用于测量粘弹性介质的超声波或生物力学参数的装置

摘要

本发明涉及一种用于测量粘弹性介质(10)的超声波或生物力学参数的装置(100)，该装置(100)包括：至少一个超声换能器(12)；至少一个振动器(13)，其具有一个固定部分(20)和一个活动部分(18)，该超声换能器(12)与该至少一个振动器(13)的活动部分(18)相连；至少一个与振动器(13)相连的粘合元件(14)，该粘合元件(14)被配置以通过粘接的方式固定到与粘弹性介质(10)相对的表面(11)上，并且保持超声换能器(12)的发射和接收面(16)与该表面(11)相对。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量粘弹性介质的超声波或生物力学参数，如人或动物 软组织弹性或粘性的装置，或在更广义范围内用于测量所有在超声波照射后出现 反散射超声波信号，如信号衰减现象的粘弹性介质的参数。它尤其适用于，但不 仅限于人或动物脂肪组织弹性的测量。

背景技术

人们已经知道同时在漫射粘弹性介质上的多个点上观测低频脉冲波传播的 方法。因此，人们以超高频率发射超声波压缩波，从而实现介质测量的连续性， 然后对所得测量结果进行延迟处理，以便测定介质在横波传播时的运动。

在现有设备中，超声换能器被用于通过机械振动产生低频横波。专利申请 FR2843290描述了一种装置，其用于测量超声波照射后出现超声波信号的机体弹 性，以及一种用于使换能器产生低频振动的电动伺服执行器。

然而，这类设备具有一定缺陷。这是因为，必须由操作者对设备进行定位和 把持，使超声波换能器正好与组织相对，超声换能器与器官间的不同倾角会产生 不同的测量结果。即超声换能器的正确定位依赖于操作者的技能。

此外，当设备用于软组织时，设备的重量会改变组织的特性并产生错误的结 果。

发明内容

本发明的目的为克服原有工艺设备的缺陷，从而提供一种用于测量粘弹性介 质的超声波或生物力学参数的装置，该装置不会引起粘弹性介质参数的明显变 化，并且其测量不依赖于操作者的技能。

为此，本发明提出一种用于测量粘弹性介质的超声波或生物力学参数的装 置，该装置包括至少一个超声换能器，该装置的特征在于，其包括：

-至少一个振动器，其具有一个固定部分和一个活动部分，该超声换能器 与该至少一个振动器的该活动部分相连；

-至少一个与振动器相连的粘合元件，该粘合元件被配置以通过粘接的方 式固定到与粘弹性介质相对的表面上，并且保持超声换能器的发射和接收面与对 该表面相对。

非限制性地，使一个表面从粘弹性介质所对的表面伸出，并将超声换能器发 射和接受面与粘弹性介质隔离开。

-例如，当需要测量脂肪组织的超声波和/或生物力学特性时(在如本例中， 粘弹性介质为脂肪)，表皮即为与粘弹性介质相对的表面，或者

-例如，当需要测量表皮的超声波和/或生物力学特性时(在如本例中，粘 弹性介质为表皮)，表皮的外表面即构成了与粘弹性介质相对的表面。

在这些非限制性实施例中，与粘弹性组织相对的表面由较薄的生物组织构 成。

非限制性地，采用贴片、粘性爪、胶带或其它所有带有粘性面的装置作为粘 合元件，其可以通过粘接的方式固定在生物组织，如表皮或器官上。

通过该粘合元件(还可称为保持装置)，操作者将设备固定在表皮上，使得 该超声波发射和接收面与粘弹性介质相对，并且在测量期间不再与其相接触。所 选振动器的尺寸较小并且重量较轻，例如扬声器、小型电动执行器或压电马达， 因此，该装置较为轻便，这样，当设备固定在与介质相对的位置上时，不会明显 改变介质的特性。

本发明的装置有利于实现弹性测量而不必手持装置，也不需要操作者在测量 过程中进行干预。因此，所得结果不依赖于操作者的技能。即对于同一种介质， 所得的测量结果将是相同的，而且由于不需要操作者进行把持，所以不受操作者 的影响。

