基于压电阻抗法乳腺弹性成像探测阵列结构及其检测方法

摘要

本发明公开了一种基于压电阻抗法乳腺弹性成像探测阵列结构及检测方法。本发明的探测阵列结构采用多个压电单元结构设置在支撑架的内表面，形成类似于乳房表面的形状，并可戴于待测的人体乳房；基于压电阻抗法，通过测量压电单元结构的导纳和相位等压电参数的共振频率，并依据建立的相应的压电等效电路模型，得到了压电单元结构的共振频率与待测样品的弹性信息之间的解析关系。本发明的检测方法特异性强，能给出定量化的检测结果，更加适合于癌变组织位于浅表层的乳腺癌，解决了超声弹性成像难以完成的浅表层组织的探测难题；单可靠，既可协助医务人员进行身体检查，也可以适用家庭中日常的身体自查，有助于乳腺相关疾病的早发现与早治疗。

说明书

技术领域

本发明属于医疗健康检测领域，具体涉及一种基于压电阻抗法的乳腺弹性成像探测阵列结构及其检测方法。

背景技术

乳腺是人体极为重要的器官之一，而与乳腺相关的疾病的发病率却一直处于居高不下，该类疾病已经对居民的正常生产生活造成显著的影响，需要给予足够的重视。而在这些乳腺相关的疾病中，乳腺癌是需要重点关注的恶性疾病，需要指出的是，尽管目前生活水平和医疗条件在好转，但乳腺癌的发病率不断在持续升高且一直具有较高的死亡率。

目前对于这类恶性疾病采用的手段是早发现早治疗的应对政策，但乳腺癌癌变组织的早期诊断依旧存在挑战：日常的触诊检查需要有较丰富的临床经验才能发现早起癌变组织，无相关经验普通人们进行的身体自查几乎不可能发现；另外，乳腺癌变组织由于其特异性低，对超声反射回波不明显。由此，体检时采用的常规超声检测来说也较难发现乳腺癌。

如何解决乳腺相关疾病尤其是乳腺癌的早发现与早诊断，已经成为了医疗界急需解决的问题。值得关注的是，有研究结果表明人体组织病变之后，其组织的弹性性质例如杨氏模量会发生显著改变。基于这一特性，目前国内外学者提出了“弹性成像”的概念，即利用先进成像方法对组织的弹性性质成像，利用这些弹性模量作为诊断指标来判断人体组织是否发生病变以及诊断病变的程度。目前应用较为广泛的弹性成像技术包括超声弹性成像UE、核磁共振弹性成像MRI等方法。但乳腺癌癌变组织位于浅表层，超声弹性成像等技术由于近场效应难以准确发现乳腺癌组织，因此急需提出适用于乳腺癌的弹性成像方法。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测系统及其检测方法，适用于对乳腺的健康监测，可进行和乳腺相关疾病例如乳腺癌的早期诊断与治疗。

本发明的一个目的在于提出一种基于压电阻抗法的乳腺弹性成像探测阵列结构。

本发明的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像探测阵列结构包括：多个压电单元结构和支撑架；每一个压电单元结构包括多条支撑条、支撑环、压电片、探针和应变片；其中，支撑条 为长条状，支撑环为圆环状，多条支撑条的一端相交于支撑环的中心，另一端分别均匀固定在支撑环上，支撑条的数量为偶数个，形成中心对称的结构；在每一条支撑条上均设置压电片；在多条支撑条的相交点的上部设置应变片；在相交点的下部设置锥形的探针；多个压电单元结构设置在支撑架的内表面；各个压电单元结构的探针与待测样品接触；压电片检测压电单元结构的压电阻抗参数的频响曲线；应变片检测探针与样品之间的接触压力。

本发明的另一个目的在于提出一种基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测系统。

本发明的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测系统包括：探测阵列结构、压电阻抗测试仪、应变测量仪、数据采集卡和计算机；其中，探测阵列结构包括多个压电单元结构和支撑架；每一个压电单元结构包括支撑环、多条支撑条、压电片、应变片和探针；其中，支撑条为长条状，支撑环为圆环状，多条支撑条的一端相交于支撑环的中心，另一端分别均匀固定在支撑环上，支撑条的数量为偶数个，形成中心对称的结构；在每一条支撑条上均设置压电片；在多条支撑条的相交点的上部设置应变片；在相交点的下部设置锥形的探针；多个压电单元结构设置在支撑架的内表面，形成类似于乳房表面的形状；各个压电单元结构的探针与待测样品接触；压电片通过控制线连接至压电阻抗测试仪，测量压电单元结构的压电阻抗参数的频响曲线；应变片通过控制线连接至应变测量仪，检测探针与样品之间的接触压力；电阻抗测试仪和应变测量仪分别连接至数据采集卡；数据采集卡连接至计算机。

