CN113180736B - 基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置及方法，包括低频气动激励装置和经颅超声检测装置，将振动薄膜和低频经颅超声探头分别抵接在经颅两侧的颞窗位置，振动薄膜对经颅产生剪切波，同时采用低频经颅超声探头对经颅产生超声波，通过控制管道长度使得扬声器在不同频率的激励下都可以在管内产生驻波，从而带动振动薄膜进行规律性的简谐振动，即可以获得多频率的剪切波传播速度，解决了传统低频气动激励装置仅能单频率振动，仅能获取单频率的剪切波传播速度的弊端，同时通过控制振动薄膜的材料和厚度能够避免对经颅脑组织振动过程中产生瞬态加速度的情况，提高了低频气动激励装置的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医学超声成像技术领域，具体为一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置及方法。
背景技术
脑是人体中枢神经系统的重要组成部分。当受到创伤性损伤或脑内发生病变时，如阿尔茨海默症，脑内肿瘤，缺血缺氧性脑病等，脑组织的力学特性会发生明显改变。因此，研究脑组织的黏性，弹性及流性等力学特征对于相关疾病的研究及临床诊断具有重要意义。
目前，磁共振弹性成像技术(MRE)是获取脑组织等生物组织黏性和弹性的重要方法之一，但是临床具有一定的局限性，例如操作时间过长，动态分辨率低。因此对于新生儿脑部疾病很难通过磁共振弹性成像技术进行术前术后等多次的动态脑组织黏性和弹性的诊断。
相较而言，近年来超声剪切波弹性成像技术(SWE)发展迅速，具备更强的实用性。并且SWE早已应用于临床，用于检测肝组织纤维化，乳腺肿块，组织囊肿等疾病，可以弥补MRE动态分辨率较低等缺点，尤其对于新生儿脑部疾病的诊断具有潜在优势。首先新生儿脑B超诊断已经广泛应用于临床诊断。其次新生儿颅骨较薄对于超声的衰减较弱，且前囟尚未完全闭合。由于新生儿颅骨的特殊性，将经颅超声的局限性大大减弱。所以无论是临床需求，还是超声独特优势来言，经颅超声剪切波脑组织黏弹流性成像装置与方法的研究都是有重大意义的。
目前已有的基于声辐射力或通过稳态激振仪的外部激励振动方法实现的超声剪切波黏弹流性成像技术都存在一定的安全问题。声辐射力弹性成像必须将聚焦超声直接作用于生物组织，聚焦超声对脑组织的安全性目前尚不明确。通过稳态激振仪的外部激励振动方法，可能会对经颅脑组织产生瞬态巨大加速度，从而产生冲击波，对脑组织可能存在一定影响。
故而，研发出一种能够安全动态检测脑组织黏弹流性以及流性等参量的装置与方法尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置及方法，解决了现有装置仅能对脑组织弹性进行成像的局限性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，包括低频气动激励装置和经颅超声探测装置；
所述低频气动激励装置包括依次连接的信号发生器，功率放大器和扬声器，扬声器上设置有声罩，声罩通过管道与振动薄膜软连接；
所述经颅超声探测装置包括低频经颅超声探头和与其连接的超声成像设备实现；
测量时，所述振动薄膜和低频经颅超声探头分别用于抵接在经颅两侧的颞窗位置，振动薄膜用于对脑组织产生经颅剪切波，低频经颅超声探头用于产生超声波进行经颅观测。
优选的，所述声罩为喇叭状，其大端罩设在扬声器的发声口，使声波传播界面无突变。
优选的，所述振动薄膜通过柔性密封圈与管道的端部连接。
优选的，所述柔性密封圈为软硅胶垫圈。
优选的，所述振动薄膜为双向拉伸聚丙烯薄膜，薄膜厚度为0.01-0.03mm。
优选的，所述管道为硬质管道，其包括相互连通的弧形管和直线管，弧形管的下端与声罩连通，直线管的端部通过柔性密封圈与振动薄膜连接。
