專利名稱：一種用于生物組織三維成像的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及生物醫(yī)學測量和醫(yī)療器械技術領域，具體涉及一種用于生物組織 三維成像裝置。
背景技術：
熱聲成像是一種基于生物組織內部微波吸收差異和以超聲作為媒介的無損生物 醫(yī)學影像技術，它有效的結合了純微波成像的高對比度和純聲學成像的高穿透深度的優(yōu) 點，可實現(xiàn)厘米量級探測深度和微米量級成像精度的組織影像，被認為將發(fā)展為新一代的 醫(yī)學成像技術，成為非常有效的乳腺癌和其它組織病變的早期診斷方法。目前熱聲成像系 統(tǒng)的系統(tǒng)普遍采用單個寬帶換能器，通常360°全方位的步進旋轉機械掃描，以獲得不同方 向的熱聲信號，再經復雜算法重建出組織的微波吸收分布，具有系統(tǒng)結構復雜穩(wěn)定性差、計 算量大、耗費時間長等缺點，在實際應用中顯然存在相當大的局限性，無法滿足實際臨床的 需求。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種用于生物組織三維成像裝置，利用所述裝置可以快 速、準確地實現(xiàn)生物組織的三維熱聲成像。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下的技術方案一種生物組織三維成像裝置，包括熱聲激發(fā)與傳感單元，信號控制與處理單元。所述熱聲激發(fā)與傳感單元包括圓形齒輪、一個或一個以上弧形超聲陣列、內裝有 超聲耦合液的碗狀弧形外殼、保護膜、喇叭天線、波導管和微波發(fā)生器。所述碗狀弧形外殼 的頂部外壁定位同心安裝所述圓形齒輪，碗狀弧形外殼的側壁從頂部到底部鑲嵌弧度與碗 狀弧形外殼相匹配的所述弧形超聲陣列，碗狀弧形外殼的底部與所述保護膜密封結合；保 護膜的下方裝有所述喇叭天線。所述波導管一端與喇叭天線底部連接，另一端與所述微波 發(fā)生器連接。碗狀弧形外殼的下沿與喇叭天線的上沿轉動連接。所述信號控制與處理單元由分頻器、數據采集電路、預處理電路、步進電機、驅動 器、數字I/O卡、計算機和顯示器組成。所述圓形齒輪與步進電機嚙合連接。所述計算機、數字I/O卡、驅動器與步進電機 依次導線連接。所述數字I/O卡還與預處理電路、弧形超聲陣列依次導線連接。所述數據 采集電路分別與分頻器、預處理電路和計算機導線連接。所述計算機還和顯示器導線連接。 所述分頻器與所述微波發(fā)生器導線連接。作為本實用新型的一種實施例，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌一個所述弧 形超聲陣列。在檢測時，碗狀弧形外殼需要至少圍繞被測乳腺旋轉180度，才可獲得完備數 據的三維熱聲圖像，耗時比較長。作為本實用新型的另一種實施例，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌三個或三 個以上所述弧形超聲陣列。碗狀弧形外殼圍繞被測乳腺旋轉較小的角度，即可獲得完備數
4據的三維熱聲圖像；但由于采用了多個弧形超聲陣列，成本較高。本實用新型優(yōu)選的實施例是，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌兩個所述弧形 超聲陣列。本實用新型更優(yōu)選的是兩個所述弧形超聲陣列夾角為90度地鑲嵌在碗狀弧形 外殼上。該優(yōu)選的裝置在檢測時，碗狀弧形外殼圍繞被測乳腺旋轉90，即可獲得完備數據的 三維熱聲圖像；檢測耗時短，成本合理。當然，本領域技術人員應當理解，在實際檢測不需要完備數據的情況下，上述碗狀 弧形外殼只需圍繞被測乳腺旋轉更小的角度。