此外，这类设备可以在例如移植之前与器官直接接触，或与无肋骨保护的器 官直接接触，从而测定超声波参数，如超声波衰减或频谱参数。

除上文刚刚提到的特征外，根据本发明的装置还可以具有下述一个或多个特 征，它们可以被单独采用或进行任意的技术组合：

·至少一个振动器为能够产生振动的扬声器

·粘合元件固定在振动器的固定部分上并且具有粘性自由端，其被配置以 通过粘接的方式固定在与粘弹性介质相对的表面上，并且能保持超声波换能器的 发射和接收面与该表面相对，

·粘性自由端位于位于振动器的外围，

·在一种实施方式中，

·振动器包括至少两个支脚，该两个支脚中的每一个均包括一个与振动器 固定部分相连的第一端，以及一个第二端，第二端被配置以支撑在与粘弹性介质 相对的表面上，

·粘合元件固定在至少两个支脚的每一个上，并且具有一个自由端，自由 端被配置以通过粘接的方式固定到与弹粘性介质相对的表面上，并保持超声波换 能器的接收和发射面与该表面相对；

·在一种实施方式中，

·振动器包括至少两个支脚，该两个支脚的每一个均包括一个与振动器的 活动部分相连的第一端，以及一个与超声波换能器相连的第二端

·一个粘合元件固定在振动器的固定部分上，并且具有一个位于振动器外 围的粘合性自由端，自由端被设计成通过粘接的方式固定到与弹粘性介质相对的 表面上，并保持超声波换能器的接收和发射面与该表面相对。

·在一种实施方式中：

·振动器包括至少两个支脚，该两个支脚的每一个均包括一个与振动器的 固定部分相连的第一端，以及一个与超声波换能器相连的第二端；

·粘合元件固定在振动器的固定部分上，并且具有一个位于振动器外围的 粘合性自由端，其被配置以通过粘接的方式固定到与弹粘性介质相对的表面上， 并保持超声波换能器的接收和发射面与该表面相对。

·该装置包括能够使超声波通过而不会对其产生影响的膜，该膜安装在至 少一个超声波换能器的发射和接收面以及粘弹性介质所对的表面之间；

·该装置包括位于粘合元件和振动器之间的连接装置；

·该装置包括多个超声换能器；

·换能器为条状；

·超声换能器安装在以振动器为圆心的圆上；

·振动器(13)振动的中心频率在20到1500赫兹之间；

·超声换能器的中心频率在0.5到40兆赫之间。

通过下文的说明及其所附的附图可以更好地理解本发明及其各种应用。

附图说明

附图仅为对本发明的说明性附图，但不限于此。这些附图表示：

-图1为根据本发明第一实施方式的装置的示意图；

-图2为根据本发明第二实施方式的装置的示意图；

-图3为根据本发明第三实施方式的装置的示意图；

-图4为根据本发明第四实施方式的装置的示意图；

-图5为根据本发明第五实施方式的装置的示意图。

具体实施方式

除特殊说明外，不同附图中的相同标号表示相同的组件。

图1表示根据本发明的第一非限制性实施方式的装置100的示意图，该装置 用于测量粘弹性介质10的超声波或生物力学参数，该参数与介质的病理状态有 关。装置100包括：

-超声换能器12，包括由超声换能器12的发射和接收面构成的下表面16， 以及上表面17；

-振动器13，其在该非限制性实施方式中，为扬声器13，并且包括固定部 分20和个活动部分18；振动器13可以用于例如实现瞬态振动或单频振动，

-与振动器13相连的粘合元件14，

-位于粘合元件14和振动器13之间的连接装置15，其可以与振动器13 的固定部件20和粘合元件14相连。

注意，在其它实施方式中，振动器13是一个小型电动执行器，或一个压电 马达，即一个低成本、小型或轻型的振动器。应将将振动器13的重量降为例如 低于150克，优选低于100克。在一个非限制性的重要实施方式中，振动器的重 量约为30克。

