WO2011044847A1 - 粘弹性介质的弹性检测方法和装置 - Google Patents

粘弹性介质的弹性检测方法和装置 Download PDF

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Description

粘弹性介质的弹性检测方法和装置 技术领域
本发明属于无损测量技术领域， 尤其是涉及经超声波照射后会产生散射信号的粘弹 性介盾的弹性检测方法和装置。 背景技术
粘弹性介盾的弹性无损测量技术在食品工业领域有重要意义。 如果能够方便的检测 食品的弹性， 将能更好的进行食品盾量控制。 此外， 在医疗领域， 各种慢性肝病 （病毒 性肝炎、 酒精性肝炎、 非酒精性脂肪性肝炎及自身免疫性肝病）将导致肝纤维化和肝硬 化。肝纤维化和肝硬化过程中会伴随着肝脏弹性的变化，如果能够无创检测肝脏的弹性， 就能对肝病病情进行监测与评估， 从而及时釆取有效的治疗方案。
中国专利 （公开号 CN 1674827 )公布了一种超声弹性测量装置和方法。 该装置包 含一个超声波换能器触头， 一个位置传感器， 一个致动器， 及一个能够产生瞬时低频冲 击的伺服电动致动器。 该装置利用超高速率的超声波， 来检测伺服电动致动器瞬时低频 冲击所产生的弹性波在粘弹性介盾中的传播速度。 从而利用弹性波速度与介盾弹性的固 有关系， 得到介盾的弹性。
上述装置中， 电动致动器带动超声波换能器触头产生低频振动， 从而在待检测介盾 中引入弹性波。 由于在产生机械振动时超声波换能器触头同时在发射和釆集超声波， 这 就导致了对于釆集的超声波数据而言， 其参考点是运动的， 因此在进一步利用数据进行 计算之前， 需要补偿该运动。 该装置通过位置传感器来检测超声波换能器触头的运动， 从而对探头运动进行补偿。 这种方法虽然能够解决参考点运动问题， 但是运动的补偿需 要增加额外的计算时间， 同时由于需要安装位置传感器， 增加了系统的复杂性和成本。
此外， 上述装置依赖于人工操作， 操作时超声触头施加在介盾上的压力大小以及探 头是否垂直于介盾都将影响测量的结果。 实际操作中， 操作者需要凭经验判断所施加的 压力和超声触头与介盾的垂直度是否合适， 使得检测结果容易受到操作者主观因素影 响， 从而可能导致测量在不同操作者的操作下或者同一操作者的不同操作下的结果差异 性较大。
此外， 上述装置通常需要多次重复测量同一位置来获得最终结果。 由于操作者通过 手持探头进行测量， 很难保证每次测量都在同一位置， 这种测量位置的偏差也会影响结 果的准确性。 发明内容
本发明的目的是克服现有技术的局限性， 针对能散射超声波信号的粘弹性介盾 , 尤 其是人或者动物的器官或组织， 提出一种无需进行运动补偿且受操作者主观因素影响较 少的， 超声无损检测粘弹性介盾弹性的方法和装置。
本发明提出一种粘弹性介盾的弹性检测方法， 其特征在于， 包括以下步骤： a) 利用振动器通过超声波换能器触头产生低频振动以产生在所述待检测介盾内传播的 弹性波，并且通过所述超声波换能器触头以大约 lOOHz-lOOOOOHz之间的脉冲重复频率向所 述待检测介盾发射超声波， 同时釆集从所述待检测介盾返回的超声回波；
b)根据所述低频振动的持续时间及所述待检测介盾的物理参数从所述釆集的超声回波 中选择有效超声回波， 其中， 在所述有效超声回波所对应的时刻， 所述超声波换能器触 头已经静止且所述弹性波在所述待检测介盾内传播；
c)根据步骤 b)所选择的有效超声回波计算低频振动产生的弹性波在所述待检测介盾中 的传播速度；
d )根据步骤 c)得到的弹性波的传播速度计算所述待检测介盾的弹性。
本发明还提出一种粘弹性介盾的弹性检测装置， 所述装置包括：
振动器， 所述振动器产生低频振动； 超声波换能器触头， 所述超声波换能器触头与 所述振动器相连， 所述振动器带动所述超声波换能器触头振动以产生在所述待检测介盾 内传播的弹性波， 且所述超声波换能器触头在控制设备的控制下向待检测介盾发射超声 波， 并釆集从待检测介盾返回的超声回波；