為了防止檢測時碗狀弧形外殼中的超聲耦合液流出，上述熱聲激發(fā)與傳感單元還 包括一個與碗狀弧形外殼頂部內壁密封結合的圓環(huán)狀彈性密封圈，所述彈性密封圈可以采 用如橡膠、硅膠等彈性材料制成，密封圈的內徑小于被測乳腺的直徑。本實用新型的一種實施例中，僅包括一個所述熱聲激發(fā)與傳感單元和一個所述信 號控制與處理單元，所述裝置特別適用于單側乳房的檢測。本實用新型所述裝置的另一種實施例中，包括兩個所述熱聲激發(fā)與傳感單元和一 個所述信號控制與處理單元。所述信號控制與處理單元中的分頻器同時和兩個熱聲激發(fā)與 傳感單元中的微波發(fā)生器導線連接；信號控制與處理單元中的步進電機和兩個熱聲激發(fā)與 傳感單元中的圓形齒輪有兩種連接方式1) 一個步進電機同時和兩個圓形齒輪嚙合連接， 則兩個碗狀弧形外殼同步轉動；2)兩個圓形齒輪分別和兩個步進電機嚙合連接，兩個所述 步進電機同時和所述驅動器導線連接，這種連接方式下兩個碗狀弧形外殼可以獨立轉動。 所述裝置特別適用于雙側乳房的檢測。本實用新型所述裝置還可以包括主要由工作臺構成的固定單元，所述工作臺上有 一個或兩個圓心共軸的圓形通孔，每一個所述圓形通孔的正下方是一個所述熱聲激發(fā)與傳 感單元，所述圓形齒輪與工作臺轉動連接。病人可以俯臥在工作臺上接受單側或雙側乳腺 的熱聲檢測。本實用新型所述每個弧形超聲陣列可以含有512、256或128個陣元，陣元之間的 刻縫寬為0. 03mm。本實用新型的工作過程是1)被測生物組織，如乳腺、顱腦等，由弧形外殼的上端開口進入并浸沒于超聲耦合 液中，開啟無損普查裝置；2)微波發(fā)生器激發(fā)產生1. 2GHz的脈沖微波耦合進入波導管，經喇叭天線透過保 護膜輻射在被測生物組織上激發(fā)出熱聲信號，同時經分頻器分頻的脈沖微波觸發(fā)數據采集 電路；弧形超聲陣列接收熱聲信號，將其轉化為電信號并經過預處理電路處理后，由數據采 集電路采集進計算機；3)采集完一次熱聲信號后，計算機通過數字I/O卡發(fā)出數字信號到驅動器，驅動 步進電機實現(xiàn)一次步進轉動，同時通過圓形齒輪帶動弧形超聲陣列圍繞被測生物組織轉動 到下一個位置；4)重復步驟2禾口 3 ；5)當旋轉掃描接收到足夠多方位的熱聲信號后，計算機通過計算重建出被測生物 組織的三維熱聲圖像，由顯示器實時顯示或后續(xù)打印等處理。本實用新型的有益效果是
5[0025](1)本實用新型將三維熱聲成像的激發(fā)與傳感一體化處理，有效的實現(xiàn)了系統(tǒng)結 構的小型化和實用化。系統(tǒng)便攜性好且操作簡便。(2)本實用新型采用的凹弧形結構的超聲陣列具有振元密度高、定位精確和機械 加工簡便等優(yōu)點，可有效提高成像的空間分辨率和時間分辨率，快速、準確地實現(xiàn)生物組織 的三維熱聲成像，特別適用于早期乳腺癌和顱腦損傷的檢測。(3)只需進行一個方向的旋轉掃描即可實現(xiàn)三維熱聲成像，有效提高了系統(tǒng)的機 械穩(wěn)定性和操作簡便。(4)本實用新型的傳感裝置為可做圓周掃描的凹弧形結構，除乳腺、顱腦外，可廣 泛應用于不規(guī)則凸出結構的生物組織或小動物的發(fā)育與病變檢測等三維醫(yī)學成像領域。