换能器的下表面16(也被称为发射和接收面16)置于与粘弹性介质10(例 如脂肪组织)相对的表面11(例如表皮)上，扬声器13的活动部分18(例如由 膜构成)固定在换能器12的上表面17上。粘合元件14接合到与粘弹性介质10 (本例中为脂肪组织)相对的表面11(本例中为表皮)上，并且通过连接装置 15与扬声器13的固定部分20相连。所以，换能器和振动器的系统与表皮相连。 连接装置15由例如刚性或柔性杆15构成，其一端固定在粘合元件14上，另一 端固定在扬声器13的主体20上。非限制性地，杆15沿正好与粘弹性介质10的 表面11平行的轴伸出。

由于采用粘接部件14和连接装置15，扬声器组件13/传感器12的系统被固 定在与粘弹性介质10相对的稳定位置上，如此，换能器12的下表面16与粘弹 性介质10所对的表面11相接触。超声换能器的超声波穿透性能保护凝胶或保护 膜，其可以固定在换能器12的下表面16和表面11之间。

调节扬声器13，使其活动部分18以设定的中心频率f1进行低频振动。f1 优选为20和1500赫兹之间，更优选为在70和100赫兹之间。固定到换能器12 上的膜带动换能器12产生低频振动，其本身产生一个可以被粘弹性介质接收的 低频撞击。由粘弹性介质接收的低频撞击(或振动)使低频横波得以传播，该低 频横波在粘弹性介质10中传播。横波的传播速度取决于粘弹性介质10的弹性和 粘度。

应当指出的是，扬声器13可以产生一次低频撞击或多次连续低频撞击。

另外，该超声波换能器12能够产生频率为f2的高频超声波。换能器12的 中心频率f2优选在0.5和40兆赫兹之间，如3.5兆赫。根据所期望的超声波在 粘弹性介质10中的传播深度来选择该中心频率f2。频率越高，超声波在粘弹性 介质10中的传播深度越小。例如，在12兆赫时，测量在表皮下约5毫米的深度 处进行。超声波被介质中的颗粒反射，返回信号被换能器12接收。

扬声器13的活动部分18通过如粘接的方式固定在换能器12的上表面17上。 优选采用较为简单和便宜的粘接方式进行固定。

用于随后利用超声波信号或超声波图像测量粘弹性介质弹性的方法是本领 域技术人员所公知的，并且在专利申请FR2843290中通过实施方式进行了详细说 明。

根据本发明的装置200的附图2所示的第二实施方式中，膜22被设置在粘 弹性介质10所对的表面11和换能器12的发射和接收面16之间。换能器12的 发射和接收面16置于膜22上。膜22的材料允许超声波通过而不会对其造成影 响。由于采用膜22，该装置200是可重复使用的，再次使用时只需更换膜22。 此特征可以使装置符合医院规定的卫生条件。而仅仅更换膜22则较为容易并且 成本较低。

图3表示根据本发明的第三非限制性实施方式的装置300的示意图，该装置 用于测量粘弹性介质10的弹性，装置300具体包括：

-超声换能器12(图中未显示)，包括下表面16，以及上表面17；

-扬声器13；

-粘合元件14，其固定在扬声器13的固定部分20上，并且具有一个粘性 自由端14L，该自由端被设计为可以通过粘接的方式固定在与粘弹性介质相对的 表面11上，并且能保持超声波换能器(图中未显示)的发射和接收面与该表面 11相对，在该实施方式中，自由端14L由粘合元件14的外部边缘构成。

注意，在该非限制性实施方式中，粘合性自由端14L应位于振动器13外围， 即在振动器13的整个周边上。在所示实施方式中，振动器20的固定部分为环形， 接合部件14也是环形的。显然，还可能设想粘合元件呈另一种形状，可以是矩 形，三角形，或其它形状。

由于根据本发明的装置300的体积较小，因此可以在粘弹性介质10所对的 表面11上固定若干个装置300，以便同时进行测量。

图4表示根据本发明的第四非限制性实施方式的装置400的示意图，该装置 用于测量粘弹性介质10的弹性。装置400具体包括:

