專利名稱：一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學檢測技術，具體的說，涉及一種一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀。
背景技術：
一直以來，觸診是醫生在臨床診斷中不可缺少的一種手段。通過對軟組織的觸診，可以感知組織內質地及其粘彈性的變化，從而判斷組織的正常與否。尤其對于腫瘤組織的探察，常通過觸診感知其質地、活動度及與周邊關系等，以推斷腫瘤的良惡性。一般認為軟組織質地的變化與其病理過程有著密切關系。從生物力學角度來說，軟組織質地變化意味著其力學特性的改變，也就是說，當組織發生病變時，組織的粘彈性特征會隨之而改變。因此，有學者提出對組織的力學特性即粘彈性特征進行檢測，期望能準確反映組織的質地，而粘彈性是表征一種生物組織力學特性的重要參數，通過對生物組織的粘彈性質的非侵入式 檢測來實現對器官(諸如肝臟，皮膚或血管)相關病變的檢測和評估，是非常重要的。現有的粘彈性檢測方法主要為超聲粘彈性檢測，該方法采用靜態/準靜態的組織激勵方法，利用探頭或者一個探頭-擠壓板裝置，沿著探頭的縱向(軸向)壓縮組織，給組織施加一個微小的應變。根據各種不同組織(包括正常和病理組織)的粘彈性系數(應力/應變)不同，當組織受到外力或交變振動后，其應變(主要為形態改變)也不同，收集被測體某時間段內的各個信號片段，利用復合互相關(CAM)方法對壓迫前后反射的回波信號進行分析，計算組織內部不同位置的位移，然后計算出變形程度，從而間接或直接反映其彈性模量等力學屬性的差異。該方法必須先給組織施加作用力使之形變，這也就導致了對于接收的超聲波數據而言，其參考點是運動的，而且檢測時超聲觸頭施加在介質上的壓力大小以及探頭是否垂直于介質都將影響測量的結果。實際操作中，檢測結果很容易受到操作者主觀因素的影響，從而導致測量過程中的結果差異性較大。此外，這種作用方式是施加于整個組織，而非只針對待測的特定區域，這樣，特定區域周圍組織的運動和形變也會影響結果的準確性。目前，利用光聲方法檢測組織彈性在我國已有報道，如2011年9月7日公開的發明專利光聲彈性成像方法與裝置，申請人華南師范大學，申請日2011年I月14日，申請號201110008213，采用了強度調制的連續光源激發產生超聲信號，通過測量該信號與調制信號之間的相位差并逐點掃描可以重建出檢測樣品的彈性分布圖像。但在上述方法中，光聲激發和聲信號的接收未能實現同軸共焦結構，因此光聲激發與檢測的效率不高，降低了測量結果的準確性。而且上述方法為對向檢測模式，缺乏實際操作的方便性，不利于對在體組織進行粘彈性測量，實際推廣應用收到了很大的限制。

發明內容
針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是提供一種通過激光照射待測組織，依據待測組織產生聲波的快慢準確判斷組織粘彈性的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀。為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案—種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，包括半導體激光器、電光調制器、函數發生器、測量盒、聚焦透鏡、直角棱鏡組、超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置；沿著激光的傳播方向，半導體激光器、電光調制器和測量盒依次設置；測量盒內，激光的入口、聚焦透鏡、直角棱鏡組和激光的出口依次設置在一條直線上，激光通過直角棱鏡組后，沿原方向傳播；測量盒內，沿著聲波的傳播方向，激光的出口、直角棱鏡組和超聲換能器依次設置，聲波通過直角棱鏡組后轉向；超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置依次電連接；函數發生器分別與電光調制器和鎖相放大器相接。