圖1為實施例1的主要結構示意圖。圖2為圖1所示實施例的熱聲激發(fā)與傳感單元的結構示意圖。圖3為圖2所示不含微波發(fā)生器的熱聲激發(fā)與傳感單元的俯視圖。圖4為圖2所示不含微波發(fā)生器的熱聲激發(fā)與傳感單元的仰視圖。圖5為實施例2的固定單元的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作具體說明，本領域技術人員應當理解本實用新型所 述裝置的尺寸并不限于下述實施例，可以根據實際情況進行調整，但都在本實用新型保護 的范圍內實施例1 一種用于乳腺三維成像的裝置本實施例的結構如圖1-4所示，各元件的名稱為1.圓形齒輪、2.弧形超聲陣 列、3.碗狀弧形外殼、4.超聲耦合液、5.保護膜、6.喇叭天線、7.波導管、8.微波發(fā)生器、 9.彈性密封圈、10.分頻器、11.數據采集電路、12.預處理電路、13.步進電機、14.驅動器、 15.數字I/O卡、16.計算機、17.顯示器。其中微波發(fā)生器10選用中國兵器工業(yè)第二零六研究所的BW-1200HPT，可發(fā)射頻 率為1. 2GHz的脈沖微波，脈寬為0. 5或Ius可選；數據采集電路11為8通道同步采樣通道 的高速數字化儀PCI_5105(NI，美國)；弧形超聲陣列2為廣州多浦樂電子科技有限公司最 新推出的基于1-3復合材料的醫(yī)用傳感器產品。本實施例包括熱聲激發(fā)與傳感單元，信號控制與處理單元。熱聲激發(fā)與傳感單元由圓形齒輪1、弧形超聲陣列2、內裝有超聲耦合液4的碗狀 弧形外殼3、保護膜5、喇叭天線6、波導管7、微波發(fā)生器8和圓環(huán)狀的彈性密封圈9組成。 弧形外殼3兩端開口，其頂部直徑為30cm，底部直徑為5cm。圓形齒輪1定位同心安裝在弧 形外殼3的頂部外壁，圓形齒輪1加工的齒數為48，采用步進電機13帶動完成一個圓周掃 描至少需要48個脈沖。圓環(huán)狀彈性密封圈9與碗狀弧形外殼3的頂部內壁密封結合。碗 狀弧形外殼3的側壁從頂部到底部鑲嵌兩個弧度與弧形外殼3相匹配、夾角為90度的弧形 超聲陣列2。每個弧形超聲陣列2含有128個陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其中心頻 率為2. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為lOOmmXIOmmXO. 8mm。保護膜5與碗狀弧形外殼3
6的底部密封結合?；⌒瓮鈿?內裝有超聲耦合液4。喇叭天線6位于保護膜5下方，波導 管7 —端與喇叭天線6底部連接，另一端與微波發(fā)生器8連接。碗狀弧形外殼3下沿與喇 叭天線6的上沿轉動連接。信號控制與處理單元由分頻器10、數據采集電路11、預處理電路12、步進電機13、 驅動器14、數字I/O卡15、計算機16和顯示器17組成。所述圓形齒輪1與步進電機13嚙合連接。所述計算機16、數字I/O卡15、驅動器 14與步進電機13依次導線連接。所述數字I/O卡15還與預處理電路12、弧形超聲陣列2 依次導線連接。所述數據采集電路11分別與分頻器10、預處理電路12和計算機16導線連 接。所述計算機16還和顯示器17導線連接。所述分頻器10與所述微波發(fā)生器8導線連接。本實施例適用于單側乳腺的熱聲三維成像，具體操作步驟為1)被測乳腺由弧形外殼3的上端開口進入并浸沒于超聲耦合液4中，開啟所述裝 置；2)微波發(fā)生器8激發(fā)產生1. 2GHz的脈沖微波耦合進入波導管7，經喇叭天線6透 過保護膜5輻射在被測乳腺上激發(fā)出熱聲信號，同時經分頻器10分頻的脈沖微波觸發(fā)數據 采集電路11 ；弧形超聲陣列2接收熱聲信號轉化為電信號并經過預處理電路12后，由數據 采集電路11采集進計算機16;3)采集完一次熱聲信號后，計算機16通過數字I/O卡15發(fā)出數字信號到驅動器 14，驅動步進電機13實現(xiàn)一次步進轉動，同時通過圓形齒輪1帶動弧形超聲陣列2圍繞被 測乳腺轉動到下一個位置；4)重復步驟2禾口 3 ；5)當旋轉掃描接收到足夠多方位的熱聲信號后，計算機16通過計算重建出被測 乳腺的三維熱聲圖像，由顯示器17實時顯示或后續(xù)打印等處理。實施例2 —種用于雙側乳腺三維成像的裝置本實施例的結構與實施例1相似，不同之處在于1)還包括主要由工作臺18構成的固定單元。