一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統。本發明包括管式結構的探頭裝置、微型水泵、醫用水槽和主控系統。微型水泵通過軟管與醫用水槽相連接；微型水泵的泵出口通過軟管與管式結構的探頭裝置中的耦合劑管路接口相連；管式結構的探頭裝置包括主管體、可拆卸噴頭、電氣適配接口和耦合劑管路接口；主控系統包括超聲發射/接收器、高頻信號采集器、單軸運動控制器、超聲測距模塊、電機驅動模塊、嵌入式控制器和顯示屏。本發明利用較細的管狀結構實現對狹小腔體內部材料的超聲檢測；利用單軸精密運動裝置實現點聚焦超聲探頭的自動聚焦功能；利用高頻測距超聲探頭精確記錄信號采集的空間位置，便于實現薄層材料定征時所需的數據獲取。
【專利說明】一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及超聲測量領域，特別涉及一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統。
【背景技術】
[0002]骨關節炎是一種常見的關節疾病，嚴重影響病人的生活質量。現代醫學證實骨關節炎中最重要的一個變化就是軟骨退化。目前用于診斷軟骨病變的主要手段是采用X射線成像，但這種方法只能用于晚期病變的診斷。鼻腔炎癥、口腔炎癥等疾病診斷的標準化要求對于組織病變進行更具數理性的描述，這就需要對于腔體內炎癥部位腫大程度、腫脹類型進行定量分析。隨著超聲醫學的進步，尤其是近年來超聲組織定征技術的進步，利用超聲波進行組織病變的診斷成為研究的熱點。
[0003]另一方面，在高頻超聲精確測量領域，在一些管體或腔體結構內部材料的檢測環節，大多采用超聲外部入射的測量手段，由于高頻超聲的衰減與傳播深度有關，內壁材料的損傷信號因為信號衰減可能被噪聲所淹沒。但從腔體內部測量卻礙于測量裝置的尺寸過大或無耦合物質搭載聲波而無法完成。因此，需要管式結構的探測裝置來完成腔體內壁材料的精確定征。
[0004]目前，許多科研 單位都在研發利用點聚焦超聲探頭進行薄層材料定征的相關技術。浙江大學的居冰峰、白小龍等在專利201210530937.0,201210042497.4、201310121229.6中詳細介紹了點聚焦探頭用于薄層材料定征的相關方法，但其所提技術均要求探頭超聲聲束軸線垂直于待測材料表面，無法突破上述問題。因此，需要一種小型的超聲測量裝置實現腔體內壁材料的定征。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術的不足，是提供一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統。
[0006]一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統，包括管式結構的探頭裝置、微型水泵、醫用水槽和主控系統；
微型水泵通過軟管與醫用水槽相連接，軟管一端接在醫用水槽側壁上的出口，另一端接在微型水泵的輸入口 ；微型水泵的泵出口通過軟管與管式結構的探頭裝置中的耦合劑管路接口相連；微型水泵將耦合劑從醫用水槽泵入管式結構的探頭裝置，并最終由可拆卸噴頭上的噴口噴出；