采用這種結構后，半導體激光器發出具有特定波長的連續激光，入射至電光調制器中，電光調制器根據由函數發生器輸入的正弦波形信號對連續激光進行強度調制，其調制頻率等同于由函數發生器輸入信號的頻率，由此得到正弦波激光，正弦波激光經測量盒內的透鏡聚焦到待測組織，產生聲波，對于粘彈系數不同的組織，其產生的聲波發射的快慢不同，聲波信號通過直角棱鏡組反射轉向后，經超聲換能器接收轉為電信號，電信號經前置信號放大器放大后，通 過鎖相放大器提取電信號與正弦波調制信號的相位差，即間接得到聲波延遲發射的時間，數據采集裝置對數據進行分析處理，得出待測組織的粘彈性。通常粘彈性越高，延遲產生聲波的時間越長，即相位差越大。采用這種結構后，結構簡單，檢測效果準確，可對待測組織的粘彈性實時、及時的檢測，是一種無創檢測過程。之所以說檢測效果準確，主要是激光的靈敏性較好，而且測量過程中，待測組織非運動的，即照射待測組織的光斑位置固定。測量盒為封閉容器，整個貼有聲吸收材料層；激光的入口位于測量盒的一端，激光的出口位于測量盒的另一端；直角棱鏡組緊靠激光的出口，包括兩塊反射斜面相互貼合的直角棱鏡，貼合面與聲波的傳播方向呈45度、與超聲換能器的軸向呈135度,貼合面抹有可透光的聲反射層。采用這種結構后，聲吸收材料層可有效隔絕外部無用聲波，保證超聲換能器僅接收待測組織發射的聲波，使得最終檢測結果準確可靠；直角棱鏡組的結構簡單，不影響去程激光沿原路傳播，同時可實現回程聲波的轉向傳播。測量盒的材料是有機玻璃，聲吸收材料層位于測量盒的內壁；激光的出口處設有透光保護膜，透光保護膜內側緊貼直角棱鏡組，外側緊貼待測組織；超聲換能器通過耦合液緊貼于直角棱鏡組旁。采用這種結構后，透光保護膜緊貼待測組織即可完成測量，保護設備的同時，便于操作。有機玻璃的材料為聚甲基丙烯酸甲酯；透光保護膜的材料為聚苯乙烯；聲反射層的材料為硅油。采用這種結構后，聚苯乙烯能有效地傳導激光和聲波，并能隨著擠壓而變形，能和待測組織無間隙地貼在一起而沒有壓迫感；聲反射層需要透光，同時需要和直角棱鏡的材質玻璃有聲阻抗的差異，可選擇硅油或水等，當選擇硅油時，由于它和玻璃的折射率差不多，對激光的影響較小，能達到較好的透光和聲波反射效果。半導體激光器發射的激光的波長范圍為近紅外光譜區780nm IlOOnm ;電光調制器的調制頻率為IOkHZ 10MHZ。采用這種結構后，即選擇優選范圍的參數，可對應于大部分生物組織的光的吸收波長，使得本光聲檢測儀適用于大部分的生物組織，能取得較好的檢測效果。一般來說，激光的波長最好選擇使得待測組織的光吸收量最大的值，以獲得更準確的檢測結果。對于頻率的選擇，主要依據儀器中各組成部分的檢頻性能，一般選高頻率會對檢測的準確性造成一定的影響。半導體激光器與電光調制器之間、電光調制器與測量盒之間通過光纖連接；電光調制器的激光進入處設有準直透鏡。采用這種結構后，準直透鏡對光纖輸出的發散的激光進行準直，使得發散的光束變為平行的光束，為電光調制做準備。數據采集裝置包括裝有數據采集卡和數據處理軟件的計算機，數據采集卡與鎖相放大器相接；計算機與一臺通過圖形化顯示粘彈性變化的顯示屏相接。采用這種結構后，數據采集卡接收數據，計算機通過數據處理軟件對數據進行分析處理，得出待測組織的粘彈性，顯示屏則實時定量圖形化顯示粘彈性變化，檢測過程可直觀顯示。一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀還包括安裝在測量盒內的平移裝置，聚焦透鏡通過平移裝置在激光的入口和直角棱鏡組之間移動。采用這種結構后，聚焦透鏡平移，即可調節激光的聚焦位置，焦點與待測組織越接近，激光的利用率越高，同時得到的信號強度越大，檢測結果越準確。
