超聲無損檢測粘彈性介質彈性的方法及其裝置的製作方法

2023-10-09 20:21:14

專利名稱：超聲無損檢測粘彈性介質彈性的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於無損測量技術領域，涉及經超聲波照射後會產生散射信號的粘彈性介
質的彈性檢測方法及其裝置。
背景技術：
粘彈性介質的無損測量技術在食品工業領域有重要意義。如果能夠方便的檢測食 品的彈性，將能更好的進行食品質量控制。此外，在醫療領域，各種慢性肝病(病毒性肝炎、 酒精性肝炎、非酒精性脂肪性肝炎及自身免疫性肝病)將導致肝纖維化和肝硬化。肝纖維 化和肝硬化過程中伴隨著肝臟彈性的變化，如果能夠無創檢測肝臟的彈性，就能對肝病病 情進行監測與評估，從而採取及時有效的治療方案。 中國專利(授權公告號CN100438833C)公布了一種超聲彈性測量裝置和方法。該 裝置包含一個超聲波換能器觸頭， 一個位置傳感器， 一個致動器，及一個能夠產生瞬時低頻 衝擊的伺服電動致動器。該裝置利用超高速率的超聲波，來檢測伺服電動致動器瞬時低頻 衝擊所產生的彈性波在粘彈性介質中的傳播速度。利用彈性波速度與介質彈性的固有關 系，從而得到介質的彈性。 上述裝置中，電動致動器帶動超聲波換能器觸頭產生低頻振動，從而在待檢測介
質中引入彈性波。在產生機械振動時，超聲波換能器觸頭同時在發射和接收超聲波，這就導
致了對於接收的超聲波數據而言，其參考點是運動的，因此在進一步利用數據進行計算之
前，需要補償該運動。該裝置通過位置傳感器來檢測超聲波換能器觸頭的運動，從而對探頭
運動進行補償。這種方法雖然能夠解決參考點運動問題，但是運動的補償需要增加額外的
計算時間，同時由於需要安裝位置傳感器，增加了系統的複雜性和成本。 此外，上述裝置依賴於人工操作，操作時超聲觸頭施加在介質上的壓力大小以及
探頭是否垂直於介質都將影響測量的結果。實際操作中，操作者需要憑經驗判斷所施加的
壓力和超聲觸頭與介質的垂直度是否合適，使得檢測結果容易受到操作者主觀因素影響，
從而可能導致測量在不同操作者的操作下或者同一操作者的不同操作下的結果差異性較大。 此外，上述裝置通常需要多次重複測量同一位置來獲得最終結果。由於操作者通 過手持探頭進行測量，很難保證每次測量都在同一位置，這種測量位置的偏差也會影響結 果的準確性。

發明內容
本發明的目的是克服目前技術系統的局限性，針對能散射超聲波信號的粘彈性介 質，尤其是人或者動物的器官或組織，提出一種無需進行運動補償且檢測受操作者主觀因 素影響較少的，超聲無損檢測粘彈性介質彈性的方法及其裝置。 本發明提出一種進行粘彈性介質彈性檢測的方法，其特徵在於，該方法包括以下 步驟
a)使用超聲探頭對待檢測介質產生低頻振動，並且以lOOHz-lOOOOOHz之間的脈
衝重複頻率向待檢測介質發射超聲波，同時採集從待檢測介質返回的超聲波信號； b)根據所施加低頻振動的持續時間及待檢測介質的物理參數從採集的超聲波信
號中選擇用以後續計算的超聲波信號範圍，使所選取超聲波信號對應時刻超聲波換能器觸
頭已經靜止； c)根據步驟b)所選擇的超聲波信號計算低頻振動產生的彈性波在介質中的傳播速度； d)根據步驟c)得到的彈性波傳播速度計算介質彈性。 本發明還提出採用上述超聲無損檢測粘彈性介質彈性的方法的裝置，其特徵在於，所述裝置包括 1) —個超聲波換能器觸頭，用於在控制設備的控制下向待檢測介質發射和接收超聲波； 2) —個與超聲波換能器觸頭有固定連接的振動器，用於產生低頻振動； 3) —個分別與所述超聲波換能器觸頭、振動器有電氣連接的控制設備，用於啟動
對介質的彈性檢測；控制超聲波換能器觸頭髮射和接收超聲波；控制振動器的工作；選擇
用以計算待檢測介質彈性的超聲波信號範圍，對選擇的超聲波信號進行處理，並對結果進
