基于壓電阻抗法乳腺彈性成像探測陣列結(jié)構(gòu)及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電阻抗法乳腺彈性成像探測陣列結(jié)構(gòu)及檢測方法。本發(fā)明的探測陣列結(jié)構(gòu)采用多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面，形成類似于乳房表面的形狀，并可戴于待測的人體乳房；基于壓電阻抗法，通過測量壓電單元結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納和相位等壓電參數(shù)的共振頻率，并依據(jù)建立的相應(yīng)的壓電等效電路模型，得到了壓電單元結(jié)構(gòu)的共振頻率與待測樣品的彈性信息之間的解析關(guān)系。本發(fā)明的檢測方法特異性強(qiáng)，能給出定量化的檢測結(jié)果，更加適合于癌變組織位于淺表層的乳腺癌，解決了超聲彈性成像難以完成的淺表層組織的探測難題；單可靠，既可協(xié)助醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行身體檢查，也可以適用家庭中日常的身體自查，有助于乳腺相關(guān)疾病的早發(fā)現(xiàn)與早治療。
【專利說明】基于壓電阻抗法乳腺彈性成像探測陣列結(jié)構(gòu)及其檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療健康檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像探 測陣列結(jié)構(gòu)及其檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 乳腺是人體極為重要的器官之一，而與乳腺相關(guān)的疾病的發(fā)病率卻一直處于居高 不下，該類疾病已經(jīng)對居民的正常生產(chǎn)生活造成顯著的影響，需要給予足夠的重視。而在這 些乳腺相關(guān)的疾病中，乳腺癌是需要重點(diǎn)關(guān)注的惡性疾病，需要指出的是，盡管目前生活水 平和醫(yī)療條件在好轉(zhuǎn)，但乳腺癌的發(fā)病率不斷在持續(xù)升高且一直具有較高的死亡率。
[0003] 目前對于這類惡性疾病采用的手段是早發(fā)現(xiàn)早治療的應(yīng)對政策，但乳腺癌癌變組 織的早期診斷依舊存在挑戰(zhàn)：日常的觸診檢查需要有較豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)早起癌變 組織，無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)普通人們進(jìn)行的身體自查幾乎不可能發(fā)現(xiàn)；另外，乳腺癌變組織由于其特 異性低，對超聲反射回波不明顯。由此，體檢時采用的常規(guī)超聲檢測來說也較難發(fā)現(xiàn)乳腺 癌。
[0004] 如何解決乳腺相關(guān)疾病尤其是乳腺癌的早發(fā)現(xiàn)與早診斷，已經(jīng)成為了醫(yī)療界急需 解決的問題。值得關(guān)注的是，有研宄結(jié)果表明人體組織病變之后，其組織的彈性性質(zhì)例如楊 氏模量會發(fā)生顯著改變?；谶@一特性，目前國內(nèi)外學(xué)者提出了 "彈性成像"的概念，即利 用先進(jìn)成像方法對組織的彈性性質(zhì)成像，利用這些彈性模量作為診斷指標(biāo)來判斷人體組織 是否發(fā)生病變以及診斷病變的程度。目前應(yīng)用較為廣泛的彈性成像技術(shù)包括超聲彈性成像 UE、核磁共振彈性成像MRI等方法。但乳腺癌癌變組織位于淺表層，超聲彈性成像等技術(shù)由 于近場效應(yīng)難以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)乳腺癌組織，因此急需提出適用于乳腺癌的彈性成像方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于壓電阻抗法的乳腺 彈性成像檢測系統(tǒng)及其檢測方法，適用于對乳腺的健康監(jiān)測，可進(jìn)行和乳腺相關(guān)疾病例如 乳腺癌的早期診斷與治療。
[0006] 本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像探測陣列結(jié)構(gòu)。