組織粘彈性的光聲檢測方法，包括如下步驟a.定波長的激光發出后，用正弦波信號對激光進行強度調制得到正弦波激光；b.正弦波激光經聚焦透鏡后，穿過直角棱鏡組聚焦到待測組織，其中直角棱鏡組不改變正弦波激光的傳播方向；c.正弦波激光激發待測組織發出正弦波聲波，正弦波聲波經直角棱鏡組反射后，到達超聲換能器；d.超聲換能器將正弦波聲波信號轉為正弦波電信號，正弦波電信號經放大后，到達鎖相放大器，由鎖相放大器提取正弦波激光信號與正弦波電信號的相位差依據相位差的大小，由數據采集裝置得出待測組織的粘彈性。采用這種方法后，操作過程簡單方便，測量效果準確，可對待測組織的粘彈性實時、及時的檢測，是一種無創檢測過程。調節聚焦透鏡的位置從而調節正弦波激光的聚焦位置，當鎖相放大器顯示正弦波電信號的幅值最大時，處于對待測組織檢測的最佳效果狀態。采用這種方法后，可調節激光的聚焦位置，焦點與待測組織越接近，激光的利用率越高，同時得到的信號強度越大，檢測結果越準確。總的說來，本發明具有如下優點I、利用高度聚焦的激光進行檢測，相對于傳統的超聲檢測，光聲檢測具有更高的測量精度和靈敏度。2、本發明利用直角棱鏡組將聲波激發源與超聲換能器形成共焦結構，即可將光焦點和聲焦點設于同一點處，極大的提高了聲波信號的激發和接收效率。3、本發明對于接收到的聲波信號具有自動識別功能，阻隔由環境因素引入的噪聲信號，從而保證本發明具有很強的動態環境適應性。具體的說，運用了鎖相放大器進行檢測，而鎖相放大器利用外差式振蕩技術，將被檢測信號與調制信號做乘法運算，可以除去噪聲信號的干擾，最終得到聲波信號與調制信號的相位差。4、本發明采用便宜的半導體激光器實現光聲粘彈性檢測，整體儀器的造價相對較低，易于應用推廣。


圖I是一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀的組成示意圖。圖2是測量盒的結構示意圖。
圖3是實施例一中采用一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀對不同物質檢測的粘彈性對比圖。圖4是實施例二中采用一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀對瓊脂檢測的粘彈性對比圖。其中，I為半導體激光器，2為光纖，3為電光調制器，4為函數發生器，5為測量盒，6為聚焦透鏡，7為直角棱鏡組，8為超聲換能器，9為前置信號放大器，10為鎖相放大器，11為計算機，12為準直透鏡，13為光纖頭，14為透光保護膜，15為聲吸收材料層，16為待測組織，17為正弦波激光，18為正弦波聲波。
具體實施方式
下面將結合附圖和具體實施方式
來對本發明做進一步詳細的說明。實施例一圖I和圖2所示，本發明一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀包括半導體激光器、電光調制器、函數發生器、測量盒、聚焦透鏡、直角棱鏡組、超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器、數據采集裝置、準直透鏡和兩條光纖；沿著激光的傳播方向，半導體激光器、光纖、準直透鏡、電光調制器、光纖和測量盒依次設置；測量盒內，激光的入口、聚焦透鏡、直角棱鏡組和激光的出口依次設置在一條直線上，激光通過直角棱鏡組后，沿原方向傳播；測量盒內，沿著聲波的傳播方向，激光的出口、直角棱鏡組和超聲換能器依次設置，聲波通過直角棱鏡組后轉向；超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置依次電連接；函數發生器分別與電光調制器和鎖相放大器相接。半導體激光器可發出固定波長的連續激光，調節其參數，即可控制激光的波長，本實施例中的激光波長為808nm的連續激光。電光調制器選用美國conoptics公司的產品，型號為M-360,用于調節激光的強度。函數發生器為泰克公司的產品，與電光調制器相接后，使得電光調制器按照正弦波的信號調節激光的強度，本實施例中，其輸出信號設定為頻率為50Khz的正弦波形信號。測量盒為封閉容器，材料為聚甲基丙烯酸甲酯，整個內壁均貼有聲吸收材料層。圖2所示，激光的入口位于測量盒的上端，激光的出口位于測量盒的下端；直角棱鏡組緊靠激光的出口，包括兩塊反射斜面相互貼合的直角棱鏡，貼合面與聲波的傳播方向呈45度、與超聲換能器的軸向呈135度,貼合面抹有可透光的聲反射層,材料為娃油。激光的入口處設有光纖頭，將光纖傳輸的激光以點光源的形式發出。激光的出口處設有透光保護膜，材料為聚苯乙烯，透光保護膜內側緊貼直角棱鏡組，外側緊貼待測組織；超聲換能器通過耦合液緊貼于直角棱鏡組旁。聚焦透鏡用于將點光源發射的激光聚焦于焦點，聚焦透鏡通過安裝在測量盒內的平移裝置，在激光的入口和直角棱鏡組之間移動，以調整激光聚焦的位置。平移裝置可采用齒輪齒條機構，轉動齒輪，即可帶動齒條平移，進而帶動與齒條相對固定的聚焦透鏡平移。超聲換能器為單元或多元超聲換能器，固定于測量盒內，用于接收直角棱鏡組反射回來的聲波信號，并將聲波信號轉換為電信號。直角棱鏡組和超聲換能器一體化封裝于
