專利名稱：超聲彈性成像的平衡測壓裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于生物組織基本力學屬性的測量技術領域，特點涉及超聲彈性成像技術的測壓裝置結構設計。
背景技術：
生物組織彈性模量的變化通常與其病理現象有關。例如，惡性的病理損害，例如乳房硬癌、前列腺癌、甲狀腺癌及肝轉移等，通常表現為硬的小結。乳房硬癌是乳腺癌的最常見形式，大約占乳腺癌總數的四分之三，由于其基質密度增大而表現為致密的硬塊。而其他類型的乳腺癌如導管內癌和乳頭狀瘤則表現為柔軟的組織，良性的乳腺纖維囊性病也很少表現為硬塊。
生物組織的彈性信息對于疾病的診斷過程具有重要的參考價值。然而，包括超聲成像、磁共振成像(MRI)、計算機斷層掃描(CT)等在內的傳統醫學成像模態都不能直接提供關于彈性模量這一組織的基本力學屬性的信息。1991年，J.Ophir提出超聲彈性成像(ultrasound elastography)的方法，對組織的彈性模量分布進行定量估計、成像。目前，超聲彈性模量已經成為醫學超聲成像的一個研究熱點，廣泛應用于乳房、前列腺、動脈粥樣斑塊、心肌動力學以及高強度聚焦超聲與射頻消融引起的損害(lesion)的檢測與評估。
超聲彈性成像的基本原理為將超聲探頭嵌于一塊擠壓平板中，沿著探頭的縱向壓縮組織，分別采集組織壓縮前、后的射頻信號；組織被壓縮時，組織內將會產生一個沿壓縮方向的應變，如果組織內部彈性模量分布不均勻，組織內的應變分布也會有所差異；彈性模量較大的區域，引起的應變比較小；反之，彈性模量較小的區域，相應的應變比較大。通過一些方法估計出組織內部不同位置的位移，從而計算出組織內部的應變分布情況，用來間接描述組織內部的彈性模量分布，從而描述組織的生理、病理狀態。
在超聲彈性成像中，關鍵的問題在于對組織的位移分布進行估計。一般都是采用對壓縮前、后的射頻信號進行互相關分析。具體步驟是選擇壓縮前信號中的一小段信號，在一定的搜索范圍內求它與壓縮后信號的互相關函數；互相關函數的值越大，說明壓縮前、后的小段信號吻合得越好，互相關函數的最大值位置代表了壓縮前的小段信號在壓縮后對應的位置，從而可以求出該小段信號的位移，也就是該小段信號對應的組織的位移；選擇壓縮前信號中的另外一小段信號，通過同樣的方法估計出對應組織的位移；重復該操作直到組織內的位移分布全部得出。
對于二維超聲彈性成像，一般采用線陣的B型超聲探頭，采集組織壓縮前、后的探頭每一條掃描線的射頻信號，分別進行上面描述的位移估計，從而計算出每一條掃描線對應組織的一維應變分布。最后把所有掃描線對應的一維應變分布按掃描線順序組成一個二維應變分布，以灰度圖或者偽彩圖的形式表示，用來間接描述組織內部的彈性模量分布。
在超聲彈性成像的實驗研究中，通常利用步進電機或者螺旋裝置驅動嵌有探頭的擠壓平板對組織施加壓縮。這種裝置有兩個優點1)容易實現壓縮方向嚴格沿著超聲探頭的縱向；2)容易實現微小的壓縮量，具體的數值也可以測量。這種裝置的不足之處是不容易用于臨床的實際應用中。在實際應用中，一般希望由醫生手持探頭對病人的待檢查組織(例如乳房)施加一個小的壓縮量。但是，這種方法很難保證對組織施加的壓縮恰好沿著超聲探頭的縱向，而且壓縮量可能偏大，具體數值也不好測量。
上述兩種對組織施加壓縮的方式均限制了超聲彈性成像技術的實際應用。
發明內容
本發明為了解決超聲彈性成像的實際應用中存在的壓縮方向和壓縮量大小的問題，提出一種超聲彈性成像的平衡測壓裝置。利用多個壓力傳感器進行調整組織壓縮的方向和壓縮量的大小，以保證超聲彈性成像的精度。