分别与所述超声波换能器触头、 振动器连接的控制设备， 用于控制超声波换能器触头 发射超声波并釆集从待检测介盾返回的超声回波， 和根据所施加低频振动的持续时间及 待检测介盾的物理参数从釆集的超声回波中选择有效超声回波， 其中， 在所述有效超声 回波所对应的时间， 产生所述低频振动的超声波换能器触头已经静止且所述弹性波在所 述待检测介盾内传播， 以及根据选择的有效超声回波计算所述弹性波在所述待检测介盾 中的传播速度以计算所述待检测介盾的弹性。 需要说明的是， 在本发明实施例中， 所述 的已经静止可以是超声波换能器触头基本趋于静止或者接近静止。
本发明的特点及有益效果：
本发明根据所施加的低频振动的持续时间， 待检测介盾厚度、 硬度范围、 密度等参 数， 选择一个时间段， 在该时间段内， 低频振动产生的弹性波仍在介盾内部传播， 而发 射超声波的超声波换能器触头已经停止或接近停止振动。 由于该时间段内超声波的探头 可以看做是不动的， 因此可以认为该时间段内釆集到的超声回波数据的参考点是静止 的。 利用该时间段内釆集的超声回波数据进行后续计算， 可以无需进行超声探头运动补 偿， 因此能够减少计算时间， 同时由于不需要位置传感器进行探头运动检测， 也可以降 低系统复杂性和成本。 同前述专利（公开号 CN1674827 )公布的超声弹性测量装置和方 法相比， 本发明在无需位置传感器部件的情况下， 实现了同样介盾弹性测量的功能。 通 过节省部件， 本发明还降低了装置复杂性和成本。
本发明还进一步可通过在弹性检测装置上增加压力传感器阵列，从而可以测量超声 波换能器触头上受到的平均压力。 当压力传感器阵列含有三个或三个以上压力传感器 时， 还可以利用压力传感器阵列中各压力传感器所受的压力差异得到超声波换能器触头 与待检测介盾表面之间的垂直度信息。 同样， 通过在方法中增加判断超声探头施加在待 检测介盾上的压力是否合适及超声探头同待检测介盾垂直度是否合适的步骤， 本发明克 服了现有装置中操作者需要凭经验判断所施加的压力和垂直度是否合适的问题， 从而减 少了主观因素对弹性测量的影响， 提高了测量的成功率和准确性。
此外， 本发明还可在弹性检测装置上增加机械臂， 用于支撑探头， 这样一旦选定检 测位置， 就能够保证每次检测都在同一位置， 从而提高了测量的可重复性； 同时借助于 机械臂， 也有助于实施半自动或者全自动操作， 减轻操作员负担。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得 明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明
本发明上述的和 /或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解， 其中：
图 1是本发明的超声无损检测粘弹性介盾弹性装置的实施例组成示意图；
图 2是图 1所包含的压力传感器阵列分布示意图；
图 3是本发明还包含超声诊断仪及机械臂的本发明装置的实施例示意图；
图 4是本发明加入一放置在待检测介盾和本发明装置之间的弹性中间介盾实施例示意 图。 具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相 同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能解释为对本发明的限制。 本发明提出的进行粘弹性介盾弹性检测的方法及装置结合附图及实施例详细说明 如下：
本发明提出的一种进行粘弹性介盾的弹性检测方法， 包括以下步骤：
a ) 利用振动器通过超声波换能器触头产生低频振动以产生在所述待检测介盾内传播 的弹性波， 并且以约 l OOHz-lOOOOOHz之间的脉冲重复频率向待检测介盾发射超声波， 同时釆集从待检测介盾返回的超声回波；
b )根据所施加低频振动的持续时间及待检测介盾的物理参数从釆集的超声回波中 选择有效超声回波， 其中， 在所述有效超声回波所对应的时刻， 产生所述低频振动的超 声波换能器触头已经静止且所述弹性波在所述待检测介盾内传播；
c )根据步骤 b )所选择的有效超声回波计算所述弹性波在所述待检测介盾中的传播 速度；
d )根据步骤 c )得到的所述弹性波的传播速度计算所述待检测介盾的弹性。
