CN112345116B - 一种基于后向散射能量的超声测温装置与方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于后向散射能量的超声测温装置与方法。包括：超声波探头，用于发射超声波发射信号，同时接收超声波反射信号；信号处理器，用于接收来自所述超声波探头采集的所述超声波反射信号，以及向所述超声波探头发送所述超声波发射信号；中央处理器，用于对所述信号处理器输入的信号进行影像输出处理，计算出受检人员的体温；所述中央处理器提取的信号特征为射频回传信号的幅度，并计算出后向散射能量变化，确定相应的温度变化；本公开具有无电离辐射、高时间及空间分辨率、具有组织穿透性、测量成本较低和具有广泛可用性等优势。避免了体温受环境影响、红外测温枪无法得到受检人员的真实体温值的情况。

Description

一种基于后向散射能量的超声测温装置与方法

技术领域

本公开属于电子设备技术领域，尤其涉及一种基于后向散射能量的超声测 温装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在 先技术。

目前市场上主要的测温枪是以红外线测额温为主；而这种红外测温枪往往 受到外部环境的影响，造成测温结果与人体的真实体温相差甚远，例如在冷气 室内，通过红外测温枪所得到的人体温度往往受到室温影响，测温结果无法反 映人体的真实体温；那么如何能够获得人体的真实体温已经成为了现在最紧迫 的问题。

超声往往是指频率大于2Mhz的声波；又因为超声在媒介中具有反射、折射、 衍射、散射等传播规律，所以超声往往用于检测、清洗、诊断、治疗等方向， 具有普遍的应用。超声在人体组织中的传播过程往往会受到人体组织温度的影 响，人体温度往往会改变超声的传播时间和超声的传播强度。基于这个原理往 往采用超声传播速度的变化、超声后向散射能量的变化、超声的强度的变化及 超声的剪切模量的变化来测量人体的温度。

Borna Maraghechi等人于2019年提出了一种通过超声后向散射能量变化的 测温技术(Feasibility of detecting change in backscattered energy of acousticharmonics in locally heated tissues)。周围介质及亚波长散射体 的压缩性和密度会影响散射截面。而散射体的压缩性会随着温度的变化而变化， 导致散射系数的变化，而散射系数的变化可以通过测量可通过测量受检组织的 后向散射功率与基线功率的变化来计算。通过以上原理，本专利通过后向散射 能量的变化来计算温度的变化，进而可以得到受检组织的温度。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提供一种基于后向散射能量的超声测温装置及 方法，相较于目前市面较为流行的红外测温枪，基于后向散射能量的超声测温 枪具有无电离辐射、高时间及空间分辨率、具有组织穿透性和具有广泛可用性 等优势；避免了体温受环境影响，红外测温枪无法得到受检人员的真实体温值 的情况；本公开还可以通过远程设备实时将所测量的数据进行保存记录。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开的第一方面提供一种基于后向散射能量的超声测温装置，包括：

超声波探头，设置为超声多阵元换能器，用于发射超声波发射信号，同时 接收超声波反射信号；

信号处理器，与所述超声波探头连接；所述信号处理器用于接收来自所述 超声波探头采集的所述超声波反射信号，以及向所述超声波探头发送所述超声 波发射信号；

中央处理器，与所述信号处理器连接；所述中央处理器用于对所述信号处 理器输入的信号进行影像输出处理，计算出受检人员的体温；所述中央处理器 提取的信号特征为射频回传信号的幅度，并计算出后向散射能量变化，确定相 应的温度变化。