測量盒內。
前置信號放大器用于將電信號放大，為后續的數據比較做準備。鎖相放大器接收前置信號放大器發來的電信號(即正弦波聲波信號)，并接收函數發生器發來的正弦波信號(即正弦波激光信號)，比較正弦波激光信號和正弦波聲波信號的相位差，即可測得待測組織在受到激光照射后，聲波延遲發射的時間。數據采集裝置包括裝有數據采集卡和數據處理軟件的計算機，數據采集卡與鎖相放大器相接；計算機與一臺通過圖形化顯示粘彈性變化的顯示屏相接。數據處理軟件為LABVIEff數據采集控制程序和數據處理MATLAB程序，將數據采集卡采集到的數據通過顯示屏定量圖形化顯示組織粘彈性變化。計算機可以選用P4微機，內存在128M以上。待測組織是將脂肪、肌肉、肝臟等具有不同粘彈性的生物組織置于同一平面內。組織粘彈性的光聲檢測方法，包括如下步驟a.半導體激光器發出定波長的激光，準直透鏡將激光變為平行光束，函數發生器向電光調制器發出正弦波信號，電光調制器用 正弦波信號對激光進行強度調制得到正弦波激光；b.正弦波激光從光纖頭以點光源的形式發出，經聚焦透鏡后，穿過直角棱鏡組聚焦到待測組織，聚焦后的光斑為I平方毫米，其中直角棱鏡組不改變正弦波激光的傳播方向；c.正弦波激光激發待測組織后，待測組織延遲發出正弦波聲波，正弦波聲波經直角棱鏡組反射90度后，到達超聲換能器；d.超聲換能器將正弦波聲波信號轉為正弦波電信號，正弦波電信號經前置信號放大器放大后，到達鎖相放大器，由鎖相放大器提取正弦波激光信號(由函數發生器輸入)與正弦波電信號的相位差，即間接得到正弦波激光信號和正弦波聲波信號的相位差，從而得到聲波的延遲發射時間；e.數據采集卡采集該相位差數據，計算機通過數據處理軟件分析計算，得出待測組織的粘彈性，在顯示屏中顯示出來，同時計算機儲存相應數據。通過平移裝置調節聚焦透鏡的位置從而調節正弦波激光的聚焦位置，當鎖相放大器顯示正弦波電信號的幅值最大時，處于對待測組織檢測的最佳效果狀態。每次測試前，均可先對儀器進行調整，確保其處于最佳測試狀態。按照上述檢測方法對待測樣品的脂肪、肌肉、肝臟幾種不同的物質的依次檢測，對上述幾種物質檢測采集到的相位差數據進行比較，可以確定其粘彈性的差異(如圖3所示)。從實驗結果可以看出本發明的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀能夠測量不同物質的粘彈性的差異。實施例二采用實施例一的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀實現待測物體的粘彈性檢測，包括以下步驟(I)用5g瓊脂與95g水混合，煮沸后，構成待測組織，固定于透光保護膜下方。(2)半導體激光器發射的激光經過電光調制器后被調制成強度以50Khz的頻率成正弦變化的正弦波激光，照射到待測組織表面。(3)超聲換能器實時接收待測組織發射的正弦波聲波信號，并將正弦波聲波信號轉換為正弦波電信號，正弦波電信號經過前置信號放大器放大，最后由鎖相放大器檢頻和計算相位差，由計算機實時儲存待測組織的相位差值，利用LABVIEW軟件實時顯示待測組織的粘彈性變化。由圖4可以看出本發明能夠實時顯示瓊脂冷卻過程中隨時間的粘彈性變化。本實施例未提及部分同實施例一。