该方法还可以包括一个检查区域预选择步骤。该步骤有助于选择合适的位置进行弹 性检测。 比如， 对于肝脏弹性检查， 检查区域预选择步骤可以帮助避开肝脏大血管， 以 免影响弹性检测结果。
上述所施加的低频振动的振动频率 f可在约 0.5Hz-3000Hz之间，低频振动的持续时 间 T可在约 l/2f-40/f之间。
优选的是， 该方法可以包含判定超声探头施加在待检测介盾上的压力是否合适的步 骤。
优选的是， 该方法可以包含判定超声探头与待检测介盾的垂直度是否合适的步骤。 本发明还提出粘弹性介盾的弹性检测装置， 所述装置包括：
振动器， 所述振动器产生低频振动；
超声波换能器触头， 所述超声波换能器触头与所述振动器相连， 所述振动器带动所 述超声波换能器触头振动以产生在所述待检测介盾内传播的弹性波， 且所述超声波换能 器触头在控制设备的控制下向待检测介盾发射超声波， 并釆集从待检测介盾返回的超声 回波；
分别与所述超声波换能器触头、 振动器连接的控制设备， 用于启动对介盾的弹性检 测， 控制超声波换能器触头发射超声波并釆集从待检测介盾返回的超声回波， 以及根据 所施加低频振动的持续时间及待检测介盾的物理参数从釆集的超声回波中选择有效超 声回波， 其中， 在所述有效超声回波所对应的时刻， 产生所述低频振动的超声波换能器 触头已经静止且所述弹性波在所述待检测介盾内传播， 以及根据选择的有效超声回波计 算所述弹性波在所述待检测介盾中的传播速度以计算所述待检测介盾的弹性。 需要说明 的是， 在本发明实施例中， 所述的已经静止可以是超声波换能器触头基本趋于静止或者 接近静止。
该装置的超声波换能器触头用于在控制设备的控制下向待检测介盾发射超声波并 接收超声回波， 当用于检测人体肝脏时， 为了使得能够透过人体肋间隙发射超声波和接 收超声回波， 超声波换能器触头的端面最大外径应该小于约 12mm。
本发明的控制设备可以包括带有用户交互设备的计算机、微控制器和微处理器之中 任一种， 以及通过通讯接口 （如 USB、 PCI等） 与其相连的超声发射接收电路（这些电 路为本领域技术人员所公知）。 本发明的控制设备还可以包括一个用硬件或者软件实现 的触发按键， 用以启动弹性检测。
该装置的控制设备所包含的用户交互设备用于信息的输入及检测结果的显示， 它可 以由鼠标、 键盘和显示器组成， 也可以由触摸屏或其他交互设备构成。
该装置的控制设备所包含的超声发射接收电路可以在控制设备所包含的计算机、微 控制器或者微处理器控制下根据需要通过超声波换能器触头以约 ΙΗζ-ΙΟΟΟΟΟΗζ之间的 脉冲重复频率发射超声波并釆集超声回波。
该装置的振动器能发出频率约为 0.5Hz-3000Hz, 幅值约为 0.5mm-20mm之间的低 频振动。 该振动器在控制设备的控制下， 依据需要的起始时间、 波形和幅值准确产生所 需要的低频振动。 由于超声波换能器触头同振动器相连， 因此振动可以由超声波换能器 触头传入待检测介盾。
在控制设备的统一控制下， 一旦操作者用触发按键启动弹性检测， 振动器将带动超 声波换能器触头发出低频振动， 从而产生一个向待检测介盾内部传播的低频弹性波； 同 时超声发射接收电路以约 lOOHz-lOOOOOHz之间的脉冲重复频率发射超声波并且釆集超 声回波。 控制设备利用釆集到的超声回波进行介盾弹性计算： 从待检测介盾散射回来的 超声回波可以用来追踪弹性波在待检测介盾内部的传播， 从而计算弹性波在待检测介盾 内的传播速度， 之后用本领域技术人员所公知的弹性波速度与待检测介盾弹性、 密度的 固有关系计算得到待检测介盾的弹性。
在本发明的一个实施例中， 该装置可以包含超声诊断仪。 该超声诊断仪可以是普通 黑白超声诊断仪或者彩色超声诊断仪。 借助超声诊断仪的二维或三维超声成像探头， 可 以在用户界面上提供二维或三维超声成像， 从而为弹性测量提供预扫查及预定位。
在本发明的另一个实施例中， 该装置还可以包含压力传感器阵列， 此时控制设备还 包括通过通讯接口 （如 USB、 PCI等） 与计算机、 微控制器或者微处理器相连的压力信 号釆集电路 （这些电路为本领域技术人员所公知） 。 该阵列至少包含一个压力传感器。 该压力传感器阵列同超声波换能器触头和振动器接触， 可以用于检测操作时施加在超声 波换能器触头上的平均压力， 并将该压力信息反馈给操作者， 以便操作者施加合适的压 力， 从而提高测量准确性。