管式結構的探頭裝置包括主管體、可拆卸噴頭、電氣適配接口和耦合劑管路接口 ；主管體內部設置有耦合劑管路、單軸精密運動裝置、點聚焦超聲探頭、高頻超聲測距探頭、測距用聲反射鏡、密封卡盤及線纜內管；單軸精密運動裝置沿主管體軸線方向運動，其運動軸的穿過密封卡盤的主軸孔位后，與點聚焦超聲探頭相連接；使得點聚焦超聲探頭能沿主管體軸線方向；測距用聲反射鏡安裝在單軸精密運動裝置的運動端；測距用聲反射鏡位于單軸精密運動裝置的一側，且與高頻超聲測距探頭位于同一側；高頻超聲測距探頭設置在主管體內，固定在主管體內的密封卡盤的探頭卡孔上，并與主管體相對靜止；高頻超聲測距探頭所發射聲束傳播方向與主管體軸線方向平行，并垂直于測距用聲反射鏡鏡面；密封卡盤通過卡孔設置在主管體的內壁上；線纜內管通過卡盤固定在主管體內部，且線纜內管內部設置有單軸精密運動裝置的控制線纜、點聚焦超聲探頭的信號線、高頻超聲測距探頭的信號線.可拆卸噴頭呈管裝，其頭部為半球形，且其管側壁具有噴口 ；可拆卸噴頭內設置有定征用聲反射鏡，定征用聲反射鏡鏡面法線與可拆卸噴頭管狀部分的軸線呈45度角；噴口中心點與可拆卸噴頭管狀部分的軸線組成的平面，與定征用聲反射鏡鏡面垂直；
主管體與可拆卸噴頭之間采用螺紋結構連接，主管體末端具有外螺紋，可拆卸噴頭管狀部分具有與該外螺紋匹配的內螺紋；主管體與可拆卸噴頭連接后，點聚焦超聲探頭的運動方向與定征用聲反射鏡鏡面法線方向之間的夾角為45度；點聚焦超聲探頭發射的聚焦聲束經定征用聲反射鏡反射后，聚焦聲束以主管體徑向方向為中心線傳播，并從可拆卸噴頭的噴口射出；經待測材料反射的回波聲束由可拆卸噴頭的噴口進入主管體內，并經過定征用聲反射鏡反射回到點聚焦超聲探頭；密封卡盤與可拆卸噴頭形成空腔；耦合劑管路盤繞在線纜內管上，其出口端部固定在密封卡盤的管路孔位上，且耦合劑管路的出口端部在密封卡盤與可拆卸噴頭形成的空腔內；
主控系統包括超聲發射/接收器、高頻信號采集器、單軸運動控制器、超聲測距模塊、電機驅動模塊、嵌入式控制器和顯示屏；其中，超聲發射/接收器用于控制點聚焦超聲探頭的超聲發射和回波信號接收，并對回波信號調理放大；高頻信號采集器用于將調理放大后的回波信號數字采樣，并傳送至嵌入式控制器；單軸運動控制器用于驅動和控制單軸精密運動裝置的精確運動；超聲測距模塊控制高頻超聲測距探頭發射和接收高頻超聲，測量單軸精密運動裝置的運動位移，并將該運動位移的信息傳送到嵌入式控制器；超聲發射/接收器、單軸運動控制器、超聲測距模塊的通信線路集中于接線端子，接線端子通過線纜和電氣適配器與管式結構的探頭裝置的電氣適配接口相連，具體的:線纜的一端與接線端子相連，另一端與電氣適配器相連，電氣適配器與管式結構的探頭裝置的電氣適配接口相連；在管式結構的探頭裝置內部，單軸精密運動裝置的控制線纜、點聚焦超聲探頭的信號線、高頻超聲測距探頭的信號線集中連接到電氣適配接口 ；電機驅動模塊用于驅動微型水泵，電機驅動模塊由驅動接口經電機驅動線纜與微型水泵相連，顯示屏則負責測量參數和測量過程的控制交互以及測量結果的顯示。
[0007]微型水泵將醫用水槽內的耦合劑通過耦合劑管路接口泵送進管式結構的探頭裝置內的耦合劑管路，并由耦合劑管路的出口端部進入密封卡盤與可拆卸噴頭形成的空腔，在該空腔充盈后，最終由可拆卸噴頭上的噴口噴出，進而到達待測材料表面。
[0008]所述管式結構的探頭裝置的主管體和可拆卸噴頭的管壁由耐腐蝕的醫用金屬材料或耐腐蝕的醫用高分子材料制成，對人體無毒、無刺激性。
[0009]本發明的有益效果是:
本發明利用定征用聲反射鏡實現聚焦聲束的傳播方向調整，從而實現利用較細的管狀結構實現對狹小腔體內部材料的超聲檢測；利用單軸精密運動裝置實現點聚焦超聲探頭的自動聚焦功能；利用高頻測距超聲探頭精確記錄信號采集的空間位置，便于實現薄層材料定征時所需的V(z，t)數據獲取。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明結構示意圖；
圖2是本發明管式結構的探頭裝置結構示意圖；
圖3是本發明可拆卸噴頭結構布局示意圖；
圖4是本發明密封卡盤結構布局示意圖；
圖5是本發明主控系統的結構組成圖；
圖6是本發明實在人體膝關節中的測量應用圖。
【具體實施方式】
