CN113171126A - 基于mems超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴，其包括多功能控制盒以及分别设置在柔性基底上的柔性探测器、柔性电路、柔性电池和柔性无线充电线圈，柔性超声探测器主要由发射超声信号的PMUT和接收超声信号的CMUT交错排列组合而成。检测时将四层柔性基底贴于乳腺待检部位，进行乳腺待检部位的数据扫描，然后再将四层柔性基底与多功能控制盒连接，导出采集的超声数据到智能终端，进行多参数提取及多模态融合超声成像。本发明具有结构简单，体积小，重量轻，功耗低，安全、高效，分辨率高，检测过程舒适，能对乳腺进行早期检测和实时监测，对于乳腺癌的早期预防具有巨大的推动作用。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS传感器和超声医学成像技术领域，具体是一种基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴及检测方法。
背景技术
乳腺癌是威胁全世界女性健康的头号杀手。早期诊断可将乳腺癌患者，5年生存率提高到95%以上。乳腺病理学家认为，非典型增生是癌变发展过程客观存在的一个阶段，即正常→增生→非典型增生→原位癌→浸润癌。这一发展过程受到某些因素的持续作用，由量变到质变，转化成为癌症；但是如果能够采取有效的治愈手段，病变组织的发展过程是可以逆转的，并非所有癌前病变都会转化为癌，只是这种转化的可能性相对较大。因此，对乳腺癌前病变的早期诊断和连续监测，是乳腺癌预防治疗的前提。
超声诊断对受检者无痛苦，无放射性伤害，可以短期多次反复进行，适用于任何年龄和女性任何生理时期，包括妊娠期和哺乳期。并且超声对软组织有良好的分辨力，能够清晰的显示乳房及胸壁的各层结构，可以确定病变的层次，鉴别乳腺肿块和胸壁肿块，发现数毫米的小肿块等优点，因此受到广泛应用。但是我国医疗资源分配不均，基层医院、乡镇卫生院等医疗机构难以购置大型超声设备，而便携式超声由于其便携性、低功耗、高性能、易操作等特点，越来越受到医疗机构的需要与认可，将会是一个价格合适且运用广阔的替代，提供更便捷、更有效的健康保障。
目前超声诊断设备中主要采用压电超声换能器，随着器件工作频率的增加，阵元间距不断减小，对于压电材料而言，这种小尺寸面积限制了发射能量并减小了接收灵敏度，很难达到较大的工作动态范围，难以获取丰富的深层乳腺组织信息。压电超声换能器存在以上问题，是制约超声诊断发展的主要原因。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴，包括可弯曲变形的四层柔性基底和多功能控制盒；
四层柔性基底为可以贴合乳房表面形状的片状结构，四层柔性基底的层与层互相粘连且通过绝缘层隔离干扰，四层柔性基底的层与层之间通过通孔互相连接以进行信号的传输；其中，顶层柔性基底上设置有柔性探测器，第二层柔性基底上设置有柔性电路，第三层柔性基底上设置有柔性电池，第四层柔性基底上设置有柔性无线充电线圈；
多功能控制盒包括盒体，盒体上设置有控制开关、指示灯、大容量电池、充电电路、USB接口和Type-C接口，大容量电池和充电电路连接，盒体的一侧设有接口电路，接口电路与四层柔性基底连接；
四层柔性基底能够卷裹在多功能控制盒上，并通过磁性扣固定。
进一步的，柔性探测器包括用于发射超声信号的PMUT阵元和用于接收超声信号的CMUT阵元，每个PMUT阵元周围围绕排列有多个CMUT阵元以构成一个阵元组，然后多个阵元组依次排开布置；
柔性电路包括超声信号发射电路、超声信号接收电路、FPGA控制器、供电电路和接触电极，FPGA控制器分别与超声信号发射电路和超声信号接收电路连接，供电电路与FPGA控制器连接；
柔性探测器中的PMUT阵元和CMUT阵元分别与柔性电路中的超声信号发射电路和超声信号接收电路连接；柔性电路中的供电电路分别与柔性探测器中的CMUT阵元以及柔性电池、柔性无线充电线圈连接；柔性电路中的接触电极与多功能控制盒上的接口电路连接。
进一步的，每个PMUT阵元周围围绕排列有六个CMUT阵元，六个CMUT阵元呈六边形状排列。
本发明诊断贴的工作原理为：将四层柔性基底结构粘结在乳腺检测区域， FPGA控制器进行乳腺超声扫描，PMUT阵元将发射超声信号，CMUT阵元将接收宽频带超声反射信号，所得的数据将被储存于内存；然后将四层柔性基底结构连接在多功能控制盒上，打开多功能控制盒的控制开关，利用多功能控制盒上的USB接口或Type-C接口将数据导入智能终端进行成像处理，同时置于多功能控制盒内的大容量电池还能为柔性电池进行充电。
