CN102879335A - 一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，包括半导体激光器、电光调制器、函数发生器、测量盒、聚焦透镜、直角棱镜组、超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置；沿激光的传播方向，半导体激光器、电光调制器和测量盒依次设置；测量盒内，激光的入口、聚焦透镜、直角棱镜组和激光的出口设置在一条直线上；测量盒内，沿声波的传播方向，激光的出口、直角棱镜组和超声换能器依次设置；超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置依次电连接；函数发生器分别与电光调制器和锁相放大器相接。具有结构简单、更高的测量精度和灵敏度、操作方便的优点，属于生物医学检测技术领域。

Description

一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪

技术领域

本发明涉及生物医学检测技术，具体的说，涉及一种一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪。

背景技术

一直以来，触诊是医生在临床诊断中不可缺少的一种手段。通过对软组织的触诊，可以感知组织内质地及其粘弹性的变化，从而判断组织的正常与否。尤其对于肿瘤组织的探察，常通过触诊感知其质地、活动度及与周边关系等，以推断肿瘤的良恶性。一般认为软组织质地的变化与其病理过程有着密切关系。从生物力学角度来说，软组织质地变化意味着其力学特性的改变，也就是说，当组织发生病变时，组织的粘弹性特征会随之而改变。因此，有学者提出对组织的力学特性即粘弹性特征进行检测，期望能准确反映组织的质地，而粘弹性是表征一种生物组织力学特性的重要参数，通过对生物组织的粘弹性质的非侵入式检测来实现对器官（诸如肝脏，皮肤或血管）相关病变的检测和评估，是非常重要的。

现有的粘弹性检测方法主要为超声粘弹性检测，该方法采用静态/准静态的组织激励方法，利用探头或者一个探头-挤压板装置，沿着探头的纵向(轴向)压缩组织，给组织施加一个微小的应变。根据各种不同组织（包括正常和病理组织）的粘弹性系数（应力/应变）不同，当组织受到外力或交变振动后，其应变（主要为形态改变）也不同，收集被测体某时间段内的各个信号片段，利用复合互相关（CAM）方法对压迫前后反射的回波信号进行分析，计算组织内部不同位置的位移，然后计算出变形程度，从而间接或直接反映其弹性模量等力学属性的差异。该方法必须先给组织施加作用力使之形变，这也就导致了对于接收的超声波数据而言，其参考点是运动的，而且检测时超声触头施加在介质上的压力大小以及探头是否垂直于介质都将影响测量的结果。实际操作中，检测结果很容易受到操作者主观因素的影响，从而导致测量过程中的结果差异性较大。此外，这种作用方式是施加于整个组织，而非只针对待测的特定区域，这样，特定区域周围组织的运动和形变也会影响结果的准确性。