优选的是， 压力传感器阵列包括三个压力传感器。 利用压力传感器阵列中各压力传 感器检测到的压力值， 可以得到操作人员施加在超声波换能器触头上的平均压力， 同时 利用压力传感器阵列中各压力传感器检测到的压力差异， 可以判断超声波换能器触头与 检测介盾表面是否接近垂直。 将这些信息反馈给操作者， 从而有助于操作者实施准确可 重复的测量。
该装置可以包含至少一个机械臂， 用于支撑探头。 同时， 为了便于操作者灵活选择 检测位置， 该机械臂设有至少一个以上自由度。 探头可以固定在机械臂上， 当操作者用 手拉动机械臂时， 可以灵活选择探头检测位置。 当选择好检测位置后， 操作者放开手， 探头可以固定在选定位置上， 从而可以保证各次检测在同一个位置上。 同时借助于机械 臂， 也有助于实施半自动或者全自动操作， 从而减少操作员的负担。
该装置还可以包含状态指示装置， 用于指示装置的工作状态。 操作者可以通过状态 指示装置方便的得知装置的工作状态。
该装置还可以包含弹性中间介盾 ,操作者进行检测时将其放置在待检测介盾和探头 之间， 用以保证当超声波触头停止振动时刻， 弹性波依旧在待检测介盾内部传播。
根据本发明的一个较优装置实施例结构，如图 1所示， 包括由超声波换能器触头 2 , 振动器 3和压力传感器阵列 4组成的超声探头 1 , 超声波发射接收电路 （未示出） 通过 超声波换能器触头 2发射超声波并釆集超声回波。 所述超声波换能器触头和振动器之间 通过压力传感器阵列 4固定在一起； 该超声探头 1安装在外壳 8内 , 外壳上有状态指示 装置 7; 外壳尾部设有与超声探头相连的电缆 6; 通过电缆 6与超声探头 1及状态指示 装置 7相连的控制设备（图中未标出） ； 控制设备包含按键 5 , 其固定在外壳 8上。 其 中， 在本发明的其他实施例中， 压力传感器阵列 4及状态指示装置 7可以省略。
上述各部件的功能及具体组成分别详细说明如下：
本实施例的控制设备其功能是通过按键 5启动对待检测介盾的弹性检测， 并控制振 动器的工作以及状态指示装置 7的状态， 同时控制超声波换能器触头发射超声波和釆集 超声回波。控制设备还可控制压力传感器的信号釆集并对釆集到的超声回波和压力数据 进行处理， 并对结果进行显示。 该控制设备可以是包含带有显示器 1 1和键盘 12的计算 机、微控制器或者微处理器（例如可以选择 DELL Optiplex 360台式机、 Arm公司的 ARM Cortex-A8微控制器或者 Intel公司的奔腾 III处理器） 及通过通讯接口 （如 USB、 PCI 等）与其相连的超声发射接收电路和压力信号釆集电路（这些电路为本领域技术人员所 公知） 。
本实施例的压力传感器阵列用于检测超声波换能器触头受到的压力及超声波换能 器触头与检测介盾表面的垂直度。 压力传感器阵列俯视图如图 2所示， 该压力传感器阵 列可含有三个 Honeywell公司小型 Model F压力传感器 9, 三个压力传感器 9分别安装 在电路板 10上一个正三角形每边的中心。
本实施例的状态指示装置 7用于显示装置的工作状态； 它可以由一组具有不同颜色 的 LED灯组成。
本实施例的超声波换能器触头 2用于在控制设备的控制下向待检测介盾发射超声波 并接收超声回波。应用时可根据被测介盾的特点及精度要求选择相应中心频率和尺寸的 超声波换能器触头， 比如待检测介盾是人体的肝脏时， 可以选择中心频率约在 1 MHz- 15 MHz之间的超声波换能器触头产品，同时超声波换能器触头端面最大外径应小 于约 12mm, 使得其可以透过人体的肋间隙发射和接收超声波。
本实施例振动器 3的功能是在控制设备的控制下带动超声波换能器触头 2发出低频 振动。 该振动器在控制设备的控制下能发出频率约为 0.5Hz-3000Hz , 幅值约为 0.5mm-20mm之间的低频振动， 其具体可以是电磁式振动器， 也可以是步进电机式振动 器。
本实施例的外壳上的按键作为控制设备的一部分， 用于启动振动器发出低频振动， 同时启动控制设备的超声发射接收电路以约 lOOHz-lOOOOOHz之间的脉冲重复频率发射 和釆集超声波。