进一步的，所述超声测温装置还包括：

压力传感器，与所述中央处理器连接，当所述压力传感器接收到压力后通 知所述中央处理器，所述中央处理器用于将所述超声波发射信号发送至所述超 声波探头；

显示屏，与所述中央处理器连接，所述中央处理器用于将影视信号输出给 所述显示屏；

声音提示单元，与所述中央处理器连接，对所述温度测试的结果进行提示；

远程设备，通过无线通信模块与所述中央处理器连接，所述无线通信模块 用于将处理完成的诊断信息发送至所述远程设备，并通过所述远程设备来管理 控制所述中央处理模块；

电源，用于所述超声波探头、所述信号处理器、所述中央处理器、所述显 示屏及所述无线通信模块的供电。

进一步的，所述中央处理器将所测部位的温度图和该部位的温度上传到显 示屏和无线通信模块上。

进一步的，所述无线通信模块可选择WiFi模块、Zigbee模块或LoRa模块。

进一步的，所述信号处理器分为数据采集接口、信号放大器和信号预处理 器；所述数据采集接口用于接收来自所述超声波探头采集的信号，以及向超声 波探头发送信号；所述信号放大器用于将接收到的信号进行放大处理；所述信 号预处理器用于将超声发射信号中的噪声进行初步的滤波。

进一步的，所述超声波探头对身体部位进行逐行扫描，并将信号发给中央 处理器。

进一步的，取该部位扫描的温度图的各像素的平均值作为该受检人员的体 温。

进一步的，在该超声测温装置设计之初设好相应的测量基线，即模拟组织 在26摄氏度时，采集到的射频回传信号的幅度，并通过射频回传信号的幅度计 算出反向散射能量BE。

进一步的，所述中央处理器还用于管理控制设备的系统运算、存储、文件 管理、接口控制、显示控制和电源管理。

本公开的第二方面提供一种基于后向散射能量的超声测温装置的使用方 法，包括：

将手臂覆盖超声测温装置的压力传感器部分，所述压力传感器通知所述中 央处理器启动；

所述中央处理器通知所述超声波探头发射超声波，并通过所述信号处理器 将信号处理为所述中央处理器计算出每个像素的后向散射能量的变化量，进一 步计算出每个像素的温度；

将体温图和体温发送给所述显示屏和所述无线通信模块，所述无线通信模块 将相应的信息发送到所述远程设备；所述声音提示单元提示允许通过。

本公开的有益效果是：

1.与现有技术相比，本公开具有无电离辐射、高时间及空间分辨率、具有组 织穿透性、测量成本较低和具有广泛可用性等优势。避免了体温受环境影响、 红外测温枪无法得到受检人员的真实体温值的情况。

2.本公开可以通过远程设备实时将所测量的数据进行保存记录。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公 开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例的基于后向散射能量的超声测温装置系统结构图；

图2是本公开实施例的基于后向散射能量的超声测温装置超声测温仪图；

图3是本公开实施例的组织模拟凝胶体模在不同频率下的后向散射能量变 化和温度的关系图。

其中，1.显示屏，2.超声波探头。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图 限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确 指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器 件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、 “竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定 的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示 可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可 以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体 情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1：

本实施例的一种基于后向散射能量的超声测温装置，如图1所示，该超声 测温装的超声波探头连接信号处理器，信号处理器又分为数据接口、信号放大 器和信号预处理器；中央处理器则与信号处理器、声音提示单元、无线通信模 块和显示屏1相连；电源则为系统中各部分供电。

如图2所示，左图则为该超声测温装置的侧视图，右图为该超声测温装置 的俯视图；右图中的1是显示屏，显示被测组织的温度图和所测得体温，2为超 声波探头，超声波探头上设置有压力传感器。

如图3所示，为该超声测温装置模拟凝胶体模在13Mhz、26MHz、39MHz下 的超声波的后向散射能量变化和温度的关系图。

作为一种具体实施方式，在超市中放置到门口，当受检人员进入超市时， 将手臂覆盖该超声测温装置的压力传感器部分，所述压力传感器通知所述中央 处理器启动，所述中央处理器通知所述超声波探头发射超声波，并通过所述信 号处理器将信号处理为所述中央处理器计算出每个像素的后向散射能量的变化 量，进一步计算出每个像素的温度。并将体温图和体温发送给所述显示屏和所 述无线通信模块，所述无线通信模块将相应的信息发送到旁边的电脑中；所述 声音提示单元提示允许通过。