本发明的另一个目的是提供一种上述基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴的成像检测方法，包括如下步骤：
1）将多功能控制盒分别与连接智能终端和四层柔性基底连接，打开多功能控制盒上的控制开关，通过智能终端下载超声扫描控制程序到FPGA控制器；
2）断开多功能控制盒和四层柔性基底，将四层柔性基底用医用胶带贴于待测乳房部位，然后打开四层柔性基底上的电路开关，进行待检部位的超声扫描和数据采集；
3）扫描完成后，取下四层柔性基底，将其与多功能控制盒连接，然后导出采集到的乳腺超声信号数据到智能终端；
4）打开智能终端进行超声数据成像，智能终端对采集到的超声数据进行参数提取，提取线性参数：包括声阻抗、声速和声衰减，提取非线性参数：包括超声谐波参数，然后分别进行小波变换提取小波系数，按照融合规则对多参数图像进行融合，获得高分辨率的超声图像；将获得的待检部位超声图像通过网络上传至大数据智能终端，最后对图像进行生理病理分析并给出检测报告。
进一步的，多功能控制盒通过其上的USB接口或Type-C接口与智能终端进行连接。
进一步的，步骤4）中的超声数据成像具体为：对采集到的数据进行多参数提取并分别进行成像，多参数包括但不限于声速、声衰减、声阻抗和谐波；将线性图像和非线性图像进行小波分解，得到高频和低频的小波系数矩阵，对高、低频小波系数矩阵分别采用不同的融合规则，得到新的小波变换系数矩阵，再对新得到的小波系数矩阵进行小波逆变换即得到融合以后的超声图像。
进一步的，成像检测完成后，通过多功能控制盒对四层柔性基底进行充电或者是将四层柔性基底放置于无线充电器上通过柔性无线充电线圈进行充电，充电完成后将四层柔性基底卷裹在多功能控制盒上进行收藏并通过磁性扣固定。
对于上述的成像检测方法，在反射数据中提取超声反射信号的幅值衰减，利用脉冲法实现声阻抗成像。超声波在复杂乳腺组织传播过程中，不仅要考虑线性参数，同时要考虑由于生物组织的不均匀性引起的非线性参数。拟采用带通滤波法或脉冲反转法滤除基波信号，并提取谐波信号进行组织谐波成像。图像融合可以将不同图像的特征集中到一幅图像中，从而提高图像的对比度，增加图像的信息量，还有助于进一步进行图像分割和目标识别操作。在乳腺超声成像中，声速、声衰减参数重建得到的图像反映乳腺病变组织的内部特性信息，而声阻抗参数重建得到的图像则体现乳腺病变组织的边缘信息，这两类信息具有很强的互补性。另外，谐波参数重建得到的图像能够反映乳腺病变组织更深层次信息。首先将线性图像和非线性图像进行小波分解，得到高频和低频的小波系数矩阵，对高、低频小波系数矩阵分别采用不同的融合规则，得到新的小波变换系数矩阵，再对新得到的小波系数矩阵进行小波逆变换得到融合以后的超声图像。
本发明与现有技术相比，其有益效果如下：
1）本发明配置PMUT与CMUT阵列换能器，可以有效进行宽频带多模态乳腺超声成像；
2）本发明考虑到待检测乳房大小的个体差异以及实际检测，采用柔性探测器、柔性电路、柔性电池和柔性线圈组成四层柔性结构用于超声乳腺成像，柔性结构与乳腺贴合度高，可实现无死角全方位检测，具有创新性和广泛的适用性；
3）本发明采用无线和有线两种充电方式，增加了使用和携带的便捷性，提高了医生深入偏远乡村地区进行医疗诊断的便利性；
4）本发明可以通过改变传感器结构参数进而改变传感器发射频率和接收带宽，进而拓展应用领域，不仅仅局限于乳腺癌检测，还可以对身体的其它部位进行检测，例如骨折、甲状腺结节、肝胆囊肿等其它组织进行检测；
5）本发明结构简单，体积小，重量轻，能耗低，安全、高效，分辨率高，对比度高，检测过程舒适，能对乳腺癌进行早期检测和实时监测，对于实现乳腺癌的早期预防治疗有巨大的推动作用。
附图说明
此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中柔性探测器层图。
图3为本发明中柔性电路层图。
图4为本发明中柔性电池层图。
图5为本发明中柔性充电线圈层图。
图6为本发明电路结构示意图。
图7为本发明多参数融合流程图。
图中：1-顶层柔性基底、2-第二层柔性基底、3-第三层柔性基底、4-第四层柔性基底、5-多功能控制盒、6-PMUT阵元、7-CMUT阵元、8-超声信号发射电路、9-超声信号接收电路、10- FPGA控制器、11-供电电路、12-柔性电池、13-柔性无线充电线圈、14-智能终端。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合具体实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，一种基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴，包括可弯曲变形的四层柔性基底和多功能控制盒5。