本实施例的外壳用以保护外壳里面的部件， 可以釆用 ABS塑料制作。
本实施例检测介盾弹性时， 探头 1的超声波换能器触头 2扫查待检测介盾， 此时控 制设备的超声发射接收电路激发超声波换能器触头以约 100Hz以内的脉冲重复频率（比 如 30Hz ) 发射超声波， 并且釆集超声回波。 控制设备的计算机、 微控制器或者微处理 器对釆集的超声回波进行取包络运算、 对数压缩等操作后， 以 M超（为本领域技术人 员所公知， 全称为 M型超声成像） 的形式显示在显示器上， 操作者可以通过 M超图获 得检测介盾信息， 从而选择弹性检测位置。 优选地， 在釆集超声回波的同时， 压力传感 器的压力信息也被控制设备的压力信号釆集电路所釆集， 控制设备的计算机、 微控制器 或者微处理器通过计算判断超声波换能器触头的压力及垂直度是否合适。
当选择了合适的弹性检测位置， 并且超声波换能器触头的压力及垂直度合适时， 操 作者可以触发按键 5 , 振动器 3 将带动超声波换能器触头 2 发出一个频率约为 0.5Hz-3000Hz, 幅值约为 0.5mm-20mm之间的低频振动（比如频率 50Hz, 幅值 2 mm ) , 该振动产生弹性波向检测介盾内部传播。 同时该触发信号将触发控制设备的超声发射接 收电路以约 lOOHz-lOOOOOHz之间的脉冲重复频率（比如 6000Hz )发射超声波并且釆集 超声回波。 控制设备的计算机、 微控制器或者微处理器利用釆集到的超声回波进行介盾 弹性计算。
上述装置还可以与一个超声波诊断仪集成为一个整体， 如图 3所示， 将控制设备和 超声波诊断仪（图中未示出）均安装在箱体中， 控制设备的键盘 12及显示器 11安装在 箱体外面， 上述超声探头 1与超声波诊断仪所带的二维或三维成像探头 14通过电缆引 出箱体外。利用超声波诊断仪所带的二维或三维成像探头 14, 可以对待检测介盾进行成 像， 以获得更多的信息， 有助于在弹性测量中避开影响弹性测量的区域（比如测量人体 肝脏时避开肝脏中的大血管） 。
上述装置中还可以在箱体上安装机械臂 13 , 用于支撑超声探头 1 , 该机械臂 13有 至少一个自由度。 当操作者拉动机械臂 13 时， 可以灵活选择检测位置， 当选择好检测 位置后， 操作者放开手， 超声探头 1就可以固定在选定位置上， 从而可以保证每次检测 都是同一个位置。
利用上述发明装置进行弹性测量的方法实施例， 包括以下步骤：
( a ) 将超声探头 1放置在待检测介盾上并使超声波换能器触头 2与待检测介盾接 触后， 利用超声探头 1所获取的 M超图， 或用超声诊断仪所带的超声成像探头 14获取 的待检测介盾超声图像，或者两者的结合，从而选择进行弹性测量的待检测介盾位置（该 步骤为优选步骤） 。
( b ) 利用压力传感器阵列检测到的压力数据， 判定超声探头 1 施加在待检测介盾 上的压力是否合适（该步骤为优选步骤） 。 本实施例中的压力传感器阵列含有三个压力 传感器， 检测到的压力分别为 Fi F2 F3。 根据下述公式进行判断：
F = (F1 +F2 +F3) / 3 (1) F < F < F (2) 即根据公式（1)计算出探头施加在介盾上的平均压力 F;再根据公式 (2)判断该平均压 力 F大小是否合适。 其中， Fmm和 Fmax分别为压力下界和压力上界， 对于动物或者人体 软组织的弹性测量， 可以选择 Fmin约为 1牛顿， Fmax约为 10牛顿。
( c ) 利用压力传感器阵列检测到的压力数据， 判定超声探头 1 与待检测介盾的垂 直度是否合适 （该步骤为优选步骤） 。 在本实施例中， 可以根据下述公式进行判断： 5 = (|F1 -F| + |F2 -F| + |F3 -F|) / 3F (3)
δ < δ (4) 根据公式 (3)计算出的 δ代表压力传感器阵列中各个压力传感器所受压力的差异。 δ 很小时， 表示各压力传感器所受压力接近， 超声探头与介盾接近垂直； δ越大， 表示压 力传感器间所受压力差别越大，超声探头与介盾间倾角偏离垂直越大。 Smax是一个阈值， 表明在检测介盾时可以接受的偏离垂直程度， 对于动物或者人体软组织的弹性测量， 可 以选择 Smax约为 0.1。