[0011]下面將結合本發明實施例的附圖，對實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0012]如圖1所示，一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統，包括管式結構的探頭裝置101、微型水泵102、醫用水槽103和主控系統104。
[0013]微型水泵102通過軟管與醫用水槽103相連接，軟管108—端接在醫用水槽103側壁上的出口，另一端接在微型水泵102的輸入口 115 ;微型水泵102的泵出口 114通過軟管106與管式結構的探頭裝置101中的耦`合劑管路接口 113相連。微型水泵102將耦合劑(醫學應用一般使用0.9%的生理鹽水)從醫用水槽103泵入管式結構的探頭裝置101，并最終由可拆卸噴頭112上的噴口 208噴出。
[0014]如圖1和圖2所示，管式結構的探頭裝置101包括主管體116、可拆卸噴頭112、電氣適配接口 111和耦合劑管路接口 113。
[0015]主管體116內部設置有耦合劑管路201、單軸精密運動裝置202、點聚焦超聲探頭203、高頻超聲測距探頭204、測距用聲反射鏡205、密封卡盤206及線纜內管207。單軸精密運動裝置202沿主管體116軸線方向運動，其運動軸的穿過密封卡盤206的主軸孔位401后，與點聚焦超聲探頭203相連接；使得點聚焦超聲探頭203能沿主管體116軸線方向；如圖2和圖4所示，測距用聲反射鏡205安裝在單軸精密運動裝置202的運動端，或通過夾具213設置在點聚焦超聲探頭203的柱體上，使得測距用聲反射鏡205位于單軸精密運動裝置202的一側，且與高頻超聲測距探頭204位于同一側；高頻超聲測距探頭204設置在主管體116內，固定在主管體116內的密封卡盤206的探頭卡孔403上，并與主管體116相對靜止；高頻超聲測距探頭204所發射聲束傳播方向與主管體116軸線方向平行，并垂直于測距用聲反射鏡205鏡面；密封卡盤206通過卡孔404設置在主管體116的內壁上。線纜內管207通過卡盤固定在主管體116內部，且線纜內管207內部設置有單軸精密運動裝置202的控制線纜212、點聚焦超聲探頭203的信號線210、高頻超聲測距探頭204的信號線211 ；
如圖3所示，可拆卸噴頭112呈管裝，其頭部為半球形，且其管側壁具有噴口 208 ;可拆卸噴頭112內設置有定征用聲反射鏡209，定征用聲反射鏡209鏡面法線302與可拆卸噴頭管狀部分的軸線301呈45度角；噴口 208中心點303與可拆卸噴頭112管狀部分的軸線301組成的平面，與定征用聲反射鏡209鏡面垂直。
[0016]如圖2和圖3所示，主管體116與可拆卸噴頭112之間采用螺紋結構連接，主管體116末端具有外螺紋，可拆卸噴頭112管狀部分具有與該外螺紋匹配的內螺紋。本發明實施例中，主管體116和可拆卸噴頭112的管壁由耐腐蝕的醫用金屬材料或耐腐蝕的醫用高分子材料制成，對人體無毒、無刺激性。
[0017]主管體116與可拆卸噴頭112連接后，點聚焦超聲探頭203的運動方向與定征用聲反射鏡209鏡面法線方向之間的夾角為45度；點聚焦超聲探頭203發射的聚焦聲束經定征用聲反射鏡209反射后，聚焦聲束以主管體116徑向方向為中心線傳播，并從可拆卸噴頭112的噴口 208射出；經待測材料反射的回波聲束由可拆卸噴頭112的噴口 208進入主管體116內，并經過定征用聲反射鏡209反射回到點聚焦超聲探頭203。
[0018]主管體116與可拆卸噴頭112連接后，密封卡盤206與可拆卸噴頭112形成空腔；耦合劑管路201盤繞在線纜內管207上，其出口端部214固定在密封卡盤206的管路孔位402上，且耦合劑管路201的出口端部214在密封卡盤206與可拆卸噴頭112形成的空腔內；