本發明提出的一種超聲彈性成像的平衡測壓裝置，包括一塊擠壓平板、一個B型超聲探頭、N個壓力傳感器，N≥3，一個多通道數據采集卡和一臺計算機；該B型超聲探頭和N個壓力傳感器安裝在該擠壓平板上并與該擠壓平板的前表面齊平，該B型超聲探頭位于擠壓板的中部，該N個壓力傳感器分布在該探頭周圍，每一個壓力傳感器的輸出端與多通道數據采集卡的一個通道相連，該多通道數據采集卡插接在該計算機的主機板上。
上述裝置中，如果采用的壓力傳感器輸出信號幅度太小，不能滿足采集卡的輸入要求時，可以增加N個放大器，每一個放大器的輸入端與一個壓力傳感器的輸出端相連，每一個放大器的輸出端與多通道數據采集卡的一個通道相連。
所述N個放大器可固定在該擠壓板的后表面。
本發明所述各器件均可采用常規產品。計算機的數據處理屬于常規技術。
本發明的特點使用者通過比較多個壓力傳感器的輸出值，可以保證擠壓的方向大致沿著探頭的縱向。通過壓力傳感器的輸出大小，可以控制對組織的擠壓量大小。因此，本發明可以有效地解決超聲彈性成像實際應用時擠壓方向和擠壓量大小不容易控制的問題，使得超聲彈性成像更容易應用于臨床。
圖1為本發明提出的超聲彈性成像的平衡測壓裝置的示意圖。
圖2為超聲體模實驗的效果；其中；(a)為利用采集得到的射頻信號恢復的視頻圖像；
(b)是利用本發明提出的超聲彈性成像的平衡測壓裝置進行組織應變估計的結果。
具體實施例方式
本發明提出的超聲彈性成像的平衡測壓裝置結構實施例及附圖詳細說明如下本實施例結構如圖1所示。該裝置主要組成包括一個B型超聲儀器探頭1(一般為線陣探頭，如無錫海鷹集團的SJN7211L1A型線陣探頭)、一塊擠壓平板2(一般為有機玻璃板)、4個壓力傳感3(如航天醫學工程研究所研制的MH-1型脈搏波傳感器，)，還包括4個放大器(如AD公司的AD620型放大器)、一塊多通道數據采集卡(如國家儀器公司的NI-6031E型數據采集卡)和一臺計算機(如戴爾公司的Dimension L733r型個人計算機)。
本實施例的擠壓平板2中央開一個比超聲探頭外部尺寸稍大的槽，將超聲探頭1嵌入其中，使得探頭前端與擠壓平板表面齊平，并用螺絲固定住探頭。在擠壓平板的四角開4個小槽，每個小槽放入一個壓力傳感器3，用螺絲固定，使得壓力傳感器的測力面都與擠壓平板表面齊平。每一個壓力傳感器的輸出端與一個放大器的輸入端相連(放大器固定在擠壓平板的另一表面)，每一個放大器的輸出端與多通道數據采集卡的一個通道相連，多通道數據采集卡插在計算機主板上。每一個壓力傳感器的輸出經過放大器放大，然后經過數據采集卡進入計算機，通過計算機內的程序把多個壓力傳感器的輸出顯示在計算機屏幕上。壓力傳感器和放大器事先需要經過校準，保證當對不同壓力傳感器施加相同大小的壓力時，經放大后輸入計算機的壓力值相同(本實施例中，四個輸入計算機的壓力值的標準差小于其均值的5％)。
本發明裝置的工作原理為在實驗或者臨床應用時，使用者用該裝置沿著探頭的縱向對組織施加一個微小的擠壓。利用數據采集卡得到多個壓力傳感器的輸出，比較多個壓力傳感器的輸出，如果各壓力傳感器的輸出相同(一般控制在多個壓力傳感器的輸出的標準差小于其均值的5％即可，差值越小，精度越高，但對使用者要求也高)，則表明壓縮大致沿著探頭的縱向，否則輕微調整擠壓的方向，直到多個壓力傳感器的輸出相同。同時在這一過程，還需要滿足壓力傳感器的輸出不至于過大，從而保證壓縮量較小。具體輸出允許的范圍，可以事先測量多組組織壓縮量和壓力大小，得到組織壓縮量和壓力大小的關系曲線作為先驗知識，然后根據最大允許的壓縮量估計出最大允許的壓力大小，并將確定后的允許的壓力范圍設置在計算機程序中。通過比較多個壓力傳感器的輸出值，可以保證擠壓的方向大致沿著探頭的縱向。通過壓力傳感器的輸出大小，可以控制對組織的擠壓量大小。