工作臺18上有兩個圓心共軸的圓形 通孔19，每個所述圓形通孔19的正下方是一個所述熱聲激發(fā)與傳感單元，每個熱聲激發(fā)與 傳感單元中的圓形齒輪1都與工作臺18轉動連接。2) 一個步進電機13同時與兩個熱聲激發(fā)與傳感單元中的圓形齒輪1嚙合連接。3) 一個分頻器10同時與兩個熱聲激發(fā)與傳感單元中的微波發(fā)生器8的導線連接。4)每個熱聲激發(fā)與傳感單元中，一個弧度與碗狀弧形外殼3相匹配的弧形超聲陣 列2鑲嵌固定在弧形外殼的側壁；所述弧形超聲陣列2含有512個陣元，陣元之間的刻縫寬 為0. 03mm，其中心頻率為2. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為IOOmmX IOmmX0. 8mm。該裝置的操作步驟與實施例1所述步驟相同，兩個碗狀弧形外殼同步轉動。實施例3 —種用于雙側乳腺三維成像的裝置本實施例的結構與實施例2相似，不同之處在于每個熱聲激發(fā)與傳感單元中的圓形齒輪1分別與一個步進電機13嚙合連接。兩 個步進電機同時和驅動器14導線連接。每個碗狀弧形外殼3的側壁鑲嵌固定兩個夾角為 90度的弧形超聲陣列2，每個所述弧形超聲陣列2含有256個陣元，陣元之間的刻縫寬為
70. 03mm，其中心頻率為2. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為80mmX IOmmXO. 8mm。該裝置的操作步驟與實施例1所述步驟相同，兩個碗狀弧形外殼可以獨立轉動， 對有病變懷疑的乳腺則可以進行更多的掃描。實施例4 一種用于顱腦三維成像的裝置本實施例的結構與實施例1相似，不同之處在于熱聲激發(fā)與傳感單元中，碗狀弧形外殼的直徑為70cm，三個弧度與碗狀弧形外殼 3相匹配的弧形超聲陣列2圓周對稱地固定在弧形外殼的外壁；所述弧形超聲陣列2含有 256個陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其中心頻率為3. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為 80mmX IOmmXO. 8mm。該裝置的操作步驟與實施例1所述步驟相同。
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權利要求一種用于生物組織三維成像的裝置，其特征在于包括熱聲激發(fā)與傳感單元，信號控制與處理單元；所述熱聲激發(fā)與傳感單元包括圓形齒輪(1)、一個或一個以上弧形超聲陣列(2)、內裝有超聲耦合液(4)的碗狀弧形外殼(3)、保護膜(5)、喇叭天線(6)、波導管(7)和微波發(fā)生器(8)；所述碗狀弧形外殼(3)的頂部外壁定位同心安裝所述圓形齒輪(1)，碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到底部鑲嵌弧度與碗狀弧形外殼(3)相匹配的所述弧形超聲陣列(2)，碗狀弧形外殼(3)的底部與所述保護膜(5)密封結合；保護膜(5)的下方裝有所述喇叭天線(6)，所述波導管(7)一端與喇叭天線(6)底部連接、另一端與所述微波發(fā)生器(8)連接；碗狀弧形外殼(3)的下沿與喇叭天線(6)的上沿轉動連接；所述信號控制與處理單元由分頻器(10)、數據采集電路(11)、預處理電路(12)、步進電機(13)、驅動器(14)、數字I/O卡(15)、計算機(16)和顯示器(17)組成；所述圓形齒輪(1)與步進電機(13)嚙合連接；所述計算機(16)、數字I/O卡(15)、驅動器(14)與步進電機(13)依次導線連接，所述數字I/O卡(15)還與預處理電路(12)、弧形超聲陣列(2)依次導線連接，所述數據采集電路(11)分別與分頻器(10)、預處理電路(12)和計算機(16)導線連接，所述計算機(16)還和顯示器(17)導線連接，所述分頻器(10)與所述微波發(fā)生器(8)導線連接。