專利名稱：便攜式軟組織超聲三維測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機電超聲波領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式軟組織超聲三維測量裝置。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)以來，各類交通、建筑和エ業(yè)事故導(dǎo)致肌肉受損日漸增多。由于肌肉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)肌肉技術(shù)相當(dāng)困難。目前，臨床常采用矯正，移植等手術(shù)，治療效率和手術(shù)效果往往不夠理想。此外，機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，生物機器作為未來新型技術(shù)，人造肌肉的研制成為人們關(guān)注的焦點。對于研究肌肉，能系統(tǒng)地圖形化地研究其各種狀態(tài)下的變形的裝置十分迫切?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20Hz 20000Hz。當(dāng)聲波的振動頻率小于20Hz或大于20KHz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為I兆赫茲 5兆赫茲。超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到要求。并且超聲波的醫(yī)療機理也使超聲波廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域，超聲波的醫(yī)療機理有“機械效應(yīng)”——超聲在介質(zhì)中前進(jìn)時所產(chǎn)生的效應(yīng)。(超聲在介質(zhì)中傳播是由反射而產(chǎn)生的機械效應(yīng))它可引起機體若干反應(yīng)。超聲振動可引起組織細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運動，由于超聲的細(xì)微按摩，使細(xì)胞漿流動、細(xì)胞震蕩、旋轉(zhuǎn)、摩擦、從而產(chǎn)生細(xì)胞按摩的作用，也稱為“內(nèi)按摩”這是超聲波治療所獨有的特性，可以改變細(xì)胞膜的通透性，刺激細(xì)胞半透膜的彌散過程，促進(jìn)新陳代謝、加速血液和淋巴循環(huán)、改善細(xì)胞缺血缺氧狀態(tài)，改善組織營養(yǎng)、改變蛋白合成率、提高再生機能等。使細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞的功能變化，使堅硬的結(jié)締組織延伸，松軟。超聲波的機械作用可軟化組織，增強滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨特的治療意義?！皽?zé)嵝?yīng)”——人體組織對超聲能量有比較大的吸收本領(lǐng)，因此當(dāng)超聲波在人體組織中傳播過程中，其能量不斷地被組織吸收而變成熱量，其結(jié)果是組織的自身溫度升高。產(chǎn)熱過程既是機械能在介質(zhì)中轉(zhuǎn)變成熱能的能量轉(zhuǎn)換過程，即內(nèi)生熱。超聲溫?zé)嵝?yīng)可増加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波測厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一-〖亙定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。