四层柔性基底为可以贴合乳房表面形状的片状结构，四层柔性基底的层与层互相粘连且通过绝缘层隔离干扰，四层柔性基底的层与层之间通过通孔互相连接以进行信号的传输；其中，顶层柔性基底1上设置有柔性探测器，第二层柔性基底2上设置有柔性电路，第三层柔性基底3上设置有柔性电池12，第四层柔性基底4上设置有柔性无线充电线圈13。
柔性探测器安装于顶层柔性基底1上，如图2所示，其包括柔性空腔型的PMUT阵元6和CMUT阵元7，PMUT阵元6用于发射超声信号、CMUT阵元7用于接收超声信号，可对物体形状自适应探测以获得高精度的图像；每个PMUT阵元6周围围绕有六个呈六边形排列的CMUT阵元7以构成一个阵元组，然后多个阵元组依次排开布置，横向相邻的两个阵元组之间共用一个CMUT阵元7、竖向相邻的两个阵元组之间共用两个CMUT阵元7；柔性探测器中的PMUT阵元为压电式微机械超声换能器，其具有更高的声功率和更大的能量密度，具有较强的穿透能力，CMUT为电容式微机械超声换能器，其具有带宽大、灵敏度高、功耗低和自身噪声低等优点，具有较好的接收能力；该柔性探测器结合了PMUT穿透能力强和CMUT接收频带宽的优势，能够代替传统压电超声换能器作为核心部件来实现在乳腺超声诊断中的应用。
柔性电路安装于第二层柔性基底2上，如图3所示，其包括超声信号发射电路8、超声信号接收电路9、FPGA控制器10、供电电路11和接触电极，FPGA控制器10分别与超声信号发射电路8和超声信号接收电路9连接，供电电路11的DC-DC变换单元与FPGA控制器10连接，为其供电，接触电极用于与多功能控制盒5连接；其中，超声信号发射电路8与柔性探测器中的PMUT阵元6连接，超声信号接收电路9与柔性探测器中的CMUT阵元7连接，供电电路11的DC-DC变换单元与柔性探测器中的CMUT阵元7连接，为其提供偏置电压。
柔性电池12安装于第三层柔性基底3上，如图4所示，柔性电池12与柔性电路中的供电电路11的DC-DC变换单元连接。
柔性无线充电线圈13安装于底层柔性基底4上，如图5所示，柔性无线充电线圈13与柔性电路中的供电电路11的DC-DC变换单元连接。
多功能控制盒5包括盒体，盒体上设置有控制开关、指示灯、大容量电池、充电电路、USB接口和Type-C接口，大容量电池和充电电路连接，充电电路也可以与柔性电池12进行连接，盒体的一侧设有用于与柔性电路中的接触电极连接的接口电路， USB接口和Type-C接口用于与柔性电路中的FPGA控制器10以及智能终端14进行连接，从而实现智能终端14与FPGA控制器10的连接，然后通过智能终端14软件下载程序到FPGA控制器10，该程序可以控制超声信号的发射和接收，检测时，断开四层柔性基底和多功能控制盒5，将四层柔性基底贴于乳腺待检部位，打开四层柔性基底上的检测开关，完成乳腺待检部位的数据扫描，接着再将四层柔性基底与多功能控制盒5连接，导出采集的超声数据到智能终端14，进行多参数提取及多模态融合超声成像，并将最终数据上传于大数据平台用于病理分析。
四层柔性基底能够卷裹在多功能控制盒5上，并通过磁性扣固定，从而实现收纳的目的，便于携带和收藏。
上述超声诊断贴的电路连接如图6所示。
进一步的，本实施例还提供了上述基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴的成像检测方法，包括如下步骤：
1）多功能控制盒5通过其上的USB接口、Type-C接口分别与连智能终端14和四层柔性基底连接，打开多功能控制盒5上的控制开关，通过智能终端14下载超声扫描控制程序到FPGA控制器10；
2）断开多功能控制盒5和四层柔性基底，将四层柔性基底用医用胶带贴于待测乳房部位，然后打开四层柔性基底上的电路开关，进行待检部位的超声扫描和数据采集；
3）扫描完成后，取下四层柔性基底，将其与多功能控制盒5连接，然后导出采集到的乳腺超声信号数据到智能终端14；
4）打开智能终端14进行超声数据成像，具体是：对采集到的数据进行多参数提取并分别进行成像，多参数包括但不限于声速、声衰减、声阻抗和谐波；将线性图像和非线性图像进行小波分解，得到高频和低频的小波系数矩阵，对高、低频小波系数矩阵分别采用不同的融合规则，得到新的小波变换系数矩阵，再对新得到的小波系数矩阵进行小波逆变换即得到融合以后的超声图像，多参数融合流程如图7所示；将获得的待检部位超声图像通过网络上传至大数据智能终端，最后对图像进行生理病理分析并给出检测报告。