本发明采用多个压电单元结构设置在支撑架的内表面，形成类似于乳房表面的形状，放置在待测样品，即待检测的乳腺组织上；在检测的过程中，支撑架为多个压电单元结构提供支撑，并且可以调整支撑架与压电单元结构之间的距离，使得探针与待测样品接触；各个压电单元结构的探针与待测样品接触；应变片检测探针与待测样品之间的接触压力；应变测量仪测量得到接触压力，并通过调整压电单元结构与支撑架之间的距离调整接触压力；压电阻抗测试仪测量各个压电单元结构的压电阻抗参数(压电阻抗参数包括导纳G、相位θ和阻抗Z)的频响曲线，得到其压电阻抗参数的共振频率；建立压电单元结构的压电阻抗参数的共振频率与接触点的杨氏模量的关系，从而计算得到每一个压电单元结构检测到的待测样品的局部杨氏模量；将所有的压电单元结构得到的局部杨氏模量按照压电单元结构所对应的空间位置进行汇总集成，形成杨氏模量分布图，该杨氏模量分布图即为乳腺的杨氏模量分布，进而对组织健康状态进行诊断。

在压电单元结构中，在中心对称分布的每条支撑条的一个表面设置压电片，构成单晶压电单元结构；或者，在中心对称的每条支撑条的上表面和下表面分别设置压电片，构成双晶压电单元结构。

多个压电单元结构设置在支撑架的内表面，通过调整压电单元结构与支撑架之间的距离使得各个探针的针尖与待测的乳腺组织的表面接触，由此探针针尖所组成的曲面与乳腺表面一致，该曲面的形状亦与乳房表面的形状类似，这样可以方便的放置在待测的乳腺组织上进行检测。

多个压电单元结构中的每一个压电片分别通过控制线连接至压电阻抗测试仪的一个通道；多个压电单元结构中的每一个应变片分别通过控制线连接至应变测量仪的一个通道；本发明采用将多条控制线集成在支撑架上，再由支撑架分别连接至压电阻抗测试仪和应变测量仪，从而实现每一个压电片分别通过控制线连接至压电阻抗测试仪的一个通道，以及每一个应变片分别通过控制线连接至应变测量仪的一个通道。

本发明的又一个目的在于提供一种基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测方法。

本发明的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测方法，包括以下步骤：

1)将探测阵列结构放置在待测样品上，各个压电单元结构的探针与待测样品接触；

2)应变片检测探针与样品之间的接触压力，应变测量仪测量得到接触压力，并通过调整压电单元结构与支撑架之间的距离，调整接触压力；

3)压电阻抗测试仪测量各个压电单元结构的压电阻抗参数的频响曲线，得到其压电阻抗参数的共振频率，并且应变测量仪测量得到探针与样品之间的接触压力；

4)数据采集卡采集分别采集压电阻抗测试仪测得的共振频率，以及应变测量仪测量得到接触压力的值，并传递给计算机；

5)计算机根据共振频率和接触压力的值，并依据建立的压电等效电路模型和得到的解析力学关系公式，计算得到与待测样品相接触的每一个压电单元结构测得的局部弹性信息，将所有的压电单元结构得到的局部弹性信息按照压电单元结构所对应的空间位置进行汇总集成，形成弹性信息分布图，从而判断样品的健康程度。

其中，在步骤5)中，弹性信息包括弹性性质k_t和杨氏模量E_x，压电单元结构的共振频率f₀与弹性性质k_t之间满足如下关系式：

$k_t=m_t{\omega }_0^2+{\bar{k}}_b{\lambda }_{b0}^3\frac{1+\cos {\lambda }_{b0}L\cosh {\lambda }_{b0}L}{\sin {\lambda }_{b0}L\cosh {\lambda }_{b0}\text{L-cos}{\lambda }_{b0}L\sinh {\lambda }_{b0}L}$