优选的，所述管道的长度根据驻波频率确定,公式如下：
其中，f为声波的振动频率；c为声波在管中传播的速度。
一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S110、将振动薄膜和低频超声经颅探头分别抵接在经颅两侧的颞窗位置；
S210、低频气动激励装置对经颅产生剪切波使脑组织产生位移，同时低频超声经颅探头发射高帧频平面超声波，并接收回波信号得到射频数据；
S310、利用S210步骤中获取的射频数据进行波束合成，根据合成的波束获取脑组织位移数据，根据位移数据得到剪切波传播速度；
S410、使用不同频率的低频正弦电信号激励低频气动激励装置，重复S210-S310步骤，获取多个低频频率的剪切波传播速度，根据多个低频频率剪切波传播速度确定脑组织的黏性、弹性和流性。
优选的，步骤S310中采用互相关算法对合成的波束计算得到脑组织的位移数据，然后根据相位延迟算法计算剪切波传播速度。
优选的，步骤S410中对多个不同低频频率的剪切波在脑组织中的传播速度采用Kelvin-Voigt分数阶模型进行拟合，得到脑组织的粘性、弹性和流性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，包括低频气动激励装置和经颅超声探测，管道与振动薄膜软连接后和低频经颅超声探头分别用于抵接在经颅两侧的颞窗位置，振动薄膜用于对脑组织产生经颅剪切波，低频经颅超声探头用于产生超声波进行经颅观测。振动薄膜经过颅骨在脑组织中产生剪切波，同时低频经颅超声探头产生高速平面波进行观测，通过控制振动薄膜的材料和厚度能够避免对经颅脑组织振动过程中产生瞬态突变加速度的情况，提高了低频气动激励装置的安全性，其次，通过控制管道长度使得扬声器在不同频率的激励下都可以在管内产生驻波，从而带动薄膜进行规律性的简谐振动。即可以获得多频率的剪切波传播速度，解决了传统低频气动激励装置仅能单频率振动，仅能获取单频率的剪切波传播速度的弊端。
本发明的测量方法使用了KVFD模型进行多频率的剪切波速度拟合，可以得到弹性、黏性、流性等多参量的组织力学特性，弥足了现有仅能进行脑组织弹性成像的局限性，黏性与流性的检测对于阿尔兹海默症、脑中风等脑疾病的初期诊断有重大意义。
附图说明
图1为本发明低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性算法框图；
图2为本发明低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性装置图；
图3为本发明低频气动激励装置与振动测量装置的连接示意图；
图4为本发明对于不同膜类型的激光测振结果图；
图5为本发明对于某一管长度在不同频率下的激光测振结果图。
图中，1，扬声器；2，声罩；3a，ABS连接管；3b，ABS延长管；4，软硅胶接口；5，振动薄膜；6，低频超声探头；7，激光发生器；8，激光；9-11，某一ABS管总长度条件下测振结果图；12-14，不同薄膜测振结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图2和3，一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，包括低频气动激励装置、经颅超声探测装置和振动测量装置。
低频气动激励装置包括依次连接的信号发生器、功率放大器、扬声器1、有机玻璃声罩2、ABS连接管3a、ABS延长管3b、软硅胶接口4和振动薄膜5。
其中，有机玻璃声罩2和扬声器1之间密封连接，连接方式包括但不限于使用硅胶软垫圈置于扬声器1和有机玻璃声罩2之间并使用螺栓连接以便达到气密效果。
优选的，有机玻璃声罩的截面被设计成了号筒喇叭形状，以便减少声波能量的衰减，使得空气动能更加集中。