行顯示。 本發明的特點及有益效果 本發明根據所施加的低頻振動的持續時間，待檢測介質厚度、硬度等參數，選擇一個時間段，在該時間段內，低頻振動產生的彈性波仍在介質內部傳播，而發射超聲波的觸頭已經停止或接近停止振動。由於該時間段內超聲波的探頭可以看做是不動的，因此可以認為該時間段內採集到的超聲波數據的參考點是靜止的。利用該時間段內採集的超聲波信號進行後續計算，可以無需進行超聲探頭運動補償，因此能夠減少計算時間，同時由於不需要位置傳感器進行探頭運動檢測，也可以降低系統複雜性和成本。同前述專利(授權公告號CN100438833C)公布的超聲彈性測量裝置和方法相比，本發明在無需位置傳感器部件的情況下，實現了同樣介質彈性測量的功能。通過節省部件，本發明還降低了裝置複雜性和成本。 本發明還進一步可通過在現有彈性檢測裝置上增加一個壓力傳感器陣列，從而可以測量超聲波換能器觸頭上受到的平均壓力。當壓力傳感器陣列含有三個或三個以上壓力傳感器時，還可以利用各壓力傳感器所受的壓力差異得到超聲波換能器觸頭同待檢測介質表面的垂直度信息。通過在方法中增加判斷超聲探頭施加在待檢測介質上的壓力是否合適及超聲探頭同待檢測介質垂直度是否合適的步驟，本發明克服了現有裝置中操作者需要憑經驗判斷所施加的壓力和垂直度是否合適的問題，從而減少了主觀因素對彈性測量的影響，提高了測量的成功率和準確性。 此外，本發明還可在彈性檢測裝置上增加了機械臂，用於支撐探頭，使得一旦選定檢測位置，就能夠保證每次檢測都在同一位置，從而提高了測量的可重複性；同時藉助於機械臂，也有助於實施半自動或者全自動操作，減輕操作員負擔。


以下將參照附圖，作為非限定的實施例，描述本發明的實施方式，在附圖中
圖1是本發明的超聲無損檢測粘彈性介質彈性裝置的實施例組成示意圖；
圖2是圖1所包含的壓力傳感器陣列分布示意圖； 圖3是本發明還包含一個超聲診斷儀及一個機械臂的本發明裝置的實施例示意圖；
圖4是本發明加入一放置在待檢測介質和本發明裝置之間的彈性中間介質實施 例示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的進行粘彈性介質彈性檢測的方法及裝置結合附圖及實施例詳細說 明如下 本發明提出的一種進行粘彈性介質彈性檢測的方法，包括以下步驟 a)使用超聲探頭對待檢測介質產生低頻振動，並且以100Hz-100000Hz之間的脈
衝重複頻率向待檢測介質發射超聲波，同時採集從待檢測介質返回的超聲波信號； b)根據所施加低頻振動的持續時間及待檢測介質的物理參數從採集的超聲波信
號中選擇用以後續計算的超聲波信號範圍，使所選取超聲波信號對應時刻超聲波換能器觸
頭已經靜止； c)根據步驟b)所選擇的超聲波信號計算低頻振動產生的彈性波在介質中的傳播 速度； d)根據步驟c)得到的彈性波傳播速度計算介質彈性。 該方法還可以包括一個檢查區域預選擇步驟。該步驟有助於選擇合適的位置進行 彈性檢測。比如，對於肝臟彈性檢查，檢查區域預選擇步驟可以幫助避開肝臟大血管，以免 影響彈性檢測結果。 上述所施加的低頻振動的振動頻率f可在0. 5Hz-3000Hz之間，低頻振動的持續時 間T可在l/2f-40/f之間。 優選的是，該方法可以包含判定超聲探頭施加在待檢測介質上的壓力是否合適的 步驟。 優選的是，該方法可以包含判定超聲探頭與待檢測介質的垂直度是否合適的步 驟。 本發明還提出採用上述的超聲無損檢測粘彈性介質彈性的裝置，其特徵在於，所 述裝置包括 1) —個超聲波換能器觸頭，用於在控制設備的控制下向待檢測介質發射和接收超 聲波； 2) —個與該超聲波換能器觸頭有固定連接的振動器； 3) —個分別與所述超聲波換能器觸頭、振動器有電氣連接的控制設備，用於啟動 對介質的彈性檢測；控制超聲波換能器觸頭髮射和接收超聲波；控制振動器的工作；選擇 用以計算待檢測介質彈性的超聲波信號範圍，對選擇的超聲波信號進行處理，並對結果進 行顯示。 該裝置的超聲波換能器觸頭用於在控制設備的控制下向待檢測介質發射和接收超聲波，當用於檢測人體肝臟時，為了使得能夠透過人體肋間隙發射和接收超聲波，超聲波換能器觸頭的端面最大外徑應該小於12mm。 本發明的控制設備可以包括帶有用戶交互設備的計算機、微控制器或者微處理器之中任一種，以及通過通訊接口 (如USB、 PCI等)與其相連的超聲發射接收電路(這些電路為本領域技術人員所公知)。本發明的控制設備還可以包括一個用硬體或者軟體實現的觸發按鍵，用以啟動彈性檢測。 該裝置的控制設備所包含的用戶交互設備用於信息的輸入及檢測結果的顯示，它