目前，利用光声方法检测组织弹性在我国已有报道，如2011年9月7日公开的发明专利：光声弹性成像方法与装置，申请人：华南师范大学，申请日:2011年1月14日，申请号：201110008213，采用了强度调制的连续光源激发产生超声信号，通过测量该信号与调制信号之间的相位差并逐点扫描可以重建出检测样品的弹性分布图像。但在上述方法中，光声激发和声信号的接收未能实现同轴共焦结构，因此光声激发与检测的效率不高，降低了测量结果的准确性。而且上述方法为对向检测模式，缺乏实际操作的方便性，不利于对在体组织进行粘弹性测量，实际推广应用收到了很大的限制。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种通过激光照射待测组织，依据待测组织产生声波的快慢准确判断组织粘弹性的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，包括半导体激光器、电光调制器、函数发生器、测量盒、聚焦透镜、直角棱镜组、超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置；沿着激光的传播方向，半导体激光器、电光调制器和测量盒依次设置；测量盒内，激光的入口、聚焦透镜、直角棱镜组和激光的出口依次设置在一条直线上，激光通过直角棱镜组后，沿原方向传播；测量盒内，沿着声波的传播方向，激光的出口、直角棱镜组和超声换能器依次设置，声波通过直角棱镜组后转向；超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置依次电连接；函数发生器分别与电光调制器和锁相放大器相接。采用这种结构后，半导体激光器发出具有特定波长的连续激光，入射至电光调制器中，电光调制器根据由函数发生器输入的正弦波形信号对连续激光进行强度调制，其调制频率等同于由函数发生器输入信号的频率，由此得到正弦波激光，正弦波激光经测量盒内的透镜聚焦到待测组织，产生声波，对于粘弹系数不同的组织，其产生的声波发射的快慢不同，声波信号通过直角棱镜组反射转向后，经超声换能器接收转为电信号，电信号经前置信号放大器放大后，通过锁相放大器提取电信号与正弦波调制信号的相位差，即间接得到声波延迟发射的时间，数据采集装置对数据进行分析处理，得出待测组织的粘弹性。通常粘弹性越高，延迟产生声波的时间越长，即相位差越大。采用这种结构后，结构简单，检测效果准确，可对待测组织的粘弹性实时、及时的检测，是一种无创检测过程。之所以说检测效果准确，主要是激光的灵敏性较好，而且测量过程中，待测组织非运动的，即照射待测组织的光斑位置固定。

测量盒为封闭容器，整个贴有声吸收材料层；激光的入口位于测量盒的一端，激光的出口位于测量盒的另一端；直角棱镜组紧靠激光的出口，包括两块反射斜面相互贴合的直角棱镜，贴合面与声波的传播方向呈45度、与超声换能器的轴向呈135度，贴合面抹有可透光的声反射层。采用这种结构后，声吸收材料层可有效隔绝外部无用声波，保证超声换能器仅接收待测组织发射的声波，使得最终检测结果准确可靠；直角棱镜组的结构简单，不影响去程激光沿原路传播，同时可实现回程声波的转向传播。

测量盒的材料是有机玻璃，声吸收材料层位于测量盒的内壁；激光的出口处设有透光保护膜，透光保护膜内侧紧贴直角棱镜组，外侧紧贴待测组织；超声换能器通过耦合液紧贴于直角棱镜组旁。采用这种结构后，透光保护膜紧贴待测组织即可完成测量，保护设备的同时，便于操作。

有机玻璃的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；透光保护膜的材料为聚苯乙烯；声反射层的材料为硅油。采用这种结构后，聚苯乙烯能有效地传导激光和声波，并能随着挤压而变形，能和待测组织无间隙地贴在一起而没有压迫感；声反射层需要透光，同时需要和直角棱镜的材质玻璃有声阻抗的差异，可选择硅油或水等，当选择硅油时，由于它和玻璃的折射率差不多，对激光的影响较小，能达到较好的透光和声波反射效果。

半导体激光器发射的激光的波长范围为近红外光谱区780nm～1100nm；电光调制器的调制频率为10kHZ～10MHZ。采用这种结构后，即选择优选范围的参数，可对应于大部分生物组织的光的吸收波长，使得本光声检测仪适用于大部分的生物组织，能取得较好的检测效果。一般来说，激光的波长最好选择使得待测组织的光吸收量最大的值，以获得更准确的检测结果。对于频率的选择，主要依据仪器中各组成部分的检频性能，一般选高频率会对检测的准确性造成一定的影响。

半导体激光器与电光调制器之间、电光调制器与测量盒之间通过光纤连接；电光调制器的激光进入处设有准直透镜。采用这种结构后，准直透镜对光纤输出的发散的激光进行准直，使得发散的光束变为平行的光束，为电光调制做准备。

数据采集装置包括：装有数据采集卡和数据处理软件的计算机，数据采集卡与锁相放大器相接；计算机与一台通过图形化显示粘弹性变化的显示屏相接。采用这种结构后，数据采集卡接收数据，计算机通过数据处理软件对数据进行分析处理，得出待测组织的粘弹性，显示屏则实时定量图形化显示粘弹性变化，检测过程可直观显示。

