CN112504945B - 一种磁声耦合效应的流体电学参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁声耦合效应的流体电学参数测量装置，首先计算机控制信号发生装置输出脉冲信号，输出的脉冲信号经过功率放大器放大后加载到其中一个电极片上，另一个电极片接地。两个电极片位于流体通道相对的内壁上，流体通道内为被测液体，如血液。基于磁声热效应和磁声洛伦兹力效应，在流体通道内产生声信号，声信号经过防水透声膜和流体检测盒与流体通道直接的耦合介质后由超声传感器接收，接收信号后经过前置放大器和信号处理电路由计算机进行采集、分析并显示，最终实现流体通道内被测流体的电学参数的检测，通过反演同时获取流体细胞形状和尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体电学参数测量装置，特别涉及一种磁声耦合效应的流体电学参数测量装置。
背景技术
随着科技与信息科学的进步，针对患者个体化设计的精准诊疗是目前的研究重点。常规组织活检具有对患者创伤大，取样困难，取样窗口期有限等缺点，而且肿瘤或病变的异质性是的单个位置的组织活检无法体现病变全貌。液体活检是对血液、胸水、腹水等体液检测，不仅具有微创、快速、敏感和准确的优点，还能反应病变全貌，是精准诊断和预后评估的有效手段。
液体活检被评为2015年MIT十大科技突破之一，液体活检检测对象包括循环肿瘤细胞、循环肿瘤DNA和外泌体等。传统的检测方法一般采用光学检测方法，如光学流式细胞仪，但存在以下问题：需要荧光标记，费时费力，不利于快速检测；同时考虑光学方法操作复杂，小体积样本处理困难。基于电阻抗原理的电学参数检测具有结构简单、成本低和免标记的优势，近年来受到越来越多的关注。但现有的电阻抗层析成像(EIT)技术虽然可以实现细胞介电参数分布检测，受传感电极阵列接触阻抗影响，测量灵敏度受限，同时由于电极间的串扰分辨率低。基于磁声效应的电阻抗成像技术利用多物理场耦合模型和重建算法可以实现微通道内流体电学参数可视化，通过进一步提高频率还可以获得细胞尺寸、形貌及电学参数分布。
发明内容
本发明的目的是克服现有血液等流体活体检测存在的检测灵敏度低和图像分辨率低的缺点，提出一种基于磁声耦合效应的流体电学参数测量装置。
本发明磁声耦合效应的流体电学参数测量装置，包括电磁激励模块、流体电学参数测量模块、超声检测模块以及数据处理和显示模块。电磁激励模块连接流体电学参数测量模块，数据处理和显示模块连接，流体电学参数测量模块分别与电磁激励模块和超声检测模块连接，所述的电磁激励模块通过对流体通道施加一定频率的激励信号，使其产生电磁热声效应或磁声洛伦兹力效应。所述的电磁激励模块包括信号发生装置、功率放大器和两个电极片，所述的信号发生装置的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端连接第一电极片，第二电极片接地。所述的信号发生装置发射的信号可以是微秒的脉冲信号，也可以是调幅信号；所述的电极片为铂金电极。
所述的流体电学参数测量模块实现电磁声的耦合效应，包括流体检测盒、流体通道、防水透声膜、检测流体以及超声耦合溶液。所述的流体检测盒内放置有超声耦合溶液、流体通道和超声传感器，所述的流体检测盒为一个便携式的检测装置，如检测血液，流体检测盒放置于36度恒温环境下。所述的流体通道为矩形，矩形流体通道两个相对的长边为防水透声膜，另外两个相对的短边的内壁上分别贴有第一电极片和第二电极片，两个电极片的宽度与流体通道的宽度相等。所述的超声传感器位于流体检测盒内、流体通道外，流体通道内部放置被测液体，流体通道外、流体检测盒内有超声耦合溶液，如去离子水等。超声传感器的探头平面与流体通道长边的防水透声膜平行。
所述的超声检测模块接收磁声耦合效应产生的超声信号，通过接收的超声信号结合数据处理和显示模块的数据处理算法实现电学参数的定量化测量。所述的超声检测模块包括超声传感器、前置放大器和信号处理电路，超声传感器连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接信号处理电路。所述的超声传感器位于流体电学参数测量模块中的流体检测盒中，超声传感器通过流体监测盒中的超声耦合溶液接收流体通道内由于磁声耦合效应产生的超声信号。
所述的数据处理和显示模块实现被测流体的电学参数定量化测量和细胞形态表征。被测流体的电学参数定量化测量采用标准电导率最小二乘拟合算法，对于细胞形态表征采用基于频谱参数的延迟求和重建算法，则流体通道内任意点A的像素值A(x,y)为：