可以由滑鼠、鍵盤和顯示器組成，也可以由觸控螢幕或其他交互設備構成。 該裝置的控制設備所包含的超聲發射接收電路可以在控制設備所包含的計算機、
微控制器或者微處理器控制下根據需要以1Hz-100000Hz之間的脈衝重複頻率發射和接收
超聲波。 該裝置的振動器能發出頻率0. 5Hz-3000Hz，幅值0. 5mm-20mm之間的低頻振動。該振動器在控制設備的控制下，依據需要的起始時間、波形和幅值準確產生所需要的低頻振動。由於超聲波換能器觸頭同振動器相連，因此振動可以由超聲波觸頭傳入待檢測介質。
在控制設備的統一控制下，一旦操作者用觸發按鍵啟動彈性檢測，振動器將帶動超聲波換能器觸頭髮出低頻振動，從而產生一個向待檢測介質內部傳播的低頻彈性波；同時超聲發射接收電路以100Hz-100000Hz之間的脈衝重複頻率發射超聲波並且採集超聲回波。控制設備利用採集到的超聲回波信號進行介質彈性計算從待檢測介質散射回來的超聲波信號可以用來追蹤彈性波在介質內部的傳播，從而計算彈性波在介質內的傳播速度，之後用本領域技術人員所公知的彈性波速度與介質彈性、密度的固有關係計算得到待檢測介質的彈性。 該裝置可以包含一個超聲診斷儀。該超聲診斷儀可以是普通黑白超聲診斷儀或者彩色超聲診斷儀。藉助超聲診斷儀的二維或三維超聲成像探頭，可以在用戶界面上提供二維或三維超聲成像，從而為彈性測量提供預掃查及預定位。 該裝置可以包含一個壓力傳感器陣列，此時控制設備還包括通過通訊接口 (如USB、 PCI等)與計算機、微控制器或者微處理器相連的壓力信號採集電路(這些電路為本領域技術人員所公知)。該陣列至少包含一個壓力傳感器。該壓力傳感器陣列同超聲波換能器觸頭和振動器接觸，可以用於檢測操作時施加在超聲波換能器觸頭上的平均壓力。該壓力信息反饋給操作者，以便操作者施加合適的壓力，從而提高測量準確性。
優選的是，壓力傳感器陣列包括至少三個壓力傳感器。利用壓力傳感器陣列中各壓力傳感器檢測到的壓力值，可以得到操作人員施加在超聲波換能器觸頭上的平均壓力；利用壓力傳感器陣列中各壓力傳感器檢測到的壓力差異，可以判斷超聲波換能器觸頭與檢測介質表面是否接近垂直。這些信息反饋給操作者，從而有助於操作者實施準確可重複的 該裝置可以包含至少一個機械臂，用於支撐探頭。同時，為了便於操作者靈活選擇檢測位置，該機械臂有至少一個以上自由度。探頭可以固定在機械臂上，當操作者用手拉動機械臂時，可以靈活選擇探頭檢測位置。當選擇好檢測位置後，操作者放開手，探頭可以固定在選定位置上，從而可以保證各次檢測在同一個位置上。同時藉助於機械臂，也有助於實施半自動或者全自動操作，減少操作員負擔。
該裝置可以包含一個狀態指示裝置，用於指示裝置的工作狀態。操作者可以通過 狀態指示裝置方便的得知裝置的工作狀態。 該裝置可以包含一個彈性中間介質，操作者進行檢測時放置在待檢測介質和探頭
之間，用以保證當超聲波觸頭停止振動時刻，彈性波依舊在待檢測介質內部傳播。 根據本發明的一個較優裝置實施例結構，如圖1所示，包括由一個超聲波換能器
觸頭2，一個振動器3，一個壓力傳感器陣列4組成的超聲探頭l，所述超聲波換能器觸頭和
振動器之間通過壓力傳感器陣列4固定在一起；該探頭安裝在外殼8內，外殼上有一個狀態
指示裝置7 ;外殼尾部有一根與超聲探頭相連的電纜6 ;—個通過電纜6與超聲探頭1及狀
態指示裝置7相連的控制設備(圖中未標出)；控制設備包含一個按鍵5，固定在外殼8上；
其中壓力傳感器陣列4、及狀態指示裝置7可以省略。
