CN108279078A - 基于热释电效应的超声无损测温装置 - Google Patents

基于热释电效应的超声无损测温装置 Download PDF

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曹永刚
於炜力
陈倩
王月兵
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    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue

Abstract

本发明公开了一种基于热释电效应的超声无损测温装置。本发明采用相控聚焦超声换能器发射相控聚焦声束对测温区域进行逐点扫描，经过测温点后聚焦声束会发生散射，然后直达PVDF热释电传感器；PVDF的透声性能较好，绝大部分声波将会透过PVDF的薄膜后进入吸声背衬材料；吸声材料在吸收了声波之后，产生热量，分布于PVDF与背衬材料接触界面的热量会直接传递到PVDF表面，此时具有热释电性能的PVDF表面会产生表面电荷；通过消耗采集系统，该热释电电荷将会被记录，并通过PVDF对透射的超声波进行声功率等效监测，从而根据经过被测点声波的声功率变化，计算出该点的温度变化。

Description

基于热释电效应的超声无损测温装置
技术领域
本发明主要涉及超声无损测温装置，特别涉及一种基于热释电效应的超声无损人体测温装置。
背景技术
近年来，超声诊断已经逐渐成为最主要的医学诊疗手段。尤其随着“HIFU”技术的不断推广和“HIFU”装置的不断出现，超声热疗在肿瘤等疾病的治疗中越发受到了重视。如何对病灶部位的温度实现监测，是超声热疗技术由良性肿瘤治疗向恶性肿瘤治疗迈进的关键。
随着肿瘤热疗（射频消融RFA、高强度聚焦超声等）微创治疗技术的发展，在治疗过程中，存在治疗区域温度不可测量的问题，温度过高会对皮肤和病变部位周边的正常组织造成严重的烧伤，温度过低将导致未能完全杀死肿瘤细胞而使肿瘤组织残存的情况，为了在保护周边组织的前提下，安全有效的灭杀肿瘤细胞，需要对治疗区域温度进行快速、准确的检测。
目前对人体病灶部位的温度实现监测有两类方法：
一类是接触式测温，即把热电偶传感器插入人体组织内部实现对被测区域温度的测量。这种接触式测温，将热电偶插入病人体内，会破坏病人的身体组织，造成病变组织扩散的危险，给病人造成极大的痛苦，此种方法在医学应用上局限性很大。
因此，针对热疗时的测温研究主要是围绕第二类非接触式展开的，这类测温方法以非破坏性的特点备受期待。在科研或临床领域，非接触式测温的方法主要有以下几种：电阻抗成像法（EIT）、微波测温法、核磁共振成像法以及超声无损测温法。其中，电阻抗成像法的空间分辨率低、测量速度较慢、抗干扰性较差；微波测温法主要存在渗透深度有限、抗干扰能力弱的问题；核磁共振测温法能够提供较多的信息，而且无电离辐射，测温的灵敏度较高，但是它的空间分辨率不高，且设备价格昂贵、测试条件苛刻；超声无损测温是利用超声特性与温度的相关性来获取背侧组织的温度的信息的技术，它对人体的危害性小、深度高、速度快、成本低、抗电磁干扰能力强，因而超声无损测温方法在医学中的应用，越来越受到研究人员的关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热释电效应的超声无损测温装置，以解决上述背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明采用超声相控阵激励系统控制相控聚焦超声换能器发射声波对被测区域进行扫描。所述的超声相控阵激励系统由PC机上的串口助手通过串口通信将阵元的延时数据发给现场可编程逻辑门阵列（FPGA），通过FPGA内部的延时计数器和比较器，产生相应的数字波形信号输出给高压脉冲发射电路，然后发射电路输出高压脉冲信号激励相控聚焦超声换能器发射超声声束。
所述的相控聚焦超声换能器发射超声声束，对测温区域进行逐点扫描，经过测温点后聚焦声束会发生散射，然后直达PVDF 热释电传感器。PVDF 热释电传感器的透声性能较好，绝大部分声波将会透过PVDF的薄膜后进入吸声背衬材料；吸声材料在吸收了声波之后，产生热量，分布于PVDF与背衬材料接触界面的热量会直接传递到PVDF表面，此时具有热释电性能的PVDF表面会产生表面电荷。
所述的PVDF热释电传感器输出压电信号和热释电信号，经过模拟低通滤波器后只剩下热释电信号传送给PC机进行处理，由此检测到声功率。由于当介质中某一位置的温度发生变化时，此时介质的声速和声衰减系数也会发生变化。因此根据上一步中检测到的声功率，利用反演算法，可以推算出被测点的温度（或温度变化）。
进一步说，所述的超声相控阵激励系统由64个发射通道构成。
进一步说，所述的串口通信为RS232串口通信。
进一步说，所述的相控聚焦超声换能器具有64个PZT压电陶瓷阵元。进一步说，所述的测温区域，测量温度范围为20°C～60°C, 温度测量分辨率达到2°C以内。