类似的，有机玻璃声罩2和ABS连接管3a之间需要密封连接，连接方式包括但不限于上述方式。类似的，ABS连接管3a和ABS延长管3b之间需要密封连接，连接方式包括但不限于上述方式。
优选的，通过改变ABS延长管3b的长度，就可以改变ABS管的总长度(该总长度等于ABS连接管3a的长度加上ABS延长管3b的长度)。进而使得不同频率的声波可以在不同长度的管中形成驻波，且波腹的位置在薄膜处，从而可以对经颅产生剪切波。特别需要说明的是，其他材质的硬质细长管道都可以作为ABS材料的替代材料使用。
软硅胶接口4为一内外径和ABS延长管3b内外径相同的软硅胶垫圈，该软硅胶接口4可以但不限于通过胶接的方式固定在ABS延长管3b的端口处。
所述扬声器为全频喇叭，采用全频喇叭进行指定频率振动，气流通过ABS管，从而带动薄膜振动产生剪切波，传递至目标体中。多通道超声平台用于对目标体在剪切波激励下产生的位移进行观测。
全频喇叭的振动频率为100Hz-300Hz之间，以50Hz为步长。管材料应该使用类似ABS、PVC硬管，不可以使用橡胶软管。ABS管利于工业加工和3D打印，价格低廉，故本发明选择ABS管。
ABS管长度应该根据驻波频率公式(1)
其中，L是ABS管长度，c是声波在管中传播的速度，f是声波的振动频率。所以对应不同的频率需要设置不同的管长才能够产生驻波。当管内产生驻波时，能流仅在管中波节波腹之间简谐传播，不向外部传播，从而使薄膜做简谐振动。故而，应该对应一个振动频率一个ABS管长。
振动薄膜5应选用弹性好，强度高，回复力强，不易变形的弹性薄膜。选择厚度为0.03毫米的双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP薄膜)作为振动薄膜5使用。特别需要说明的是，只要满足振动测量装置对于薄膜在安全性、可靠性和有效性等方面的测试，其余材料的薄膜也可以满足装置需求，作为振动薄膜5使用。所述振动薄膜5可以但不限于通过胶接的方式经过软硅胶接口4固定在ABS延长管3b的端口处。
经颅超声探测装置包括低频经颅超声探头6和控制低频经颅超声探头6的超声成像设备。低频经颅超声探头6放置在颅骨的颞窗位置，低频经颅超声探头6可沿颞骨对应的冠状面观测脑组织，此处为颅骨最薄处，约为1.6mm，对于超声的衰减最小。
振动薄膜施加在超声探头6所在颞窗的对侧颞窗位置，此位置较为平整，在软硅胶垫圈的辅助下可以实现与振动薄膜的紧密贴合，使脑组织产生微小振动，并且脑组织微元的振动方向与超声扫描线方向平行，使得经颅低频超声探头可以检测到脑组织的微小位移。
为确保一种基于低频气动激励的获得经颅超声脑组织黏弹流性装置的安全性与可靠性，需要使用振动测量装置对低频气动激励进行振动测量，具体实施方式如图3所示。测量结果的分析与优选如图4，图5所示。
振动测量装置包括高速数据采集卡，激光测振仪，以及测振仪配套的激光发生器7。该激光发生器7可以发射激光束8，将激光束8对准振动测量目标，利用光学干涉原理，激光测振仪可以将测量目标的振动情况转化为模拟电信号，高速数据采集卡可以将该模拟电信号数模转化为数字信号并存储起来。通过对存储的振动信号进行分析，可以实现管长度的优选与振动薄膜种类的优选，同时可以检测振动能量的大小，确保低频气动激励装置的可靠性和安全性。
关于测量结果的分析与优选具体叙述如下：
图4中振动位移-时间图像9，振动位移-时间图像10，振动位移-时间图像11分别为某一ABS管总长度下通过振动测量装置获得的颞窗超声探头观测处皮肤的振动位移-时间图像。
其中，ABS管的总长度为85厘米。振动位移-时间图像9为100Hz低频正弦电信号驱动下气动激励装置产生的颞窗处振动图像。振动位移-时间图像10为200Hz低频正弦电信号驱动下气动激励装置产生的颞窗处振动图像。振动位移-时间图像11为300Hz低频正弦电信号驱动下气动激励装置产生的颞窗处振动图像。可以看到振动位移-时间图像10出现了明显的波形畸变与频率泄露。这是由于85厘米长的管无法在薄膜处形成驻波的波腹。