[0007] 本發(fā)明的基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像探測陣列結(jié)構(gòu)包括：多個壓電單元結(jié)構(gòu) 和支撐架；每一個壓電單元結(jié)構(gòu)包括多條支撐條、支撐環(huán)、壓電片、探針和應(yīng)變片；其中，支 撐條為長條狀，支撐環(huán)為圓環(huán)狀，多條支撐條的一端相交于支撐環(huán)的中心，另一端分別均 勻固定在支撐環(huán)上，支撐條的數(shù)量為偶數(shù)個，形成中心對稱的結(jié)構(gòu)；在每一條支撐條上均設(shè) 置壓電片；在多條支撐條的相交點(diǎn)的上部設(shè)置應(yīng)變片；在相交點(diǎn)的下部設(shè)置錐形的探針； 多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面；各個壓電單元結(jié)構(gòu)的探針與待測樣品接觸；壓 電片檢測壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻抗參數(shù)的頻響曲線；應(yīng)變片檢測探針與樣品之間的接觸壓 力。
[0008] 本發(fā)明的另一個目的在于提出一種基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像檢測系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明的基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像檢測系統(tǒng)包括：探測陣列結(jié)構(gòu)、壓電阻 抗測試儀、應(yīng)變測量儀、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；其中，探測陣列結(jié)構(gòu)包括多個壓電單元結(jié)構(gòu) 和支撐架；每一個壓電單元結(jié)構(gòu)包括支撐環(huán)、多條支撐條、壓電片、應(yīng)變片和探針；其中，支 撐條為長條狀，支撐環(huán)為圓環(huán)狀，多條支撐條的一端相交于支撐環(huán)的中心，另一端分別均勻 固定在支撐環(huán)上，支撐條的數(shù)量為偶數(shù)個，形成中心對稱的結(jié)構(gòu)；在每一條支撐條上均設(shè) 置壓電片；在多條支撐條的相交點(diǎn)的上部設(shè)置應(yīng)變片；在相交點(diǎn)的下部設(shè)置錐形的探針； 多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面，形成類似于乳房表面的形狀；各個壓電單元結(jié) 構(gòu)的探針與待測樣品接觸；壓電片通過控制線連接至壓電阻抗測試儀，測量壓電單元結(jié)構(gòu) 的壓電阻抗參數(shù)的頻響曲線；應(yīng)變片通過控制線連接至應(yīng)變測量儀，檢測探針與樣品之間 的接觸壓力；電阻抗測試儀和應(yīng)變測量儀分別連接至數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡連接至計算 機(jī)。
[0010] 本發(fā)明采用多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面，形成類似于乳房表面的形 狀，放置在待測樣品，即待檢測的乳腺組織上；在檢測的過程中，支撐架為多個壓電單元結(jié) 構(gòu)提供支撐，并且可以調(diào)整支撐架與壓電單元結(jié)構(gòu)之間的距離，使得探針與待測樣品接觸； 各個壓電單元結(jié)構(gòu)的探針與待測樣品接觸；應(yīng)變片檢測探針與待測樣品之間的接觸壓力； 應(yīng)變測量儀測量得到接觸壓力，并通過調(diào)整壓電單元結(jié)構(gòu)與支撐架之間的距離調(diào)整接觸壓 力；壓電阻抗測試儀測量各個壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻抗參數(shù)（壓電阻抗參數(shù)包括導(dǎo)納G、相 位0和阻抗Z)的頻響曲線，得到其壓電阻抗參數(shù)的共振頻率；建立壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻 抗參數(shù)的共振頻率與接觸點(diǎn)的楊氏模量的關(guān)系，從而計算得到每一個壓電單元結(jié)構(gòu)檢測到 的待測樣品的局部楊氏模量；將所有的壓電單元結(jié)構(gòu)得到的局部楊氏模量按照壓電單元結(jié) 構(gòu)所對應(yīng)的空間位置進(jìn)行匯總集成，形成楊氏模量分布圖，該楊氏模量分布圖即為乳腺的 楊氏模量分布，進(jìn)而對組織健康狀態(tài)進(jìn)行診斷。
[0011] 在壓電單元結(jié)構(gòu)中，在中心對稱分布的每條支撐條的一個表面設(shè)置壓電片，構(gòu)成 單晶壓電單元結(jié)構(gòu)；或者，在中心對稱的每條支撐條的上表面和下表面分別設(shè)置壓電片，構(gòu) 成雙晶壓電單元結(jié)構(gòu)。