微型水泵102將醫用水槽103內的耦合劑通過耦合劑管路接口 113泵送進管式結構的探頭裝置101內的耦合劑管路201，并由耦合劑管路201的出口端部214進入密封卡盤206與可拆卸噴頭112形成的空腔，在該空腔充盈后，最終由可拆卸噴頭112上的噴口 208噴出，進而到達待測材料表面。
[0019]如圖5所示，主控系統104包括超聲發射/接收器506、高頻信號采集器505、單軸運動控制器507、超聲測距模塊508、電機驅動模塊503、嵌入式控制器502和顯示屏501組成。其中，超聲發射/接收器506用于控制點聚焦超聲探頭203的超聲發射和回波信號接收，并對回波信號調理放大；高頻信號采集器505用于將調理放大后的回波信號數字采樣，并傳送至嵌入式控制器502 ;單軸運動控制器507用于驅動和控制單軸精密運動裝置202的精確運動；超聲測距1旲塊508控制聞頻超聲測距探頭204發射和接收聞頻超聲，測量單軸精密運動裝置202的運動位移，并將該`運動位移的信息傳送到嵌入式控制器502 ;超聲發射/接收器506、單軸運動控制器507、超聲測距模塊508的通信線路集中于接線端子109，接線端子109通過線纜105和電氣適配器110，與管式結構的探頭裝置101的電氣適配接口111相連，具體的如圖1所示:線纜105的一端與接線端子109相連，另一端與電氣適配器110相連，電氣適配器110與管式結構的探頭裝置101的電氣適配接口 111相連；
如圖2所示，在管式結構的探頭裝置101內部，單軸精密運動裝置202的控制線纜212、點聚焦超聲探頭203的信號線210、高頻超聲測距探頭204的信號線211集中連接到電氣適配接口 111。電機驅動模塊503用于驅動微型水泵102，電機驅動模塊503由驅動接口 504經電機驅動線纜107與微型水泵102相連。顯示屏501則負責測量參數和測量過程的控制交互以及測量結果的顯示。
[0020]所述超聲發射/接收器506的發射脈沖寬度為IOns~20ms可調，接收放大器頻帶寬度大于200MHz ;高頻信號采集器505可采集峰-峰值為2V的信號，最高采樣頻率大于500MHz ;單軸運動控制器507為超聲電機驅動控制器或閉環壓電陶瓷控制器，高壓輸出25V~500V可調；超聲測距模塊508采用脈沖超聲發射模式，發射脈寬IOOns~IOOms可調，發射電壓大于25V;電機驅動模塊503為直流無刷電機驅動模塊，可接旋轉編碼器輸出信號；嵌入式控制器502采用ARM9+DSP處理器，最大內存支持16G，具備定點數和浮點數運算能力，DSP主頻在400MHz以上。
[0021]如圖6所示，為本發明對人體膝關節中的關節軟骨進行醫學檢查時的相關場景。類似關節內窺鏡的應用，檢測時需要將101管式結構的探頭裝置的頭部由微創口進入關節腔601 ;通過對超聲回波的分析，引導探頭找到關節軟骨602的位置，矯正探頭姿態后完成測量。
[0022]以上對本發明實施例所提供的一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統及應用進行了詳細介紹，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其思想。對于本領域的技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有所改變。因此，本發明實施例不應理解為對本
【發明內容】
的限制。
【權利要求】