一种基于低频气动激励的经颅脑组织黏弹流性获得装置应该综合多频率剪切波速度估计的考量，根据剪切波频率对管长度进行优选。
所述优选后ABS连接管3b应随着剪切波频率而进行更换不同长度。实现“一频一管”式标准配置。
图5中振动位移-时间图像12，振动位移-时间图像13分别为两种类型的振动薄膜通过振动测量装置获得的振动位移-时间图像，其中，振动位移-时间图像12产生了明显的波形畸变与高频噪声，而振动位移-时间图像13基本接近100Hz低频正弦波，说明振动位移-时间图像13对应的薄膜类型更符合一种基于低频气动激励的经颅脑组织黏弹流性获得装置的可靠性要求。
振动加速度-时间图像14和振动加速度-时间图像15分别为两种类型的振动薄膜通过振动测量装置获得的振动加速度-时间图像。其中，振动加速度-时间图像14产生了明显的较大加速度突变，这可能导致冲击波的产生，带来安全隐患。而振动加速度-时间图像15无加速度突变，说明振动加速度-时间图像15对应的薄膜类型更符合一种基于低频气动激励的经颅脑组织黏弹流性获得装置的安全性要求。
一种基于低频气动激励的超声经颅脑组织黏弹流性获得装置应该综合安全性与可靠性的考量，对薄膜进行优选。
所述优选后振动薄膜材料为厚度为0.01-0.03mm的双向拉伸聚丙烯薄膜BOPP薄膜。
下面对本发明提供的基于低频气动激励的获得经颅超声脑组织黏弹流性装置的使用方法进行详细的说明。
首先，使用振动测量装置按上述优选测试办法完成装置的优选与测试。
然后，使病患静坐，目视前方。保证头颅两侧颞窗在同一水平位置上。寻找病患的某一颞骨位置，将该位置作为低频经颅超声探头6的观测点，使超声波沿颞骨对应的冠状面水平传播。
其次，确定振动薄膜5的施加位置，将对侧颞窗作为振动薄膜5施加位置，将柔性硅胶垫圈4轻压在该位置处，确保振动薄膜5与颞窗皮肤良好贴合。
完成上述步骤后，即可进行经颅剪切波脑组织多参量成像，使用信号发生器产生激励信号，并经过功率放大器放大后传送给扬声器1，通过振动薄膜5将剪切波透过颅骨进行规律性的传播，再由经颅超声检测装置进行剪切波成像。
改变信号发生器给出的激励电信号频率，并更换对应长度的ABS连接管3b，重复上述操作，获得多频率脑组织中剪切波速度估计，利用KVFD模型拟合，得到脑组织的黏弹流性。
参阅图1，上述基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性的装置的测量方法，包括以下步骤：
S110、低频气动激励装置在低频正弦电信号的作用下振动产生剪切波，经由薄膜带动脑组织产生微小位移。
S210、低频超声探头在颞窗同步发射高帧频平面超声波，并接收回波信号，得到射频数据。
S310、利用210步骤中获取的射频数据进行波束合成，再利用互相关算法获取脑组织微小位移数据。
具体的，在互相关算法之后使用3*10矩阵中值滤波去噪，得到脑组织微小位移。
S410、利用上述步骤得到的位移数据进行相位延时算法进行剪切波速度的估计。
使用延迟相位法计算剪切波传播速度之前，应使用傅里叶变换寻找峰值点频率，使用峰值点对应频率的相位进行计算。
S510、使用不同频率的低频正弦电信号激励气动装置，重复110-410四个步骤，获取多个频率的剪切波速度，并利用KVFD模型计算脑组织的黏性，弹性和流性。
本发明提供的基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，全频喇叭端口与有机玻璃声罩相连连接，有机玻璃声罩通过ABS管连接BOPP薄膜，使用ABS硬管，而抛弃了MRE中所使用的乳胶软管，使得波在管中传播的粘滞系数更小，能量损耗减小。即在小能量激励下就可以产生满足本装置所需的气动能量。通过控制ABS的管长使得喇叭在不同频率的激励下都可以在管内产生驻波，从而带动薄膜进行规律性的简谐振动，即可以获得多频率的剪切波传播速度。解决了传统气动装置仅能单频率振动，仅能获取单频率的剪切波传播速度的弊端。