國內(nèi)對于用于人體軟組織的測距儀研究較少，大多用于測量金屬，非金屬材料的厚度，例如超聲波測厚儀，專利號(201130065179)，它是利用電路，主要根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。但該裝置只能檢測特定金屬的厚度，無法用于軟組織測量。對于傳統(tǒng)基波成像困難的患者，圖像經(jīng)常出現(xiàn)模糊狀改變，這是由于超聲束在標(biāo)簽組織內(nèi)層與肋骨之間產(chǎn)生回響，行程扭曲的緣故。超聲諧波成像(ultrasound harmonic imaging,UHI)技術(shù)是由于超聲波在人體中傳播時的非線性效應(yīng)，在接收的超聲回波信號中會出現(xiàn)明顯的諧波成分(指發(fā)射信號的倍頻成分)。此項技術(shù)只是在信號處理的過程中采用濾波的方法獲得相應(yīng)的諧波成分，諧波成像可明顯提高信噪比，從而提高對比分辨率。該超聲諧波成像技術(shù)可減少旁瓣水平和主瓣寬度，改善聚焦特征，消除偽像和紊亂。對于肥胖、肺氣過多、肋間隙狹窄、腹壁較厚等成像困難的患者，可采用UHI改善組織對比分辨カ來提高圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種便攜式軟組織超聲三維測量裝置，克服聲波在人體軟組織中傳 播速度的不均勻，提供超聲諧波來測量出軟組織厚度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種便攜式軟組織超聲三維測量裝置，該裝置包含控制電路、電路連接該控制電路的諧波發(fā)生電路、電路連接該諧波發(fā)生電路的發(fā)射電路、以及接收探頭，還包含電路連接該控制電路的計數(shù)門、電路連接該計數(shù)門的整形電路、電路連接該整形電路和接收探頭的放大濾波電路、電路連接該整形電路和發(fā)射電路的門控制電路，以及電路連接該門控制電路的晶振電路。該測量裝置還包含連接控制電路的顯示驅(qū)動電路，和電路連接該顯示驅(qū)動電路的LED顯示屏。該測量裝置還包含連接控制電路的鍵盤。本發(fā)明克服聲波在人體軟組織中傳播速度的不均勻，提供超聲諧波來測量出軟組織厚度。本發(fā)明具有以下有益效果1、體積小，便于攜帯。2、操作簡單。3、公英制轉(zhuǎn)換。4、采用了適用于人體組織的頻率采集范圍，可用于軟組織測量，可與電腦連接。能測量軟組織厚度，通過電腦圖形軟件，即時觀測人體軟組織在各狀態(tài)下的變形。5、新的超聲發(fā)射和接收電路。在超聲發(fā)射電路中，不需要提供高的直流電壓源就可以產(chǎn)生高達(dá)400伏的觸發(fā)脈沖，降低了成本，提高了使用的安全性。


圖1是本發(fā)明的電路框 圖2是本發(fā)明的諧波發(fā)生電路的電路 圖3是本發(fā)明的發(fā)射電路的電路 圖4是本發(fā)明的放大濾波電路的電路 圖5是本發(fā)明的帶通濾波器的電路 圖6是本發(fā)明的使用示意圖。
具體實施例方式以下根據(jù)圖1 圖6，具體說明本發(fā)明的較佳實施例。如圖1所示，本發(fā)明提供一種便攜式軟組織超聲三維測量裝置，該裝置包含控制電路1、電路連接該控制電路I的諧波發(fā)生電路2、電路連接該諧波發(fā)生電路2的發(fā)射電路3、以及接收探頭5(采用雙晶探頭2. 5P10F(5-15))，還包含電路連接該控制電路I的計數(shù)門8 (型號為count-20c)、電路連接該計數(shù)門8的整形電路7 (該整形電路7將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，型號為TLC5540)、電路連接該整形電路7和接收探頭5的放大濾波電路6、電路連接該整形電路7和發(fā)射電路3的門控制電路9 (該門控制電路9根據(jù)被測信號的頻率調(diào)整計數(shù)時間寬度，使計數(shù)開始到結(jié)束這段時間一定是被測信號的整數(shù)個周期，提高精度，型號為Sn741vclg32)，以及電路連接該門控制電路9的晶振電路(該晶振電路1010控制超聲探頭時期有規(guī)律的發(fā)射超聲波，型號為HC-49S/SMD)，還包含連接該控制電路I的顯示驅(qū)動電路11 (型號為74LS573)、電路連接該顯示驅(qū)動電路11的LED顯示屏12、以及連接該控制電路I的鍵盤14 ；