上述各部件的功能及具體組成分別詳細說明如下 本實施例的控制設備其功能是通過按鍵5啟動對介質的彈性檢測；控制振動器的 工作；控制狀態指示裝置7的狀態；控制超聲波換能器觸頭髮射超聲波和接收超聲回波；控 制壓力傳感器的信號採集；對採集到的超聲和壓力數據進行處理，並對結果進行顯示。該控 制設備可以是包含帶有顯示器11和鍵盤12的計算機、微控制器或者微處理器(例如可以 選擇DELL 0ptiplex 360臺式機、Arm公司的ARM Cortex_A8微控制器或者Intel公司的 奔騰III處理器)及通過通訊接口 (如USB、PCI等)與其相連的超聲發射接收電路和壓力 信號採集電路(這些電路為本領域技術人員所公知)。 本實施例的壓力傳感器陣列用於檢測超聲波換能器觸頭受到的壓力及超聲波換 能器觸頭與檢測介質表面的垂直度；壓力傳感器陣列俯視圖如圖2所示，該壓力傳感器陣 列含有三個Honeywell公司小型Model F壓力傳感器9，三個壓力傳感器9安裝在電路板 10上一個正三角形每邊的中心。 本實施例的狀態指示裝置7用於顯示裝置的工作狀態；它可以是一組具有不同顏 色的LED燈組成。 本實施例的超聲波換能器觸頭用於在控制設備的控制下向待檢測介質發射和接 收超聲波。應用時根據被測介質的特點及精度要求選擇相應中心頻率和尺寸的超聲波換能 器觸頭，比如待檢測介質是人體的肝臟時，可以選擇中心頻率在lMHz-15MHz之間的超聲波 換能器觸頭產品，同時超聲波換能器觸頭端面最大外徑應小於12mm，使得其可以透過人體 的肋間隙發射和接收超聲波。 本實施例的振動器其功能是在控制設備的控制下帶動超聲波換能器觸頭髮出低 頻振動；該振動器在控制設備的控制下能發出頻率O. 5Hz-3000Hz，幅值0. 5mm-20mm之間的 低頻振動，其具體可以是電磁式振動器，也可以是步進電機式振動器。 本實施例的外殼上的按鍵作為控制設備的一部分，用於啟動振動器發出低頻振 動，同時啟動控制設備的超聲發射接收電路以100Hz-100000Hz之間的脈衝重複頻率發射 和接收超聲波。 本實施例的外殼用以保護外殼裡面的部件，可以採用ABS塑料製作。
本實施例檢測介質彈性時，探頭1的超聲波換能器觸頭2掃查待檢測介質，此時控 制設備的超聲發射接收電路激發超聲波換能器觸頭以100Hz以內的脈衝重複頻率(比如 30Hz)發射超聲波，並且採集超聲回波信號。控制設備的計算機、微控制器或者微處理器對採集的回波信號進行取包絡運算、對數壓縮等操作後，以M超(為本領域技術人員所公知，全稱M型超聲成像)的形式顯示在顯示器上，操作者可以通過M超圖獲得檢測介質信息，從而選擇彈性檢測位置；在採集超聲數據的同時，壓力傳感器的壓力信息也被控制設備的壓力信號採集電路採集，控制設備的計算機、微控制器或者微處理器通過計算判斷超聲波換能器觸頭的壓力及垂直度是否合適。 當選擇了合適的彈性檢測位置，並且超聲波換能器觸頭的壓力及垂直度合適時，操作者可以觸發按鍵5，振動器3將帶動超聲波換能器觸頭2發出一個頻率0. 5Hz-3000Hz，幅值0. 5mm-20mm之間的低頻振動(比如頻率50Hz，幅值2mm)，該振動產生一個彈性波向檢測介質內部傳播。同時該觸發信號將觸發控制設備的超聲發射接收電路以100Hz-100000Hz之間的脈衝重複頻率(比如6000Hz)發射超聲波並且採集超聲回波，控制設備的計算機、微控制器或者微處理器利用採集到的超聲回波信號進行介質彈性計算。 上述裝置還可以與一個超聲波診斷儀集成為一個整體，如圖3所示，將控制設備和超聲波診斷儀(圖中未示出)均安裝在一個箱體中，控制設備的鍵盤12及顯示器11安裝在箱體外面，上述超聲探頭1與超聲波診斷儀所帶的二維或三維成像探頭14通過電纜引出箱體外。利用超聲波診斷儀所帶的二維或三維成像探頭14，可以對待檢測介質進行成像，以獲得更多的信息，有助於在彈性測量中避開影響彈性測量的區域(比如測量人體肝臟時避開肝臟中的大血管)。 上述裝置中還可以在箱體上安裝一個機械臂13，用於支撐超聲探頭l，該機械臂有至少一個自由度。當操作者拉動機械臂時，可以靈活選擇檢測位置，當選擇好檢測位置後，操作者放開手，超聲探頭就可以固定在選定位置上，從而可以保證每次檢測都是同一個位置。 利用上述發明裝置進行彈性測量的方法實施例，包括以下步驟