因此，本發明提出的超聲彈性成像的平衡測壓裝置能夠克服手持探頭或者利用步進電機或者螺旋裝置驅動探頭的不足，可以有效地解決超聲彈性成像實際應用時擠壓方向和擠壓量大小不容易控制的問題，使得超聲彈性成像更容易應用于臨床。
本發明裝置的超聲體模實驗的效果如圖2所示。所用的超聲體模由中國科學院聲學研究所制作。采用明膠做成的凝膠制成一塊長×寬×高約為14×10×5cm方形的組織；采用明膠填充軟質泡沫塑料制成一個直徑約為1cm的圓柱形異物埋入方形組織中。組織和異物的明膠溶度相同，聲學特性相近，而彈性模量存在明顯差異。該超聲體模模擬的是均勻組織中有一圓柱形異物的情形，并且組織和異物的差異主要體現在彈性模量上。
圖2中，(a)是利用采集得到的射頻信號恢復的視頻圖像，掃描平面垂直于圓柱形異物的走向。橫向和縱向分別表示超聲探頭的橫向位置和縱向位置(即組織深度)，灰度表示視頻信號的強弱。射頻信號利用國家儀器公司的NI-5112型高速采集卡采集，采樣率50MHz，采樣深度(精度)8位，對采集得到的射頻信號做希爾伯特(Hilbert)變換恢復得到對應的視頻信號，并以灰度圖的形式表示。可見，在圓柱形異物的前后邊界可看見強回聲區，但是不明顯。(b)是超聲彈性成像的結果，即利用本文的實驗系統得到的應變分布。橫向和縱向分別表示超聲探頭的橫向位置和縱向位置(即組織深度)，灰度表示估計出來的應變大小。可見，圓柱形異物附近的應變較小，即彈性模量較大，和超聲體模的制作一致。
由于異物和組織之間的聲學特性相近，B超成像不易檢測出異物，僅僅在邊界上有部分強回聲區域。而利用本發明提出的超聲彈性成像的平衡測壓裝置進行超聲彈性成像，能夠很好地監測出組織內部的彈性模量差異，在臨床上有很大的應用前景。
權利要求
1.一種超聲彈性成像的平衡測壓裝置，其特征在于，包括一塊擠壓平板、一個B型超聲探頭、N個壓力傳感器，N≥3，一個多通道數據采集卡和一臺計算機；該B型超聲探頭和N個壓力傳感器安裝在該擠壓平板上并與該擠壓平板的前表面齊平，該B型超聲探頭位于擠壓板的中部，該N個壓力傳感器分布在該探頭周圍，每一個壓力傳感器的輸出端與多通道數據采集卡的一個通道相連，該多通道數據采集卡插接在該計算機的主機板上。
2.如權利要求1所述的超聲彈性成像的平衡測壓裝置，其特征在于，還包括N個放大器，每一個放大器的輸入端與所述的一個壓力傳感器的輸出端相連，每一個放大器的輸出端與所述的多通道數據采集卡的一個通道相連。
3.如權利要求1所述的超聲彈性成像的平衡測壓裝置，其特征在于，所述N個放大器固定在該擠壓板的后表面。
全文摘要
本發明涉及超聲彈性成像的平衡測壓裝置，屬于生物組織基本力學屬性的測量技術領域。該裝置包括一塊擠壓平板、一個B型超聲探頭、N個壓力傳感器，N≥3，一個多通道數據采集卡和一臺計算機；該B型超聲探頭和N個壓力傳感器安裝在該擠壓平板上并與該擠壓平板的前表面齊平，該B型超聲探頭位于擠壓板的中部，該N個壓力傳感器分布在該探頭周圍，每一個壓力傳感器的輸出端與多通道數據采集卡的一個通道相連，該多通道數據采集卡插接在該計算機的主機板上。本發明利用多個壓力傳感器進行調整組織壓縮的方向和壓縮量的大小，以保證超聲彈性成像的精度。
文檔編號A61B8/00GK1586407SQ20041007061
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月23日 優先權日2004年7月23日
發明者白凈, 羅建文 申請人:清華大學