一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪还包括安装在测量盒内的平移装置，聚焦透镜通过平移装置在激光的入口和直角棱镜组之间移动。采用这种结构后，聚焦透镜平移，即可调节激光的聚焦位置，焦点与待测组织越接近，激光的利用率越高，同时得到的信号强度越大，检测结果越准确。

组织粘弹性的光声检测方法，包括如下步骤：a．定波长的激光发出后，用正弦波信号对激光进行强度调制得到正弦波激光；b.正弦波激光经聚焦透镜后，穿过直角棱镜组聚焦到待测组织，其中直角棱镜组不改变正弦波激光的传播方向；c．正弦波激光激发待测组织发出正弦波声波，正弦波声波经直角棱镜组反射后，到达超声换能器；d．超声换能器将正弦波声波信号转为正弦波电信号，正弦波电信号经放大后，到达锁相放大器，由锁相放大器提取正弦波激光信号与正弦波电信号的相位差；e．依据相位差的大小，由数据采集装置得出待测组织的粘弹性。采用这种方法后，操作过程简单方便，测量效果准确，可对待测组织的粘弹性实时、及时的检测，是一种无创检测过程。

调节聚焦透镜的位置从而调节正弦波激光的聚焦位置，当锁相放大器显示正弦波电信号的幅值最大时，处于对待测组织检测的最佳效果状态。采用这种方法后，可调节激光的聚焦位置，焦点与待测组织越接近，激光的利用率越高，同时得到的信号强度越大，检测结果越准确。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、利用高度聚焦的激光进行检测，相对于传统的超声检测，光声检测具有更高的测量精度和灵敏度。

2、本发明利用直角棱镜组将声波激发源与超声换能器形成共焦结构，即可将光焦点和声焦点设于同一点处，极大的提高了声波信号的激发和接收效率。

3、本发明对于接收到的声波信号具有自动识别功能，阻隔由环境因素引入的噪声信号，从而保证本发明具有很强的动态环境适应性。具体的说，运用了锁相放大器进行检测，而锁相放大器利用外差式振荡技术，将被检测信号与调制信号做乘法运算，可以除去噪声信号的干扰，最终得到声波信号与调制信号的相位差。

4、本发明采用便宜的半导体激光器实现光声粘弹性检测，整体仪器的造价相对较低，易于应用推广。

附图说明

图1是一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪的组成示意图。

图2是测量盒的结构示意图。

图3是实施例一中采用一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪对不同物质检测的粘弹性对比图。

图4是实施例二中采用一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪对琼脂检测的粘弹性对比图。

其中，1为半导体激光器，2为光纤，3为电光调制器，4为函数发生器，5为测量盒，6为聚焦透镜，7为直角棱镜组，8为超声换能器，9为前置信号放大器，10为锁相放大器，11为计算机，12为准直透镜，13为光纤头，14为透光保护膜，15为声吸收材料层，16为待测组织，17为正弦波激光，18为正弦波声波。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

图1和图2所示，本发明一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪包括半导体激光器、电光调制器、函数发生器、测量盒、聚焦透镜、直角棱镜组、超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器、数据采集装置、准直透镜和两条光纤；沿着激光的传播方向，半导体激光器、光纤、准直透镜、电光调制器、光纤和测量盒依次设置；测量盒内，激光的入口、聚焦透镜、直角棱镜组和激光的出口依次设置在一条直线上，激光通过直角棱镜组后，沿原方向传播；测量盒内，沿着声波的传播方向，激光的出口、直角棱镜组和超声换能器依次设置，声波通过直角棱镜组后转向；超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置依次电连接；函数发生器分别与电光调制器和锁相放大器相接。