1.一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統，其特征在于包括管式結構的探頭裝置、微型水泵、醫用水槽和主控系統； 微型水泵通過軟管與醫用水槽相連接，軟管一端接在醫用水槽側壁上的出口，另一端接在微型水泵的輸入口 ；微型水泵的泵出口通過軟管與管式結構的探頭裝置中的耦合劑管路接口相連；微型水泵將耦合劑從醫用水槽泵入管式結構的探頭裝置，并最終由可拆卸噴頭上的噴口噴出； 管式結構的探頭裝置包括主管體、可拆卸噴頭、電氣適配接口和耦合劑管路接口 ；主管體內部設置有耦合劑管路、單軸精密運動裝置、點聚焦超聲探頭、高頻超聲測距探頭、測距用聲反射鏡、密封卡盤及線纜內管；單軸精密運動裝置沿主管體軸線方向運動，其運動軸的穿過密封卡盤的主軸孔位后，與點聚焦超聲探頭相連接；使得點聚焦超聲探頭能沿主管體軸線方向；測距用聲反射鏡安裝在單軸精密運動裝置的運動端；測距用聲反射鏡位于單軸精密運動裝置的一側，且與高頻超聲測距探頭位于同一側；高頻超聲測距探頭設置在主管體內，固定在主管體內的密封卡盤的探頭卡孔上，并與主管體相對靜止；高頻超聲測距探頭所發射聲束傳播方向與主管體軸線方向平行，并垂直于測距用聲反射鏡鏡面；密封卡盤通過卡孔設置在主管體的內壁上；線纜內管通過卡盤固定在主管體內部，且線纜內管內部設置有單軸精密運動裝置的控制線纜、點聚焦超聲探頭的信號線、高頻超聲測距探頭的信號線.可拆卸噴頭呈管裝，其頭部為半球形，且其管側壁具有噴口 ；可拆卸噴頭內設置有定征用聲反射鏡，定征用聲反射鏡鏡面法線與可拆卸噴頭管狀部分的軸線呈45度角；噴口中心點與可拆卸噴頭管狀部分的軸線組成的平面，與定征用聲反射鏡鏡面垂直； 主管體與可拆卸噴頭之間采用螺紋結構連接，主管體末端具有外螺紋，可拆卸噴頭管狀部分具有與該外螺紋匹配的內螺紋；主管體與可拆卸噴頭連接后，點聚焦超聲探頭的運動方向與定征用聲反射鏡鏡面法線方向之間的夾角為45度；點聚焦超聲探頭發射的聚焦聲束經定征用聲反射鏡反射后，聚焦聲束以主管體徑向方向為中心線傳播，并從可拆卸噴頭的噴口射出；經待測材料反射的回波聲束由可拆卸噴頭的噴口進入主管體內，并經過定征用聲反射鏡反射回到點聚 焦超聲探頭；密封卡盤與可拆卸噴頭形成空腔；耦合劑管路盤繞在線纜內管上，其出 口端部固定在密封卡盤的管路孔位上，且耦合劑管路的出口端部在密封卡盤與可拆卸噴頭形成的空腔內； 主控系統包括超聲發射/接收器、高頻信號采集器、單軸運動控制器、超聲測距模塊、電機驅動模塊、嵌入式控制器和顯示屏；其中，超聲發射/接收器用于控制點聚焦超聲探頭的超聲發射和回波信號接收，并對回波信號調理放大；高頻信號采集器用于將調理放大后的回波信號數字采樣，并傳送至嵌入式控制器；單軸運動控制器用于驅動和控制單軸精密運動裝置的精確運動；超聲測距模塊控制高頻超聲測距探頭發射和接收高頻超聲，測量單軸精密運動裝置的運動位移，并將該運動位移的信息傳送到嵌入式控制器；超聲發射/接收器、單軸運動控制器、超聲測距模塊的通信線路集中于接線端子，接線端子通過線纜和電氣適配器與管式結構的探頭裝置的電氣適配接口相連，具體的:線纜的一端與接線端子相連，另一端與電氣適配器相連，電氣適配器與管式結構的探頭裝置的電氣適配接口相連；在管式結構的探頭裝置內部，單軸精密運動裝置的控制線纜、點聚焦超聲探頭的信號線、高頻超聲測距探頭的信號線集中連接到電氣適配接口 ；電機驅動模塊用于驅動微型水泵，電機驅動模塊由驅動接口經電機驅動線纜與微型水泵相連，顯示屏則負責測量參數和測量過程的控制交互以及測量結果的顯示。
2.如權利要求1所述的一種用于薄層材料定征的小型超聲測量系統，其特征在于:微型水泵將醫用水槽內的耦合劑通過耦合劑管路接口泵送進管式結構的探頭裝置內的耦合劑管路，并由耦合劑管路的出口端部進入密封卡盤與可拆卸噴頭形成的空腔，在該空腔充盈后，最終由可拆卸噴頭上的噴 口噴出，進而到達待測材料表面。
【文檔編號】A61B8/08GK103876782SQ201410070242
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月27日 優先權日:2014年2月27日
【發明者】居冰峰, 孫安玉, 杜慧林, 白小龍, 孫澤青, 黃元 申請人:浙江大學