超聲波測厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來計算出被測材料的厚度；
其方法是將超聲波諧波脈沖送入物體，當(dāng)遇到物體的邊界時返回，得到回波，測量超聲波脈沖通過被測件所需的時間間隔，然后根據(jù)脈沖在被測件中的傳播速度求出被測件厚度；
被測件厚度D可用下式求出
D = VT / 2 ；
式中，V為被測材料中的聲速，T為超聲脈沖在被測件兩表面之間往返一次的時間；脈沖反射式超聲波測厚的原理簡單，以脈沖方式工作，使它在儀器上更容易實現(xiàn)，且易做到體積小、速度快、精度高、耗電少； 由控制電路I來控制發(fā)射電路3產(chǎn)生寬度很窄，前沿很陡的周期性電脈沖來激勵發(fā)射探頭4，激勵壓電晶片產(chǎn)生超聲發(fā)射脈沖波，超聲波在被測件上下兩面形成多次反射后，反射波被接收探頭5接收，通反射波經(jīng)過接收探頭5中的壓電晶片轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大濾波電路6的放大濾波后，由計數(shù)門8測出聲波在被測件上下兩面之間的傳播時間t，送入控制電路I，然后通過控制電路I計算處理后，換算成厚度，送入顯示驅(qū)動電路11，由顯示驅(qū)動電路11輸出信號給LCD顯示屏12進(jìn)行厚度顯示；它主要根據(jù)聲波在試樣中的傳播速度乘以通過試樣的時間的一半而得到試樣的厚度。本實施例中，控制電路I采用型號為AT89C51的單片機；除了選用低功耗的單片機夕卜，器件盡量使用CMOS集成電路；由于儀器中很多元件都有特殊要求，特別是高頻、高壓、低噪等的特殊器件，盡量使用MAXIM公司貼片式芯片；
如圖2所示，為諧波發(fā)生電路2的電路圖，它產(chǎn)生的頻率受主振蕩的控制，所述的諧波發(fā)生電路2是微分式的，它由ー個左右対稱的微分放大電路將相位相差半個周期的矩形脈沖，通過輸出變壓器推挽耦合，該諧波發(fā)生電路簡單，調(diào)測方便，成本低，又保留了其對稱脈沖的特點，其性能可以與磁飽和式相近；如圖3所示，為發(fā)射電路3的電路圖，該發(fā)射電路3以場效應(yīng)管Ql作為開關(guān)元件，采用脈沖波激勵方式，靠電感LI儲能形成觸發(fā)脈沖，不需要高電壓供電，其儲能僅與換路時的電感電流平方成正比，BNC (同軸電纜接插頭Bayonet Nut Connector)為超聲發(fā)射探頭的輸入端，該電路的激勵脈沖在正脈沖期間，導(dǎo)通，相當(dāng)于ー個小電阻，此時電感LI與電阻VRl串聯(lián)，和電壓源V—起構(gòu)成回路，電感LI上的電流上升進(jìn)行儲能，負(fù)脈沖期間，場效應(yīng)管Ql的柵極置低，快速關(guān)斷，與電容C2組成諧振電路快速放電，形成觸發(fā)脈沖，可以達(dá)到幾百伏電壓，起單項開關(guān)的作用；分析表明，激勵脈沖寬度對超聲探頭發(fā)射功率影響極大，探頭取得最大發(fā)射功率所對應(yīng)的激勵脈沖寬度為其諧振周期的一半；
如圖4所示，為放大濾波電路6和整形電路7的電路圖，圖4中的電路包含回波的接收和放大兩個部分(已在圖中標(biāo)出)，一是設(shè)計一種帶寬比較窄的帶通濾波器(整形電路7)，另ー個是前置放大器(放大濾波電路6)，本實施例中，這兩部分均選用美信公司生產(chǎn)的MAX4104放大器，它具有低噪音、低扭曲、增益帶寬大的特點，能夠滿足對5MHz的超聲信號的放大。
