所述隔板为筒状结构。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的超声探头，其特征在于：

所述绝缘且吸声的材料为绝缘橡胶或塑料；和/或

所述发射侧背衬层(41)和接收侧背衬层(43)的材料为环氧树脂；和/或

所述发射晶片和接收晶片的远端朝向待测组织方向翘起，翘起角度小于8.1°，其中，发射晶片的远端为发射晶片远离接收晶片的一端；接收晶片的远端为接收晶片远离发射晶片的一端。

10.一种用于皮下组织厚度测量的测量仪，其特征在于，包括：

权利要求1至9中任一项所述的超声探头；

发射单元，通过第一信号线(71)电性连接至所述超声探头中的发射晶片；

超声回波处理单元，通过第二信号线(72)电性连接至所述超声探头中的接收晶片，其接收所述接收晶片输出的超声回波信号并对其进行处理，确定各层皮下组织两两交界面所对应的超声回波；以及

计算单元，其根据通过超声波的发射时间和超声回波的接收时间，结合超声波在皮下组织内传播的速度，计算所述各层皮下组织中一层或者多层的厚度。