其中，ω₀＝2πf₀，m_t为探针的质量，L为压电单元结构的半径，λ_b0为等效波长，为 等效梁刚度。

进一步，根据赫兹接触理论，可以得到待测样品的杨氏模量E_x满足下式：

$E_x=\frac{E_t\sqrt{\frac{{\left(k_t\right)}^3}{6\mathrm{RF}}}}{\sqrt{\frac{{\left(k_t\right)}^3}{6\mathrm{RF}}}-E_t}$

其中，E_t为探针的杨氏模量，R为探针的半径，F为接触压力。 

本发明的优点 

与传统悬臂梁式的弹性成像系统相比，本发明所提出的全新的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测系统具有如下区别及优势：

本发明设计了全新的压电单元结构和探测阵列结构，探测阵列结构的形状类似于乳房表面并可戴于待测的人体乳房，基于压电阻抗法，通过测量压电单元结构的导纳和相位等压电参数的共振频率，并依据建立的相应的压电等效电路模型，得到了压电单元结构的共振频率与待测样品的弹性信息之间的解析关系。而传统方法采用压电悬臂梁，基于机械共振原理，通过应变追踪，并依据建立的力学平衡模型，所测量的是机械振动频率与待测样品的关系。

本发明优势在于，基于压电单元结构测量，其稳定性更高，不易受外界振动干扰，其施加测量电压小于1V，力与振动幅度较小，待测对象不会感受到测试所带来的振动；传统方法采用应变追踪，需要使用较高的电压(一般大于500V)激振悬臂梁产生可测量的应变，因此对于接触皮肤的测量来说，存在较大的漏电风险，并且传统方法采用纯力学平衡模型描述压电振动，存在较大理论上的误差，因而会带来较大的测量误差。

本发明使用一个特殊设计的压电单元结构，将其集成为适用于乳腺组织的医疗探测阵列结构，依据该结构搭建了检测系统，并提出了基于该检测系统的乳腺健康的检测方法。相较于其他医疗检测手段，本发明所使用的检测方法特异性强，能给出定量化的检测结果，且由于其特殊的设计，更加适合于癌变组织位于浅表层的乳腺癌，解决了超声弹性成像难以完成的浅表层组织的探测难题。本发明简单可靠，既可协助医务人员进行身体检查，也可以将其小型化仪器化，使之适用家庭中日常的身体自查，有助于乳腺相关疾病的早发现与早治疗。

附图说明

图1为本发明的压电单元结构的结构示意图，其中，(a)为四条十字相交单晶压电单元结构 的结意图，(b)为四条十字相交双晶压电单元结构的示意图，(c)为六条60°相交单晶压电单元结构的示意图，(d)为六条60°相交双晶压电单元结构的示意图；

图2为本发明的多个压电单元结构分布在待测样品上的结构示意图；

图3为本发明的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像探测阵列结构的示意图；

图4为本发明的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测系统的一个实施例的示意图；

图5为本发明的双晶压电单元结构等效为双晶梁接触振动模型的示意图；

图6为图5所示的双晶压电单元结构等效的双晶梁接触振动模型的压电等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，压电单元结构包括多条支撑条21、支撑环22、压电片23、探针24和应变片25；其中，支撑条21为长条状，支撑环22为圆环状，多条支撑条21的一端相交于支撑环22的中心，另一端分别均匀固定在支撑环22上，支撑条21的数量为偶数个，形成中心对称的结构；在每一条支撑条21上均设置压电片23；在多条支撑条的相交点的上部设置应变片25；在相交点的下部设置锥形的探针24。可以在中心对称分布的支撑条的一个表面设置压电片23，构成单晶压电单元结构；或者，在中心对称的支撑条的上表面和下表面分别设置压电片23，构成双晶压电单元结构。图1中，(a)为四条十字相交单晶压电单元结构的示意图，(b)为四条十字相交双晶压电单元结构的示意图，(c)为六条60°相交单晶压电单元结构的示意图，(d)为六条60°相交双晶压电单元结构的示意图。

如图2所示，多个压电单元结构2均匀分布在一个半椭球的曲面上，形成类似于乳房表面的形状，可以戴于待测的乳腺组织。

如图3所示，本实施例的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像探测阵列结构包括：多个压电单元结构2和支撑架1；多个压电单元结构2设置在支撑架1的内表面，形成类似于乳房表面的形状，通过调整压电单元结构与支撑架之间的距离调整探针与待测样品之间的接触压力。