其中A(x,y)为流体通道内的任一点的像素值，x和y分别为流体通道内的任意一点的坐标点，Pn(δ)为磁声耦合信号校准后的功率谱的低频段频谱斜率，wn(x,y)是与探头指向性相关的系数，n代表位置序列。
附图说明
图1本发明装置结构示意图，图中：A1流体检测盒，A2第一电极片，A3防水透声膜，A4超声传感器，A5流体通道，A6防水透声膜，A7第二电极片，A8前置放大器，A9信号处理电路，A10功率放大器，A11信号发生装置，A12计算机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明磁声耦合效应的流体电学参数测量装置包括：电磁激励模块、流体电学参数测量模块、超声检测模块以及数据处理和显示模块。电磁激励模块与流体电学参数测量模块连接，电磁激励模块与数据处理和显示模块连接，流体电学参数测量模块分别与电磁激励模块和超声检测模块连接，超声检测模块与数据处理和显示模块连接。
所述的电磁激励模块通过对流体通道A5施加一定频率的激励信号，使其产生电磁热声效应或磁声洛伦兹力效应。所述的电磁激励模块包括信号发生装置A11、功率放大器A10，第一电极片A2以及第二电极片A7，所述的信号发生装置A11的输出端连接功率放大器A10的输入端，功率放大器A10的输出端连接第一电极片A2，第二电极片A7接地。所述的信号发生装置A11发射的信号可以是微秒的脉冲信号也可以是调幅信号；所述的第一电极片A2和第二电极片A7为铂金电极。
所述的超声检测模块接收磁声耦合效应产生的超声信号，结合数据处理和显示模块的数据处理算法实现电学参数的定量化测量。所述的超声检测模块包括超声传感器A4、前置放大器A8和信号处理电路A9，超声传感器A4连接前置放大器A8的输入端，前置放大器A8的输出端连接信号处理电路A9的输入端。所述的超声传感器A4位于流体电学参数测量模块中的流体检测盒A1中，超声传感器A4通过流体监测盒A1中的超声耦合溶液后接收到流体通道A5发出的超声信号。
所述的流体电学参数测量模块实现电磁声的耦合效应，包括流体检测盒A1、流体通道A5、防水透声膜A6、检测流体以及超声耦合溶液。所述的流体检测盒A1内放置有超声耦合溶液、流体通道A5和超声传感器A4，所述的流体检测盒A1为一个便携式的检测装置，如检测对象是人体或动物中的流体，比如血液，流体检测盒A1放置于36度恒温环境下。所述的流体通道A5为矩形，矩形的其中两个相对的长边为防水透声膜A6，另外两个相对的短边的内壁分别贴放两个电极片，两个电极片的宽度与流体通道A5的宽度相等。所述的超声传感器A4位于流体检测盒A1内的流体通道A5外，流体通道A5内部放置被测液体，流体通道A5外部的流体检测盒A1内部有超声耦合溶液，如去离子水等。超声传感器A4的探头平面与防水透声膜A6平行。
所述的数据处理和显示模块实现被测流体的电学参数定量化测量和细胞形态表征。所述的被测流体的电学参数定量化测量采用标准电导率最小二乘拟合算法实现电学参数的定量化测量。对于细胞形态表征采用基于频谱参数的延迟求和重建算法，则流体通道A5内任意点A的像素值A(x,y)为：
其中A(x,y)为流体通道A5内的任一点的像素值，x和y分别为流体通道A5内的任意一点的坐标点，Pn(δ)为磁声耦合信号校准后的功率谱的低频段频谱斜率，wn(x,y)是与探头指向性相关的系数，n代表位置序列。
本发明装置检测过程如下：
首先将一标准电导率的溶液注入流体通道A5内，通过计算机A12控制信号发生装置A11输出脉冲信号，输出的脉冲信号经过功率放大器A10放大后加载到第一电极片A2，第二电极片A7接地。基于磁声热效应和磁声洛伦兹力效应，在流体通道A5内会产生超声信号，超声信号经过防水透声膜A3和流体检测盒A1与流体通道A5之间的溶液后由超声传感器A4接收。超声传感器A4接收的信号后经过前置放大器A8和信号处理电路A9，由计算机A12采集和保存。然后将标准电导率溶液取出，用去离子水对流体通道冲洗和烘干后在流体通道A5内装载被测液体，利用相同的激励和接收方式接收到被测液体的超声信号，由计算机A12采集和保存，采集到的被测液体的超声信号利用标准电导率液体和被测液体产生的超声信号进行最小二乘拟合，计算出被测液体的精确电导率。最后通过控制超声传感器的接收位置，获取整个流体通道A5内的所有超声信号，采用基于频谱参数的延迟求和重建算法，获取流体通道A5内任一点的像素值，实现对被测液体的形状等参数的重建。
Claims (4)
1.一种磁声耦合效应的流体电学参数测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括：电磁激励模块、流体电学参数测量模块、超声检测模块以及数据处理和显示模块；电磁激励模块与流体电学参数测量模块连接，电磁激励模块又与数据处理和显示模块连接，流体电学参数测量模块分别与电磁激励模块和超声检测模块连接，超声检测模块与数据处理和显示模块连接；