(a)將超聲探頭1放置在待檢測介質上並使超聲波換能器觸頭2與待檢測介質接觸後，利用超聲探頭1所獲取的M超圖，或用超聲診斷儀所帶的超聲成像探頭14獲取的待檢測介質超聲圖像，或者兩者的結合，選擇進行彈性測量的待檢測介質位置(該步驟為優選步驟)； (b)利用壓力傳感器陣列檢測到的壓力數據，判定超聲探頭施加在待檢測介質上的壓力是否合適(該步驟為優選步驟)。本實施例中的壓力傳感器陣列含有三個壓力傳感器，檢測到的壓力分別為&、F2、F3。根據下述公式進行判斷
F = (F!+F2+F》/3 (1) 即根據公式(1)計算出探頭施加在介質上的平均壓力F ;再根據公式(2)判斷該平均壓力F大小是否合適。其中，Fmin和F^分別為壓力下界和壓力上界，對於動物或者人體軟組織的彈性測量，可以選擇Fmin為1牛頓，Fmax為10牛頓； (c)利用壓力傳感器陣列檢測到的壓力數據，判定超聲探頭與待檢測介質的垂直度是否合適(該步驟為優選步驟)。在本實施例中，可以根據下述公式進行判斷 根據公式(3)計算出的S代表壓力傳感器陣列中各個壓力傳感器所受壓力的差
F<T F <T F
1 m i n~~~~~ 1 ~~~~~ 1 i
(3)
(4)異。S很小時，表示各壓力傳感器所受壓力接近，超聲探頭與介質接近垂直；S越大，表示 壓力傳感器間所受壓力差別越大，超聲探頭與介質間傾角偏離垂直越大。s^是一個閾值， 表明在檢測介質時可以接受的偏離垂直程度，對於動物或者人體軟組織的彈性測量，可以 選擇S隨為0.1; (d)超聲探頭產生幅值為2mm、頻率f。為50Hz、持續時間T為0. 05s的低頻振動， 該低頻振動產生的彈性波將從介質表面向深部傳播，傳播速度同介質硬度相關；在產生低 頻振動的同時，控制設備的超聲發射接收電路以Fhigh為6000Hz的脈衝重複頻率向待檢測介 質發射超聲波，同時採集接收到的超聲掃描線信號(本領域內將一次超聲脈衝發射後接收 到的超聲回波稱為一條超聲掃描線)，這些超聲掃描線的序號標記為1、2、3、…N…，其中掃 描線間的時間間隔At = 1/Fhigh， N為正整數； (e)根據所施加低頻振動的持續時間及待檢測介質的物理參數(厚度、硬度等)從
採集的超聲波信號中選擇用以後續計算的超聲波信號範圍。可以通過選擇超聲波信號掃描
線的序號範圍來選擇超聲波信號。該選擇的原則是所選擇的超聲波信號掃描線序號範圍
應保證該範圍內超聲波掃描線所對應時刻超聲波換能器觸頭已經靜止或者接近靜止，同時
彈性波還在待檢測介質內部傳播。 本實施例採用的超聲波信號選擇方法如下 當低頻振動持續時間為T時，考慮振動的慣性，設振動開始T+AT時間後，超聲探 頭已經完全靜止。那麼可以選擇的超聲波信號掃描線的序號Ns^。t應該滿足
Nselect > ceiling ((T+AT) XFhigh) (5)
其中ceiling(.)為向上捨入取整函數，Nselert為自然數。 設待檢測介質厚度為D"根據估計的待檢測介質硬度範圍確定的彈性波在介質中 的傳播速度下限為V^那麼在彈性波還在介質內傳播的條件下，所選擇的超聲波信號掃描 線的序號N^M應該滿足 Nselect《ceiling((D乂V+T) XFhigh) (6) 當AT小於D乂V 時，結合上述兩式，可以得到N^。t範圍如下 ceiling((T+AT) XFhigh)《Nselect《ceiling((D/V+T) XFhigh) (7) 例如當A T為0. Ols，估計的彈性波在介質中的傳播速度下限I1為3m/s，介質厚
度D工為lOcm，那麼選擇的超聲波信號掃描線序號範圍為360《Nseleet《500。 當AT不小於D/V 時，如圖4所示，可以在超聲探頭1的超聲波換能器觸頭和待