如图4所示，本实施例的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测系统包括：探测阵列结构、压电阻抗测试仪3、应变测量仪4、数据采集卡5和计算机6；其中，各个压电单元结构的探针与待测样品接触；多条控制线集成在支撑架1上，再由支撑架1分别连接至压电阻抗测试仪3和应变测量仪4，从而实现每一个压电单元结构的压电片分别通过控制线连接至压电阻抗测试仪3的一个通道，以及每一个应变片分别通过控制线连接至应变测量仪4的一个通道；电阻抗测试仪3和应变测量仪4分别连接至数据采集卡5；数据采集卡5连接至计算机6。

双晶压电单元结构等效为如图5所示的双晶梁接触振动模型，并由此建立压电等效电路图，如图6所示。本发明的检测方法依据压电阻抗法，并建立压电等效电路模型来计算压电单元结构的共振频率f₀与样品弹性性质k_t和样品杨氏模量E_x之间的关系，下面介绍本发明的检测原理。

针对图1中给出的压电单元结构，其本质上为中心对称结构，因此在描述其与待测样品的接触振动时，可以将其简化为如图5所示的压电双晶梁接触振动模型，L为压电单元结构的半径，m_t为探针的质量，h_s为探针金属层的一半厚度，h_p为压电片的厚度。图5中，压电单元结构的探针与样品之间的接触使用一个刚度为k_t的弹簧来模拟，该参数中即含有样品的弹性性质。

压电单元结构的共振频率f₀与样品的弹性性质k_t之间的关系可由如图6所示的等效电路得到，该等效电路的阻抗矩阵为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ F_3\\ F_4\\ V\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{Z}_{11}& Z_{12}& Z_{13}& Z_{14}& Z_{15}\\ & Z_{22}& Z_{23}& Z_{24}& Z_{25}\\ & & Z_{33}& Z_{34}& Z_{35}\\ & \mathrm{Symm}& & Z_{44}& Z_{45}\\ & & & & Z_{55}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\\ U_4\\ I\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，F₁为固支端剪力边界条件，F₂为固支端弯矩边界条件，F₃为自由端剪力边界条件，F₄为自由端弯矩边界条件，U₁为固支端速度边界条件，U₂为固支端角速度边界条件，U₃为自由端速度边界条件，U₄为自由端角速度边界条件，V和I分别为压电阻抗测试仪加载在压电片上的电压和电流。Symm表明矩阵是对称矩阵，矩阵中的各阻抗元素可表示为：

$Z_{11}=Z_{33}=\frac{{\bar{K}}_b{\lambda }_b^3}{\mathrm{j\omega }}\frac{-\mathrm{cn}-\mathrm{sm}}{1-\mathrm{cm}}$

$Z_{12}=-Z_{34}=\frac{{\bar{K}}_b{\lambda }_b^2}{\mathrm{j\omega }}\frac{\mathrm{sn}}{1-\mathrm{cm}}$

$Z_{13}=\frac{{\bar{K}}_b{\lambda }_b^3}{\mathrm{j\omega }}\frac{s+n}{1-\mathrm{cm}}$

$Z_{14}=-Z_{23}=\frac{{\bar{K}}_b{\lambda }_b^2}{\mathrm{j\omega }}\frac{-c+m}{1-\mathrm{cm}}$

Z₁₅＝Z₃₅＝0                (2) 

$Z_{22}=Z_{44}=\frac{{\bar{K}}_b{\lambda }_b}{\mathrm{j\omega }}\frac{\mathrm{cn}-\mathrm{sm}}{1-\mathrm{cm}}+\frac{N^2}{\mathrm{j\omega }{C}_c}$

$Z_{24}=\frac{{\bar{K}}_b{\lambda }_b}{\mathrm{j\omega }}\frac{s-n}{1-\mathrm{cm}}-\frac{N^2}{\mathrm{j\omega }{C}_c}$