作为一种具体实施方式，超声信号的反向散射能量信号通过数据接口，再 经过所述信号放大器放大，在所述信号预处理器中进行量化及初步滤波出入处 理器。

作为一种具体实施方式，超声信号进入所述信号处理器后，先进行基于像 素差异指数的去噪方法。首先将像素块分块，计算不同区域像素块的像素差异 指数Pd，其计算公式如下：

其中像素块的大小为N×N，μ_i,j为N×N像素块中的像素均值，f(i,j)为(i,j) 像素点的像素值。通过对不同区域像素块Pd值的大小进行分类。并通过窗口滑 动进一步准确找到噪声点与边缘存在的位置，对其进行处理。该算法不再是基 于信号端的噪声叠加模型来进行去噪，而是直接关心图像中的像素值的差异， 是从图像本身的角度进行处理的算法。

作为一种具体实施方式，对预处理后的回波信号s′用DB5小波函数进行5 层小波分解；设C_j是信号s′经过小波分解后尺度j下的小波系数，则信号

然后计算出信号s′分解后对应的小波能量：

其中j∈(1,N)，C_j(k)为小波系数C_j的第k个元素，N为分解层数。

作为一种具体实施方式，超声信号计算出每个数据点的反向散射能量值， 即在T温度下的反向散射能量BE(T)。在经过如下公式计算出反向散射能量变化 量：

作为一种具体实施方式，如图3所示在13Mhz、26MHz、39MHz下的超声波 的后向散射能量变化和温度的关系图。由于人体体温正常值一般在35℃到42℃ 之间，而在39MHz的超声波的探测下，温度变化引起后向散射能量的变化范围 较大，所以超声波选择39MHz。

作为一种具体实施方式，计算出后向散射能量变化后，从图3中找到对应 的温度。

作为一种具体实施方式，所述信号处理器选用TI AFE58XX系列器件，所述 中央处理器选用Intel CPU。

作为一种具体实施方式，所述声音提示单元提示“温度异常，禁止入内” 和“温度正常，欢迎光临”两种语音。

作为一种具体实施方式，所述无线通信模块为WIFI模块。所述无线通信模 块根据使用者的使用要求来从WiFi模块、Zigbee模块或LoRa模块。因为在超 市中WIFI信号较好，所以选择WIFI模块。

作为一种具体实施方式，远程设备设置为电脑。在其他实施例中，所述远 程设备还可以设置为手机、个人计算机或平板电脑，在本实施例中远程设备为 电脑。

实施例2：

一种基于后向散射能量的超声测温装置的使用方法，包括：

将手臂覆盖超声测温装置的压力传感器部分，所述压力传感器通知所述中 央处理器启动；

所述中央处理器通知所述超声波探头发射超声波，并通过所述信号处理器 将信号处理为所述中央处理器计算出每个像素的后向散射能量的变化量，进一 步计算出每个像素的温度；

将体温图和体温发送给所述显示屏和所述无线通信模块，所述无线通信模 块将相应的信息发送到所述远程设备；所述声音提示单元提示允许通过。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：具有无电离辐射、高时间及空间 分辨率、具有组织穿透性和具有广泛可用性等优势。避免了体温受环境影响、 红外测温枪无法得到受检人员的真实体温值的情况。本公开还可以通过无线通 信模块对实时将所测量的数据进行保存记录。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式， 在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型 不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领 域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之 内。

Claims (8)

1.一种基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，包括：

超声波探头，设置为超声多阵元换能器，用于发射超声波发射信号，同时接收超声波反射信号；

信号处理器，与所述超声波探头连接；所述信号处理器用于接收来自所述超声波探头采集的所述超声波反射信号，以及向所述超声波探头发送所述超声波发射信号，超声波选择39MHz；中央处理器，与所述信号处理器连接；所述中央处理器用于对所述信号处理器输入的信号进行影像输出处理，计算出受检人员的体温；所述中央处理器提取的信号特征为射频回传信号的幅度，并计算出后向散射能量变化，确定相应的温度变化；