檢測介質15之間加入一個厚度為D2的彈性中間介質16，使得AT < D/V +D乂V/，其中Vs2
為彈性波在該彈性中間介質中的傳播速度。此時所選擇的超聲波信號掃描線應該滿足 ceiling ((T+AT) XFhigh)《Nselect《ceiling ((W+D/V+T) XFhigh) (8) 例如當AT為0. Ols，估計的彈性波在介質中的傳播速度下限I1為10m/s，待檢測
介質厚度D工為10cm，彈性中間介質厚度D2為10cm，彈性波在彈性中間介質中的傳播速度V/
為lm/s，那麼可以選擇的超聲波信號掃描線序號範圍為360《Nseleet《960。 (f)根據前面選擇的超聲波信號計算彈性波在介質中的傳播速度。 本實施例利用低頻彈性波引入的介質應變在振動中心頻率處的相位隨著時間在
深度方向上傳播的線性回歸來計算彈性波速度。 該方法首先需要計算低頻彈性波在介質中傳播引入的應變，該應變可以通過先估計介質位移，然後用該位移求微分來計算，具體計算方法為本領域的公知技術。下面詳細說明 介質的位移估計可以採用互相關法、絕對值差和法、都卜勒法、自相關法等本領域技術人員所公知的位移估計方法。本實施例採用互相關法計算位移。 假設每條掃描線有L點數據，相鄰兩點數據對應的實際距離為Az。可以將每條掃描線劃分為長度為2m+l、中心間隔為1個數據點的L-2m段數據。這L-2m段數據的中心分別為掃描線上的m+l、m+2、…、L-m點。那麼第nl條掃描線上以p點為中心的數據段和第條掃描線上以q點為中心的數據段的相關係數Cp,q由下式計算 C關"pT^ ， (9)
0095] 其中&, 、 i;—分別代表第ni條、第n1+l條掃描線數據。
0096] 通過計算第ni條掃描線上以p為中心的數據段和第n,l條掃描線上所有數據段的相關係數，並且搜索得到相關係數最大值C^^如下0097]C =max{C ,',q = m + l，m + 2,...，L_m} 〖10)
0098] 由此就可以得到中心處於p Az深度，長度為(2m+l) Az的介質片段在時間
i A t和(n,l) A t之間的位移如下:
0099]d(zj)J:(q敝-p)*Az (11)
0100] 其中z表示介質片段中心所處的深度。
0101] 對第r^條掃描線上的每一段數據重複上述過程，就可以獲得第&條掃描線上的所有數據段對應的介質片段在時間r^ At和(ni+l) At之間的位移，這些位移組成一個序
0102] 第ni條掃描線上的介質應變可以通過對位移在深度方向求微分來計算，如下式0103] S(Z,t)|—(12)0104] 用上述方法可以獲得每條掃描線對應的應變。
0105] (g)計算彈性波在介質中的傳播速度對介質的每個深度計算彈性波的中心頻率'。處的剪切波的相位，進而計算得到彈性波的速度0106] E(z， f) = FT( e (z， t)) (13)0107]
formula see original document page 11(14)
0108]
formula see original document page 11 (15)0109] 其中FT是傅立葉變換，，(z)是E(z， f。)在頻率f。處的相位。
0110] (h)計算介質彈性模量對於類似動物或者人體軟組織的粘彈性介質，彈性波傳播的速度Vs和介質的彈性模量E之間有下列關係[o川]E,VS2 (16) 其中p為介質密度。
因此可以計算深度z處的介質彈性模量如下
E(Z) = 3p[2rf0(，rlf (17) dz 上述實施例的內容僅作為舉例描述了本發明，其內容並不限定本發明的保護範 圍。本領域人員根據上述內容實施不同形式的超聲無損檢測粘彈性介質彈性的方法及其裝 置，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