5）成像检测完成后，通过多功能控制盒5对四层柔性基底进行充电或者是将四层柔性基底放置于无线充电器上通过柔性无线充电线圈13进行充电，充电完成后将四层柔性基底卷裹在多功能控制盒5上进行收藏并通过磁性扣固定。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的问题、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，凡在本发明的构思范围内所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的覆盖范围。
Claims (7)
1.一种基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴，其特征在于：包括可弯曲变形的四层柔性基底和多功能控制盒；
四层柔性基底为可以贴合乳房表面形状的片状结构，四层柔性基底的层与层互相粘连且通过绝缘层隔离干扰，四层柔性基底的层与层之间通过通孔互相连接以进行信号的传输；其中，顶层柔性基底上设置有柔性探测器，第二层柔性基底上设置有柔性电路，第三层柔性基底上设置有柔性电池，第四层柔性基底上设置有柔性无线充电线圈；
多功能控制盒包括盒体，盒体上设置有控制开关、指示灯、大容量电池、充电电路、USB接口和Type-C接口，大容量电池和充电电路连接，盒体的一侧设有接口电路，接口电路与四层柔性基底连接；
四层柔性基底能够卷裹在多功能控制盒上，并通过磁性扣固定。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴，其特征在于：
柔性探测器包括用于发射超声信号的PMUT阵元和用于接收超声信号的CMUT阵元，每个PMUT阵元周围围绕排列有多个CMUT阵元以构成一个阵元组，然后多个阵元组依次排开布置；
柔性电路包括超声信号发射电路、超声信号接收电路、FPGA控制器、供电电路和接触电极，FPGA控制器分别与超声信号发射电路和超声信号接收电路连接，供电电路与FPGA控制器连接；
柔性探测器中的PMUT阵元和CMUT阵元分别与柔性电路中的超声信号发射电路和超声信号接收电路连接；柔性电路中的供电电路分别与柔性探测器中的CMUT阵元以及柔性电池、柔性无线充电线圈连接；柔性电路中的接触电极与多功能控制盒上的接口电路连接。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴，其特征在于：每个PMUT阵元周围围绕排列有六个CMUT阵元，六个CMUT阵元呈六边形状排列。
4.如权利要求3所述的基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴的成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将多功能控制盒分别与连接智能终端和四层柔性基底连接，打开多功能控制盒上的控制开关，通过智能终端下载超声扫描控制程序到FPGA控制器；
2）断开多功能控制盒和四层柔性基底，将四层柔性基底用医用胶带贴于待测乳房部位，然后打开四层柔性基底上的电路开关，进行待检部位的超声扫描和数据采集；
3）扫描完成后，取下四层柔性基底，将其与多功能控制盒连接，然后导出采集到的乳腺超声信号数据到智能终端；
4）打开智能终端进行超声数据成像，将获得的待检部位超声图像通过网络上传至大数据智能终端，最后对图像进行生理病理分析并给出检测报告。
5.根据权利要求4所述的基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴的成像检测方法，其特征在于：多功能控制盒通过其上的USB接口或Type-C接口与智能终端进行连接。
6.根据权利要求4或5所述的基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴的成像检测方法，其特征在于：步骤4）中的超声数据成像具体为：对采集到的数据进行多参数提取并分别进行成像，多参数包括但不限于声速、声衰减、声阻抗和谐波；将线性图像和非线性图像进行小波分解，得到高频和低频的小波系数矩阵，对高、低频小波系数矩阵分别采用不同的融合规则，得到新的小波变换系数矩阵，再对新得到的小波系数矩阵进行小波逆变换即得到融合以后的超声图像。
7.根据权利要求6所述的基于MEMS超声换能器混合配置的可卷曲乳腺超声诊断贴的成像检测方法，其特征在于：成像检测完成后，通过多功能控制盒对四层柔性基底进行充电或者是将四层柔性基底放置于无线充电器上通过柔性无线充电线圈进行充电，充电完成后将四层柔性基底卷裹在多功能控制盒上进行收藏并通过磁性扣固定。
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