所述信号处理器分为数据采集接口、信号放大器和信号预处理器；超声信号的反向散射能量信号通过数据接口，再经过信号放大器放大，在所述信号预处理器中进行量化及初步滤波；

超声信号进入所述信号处理器后，先进行基于像素差异指数的去噪方法；首先将像素块分块，计算不同区域像素块的像素差异指数Pd，其计算公式如下：

其中,像素块的大小为N×N，μ_i,j为N×N像素块中的像素均值，f(i,j)为(i,j)像素点的像素值；通过对不同区域像素块Pd值的大小进行分类；并通过窗口滑动进一步准确找到噪声点与边缘存在的位置，对其进行处理；

对处理后的回波信号s′用DB5小波函数进行5层小波分解；设C_j是信号s′经过小波分解后尺度j下的小波系数，则信号

然后计算出信号s′分解后对应的小波能量：

其中,j∈(1,N)，C_j(k)为小波系数C_j的第k个元素，N为分解层数；

超声信号计算出每个数据点的反向散射能量值，再计算出反向散射能量变化量；压力传感器，超声波探头上设置有压力传感器，与所述中央处理器连接，当所述压力传感器接收到压力后通知所述中央处理器，所述中央处理器将所述超声波发射信号发送至所述超声波探头；远程设备，通过无线通信模块与所述中央处理器连接，所述无线通信模块用于将处理完成的诊断信息发送至所述远程设备，并通过所述远程设备来管理控制所述中央处理器；

所述超声波探头用于对身体部位进行逐行扫描，并将信号发给中央处理器,取该部位扫描的温度图的各像素的平均值作为该受检人员的体温；

将手臂覆盖超声测温装置的压力传感器部分，所述压力传感器通知所述中央处理器启动，所述中央处理器通知所述超声波探头发射超声波，并通过所述信号处理器将信号处理为所述中央处理器计算出每个像素的后向散射能量的变化量，进一步计算出每个像素的温度。

2.如权利要求1所述的基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，还包括：

压力传感器，与所述中央处理器连接，当所述压力传感器接收到压力后通知所述中央处理器，所述中央处理器将所述超声波发射信号发送至所述超声波探头；

显示屏，与所述中央处理器连接，所述中央处理器将影视信号输出给所述显示屏；

声音提示单元，与所述中央处理器连接，对所述温度测试的结果进行提示；

电源，用于所述超声波探头、所述信号处理器、所述中央处理器、所述显示屏及所述无线通信模块的供电。

3.如权利要求2所述的基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，所述中央处理器用于将所测部位的温度图和该部位的温度上传到所述显示屏和所述无线通信模块上。

4.如权利要求2所述的基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，所述无线通信模块可选择WiFi模块、Zigbee模块或LoRa模块。

5.如权利要求1所述的基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，所述数据采集接口用于接收来自所述超声波探头采集的信号，以及向超声波探头发送信号；所述信号放大器用于将接收到的信号进行放大处理；所述信号预处理器用于对将射频回传信号的量化并对信号中的噪声进行初步的滤波。

6.如权利要求1所述的基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，在该超声测温装置设计之初设好相应的测量基线，即模拟组织在26摄氏度时，采集到的射频回传信号的幅度，并通过射频回传信号的幅度计算出反向散射能量BE。

7.如权利要求1所述的基于后向散射能量的超声测温装置，其特征在于，所述中央处理器还用于管理控制设备的系统运算、存储、文件管理、接口控制、显示控制和电源管理。

8.一种如权利要求2-4中任一项所述的基于后向散射能量的超声测温装置的使用方法，其特征在于，包括：

将手臂覆盖超声测温装置的压力传感器部分，所述压力传感器通知所述中央处理器启动；

所述中央处理器通知所述超声波探头发射超声波，并通过所述信号处理器将信号处理为所述中央处理器计算出每个像素的后向散射能量的变化量，进一步计算出每个像素的温度；

将体温图和体温发送给所述显示屏和所述无线通信模块，所述无线通信模块将相应的信息发送到所述远程设备；所述声音提示单元提示允许通过。

Images