半导体激光器可发出固定波长的连续激光，调节其参数，即可控制激光的波长，本实施例中的激光波长为808nm的连续激光。

电光调制器选用美国conoptics公司的产品，型号为M-360，用于调节激光的强度。

函数发生器为泰克公司的产品，与电光调制器相接后，使得电光调制器按照正弦波的信号调节激光的强度，本实施例中，其输出信号设定为频率为50Khz的正弦波形信号。

测量盒为封闭容器，材料为聚甲基丙烯酸甲酯，整个内壁均贴有声吸收材料层。图2所示，激光的入口位于测量盒的上端，激光的出口位于测量盒的下端；直角棱镜组紧靠激光的出口，包括两块反射斜面相互贴合的直角棱镜，贴合面与声波的传播方向呈45度、与超声换能器的轴向呈135度，贴合面抹有可透光的声反射层，材料为硅油。激光的入口处设有光纤头，将光纤传输的激光以点光源的形式发出。激光的出口处设有透光保护膜，材料为聚苯乙烯，透光保护膜内侧紧贴直角棱镜组，外侧紧贴待测组织；超声换能器通过耦合液紧贴于直角棱镜组旁。聚焦透镜用于将点光源发射的激光聚焦于焦点，聚焦透镜通过安装在测量盒内的平移装置，在激光的入口和直角棱镜组之间移动，以调整激光聚焦的位置。平移装置可采用齿轮齿条机构，转动齿轮，即可带动齿条平移，进而带动与齿条相对固定的聚焦透镜平移。

超声换能器为单元或多元超声换能器，固定于测量盒内，用于接收直角棱镜组反射回来的声波信号，并将声波信号转换为电信号。直角棱镜组和超声换能器一体化封装于测量盒内。

前置信号放大器用于将电信号放大，为后续的数据比较做准备。

锁相放大器接收前置信号放大器发来的电信号（即正弦波声波信号），并接收函数发生器发来的正弦波信号（即正弦波激光信号），比较正弦波激光信号和正弦波声波信号的相位差，即可测得待测组织在受到激光照射后，声波延迟发射的时间。

数据采集装置包括：装有数据采集卡和数据处理软件的计算机，数据采集卡与锁相放大器相接；计算机与一台通过图形化显示粘弹性变化的显示屏相接。数据处理软件为LABVIEW数据采集控制程序和数据处理MATLAB程序，将数据采集卡采集到的数据通过显示屏定量图形化显示组织粘弹性变化。计算机可以选用P4微机，内存在128M以上。

待测组织是将脂肪、肌肉、肝脏等具有不同粘弹性的生物组织置于同一平面内。

组织粘弹性的光声检测方法，包括如下步骤：a．半导体激光器发出定波长的激光，准直透镜将激光变为平行光束，函数发生器向电光调制器发出正弦波信号，电光调制器用正弦波信号对激光进行强度调制得到正弦波激光；b.正弦波激光从光纤头以点光源的形式发出，经聚焦透镜后，穿过直角棱镜组聚焦到待测组织，聚焦后的光斑为1平方毫米，其中直角棱镜组不改变正弦波激光的传播方向；c．正弦波激光激发待测组织后，待测组织延迟发出正弦波声波，正弦波声波经直角棱镜组反射90度后，到达超声换能器；d．超声换能器将正弦波声波信号转为正弦波电信号，正弦波电信号经前置信号放大器放大后，到达锁相放大器，由锁相放大器提取正弦波激光信号（由函数发生器输入）与正弦波电信号的相位差，即间接得到正弦波激光信号和正弦波声波信号的相位差，从而得到声波的延迟发射时间；e．数据采集卡采集该相位差数据，计算机通过数据处理软件分析计算，得出待测组织的粘弹性，在显示屏中显示出来，同时计算机储存相应数据。