[0012] 多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面，通過調(diào)整壓電單元結(jié)構(gòu)與支撐架之間 的距離使得各個探針的針尖與待測的乳腺組織的表面接觸，由此探針針尖所組成的曲面與 乳腺表面一致，該曲面的形狀亦與乳房表面的形狀類似，這樣可以方便的放置在待測的乳 腺組織上進(jìn)行檢測。
[0013] 多個壓電單元結(jié)構(gòu)中的每一個壓電片分別通過控制線連接至壓電阻抗測試儀的 一個通道；多個壓電單元結(jié)構(gòu)中的每一個應(yīng)變片分別通過控制線連接至應(yīng)變測量儀的一 個通道；本發(fā)明采用將多條控制線集成在支撐架上，再由支撐架分別連接至壓電阻抗測試 儀和應(yīng)變測量儀，從而實(shí)現(xiàn)每一個壓電片分別通過控制線連接至壓電阻抗測試儀的一個通 道，以及每一個應(yīng)變片分別通過控制線連接至應(yīng)變測量儀的一個通道。
[0014] 本發(fā)明的又一個目的在于提供一種基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像檢測方法。
[0015] 本發(fā)明的基于壓電阻抗法的乳腺彈性成像檢測方法，包括以下步驟：
[0016] 1)將探測陣列結(jié)構(gòu)放置在待測樣品上，各個壓電單元結(jié)構(gòu)的探針與待測樣品接 觸；
[0017] 2)應(yīng)變片檢測探針與樣品之間的接觸壓力，應(yīng)變測量儀測量得到接觸壓力，并通 過調(diào)整壓電單元結(jié)構(gòu)與支撐架之間的距離，調(diào)整接觸壓力；
[0018] 3)壓電阻抗測試儀測量各個壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻抗參數(shù)的頻響曲線，得到其壓 電阻抗參數(shù)的共振頻率，并且應(yīng)變測量儀測量得到探針與樣品之間的接觸壓力；
[0019] 4)數(shù)據(jù)采集卡采集分別采集壓電阻抗測試儀測得的共振頻率，以及應(yīng)變測量儀測 量得到接觸壓力的值，并傳遞給計算機(jī)；
[0020] 5)計算機(jī)根據(jù)共振頻率和接觸壓力的值，并依據(jù)建立的壓電等效電路模型和得到 的解析力學(xué)關(guān)系公式，計算得到與待測樣品相接觸的每一個壓電單元結(jié)構(gòu)測得的局部彈性 信息，將所有的壓電單元結(jié)構(gòu)得到的局部彈性信息按照壓電單元結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的空間位置進(jìn) 行匯總集成，形成彈性信息分布圖，從而判斷樣品的健康程度。
[0021] 其中，在步驟5)中，彈性信息包括彈性性質(zhì)kt和楊氏模量Ex，壓電單元結(jié)構(gòu)的共 振頻率與彈性性質(zhì)kt之間滿足如下關(guān)系式：

【權(quán)利要求】
1. 一種乳腺彈性成像探測陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述探測陣列結(jié)構(gòu)包括：多個壓電 單元結(jié)構(gòu)和支撐架；每一個壓電單元結(jié)構(gòu)包括多條支撐條、支撐環(huán)、壓電片、探針和應(yīng)變片； 其中，支撐條為長條狀，支撐環(huán)為圓環(huán)狀，多條支撐條的一端相交于支撐環(huán)的中心，另一端 分別均勻固定在支撐環(huán)上，支撐條的數(shù)量為偶數(shù)個，形成中心對稱的結(jié)構(gòu)；在每一條支撐條 上均設(shè)置壓電片；在多條支撐條的相交點(diǎn)的上部設(shè)置應(yīng)變片；在相交點(diǎn)的下部設(shè)置錐形的 探針；多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面；各個壓電單元結(jié)構(gòu)的探針與待測樣品接 觸；壓電片檢測壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻抗參數(shù)的頻響曲線；應(yīng)變片檢測探針與樣品之間的 接觸壓力。
2. 如權(quán)利要求1所述的探測陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于，通過調(diào)整壓電單元結(jié)構(gòu)與支撐架 之間的距離調(diào)整探針與待測樣品之間的接觸壓力。