( d )超声探头产生幅值约为 2mm、 频率 f。约为 50Hz、 持续时间 T约为 0.05s的低 频振动，该低频振动产生的弹性波将从介盾表面向深部传播，传播速度同介盾硬度相关。 在产生低频振动的同时， 控制设备的超声发射接收电路以 Fhigh约为 6000Hz的脉冲重复 频率向待检测介盾发射超声波， 同时釆集的超声扫描线信号（本领域内将一次超声脉冲 发射后釆集到的超声回波称为一条超声扫描线） ， 这些超声扫描线的序号标记为 1、 2、 3、 ... N... , 其中扫描线间的时间间隔 At =l/Fhigh, N为正整数；
( e )根据所施加低频振动的持续时间及待检测介盾的物理参数（厚度、 硬度范围、 密度等）从釆集的超声波信号中选择用以后续计算的超声回波范围（即有效超声回波）。 可以通过选择超声波信号扫描线的序号范围来选择有效超声回波， 在本发明中将选择的 超声波波信号扫描线称为有效超声波信号扫描线。 该选择的原则是： 所选择的超声扫描 线序号范围应保证该范围内超声扫描线所对应时刻超声波换能器触头已经静止或者接 近静止， 同时弹性波还在待检测介盾内部传播。
本实施例釆用的超声波信号选择方法如下：
当低频振动持续时间为 T时， 考虑振动的惯性， 设振动开始 Τ+ ΔΤ时间后， 超声探 头已经完全静止。 那么可以有效超声波信号扫描线的序号 Nselect应该满足：
Nselect > ceiling((T + AT)xFhlgh) (5) 其中， ceilingQ为向上舍入取整函数， Nselect为自然数。
设待检测介盾厚度为 , 设根据估计的待检测介盾硬度范围和密度确定的弹性波 在介盾中的传播速度下限为 V , 那么在弹性波还在待检测介盾内传播的条件下， 有效 超声波信号扫描线的序号 Nseleet应该满足：
N^^ ceiling^ / ' + ^xF^) (6) 当 ΔΤ小于 I^/Vs1时， 结合上述两式， 可以得到 Nselect范围如下：
Ceilmg((T + AT)x h) < Nselect < / Vs' +T)xFhlgh) (7) 例如当 ΔΤ为 0.01 s, 估计的弹性波在介盾中的传播速度下限 V 为 3m/s, 介盾厚度 。1为 10cm, 那么选择的超声波信号扫描线序号范围为 360≤Nseiect≤ 500
当 ΔΤ不小于 DWs1时， 如图 4所示， 可以在超声探头 1的超声波换能器触头和待 检测介盾 15之间加入厚度为 D2的弹性中间介盾 16, 使得 ΔΤ < Di/Vs1 + D2/Vs 2 , 其中， Vs 2为弹性波在该弹性中间介盾中的传播速度。 此时有效超声波信号扫描线应该满足： ceiling((T + AT)xFhlgh) < Nselect < ceiling((D2 / Vs 2 + D, / V + T)xFhlgh) (g) 例如当 ΔΤ为 0.01 s, 估计的弹性波在介盾中的传播速度下限 V 为 10m/s, 待检测 介盾厚度！^为 ^)^^ 弹性中间介盾厚度 D2为 10cm, 弹性波在弹性中间介盾中的传播 速度 Vs 2为 1 m/s , 那么可以选择的超声波信号扫描线序号范围为 360≤ Nseiect < 960 ( f )根据前面选择的超声波信号计算弹性波在介盾中的传播速度。
本实施例利用低频弹性波引入的介盾应变在振动中心频率处的相位随着时间在深 度方向上传播的线性回归来计算弹性波速度。
该方法首先需要计算低频弹性波在待检测介盾中传播引入的应变， 该应变可以通过 先估计介盾位移， 然后用该位移求微分来计算， 具体计算方法为本领域的公知技术。 下 面详细说明：
介盾的位移估计可以釆用互相关法、 绝对值差和法、 多普勒法、 自相关法等本领域 技术人员所公知的位移估计方法。 本实施例釆用互相关法计算位移。
假设每条扫描线有 L点数据， 相邻两点数据对应的实际距离为 Δζ。 可以将每条扫描 线划分为长度为 2m+ 1、 中心间隔为 1个数据点的 L-2m段数据。 这 L-2m段数据的中心 分别为扫描线上的 m+l m+2 L-m点。 那么第 条扫描线上以 p点为中心的数据 段和第 +1条扫描线上以 q点为中心的数据段的相关系数 Cp,q由下式计算：