背景技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明利用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术完成了阵元相位延时算法控制，实现了64通道数据的精确相位控制，使相控聚焦超声换能器利用相控功能对测温区域实现自动扫描逐点测温。同时FPGA具有内部系统参数可重配置的特点，使得系统结构的设计修改更加的简单、灵活，更有利于系统的单片集成。
（2）将PVDF的热释电效应应用到超声测温领域。由于常见的超声测温技术是建立在对超声回波的分析基础上的，这种技术的本质是通过声速与温度的关系推算出温度，但是由于速度在介质中除温度以外，还受到了诸多因素的影响（介质均匀程度、测试的方式、系统几何偏差等等）；而采用热释电效应来测温能够避免多因素的影响，提高对超声场温度测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图：
图中：1、PC机，2、超声相控阵激励系统，3、相控聚焦超声换能器，4、治疗区域，5、PVDF热释电传感器，6、水介质，7、模拟低通滤波器，8、PC机，9、水槽。
图2为超声相控阵激励系统的原理图。
图3为相控聚焦超声换能器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示：本发明通过PC机1里的串口助手（上位机），将每个阵元的延时参数通过串口通信送给以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为主控制器的超声相控阵激励系统2，产生高压脉冲激励信号，固定在水槽9一侧内壁上的相控聚焦换能器3发射超声声束，声束在水介质6中传播，扫描被测区域4，经过被测区域后，声波被PVDF热释电传感器5接收，输出信号经过模拟低通滤波器7后传递给PC机8。
如图2所示：PC机里的串口助手通过串口通信将延时参数送给现场可编程逻辑门阵列（FPGA），由FPGA内部的计数器和比较器产生相应的数字波形信号，该信号送给高压脉冲发射芯片产生高压脉冲信号，经过相应的开关芯片后，对相控聚焦超声换能器进行有效驱动。
利用本发明测量时，相控聚焦超声换能器发射相控聚焦声束对测温区域进行逐点扫描，经过测温点后聚焦声束会发生散射，然后直达PVDF 热释电传感器；PVDF 热释电传感器的透声性能较好，绝大部分声波将会透过PVDF（聚偏氟乙烯）的薄膜后进入吸声背衬材料；吸声材料在吸收了声波之后，产生热量，分布于PVDF与背衬材料接触界面的热量会直接传递到PVDF表面，此时具有热释电性能的PVDF表面会产生表面电荷；通过消耗采集系统，该热释电电荷将会被记录，成为声功率测量的依据；当介质中某一位置的温度发生变化时，此时介质的声速和声衰减系数将会发生改变。因此根据上一步中检测到的声功率，利用反演算法，可以推算出被测点的温度（或温度变化）。
以下为本发明的具体实施例：
1）超声无损测温装置的结构设计与制作
步骤1）本发明所设计的相控聚焦超声换能器的结构如图3所示。该换能器由64个PZT压电陶瓷片均匀分布排列在一曲率半径为100mm的球面背衬材料上，球缺的圆心角为120度；该换能器的设计工作频率为1.0MHz,分布在背衬材料上的各阵元通过FPGA相控阵发射系统的电脉冲激发。
步骤2）制作PVDF热释电传感器。PVDF热释电传感器在本发明中的作用是通过其热释电效应，检测相控聚焦超声换能器发射的超声的声功率，为了实现声功率的准确测量，减少其因为散射带来的测量损失，PVDF水听器制作成一个三明治的结构，有非极化PVDF薄膜、极化PVDF薄膜以及高吸声材料，整个传感器被整体安置在水槽内。
步骤3）设计超声测温装置的水槽。声波在介质中或吸声材料中传播不可避免的会有部分声波发生反射与折射，设计水槽时应减少声波透射到外界。因此水槽材料需要隔声性能较好并且能够将声波重新发射回水槽内部。因此本发明用隔声性好、绝缘性好的高分子透明材料PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制作了一个长方体结构的水槽。
步骤4）相控聚焦换能器和热释电传感器的放置位置。将相控聚焦超声换能器竖直固定在PMMA水槽一侧的内壁上，PVDF热释电传感器竖直正对着相控聚焦超声换能器放置，以确保充分接收到换能器发射过来的声波。
2）超声相控阵激励系统的设计
步骤1）FPGA数字波形信号的产生。使用串口助手将换能器各阵元的延时参数通过RS232串口通信发送给FPGA，由FPGA内部的寄存器来存储所有的延时数据量，然后通过延时计数器和比较器，产生相应的数字波形信号输出给高压脉冲发射电路。
步骤2）高压脉冲发射电路的设计。接收到步骤1所产生的数字波形信号后，通过max4940芯片产生四通道的高压脉冲发射信号，以此激发相控聚焦超声换能器产生相应的超声声束。