所述的电磁激励模块包括信号发生装置(A11)、功率放大器(A10)，第一电极片(A2)以及第二电极片(A7)；所述的信号发生装置(A11)的输出端连接功率放大器(A10)的输入端，功率放大器(A10)的输出端连接第一电极片(A2)，第二电极片(A7)接地；所述的信号发生装置(A11)发射的信号是微秒的脉冲信号或调幅信号；
所述的超声检测模块包括超声传感器(A4)、前置放大器(A8)和信号处理电路(A9)；超声传感器(A4)连接前置放大器(A8)的输入端，前置放大器(A8)的输出端连接信号处理电路(A9)的输入端；所述的超声传感器(A4)位于流体电学参数测量模块中的流体检测盒(A1)中，超声传感器(A4)通过流体检测盒(A1)中的超声耦合溶液后接收到流体通道(A5)发出的超声信号；
所述的流体电学参数测量模块包括流体检测盒(A1)、流体通道(A5)、防水透声膜(A6)、被测液体以及超声耦合溶液；所述的流体检测盒(A1)内放置有超声耦合溶液、流体通道(A5)和超声传感器(A4)；所述的流体通道(A5)为矩形，矩形的两个相对的长边为防水透声膜(A6)，另外两个相对的短边的内壁分别贴放第一电极片(A2)和第二电极片(A7)，两个电极片的宽度与流体通道(A5)的宽度相等；所述的超声传感器(A4)位于流体检测盒(A1)内的流体通道(A5)外部；流体通道(A5)内部放置被测液体；流体检测盒(A1)内部，在流体通道(A5)外部有超声耦合溶液；超声传感器(A4)的探头平面与防水透声膜(A6)平行；
被测液体的电学参数定量化测量采用标准电导率最小二乘拟合算法，对于细胞形态表征采用基于频谱参数的延迟求和重建算法，则流体通道内任意点A的像素值A(x,y)为：
其中A(x,y)为流体通道内的任一点的像素值，x和y分别为流体通道内的任意一点的坐标点，Pn(δ)为磁声耦合信号校准后的功率谱的低频段频谱斜率，wn(x,y)是与探头指向性相关的系数，n代表位置序列。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的第一电极片(A2)和第二电极片(A7)为铂金电极。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的测量装置中，所述的电磁激励模块通过对流体通道(A5)施加一定频率的激励信号，使其产生电磁热声效应或磁声洛伦兹力效应；所述的超声检测模块接收磁声耦合效应产生的超声信号，通过接收的超声信号结合数据处理和显示模块的数据处理算法实现电学参数的定量化测量；所述的流体电学参数测量模块实现电磁声的耦合效应，所述的数据处理和显示模块实现被测液体的电学参数定量化测量和细胞形态表征。
4.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：所述测量装置的工作过程如下：
将标准电导率的溶液注入流体通道(A5)内，通过计算机(A12)控制信号发生装置(A11)输出脉冲信号，输出的脉冲信号经过功率放大器(A10)放大后加载到第一电极片(A2)，第二电极片(A7)接地；基于磁声热效应和磁声洛伦兹力效应，在流体通道(A5)内产生超声信号，超声信号经过防水透声膜(A3)和流体检测盒(A1)与流体通道(A5)之间的溶液后由超声传感器(A4)接收，超声传感器(A4)接收信号后经过前置放大器(A8)和信号处理电路(A9)由计算机(A12)采集和保存；然后将标准电导率溶液取出，用去离子水对流体通道(A5)冲洗和烘干后，在流体通道(A5)内装载被测液体，利用相同的激励和接收方式接收到被测液体的超声信号，并由计算机(A12)采集和保存，采集到被测液体的超声信号后利用标准电导率液体和被测液体产生的超声信号进行最小二乘拟合，计算出被测液体的精确电导率；最后通过控制超声传感器的接收位置，获取整个流体通道(A5)内的所有超声信号，采用基于频谱参数的延迟求和重建算法，获取流体通道(A5)内任一点的像素值，实现对被测液体的形状参数的重建。
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| CN112504945A (zh) | 2021-03-16 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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