3. 如權(quán)利要求1所述的探測陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于，在壓電單元結(jié)構(gòu)中，在中心對稱分 布的每條支撐條的一個表面設(shè)置壓電片，構(gòu)成單晶壓電單元結(jié)構(gòu)；或者，在中心對稱的每條 支撐條的上表面和下表面分別設(shè)置壓電片，構(gòu)成雙晶壓電單元結(jié)構(gòu)。
4. 一種乳腺彈性成像檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測系統(tǒng)包括：探測陣列結(jié)構(gòu)、壓電 阻抗測試儀、應(yīng)變測量儀、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；其中，探測陣列結(jié)構(gòu)包括多個壓電單元結(jié) 構(gòu)和支撐架；每一個壓電單元結(jié)構(gòu)包括支撐環(huán)、多條支撐條、壓電片、應(yīng)變片和探針；其中， 支撐條為長條狀，支撐環(huán)為圓環(huán)狀，多條支撐條的一端相交于支撐環(huán)的中心，另一端分別均 勻固定在支撐環(huán)上，支撐條的數(shù)量為偶數(shù)個，形成中心對稱的結(jié)構(gòu)；在每一條支撐條上均設(shè) 置壓電片；在多條支撐條的相交點(diǎn)的上部設(shè)置應(yīng)變片；在相交點(diǎn)的下部設(shè)置錐形的探針； 多個壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在支撐架的內(nèi)表面；各個壓電單元結(jié)構(gòu)的探針與待測樣品接觸；壓 電片通過控制線連接至壓電阻抗測試儀，測量壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻抗參數(shù)的頻響曲線； 應(yīng)變片通過控制線連接至應(yīng)變測量儀，檢測探針與樣品之間的接觸壓力；電阻抗測試儀和 應(yīng)變測量儀分別連接至數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡連接至計算機(jī)。
5. 如權(quán)利要求4所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，多條控制線集成在支撐架上，再由支撐 架分別連接至壓電阻抗測試儀和應(yīng)變測量儀，從而每一個壓電片分別通過控制線連接至壓 電阻抗測試儀的一個通道，以及每一個應(yīng)變片分別通過控制線連接至應(yīng)變測量儀的一個通 道。
6. -種乳腺彈性成像檢測方法，其特征在于，所述檢測方法包括以下步驟： 1) 將探測陣列結(jié)構(gòu)放置在待測樣品上，各個壓電單元結(jié)構(gòu)的探針與待測樣品接觸； 2) 應(yīng)變片檢測探針與樣品之間的接觸壓力，應(yīng)變測量儀測量得到接觸壓力，并通過調(diào) 整壓電單元結(jié)構(gòu)與支撐架之間的距離，調(diào)整接觸壓力； 3) 壓電阻抗測試儀測量各個壓電單元結(jié)構(gòu)的壓電阻抗參數(shù)的頻響曲線，得到其壓電阻 抗參數(shù)的共振頻率，并且應(yīng)變測量儀測量得到探針與樣品之間的接觸壓力； 4) 數(shù)據(jù)采集卡采集分別采集壓電阻抗測試儀測得的共振頻率，以及應(yīng)變測量儀測量得 到接觸壓力的值，并傳遞給計算機(jī)； 5) 計算機(jī)根據(jù)共振頻率和接觸壓力的值，并依據(jù)建立的壓電等效電路模型和得到的 解析力學(xué)關(guān)系公式，計算得到與待測樣品相接觸的每一個壓電單元結(jié)構(gòu)測得的局部彈性信 息，將所有的壓電單元結(jié)構(gòu)得到的局部彈性信息按照壓電單元結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的空間位置進(jìn)行 匯總集成，形成彈性信息分布圖，從而判斷樣品的健康程度。
7. 如權(quán)利要求6所述的檢測方法，其特征在于，在步驟5)中，彈性信息包括彈性性質(zhì)kt 和楊氏模量Ex，壓電單元結(jié)構(gòu)的共振頻率&與彈性性質(zhì)kt之間滿足如下關(guān)系式：
其中，共振角頻率
為共振頻率，mt為探針的質(zhì)量，L為壓電單元結(jié)構(gòu)的 半徑，Ab(1為等效波長，&為等效梁剛度。
8. 如權(quán)利要求7所述的檢測方法，其特征在于，進(jìn)一步根據(jù)赫茲接觸理論，可以得到待 測樣品的楊氏模量民滿足下式：
其中，Et為探針的楊氏模量，R為探針的半徑，F(xiàn)為接觸壓力。
【文檔編號】A61B5/05GK104473638SQ201410834477
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】李法新, 付際, 李曉, 譚池 申請人:北京大學(xué)