Claims (7)

1.基于热释电效应的超声无损测温装置，它包括PC机，超声相控阵激励系统，相控聚焦超声换能器，PVDF热释电传感器，水槽和模拟低通滤波器，其特征在于：超声相控阵激励系统输出高压脉冲信号激励相控聚焦超声换能器发射超声声束，对位于水槽内的测温区域进行逐点扫描，经过测温点后聚焦声束发生了散射，然后直达PVDF 热释电传感器；绝大部分声波将会透过PVDF薄膜后进入吸声背衬材料；吸声背衬材料在吸收了声波之后，产生热量，此时具有热释电性能的PVDF薄膜表面会产生表面电荷，PVDF薄膜输出压电信号和热释电信号，经过模拟低通滤波器后只剩下热释电信号传送给PC机进行处理，由此检测到声功率；当介质中某一位置的温度发生变化时，此时介质的声速和声衰减系数也会发生变化；根据检测到的声功率，推算出被测点的温度。
2.根据权利要求1所述的基于热释电效应的超声无损测温装置，其特征在于：所述的超声相控阵激励系统由PC机上的串口助手通过串口通信将阵元的延时数据发给现场可编程逻辑门阵列FPGA，通过现场可编程逻辑门阵列FPGA内部的延时计数器和比较器，产生相应的数字波形信号输出给高压脉冲发射电路，然后高压脉冲发射电路输出高压脉冲信号激励相控聚焦超声换能器发射超声声束。
3.根据权利要求2所述的基于热释电效应的超声无损测温装置，其特征在于：所述的超声相控阵激励系统由64个发射通道构成。
4.根据权利要求2所述的基于热释电效应的超声无损测温装置，其特征在于：所述的串口通信为RS232串口通信。
5.根据权利要求3所述的基于热释电效应的超声无损测温装置，其特征在于：所述的相控聚焦超声换能器具有64个PZT压电陶瓷阵元。
6.根据权利要求1所述的基于热释电效应的超声无损测温装置，其特征在于：所述的PVDF热释电传感器竖直正对相控聚焦超声换能器，且放置在PMMA水槽中。
7.根据权利要求1所述的基于热释电效应的超声无损测温装置，其特征在于：所述的测温区域，测量温度范围为20°C～60°C, 温度测量分辨率达到2°C以内。
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