$Z_{25}=-Z_{45}=\frac{N}{\mathrm{j\omega }{C}_c}$

$Z_{55}=\frac{1}{\mathrm{j\omega }{C}_c}$

其中，ω为振动角频率且有ω＝2πf，f为振动频率，等效深度 ${\bar{K}}_b=\frac{2}{3}\omega [\frac{1}{S_{p_{11}}^E}({(h_p+h_s)}^3-h_s^3)+\frac{1}{S_{s_{11}}}{h}_s^3],N=-\frac{d_{31}}{S_{p_{11}}^E}\omega \left(\frac{h_p+2h_s}{2}\right),$d₃₁和S_s11分别材料参数，等效波长ρ_p和ρ_s分别是压电片和支撑条的密度，c＝cosλ_bL，s＝sinλ_bL，m＝coshλ_bL，n＝sinhλ_bL，压电梁的电容p₃₃是压电片的介电常数，N为转换系数，而图6中各阻抗元素的含义为：

Z_c＝Z₁₁+Z₁₂+Z₁₃-Z₁₄

Z_d＝Z₁₂+Z₁₄+Z₂₂+Z₂₄Z_e＝-Z₁₄-Z₂₄Z_f＝-Z₁₂+Z₁₄        (3) 

Z_g＝Z₁₂Z_h＝-Z₁₂-Z₁₄Z_i＝-Z₁₃+Z₁₄

C_m＝-C_c/N²

根据等效电路理论，图6中的导纳Y与振动角频率ω的关系可表示为：

$Y=\mathrm{j\omega }(C_c+\frac{N^2}{{\bar{K}}_b{\lambda }_b}\frac{-\mathrm{cn}-\mathrm{sm}-\mathrm{cm\beta }+\beta }{1+\mathrm{cm}-\mathrm{sm\beta }+\mathrm{cn\beta }})---\left(4\right)$

其中，$\beta =\frac{-{\omega }^2{m}_t+k_t}{{\bar{K}}_b{\lambda }_b^3}.$

导纳Y在取最大值时电路中的震荡频率即为共振频率，即(4)式在ω₀＝2πf₀时取最大值，f₀为共振频率，此时β满足1+cm-smβ+cnβ＝0，故可得：

$k_t=m_t{\omega }_0^2+{\bar{k}}_b{\lambda }_{b0}^3\frac{1+\cos {\lambda }_{b0}L\cosh {\lambda }_{b0}L}{\sin {\lambda }_{b0}L\cosh {\lambda }_{b0}\text{L-cos}{\lambda }_{b0}L\sinh {\lambda }_{b0}L}---\left(5\right)$

其中，进一步，根据赫兹接触理论，可以得到待测样品的杨氏模量E_x的表达式：

$E_x=\frac{E_t\sqrt{\frac{{\left(k_t\right)}^3}{6\mathrm{RF}}}}{\sqrt{\frac{{\left(k_t\right)}^3}{6\mathrm{RF}}}-E_t}---\left(6\right)$

式中，E_t为探针的杨氏模量，R为探针的半径，F为接触压力，这些参数均为已知。因而在追踪得到压电单元结构的共振频率f₀之后，故根据(5)式，计算k_t，进一步根据(6)式计算待测样品的杨氏模量E_x，以上(5)式和(6)式即为基于压电阻抗法计算压电单元结构的共振频率f₀与待测样品的弹性信息之间的解析力学关系。

本发明的基于压电阻抗法的乳腺弹性成像检测方法，包括以下步骤：

1)将探测阵列结构放置在待测样品上，各个压电单元结构的探针与待测样品接触；

2)应变片检测探针与样品之间的接触压力，应变测量仪测量得到接触压力，并通过调整压电单元结构与支撑架之间的距离，调整接触压力；

3)压电阻抗测试仪测量各个压电单元结构的压电阻抗参数的频响曲线，得到其压电阻抗参数的共振频率，并且应变测量仪测量得到探针与样品之间的接触压力；

4)数据采集卡采集分别采集压电阻抗测试仪测得的共振频率，以及应变测量仪测量得到接触压力的值，并传递给计算机；

5)计算机根据共振频率和接触压力的值，并依据建立的压电等效电路模型和得到的解析力学关系公式，计算得到与待测样品相接触的每一个压电单元结构测得的局部弹性信息，将所有的压电单元结构得到的局部弹性信息按照压电单元结构所对应的空间位置进行汇总集成，形成弹性信息分布图，从而判断样品的健康程度。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书 界定的范围为准。