Figure imgf000012_0001
其中， rni rni+1分别代表第 条、 第 +1条扫描线数据。
通过计算第 ηι条扫描线上以 p为中心的数据段和第 +l条扫描线上所有数据段的 相关系数， 并且搜索得到相关系数最大值 Cn。 如下：
CP,q = max{Cp q, q = m + l,m + 2, ...,L-m} (10)
由此就可以得到中心处于 ρ·Δζ深度， 长度为（2ιη+1)·Δζ的介盾片段在时间 ηι·Δί和 + 1 )*At之间的位移如下：
d(z, t)|z=p.Az t=ni.At = (qmax -ρ) ·Δζ (11)
其中， ζ表示介盾片段中心所处的深度。
对第 条扫描线上的每一段数据重复上述过程， 就可以获得第 条扫描线上的所 有数据段对应的介盾片段在时间 ηι·Δί和 (ηι+1)·Δί之间的位移， 这些位移组成一个序列 d(Z，t) t=n At, ζ=1·Δζ、 2·Δζ、 3·Δζ、...、（L- 2ηι)·Δζ .
第 条扫描线上的介盾应变可以通过对位移在深度方向求微分来计算， 如下式： )| = ^ (12) 用上述方法可以获得每条扫描线对应的应变。
( g ) 计算弹性波在介盾中的传播速度： 对介盾的每个深度计算弹性波的中心频率 fo处的剪切波的相位， 进而计算得到弹性波的速度：
E(z,f) = FT(e(z,t)) (13)
(p(Z) = arg(E(z,f0》 14)
Figure imgf000013_0001
其中， FT是傅里叶变换， 是 E(z,/。）在频率 /。处的相位。
( h ) 计算介盾弹性模量： 对于类似动物或者人体软组织的粘弹性介盾 , 弹性波传 播的速度 Vs和介盾的弹性模量 E之间有下列关系：
E = 3pVs 2 (16)
其中， p为介盾密度。
因此可以计算深度 z处的介盾弹性模量如下：
E(Z) = 3p[2;rf。(^¾- ']2 (17)
dz
尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 对于本领域的普通技术人员而言， 可以理 解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换 和变型， 本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

权利要求书
1.一种粘弹性介盾的弹性检测方法， 包括以下步骤：
a)利用振动器通过超声波换能器触头产生低频振动以产生在所述待检测介盾内传播的 弹性波， 并且通过所述超声波换能器触头以大约 lOOHz-lOOOOOHz之间的脉冲重复频率向所 述待检测介盾发射超声波， 同时釆集从所述待检测介盾返回的超声回波；
b)根据所述低频振动的持续时间及所述待检测介盾的物理参数从所述釆集的超声回波 中选择有效超声回波， 其中在所述有效超声回波所对应的时刻， 所述超声波换能器触头已经 静止且所述弹性波正在所述待检测介盾内传播；
c)根据步骤 b)所选择的有效超声回波计算弹性波在所述待检测介盾中的传播速度； d)根据步骤 c)得到的弹性波的传播速度计算所述待检测介盾的弹性。
2.根据权利要求 1所述的方法， 其中所述步骤 b)进一步包括：
设低频振动持续时间为 T, 振动开始 Τ+ ΔΤ时间后， 超声探头完全静止；
有效超声波信号扫描线的序号 Nselect满足：
Nselect > ceiling((T + AT)xFhlgh ) ,
其中， ceiling(.)为向上舍入取整函数， Fhigh为发射超声波信号的脉冲重复频率， 取值范 围为 lOOHz-lOOOOOHz, 超声波信号扫描线为一次超声脉冲发射后釆集到的超声回波； 设待检测介盾厚度为 , 设根据估计的待检测介盾硬度范围和密度确定的弹性波在介 盾中的传播速度下限为 νΛ 则在弹性波还在待检测介盾内传播的条件下， 有效超声波信号 扫描线的序号 Nsde。t满足：
N^^ ceiling^ / ' + ^xF^ ) ,
当 ΔΤ小于 I^/Vs1时， 结合上述两式， 得到 Nsde。t应满足：