通过平移装置调节聚焦透镜的位置从而调节正弦波激光的聚焦位置，当锁相放大器显示正弦波电信号的幅值最大时，处于对待测组织检测的最佳效果状态。每次测试前，均可先对仪器进行调整，确保其处于最佳测试状态。

按照上述检测方法对待测样品的脂肪、肌肉、肝脏几种不同的物质的依次检测，对上述几种物质检测采集到的相位差数据进行比较，可以确定其粘弹性的差异（如图3所示）。从实验结果可以看出本发明的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪能够测量不同物质的粘弹性的差异。

实施例二

采用实施例一的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪实现待测物体的粘弹性检测，包括以下步骤：

（1）用5g琼脂与95g水混合，煮沸后，构成待测组织，固定于透光保护膜下方。

（2）半导体激光器发射的激光经过电光调制器后被调制成强度以50Khz的频率成正弦变化的正弦波激光，照射到待测组织表面。

（3）超声换能器实时接收待测组织发射的正弦波声波信号，并将正弦波声波信号转换为正弦波电信号，正弦波电信号经过前置信号放大器放大，最后由锁相放大器检频和计算相位差，由计算机实时储存待测组织的相位差值，利用LABVIEW软件实时显示待测组织的粘弹性变化。

由图4可以看出本发明能够实时显示琼脂冷却过程中随时间的粘弹性变化。

本实施例未提及部分同实施例一。

用该仪器对病人的组织进行检测时，只需用该仪器的透光保护膜部位紧贴组织表面，再通过平移装置调节聚焦透镜的距离，当显示的正弦波电信号的幅值最大时，处于对待测组织检测的最佳效果状态，即可开始检测。检测到粘弹性数据信息后，即可根据该数据信息进行器官病变的检测和评估。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：包括半导体激光器、电光调制器、函数发生器、测量盒、聚焦透镜、直角棱镜组、超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置；沿着激光的传播方向，半导体激光器、电光调制器和测量盒依次设置；测量盒内，激光的入口、聚焦透镜、直角棱镜组和激光的出口依次设置在一条直线上，激光通过直角棱镜组后，沿原方向传播；测量盒内，沿着声波的传播方向，激光的出口、直角棱镜组和超声换能器依次设置，声波通过直角棱镜组后转向；超声换能器、前置信号放大器、锁相放大器和数据采集装置依次电连接；函数发生器分别与电光调制器和锁相放大器相接。

2.按照权利要求1所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：所述测量盒为封闭容器，整个贴有声吸收材料层；激光的入口位于测量盒的一端，激光的出口位于测量盒的另一端；直角棱镜组紧靠激光的出口，包括两块反射斜面相互贴合的直角棱镜，贴合面与声波的传播方向呈45度、与超声换能器的轴向呈135度，贴合面抹有可透光的声反射层。

3.按照权利要求2所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：所述测量盒的材料是有机玻璃，声吸收材料层位于测量盒的内壁；激光的出口处设有透光保护膜，透光保护膜内侧紧贴直角棱镜组，外侧紧贴待测组织；超声换能器通过耦合液紧贴于直角棱镜组旁。

4.按照权利要求3所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：所述有机玻璃的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；透光保护膜的材料为聚苯乙烯；声反射层的材料为硅油。

5.按照权利要求1所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：所述半导体激光器发射的激光的波长范围为近红外光谱区780nm～1100nm；电光调制器的调制频率为10kHZ～10MHZ。

6.按照权利要求1所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：所述半导体激光器与电光调制器之间、电光调制器与测量盒之间通过光纤连接；电光调制器的激光进入处设有准直透镜。

7.按照权利要求1所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：所述数据采集装置包括：装有数据采集卡和数据处理软件的计算机，数据采集卡与锁相放大器相接；计算机与一台通过图形化显示粘弹性变化的显示屏相接。

8.按照权利要求1所述的一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，其特征在于：它还包括安装在测量盒内的平移装置，聚焦透镜通过平移装置在激光的入口和直角棱镜组之间移动。

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