如圖4所示，本系統(tǒng)的A\D轉(zhuǎn)換芯片(即整形電路7)采用TI公司的TLC5540，采樣率最大可以達(dá)到40MSPS，采用外部基準(zhǔn)，簡單、準(zhǔn)確、可行。電阻R1、電阻R2、ニ極管D4和ニ極管D5組成雙向限幅電路，以免很高的脈沖電壓進(jìn)入放大電路。在發(fā)射過程中，兩個ニ極管D4和D5導(dǎo)通，使得輸出電壓不會超過0.7V。在接收過程中，ニ極管不能導(dǎo)通，只要相對于圖1中回波信號的強度足夠大，限幅電路就對整個電路沒有影響，此放大電路最大可將mV級超聲信號放大100倍，然后等待進(jìn)ー步處理。如圖5所示，為帶通濾波器的電路圖(本帶通濾波器的放大部分是信號的ニ級放大，所用元件和圖4中有部分是ー樣的，但兩個電路除輸入輸出外沒有其他重合部分)，帶通濾波器設(shè)計為無限增益帶通濾波器，其中心頻率為5M，増益K=4，品質(zhì)因數(shù)Q= 5，帶寬B=IM0通過濾波后的回波，就可以清楚地看到肌肉組織不同層的回波信號；
所述的LED顯示屏12采用自動背光液晶顯示屏；
所述的鍵盤14包含五個操作鍵開關(guān)機0N/0FF鍵；菜單鍵MENU，打開菜單5 ;確認(rèn)鍵ENTER，每次調(diào)整以后，需按此鍵進(jìn)行確認(rèn)；校準(zhǔn)鍵CAL，按此鍵進(jìn)行校準(zhǔn)；調(diào)整鍵；
如圖6所示，在工作吋，將探頭8 (發(fā)射探頭和接收探頭集成在一起)接線端接入便攜式軟組織超聲三維測量裝置的頂端插孔處，耦合劑是用來排除探頭和人體皮膚之間的空氣，使超聲波能有效地穿入皮膚達(dá)到檢測目的。在測量前應(yīng)將耦合劑涂于磁感儀13(輔助設(shè)備調(diào)零的一個標(biāo)準(zhǔn)件，和本發(fā)明沒有電路連接關(guān)系)，將探頭8放在磁感儀13上輕輕繞圏，同時選擇歸零按扭(即CAL鍵)使裝置記憶零點。在實施測量過程中，將探頭8觸碰在需要測量的位置皮膚上，采用環(huán)形圍繞皮膚ー圈進(jìn)行測量，超聲波在通過人體軟組織，接觸到骨骼時返回被探頭所接收，完成測量過程。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種便攜式軟組織超聲三維測量裝置，其特征在于，該裝置包含控制電路(I)、電路連接該控制電路(I)的諧波發(fā)生電路(2)、電路連接該諧波發(fā)生電路(2)的發(fā)射電路(3)、以及接收探頭(5 )，還包含電路連接該控制電路(I)的計數(shù)門(8 )、電路連接該計數(shù)門(8 )的整形電路(7 )、電路連接該整形電路(7 )和接收探頭(5 )的放大濾波電路(6 )、電路連接該整形電路(7)和發(fā)射電路(3)的門控制電路(9),以及電路連接該門控制電路(9)的晶振電路。
2.如權(quán)利要求1所述的便攜式軟組織超聲三維測量裝置，其特征在于，該測量裝置還包含連接控制電路(I)的顯示驅(qū)動電路(11 )，和電路連接該顯示驅(qū)動電路(11)的LED顯示屏(12)。
3.如權(quán)利要求1所述的便攜式軟組織超聲三維測量裝置，其特征在于，該測量裝置還包含連接控制電路(I)的鍵盤(14)。
全文摘要
一種便攜式軟組織超聲三維測量裝置，該裝置包含控制電路、電路連接該控制電路的諧波發(fā)生電路、電路連接該諧波發(fā)生電路的發(fā)射電路、以及接收探頭，還包含電路連接該控制電路的計數(shù)門、電路連接該計數(shù)門的整形電路、電路連接該整形電路和接收探頭的放大濾波電路、電路連接該整形電路和發(fā)射電路的門控制電路，以及電路連接該門控制電路的晶振電路。本發(fā)明克服聲波在人體軟組織中傳播速度的不均勻，提供超聲諧波來測量出軟組織厚度。
文檔編號A61B8/08GK103006273SQ20131002565
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者唐剛, 江源, 魏高峰, 王冬梅, 王章坤, 王得宇, 王鍵 申請人:上海海事大學(xué)