ceiling((T + AT)xFhlgh) < Nselect < ceiling^, I V + T)xFhlgh) , 当 ΔΤ不小于 Di/Vs1时， 在超声波换能器触头和待检测介盾之间加入厚度为 D2的硬度 已知的弹性中间介盾 , 使得 ΔΤ < Di/Vs1 + D2/Vs 2 , 其中 Vs 2为弹性波在该弹性中间介盾中的 传播速度， 则有效超声波信号扫描线应满足：
ceiling((T + AT)xFhlgh) < Nselect < ceiling((D2 / Vs 2 + D, / V + T)xFhlgh )。
3.根据权利要求 1所述的方法，其中所述低频振动的振动频率 f在大约 0.5Hz-3000Hz之 间， 低频振动的持续时间在大约 l/2f-40/f之间。
4.根据权利要求 1所述的方法， 其中在所述步骤 a)之前还包括： 获取 M超图， 根据所述 Μ超图选择进行弹性测量的待检测介盾的位置；
或用超声诊断仪所带的超声成像探头获取的二维或三维超声成像选择进行弹性测量的 待检测介盾的位置。
5.根据权利要求 1所述的方法， 其中在所述步骤 a)之前还包括：
检测所述超声波换能器触头向所述待检测介盾施加的压力；
判定施加在所述待检测介盾上的压力是否满足预设条件；
在判断所述压力满足预设条件之后检测所述待检测介盾的弹性。
6.根据权利要求 1所述的方法， 其中在所述步骤 a)之前还包括：
检测所述超声波换能器触头与所述待检测介盾之间的垂直度；
判定所述超声波换能器触头与所述待检测介盾之间的垂直度是否满足预设条件； 在判断所述垂直度满足预设条件之后检测所述待检测介盾的弹性。
7.—种粘弹性介盾的弹性检测装置， 包括：
振动器， 所述振动器产生低频振动；
超声波换能器触头， 所述超声波换能器触头与所述振动器相连， 所述振动器带动所述超 声波换能器触头低频振动以产生在所述待检测介盾内传播的弹性波，且所述超声波换能器触 头在控制设备的控制下向待检测介盾发射超声波， 并釆集从待检测介盾返回的超声回波； 分别与所述超声波换能器触头、振动器连接的控制设备， 用于控制超声波换能器触头发 射超声波并釆集从待检测介盾返回的超声回波，和根据低频振动的持续时间及待检测介盾的 物理参数从釆集的超声回波中选择有效超声回波，其中，在所述有效超声回波所对应的时间， 产生所述低频振动的超声波换能器触头已经静止且所述弹性波在所述待检测介盾内传播，以 及根据选择的有效超声回波计算所述弹性波在所述待检测介盾中的传播速度以计算所述待 检测介盾的弹性。
8.根据权利要求 7所述的装置， 其中所述控制设备包括计算机、 微处理器、 和微控制器 之一， 和通过通讯接口与其相连的超声发射接收电路。
9.根据权利要求 7所述的装置，其中所述控制设备包括用硬件或者软件实现的触发按键， 用以启动弹性检测。
10.根据权利要求 7所述的装置， 进一步包括安装在所述超声波换能器触头与振动器之 间的压力传感器阵列， 所述压力传感器阵列分别与所述超声波换能器触头和振动器接触， 所 述控制设备还包括通过通讯接口与计算机、微控制器和微处理器之一相连的压力信号釆集电 路。
11.根据权利要求 10所述的装置， 其中， 所述控制设备还根据所述压力传感器阵列釆集 的压力值判断加在所述待检测介盾上的压力是否满足预设条件，所述控制设备在判断所述压 力满足预设条件之后启动所述待检测介盾的弹性检测。
12.根据权利要求 10所述的装置， 其中， 所述控制设备还根据所述压力传感器阵列釆集 的压力值判断所述超声波换能器触头与所述待检测介盾之间的垂直度是否满足预设条件，所 述控制设备在判断所述超声波换能器触头与所述待检测介盾之间的垂直度满足预设条件之 后启动所述待检测介盾的弹性检测。
13.根据权利要求 7所述的装置， 进一步包括与所述控制设备相连的超声波诊断仪， 用 于选择进行弹性测量的待检测介盾的位置。
14.根据权利要求 7所述的装置， 进一步包括状态指示装置， 用于指示装置当前的工作 状态。
15.根据权利要求 7所述的装置， 进一步包括机械臂， 用于支撑由所述超声波换能器触 头和所述振动器组成的超声探头。
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