进一步，采用了30um的BOPP薄膜，使得薄膜在气动激励下进行很好的规律性简谐振动且不产生突变加速度，即产生冲击波，弥补了传统气动装置对于安全性考量的不足。
进一步，使用KVFD模型进行多频率的剪切波速度拟合，可以得到弹性、黏性、流性等多参量的组织力学特性，弥足了现有仅能进行脑组织弹性的成像的局限性。黏性与流性的检测对于阿尔兹海默症、脑中风等脑疾病的初期诊断有重大意义。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，其特征在于，包括低频气动激励装置和经颅超声探测装置；
所述低频气动激励装置包括依次连接的信号发生器，功率放大器和扬声器（1），扬声器上设置有声罩（2），声罩通过管道与振动薄膜（5）软连接；
所述经颅超声探测装置包括低频经颅超声探头（6）和与其连接的超声成像设备实现；
测量时，所述振动薄膜（5）和低频经颅超声探头（6）分别用于抵接在经颅两侧的颞窗位置，振动薄膜（5）用于对脑组织产生经颅剪切波，低频经颅超声探头（6）用于产生超声波进行经颅观测；
所述管道为硬质管道，其包括相互连通的弧形管和直线管，弧形管的下端与声罩连通，直线管的端部通过柔性密封圈（4）与振动薄膜（5）连接；
所述管道的长度根据驻波频率确定,公式如下：
（n=1,2,3…）
其中，f为声波的振动频率；c为声波在管中传播的速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，其特征在于，所述声罩（2）为喇叭状，其大端罩设在扬声器的发声口，使声波传播界面无突变。
3.根据权利要求1所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，其特征在于，所述振动薄膜（5）通过柔性密封圈（4）与管道的端部连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，其特征在于，所述柔性密封圈（4）为软硅胶垫圈。
5.根据权利要求1所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置，其特征在于，所述振动薄膜（5）为双向拉伸聚丙烯薄膜，薄膜厚度为0.01-0.03mm。
6.一种权利要求1-5任一项所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110、将振动薄膜和低频超声经颅探头分别抵接在经颅两侧的颞窗位置；
S210、低频气动激励装置对经颅产生剪切波使脑组织产生位移，同时低频超声经颅探头发射高帧频平面超声波，并接收回波信号得到射频数据；
S310、利用S210步骤中获取的射频数据进行波束合成，根据合成的波束获取脑组织位移数据，根据位移数据得到剪切波传播速度；
S410、使用不同频率的低频正弦电信号激励低频气动激励装置，重复S210-S310步骤，获取多个低频频率的剪切波传播速度，根据多个低频频率剪切波传播速度确定脑组织的黏性、弹性和流性。
7.根据权利要求6所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S310中采用互相关算法对合成的波束计算得到脑组织的位移数据，然后根据相位延迟算法计算剪切波传播速度。
8.根据权利要求6所述的一种基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S410中对多个不同低频频率的剪切波在脑组织中的传播速度采用Kelvin-Voigt分数阶模型进行拟合，得到脑组织的粘性、弹性和流性。
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