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到 底部鑲嵌一個所述弧形超聲陣列(2)。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到 底部鑲嵌兩個所述弧形超聲陣列(2)。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述兩個弧形超聲陣列(2)的夾角為90度。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到 底部鑲嵌三個或三個以上所述弧形超聲陣列(2)。
6.根據權利要求1至5任一所述的裝置，其特征在于所述熱聲傳感單元還包括一個 與碗狀弧形外殼(3)頂部內壁密封結合的圓環(huán)狀彈性密封圈(9)。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于所述裝置包括一個所述熱聲激發(fā)與傳感 單元和一個所述信號控制與處理單元。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于還包括主要由工作臺(18)構成的固定單 元，所述工作臺(18)上有一個圓形通孔(19)，所述圓形通孔(19)的正下方是所述熱聲激發(fā) 與傳感單元，所述圓形齒輪(1)與工作臺(18)轉動連接。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于所述裝置包括兩個所述熱聲激發(fā)與傳感 單元和一個所述信號控制與處理單元；所述信號控制與處理單元中的分頻器(10)同時和 兩個熱聲激發(fā)與傳感單元中的微波發(fā)生器(8)導線連接；信號控制與處理單元中的步進電 機(13)同時和兩個熱聲激發(fā)與傳感單元中的圓形齒輪(1)嚙合連接，或者兩個所述圓形 齒輪(1)分別和兩個步進電機(13)嚙合連接，兩個所述步進電機(13)同時和所述驅動器 (14)導線連接。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于還包括主要由工作臺(18)構成的固定 單元，所述工作臺(18)上有兩個圓心共軸的圓形通孔(19)，每個所述圓形通孔(19)的正下方是一個所述熱聲 激發(fā)與傳感單元，所述圓形齒輪(1)與工作臺(18)轉動連接。
專利摘要本實用新型公開了一種用于生物組織三維成像的裝置，它主要由圓形齒輪、弧形超聲陣列、碗狀弧形外殼、超聲耦合液、保護膜、喇叭天線、波導管、微波發(fā)生器、分頻器、數據采集電路、預處理電路、步進電機、驅動器、數字I/O卡、計算機、顯示器組成。該裝置的工作過程是被測組織經脈沖微波輻射產生熱聲信號，由弧形超聲陣列接收并最終被采集進計算機；驅動器帶動弧形超聲陣列圍繞被測生物組織轉動到下一個位置；重復采集-轉動的步驟，直至接收到足夠多方位的熱聲信號，計算機通過計算重建出被測組織的三維熱聲圖像。本實用新型可以快速、準確地實現(xiàn)生物組織的三維熱聲成像，特別適用于早期乳腺癌和顱腦損傷的檢測。
文檔編號A61B8/00GK201624674SQ20102014690
公開日2010年11月10日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權日2010年4月1日
發(fā)明者劉國棟, 徐景坤, 曾呂明, 楊迪武 申請人:江西科技師范學院