用該儀器對病人的組織進行檢測時，只需用該儀器的透光保護膜部位緊貼組織表面，再通過平移裝置調節聚焦透鏡的距離，當顯示的正弦波電信號的幅值最大時，處于對待測組織檢測的最佳效果狀態，即可開始檢測。檢測到粘彈性數據信息后，即可根據該數據信息進行器官病變的檢測和評估。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于包括半導體激光器、電光調制器、函數發生器、測量盒、聚焦透鏡、直角棱鏡組、超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置；沿著激光的傳播方向，半導體激光器、電光調制器和測量盒依次設置；測量盒內，激光的入口、聚焦透鏡、直角棱鏡組和激光的出口依次設置在一條直線上，激光通過直角棱鏡組后，沿原方向傳播；測量盒內，沿著聲波的傳播方向，激光的出口、直角棱鏡組和超聲換能器依次設置，聲波通過直角棱鏡組后轉向；超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置依次電連接；函數發生器分別與電光調制器和鎖相放大器相接。
2.按照權利要求I所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于所述測量盒為封閉容器，整個貼有聲吸收材料層；激光的入口位于測量盒的一端，激光的出口位于測量盒的另一端；直角棱鏡組緊靠激光的出口，包括兩塊反射斜面相互貼合的直角棱鏡，貼合面與聲波的傳播方向呈45度、與超聲換能器的軸向呈135度,貼合面抹有可透光的聲反射層。
3.按照權利要求2所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于所述測量盒的材料是有機玻璃，聲吸收材料層位于測量盒的內壁；激光的出口處設有透光保護膜，透光保護膜內側緊貼直角棱鏡組，外側緊貼待測組織；超聲換能器通過耦合液緊貼于直角棱鏡組芳。
4.按照權利要求3所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于所述有機玻璃的材料為聚甲基丙烯酸甲酯；透光保護膜的材料為聚苯乙烯；聲反射層的材料為硅油。
5.按照權利要求I所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于所述半導體激光器發射的激光的波長范圍為近紅外光譜區780nm IlOOnm ;電光調制器的調制頻率為 IOkHZ 10MHZ。
6.按照權利要求I所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于所述半導體激光器與電光調制器之間、電光調制器與測量盒之間通過光纖連接；電光調制器的激光進入處設有準直透鏡。
7.按照權利要求I所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于所述數據采集裝置包括裝有數據采集卡和數據處理軟件的計算機，數據采集卡與鎖相放大器相接；計算機與一臺通過圖形化顯示粘彈性變化的顯示屏相接。
8.按照權利要求I所述的一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，其特征在于它還包括安裝在測量盒內的平移裝置，聚焦透鏡通過平移裝置在激光的入口和直角棱鏡組之間移動。
全文摘要
本發明涉及一種便攜式無創、實時光聲粘彈檢測儀，包括半導體激光器、電光調制器、函數發生器、測量盒、聚焦透鏡、直角棱鏡組、超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置；沿激光的傳播方向，半導體激光器、電光調制器和測量盒依次設置；測量盒內，激光的入口、聚焦透鏡、直角棱鏡組和激光的出口設置在一條直線上；測量盒內，沿聲波的傳播方向，激光的出口、直角棱鏡組和超聲換能器依次設置；超聲換能器、前置信號放大器、鎖相放大器和數據采集裝置依次電連接；函數發生器分別與電光調制器和鎖相放大器相接。具有結構簡單、更高的測量精度和靈敏度、操作方便的優點，屬于生物醫學檢測技術領域。
文檔編號G01N21/17GK102879335SQ201210363738
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者邢達, 趙岳, 楊思華 申請人:華南師范大學