-四个超声波换能器12、12’、12”(+一个图4中未显示的换能器，这 是因为其与扬声器13的膜相连)，其中每一个均包括下表面16和上表面17，

-扬声器13，

-固定在扬声器13外围的粘合元件14，

-位于扬声器13和换能器12、12’、12”间的支脚14。

在本实施方式中，未显示的超声换能器固定在扬声器13的膜上，所以膜能 带动超声波换能器12进行低频振动，其本身产生能被粘弹性介质接收的低频撞 击。被粘弹性介质10接收的低频撞击(或振动)使低频横波得以传播，该低频 横波在粘弹性介质10中传播。该未显示的超声波换能器可用于发射和接收超声 波，从而测定横波在组织中的传播速度。

注意，设备400可以包括四个以上超声换能器。

在一个非限制性实施方式中，支脚40由多个刚性杆40构成，每个杆40的 一端固定在振动器13的固定部分20上，另一端固定在换能器12、12’、12” 中的一个上。注意，杆40也可以是柔性的。在本实施方式中，由于支脚40固定 在振动器13的固定部分上，因此超声波换能器12、12'和12”不受任何振动的 影响，并且可以根据超声检查模式进行使用。

在未说明的其它非限制性实施方式中，每个支脚40均由多个刚性杆构成， 其中每个杆40的一端被固定在振动器13的活动部分上，而另一端被固定在换能 器12、12’和12”中的一个上。在该实施方式中，由于支脚40被固定到振动器 13的活动部分上，所以超声波换能器12、12'、12”和直接固定在振动器的膜 18上的振动器一样，当振动器13的活动部分发出一个或数个低频撞击时而受到 振动的影响。

由于采用接合部件14和支脚40，扬声器组件13/超声换能器的系统始终保 持在一个与粘弹性介质相对的稳定位置上，因而超声换能器的下表面与表面11 相接触，并沿与表面11平行的方向伸出。在该稳定位置上，可以在粘弹性介质 中的不同位置上实现超声波参数的测量，而不需要操作者接触设备。因此，所得 到的测量结果不依赖于操作者的技能。

应当注意，在该非限制性实施方式中，外围的超声换能器是按圆环状设置的， 其圆心为振动器和超声波换能器，外围的超声波换能器也可以按条状进行设置。

使用多个超声波换能器可以同时进行多个测量。因为这些测量是在相同的条 件下进行的，所以可以对它们进行比较。

图5表示根据本发明的第五非限制性实施方式的示意图。装置500包括：

-超声波换能器12(未显示)，其与粘弹性介质10所对的表面11相接触，

-扬声器13，其包括三个支脚40，每个支脚40均包括一个与振动器13的 固定部分20相连的第一端，以及一个被设计为可以支撑在粘弹性介质10所对的 表面11上的第二端，

-粘合元件14，固定每个支脚40的第二端上，每个粘合元件均具有一个 自由端，该自由端被设计为可以通过粘接的方式固定在粘弹性介质10所对的表 面11上，并且能保持超声波换能器的发射和接收面与该表面11相对。

一般情况下，粘合元件(或把持装置)用于保持换能器12、12’、12”的 发送和接收面16、16'、16”与粘弹性介质10的表面11相对。换言之，粘合元 件可以使换能器12、12’、12”与表面11(例如表皮)相连，该表面11与需要 进行粘弹性测量的粘弹性介质10(例如位于表皮下面的脂肪组织)相对，该连 接是通过与换能器12、12’、12”相连的振动器13实现的。因此，可以确定的 是，通过该设备进行的测量不依赖于操作者，所得的结果与操作者无关。事实上， 在测量过程中，换能器将不会倾斜或移位。

此外，根据本发明的该装置符合卫生标准，因为可以在每次使用之后更换粘 合元件，例如当粘合元件为医用胶带时。

很显然，这种类型的粘合元件不会使患者感到疼痛。

还应当指出的是，病态肥胖患者的腹部表面形状发生变化并且厚度不均(皮 肤结实、腹部鼓起或腹部较软，并出现赘肉)，而该设备可以很容易地定位在这 样的非平面表面上。

注意，通过实例对实施方式进行说明。本领域技术人员应当能够对用于测量 粘弹性介质的弹性的装置进行各种改造，特别是有关其结构，超声换能器的数量 或设置，或外壳与扬声器间的粘合元件的形状。