一種進行粘彈性介質彈性檢測的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟a)使用超聲探頭對待檢測介質產生低頻振動，並且以100Hz-100000Hz之間的脈衝重複頻率向待檢測介質發射超聲波，同時採集從待檢測介質返回的超聲波信號；b)根據所施加低頻振動的持續時間及待檢測介質的物理參數從採集的超聲波信號中選擇用以後續計算的超聲波信號範圍；c)根據步驟b)所選擇的超聲波信號計算低頻振動產生的彈性波在介質中的傳播速度；d)根據步驟c)得到的彈性波傳播速度計算介質彈性。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述步驟b)選擇用以計算待檢測介質彈 性的超聲波信號範圍的具體步驟包括設低頻振動持續時間為T，振動開始T+AT時間後，超聲探頭完全靜止；選擇的超聲波 信號掃描線的序號N^^滿足Uceiling((T+AT)XF一)其中ceiling(.)為向上捨入取整函數，Fhi扭為發射超聲波信號的脈衝重複頻率，取值 範圍為100Hz-100000Hz ;設待檢測介質厚度為D"根據估計的待檢測介質硬度範圍確定的彈性波在介質中的傳 播速度下限為V，，則在彈性波還在介質內傳播的條件下，所選擇的超聲波信號掃描線的序號Nselect滿足Uceiling((D/VsVT)XF一)當A T小於D/Vs1時，結合上述兩式，得到Ns+。t應滿足ceiling((T+AT) XFhigh)《Nselect《ceiling((D乂V^+T) XF當AT不小於D乂l1時，在超聲探頭和待檢測介質之間加人一個厚度為02的已知硬度 的彈性中間介質，使得△ T < D乂V^+D2/X2，其中Vs2為彈性波在該彈性中間介質中的傳播速 度，則所選擇的超聲波信號掃描線應滿足ceiling((T+AT) XFhigh)《Nselect《ceiling((D^Vj+DyvJ+T) XF工
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵是，所述低頻振動的振動頻率f在 0. 5Hz-3000Hz之間，低頻振動的持續時間在l/2f_40/f之間。
4. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，在所述步驟a)之前還包括利用超聲探頭 所獲取的M超圖，選擇進行彈性測量的待檢測介質位置；或還包括用超聲診斷儀所帶的超 聲成像探頭獲取的二維或三維超聲圖像選擇進行彈性測量的待檢測介質位置。
5. 根據權利要求l所述的彈性計算方法，其特徵在於，在所述步驟a)之前還包括判定 超聲探頭施加在待檢測介質上的壓力是否合適。
6. 根據權利要求l所述的彈性計算方法，其特徵在於，在所述步驟a)之前還包括判定 超聲探頭與待檢測介質的垂直度是否合適。
7. —種採用權利要求1所述方法的超聲無損檢測粘彈性介質彈性的裝置，其特徵在 於，所述裝置包括1) 一個超聲波換能器觸頭，用於在控制設備的控制下向待檢測介質發射和接收超聲波；2) —個與超聲波換能器觸頭有固定連接的振動器；3) —個分別與所述超聲波換能器觸頭、振動器有電氣連接的控制設備，用於啟動對介質的彈性檢測；控制超聲波換能器觸頭髮射和接收超聲波；控制振動器的工作；選擇用以計算待檢測介質彈性的超聲波信號範圍，對選擇的超聲波信號進行處理，並對結果進行顯示。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該控制設備包括計算機、微處理器、或者微控制器之中任一種，及通過通訊接口與其相連的超聲發射接收電路。
9. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該控制設備包括一個用硬體或者軟體實現的觸發按鍵，用以啟動彈性檢測。
10. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，還包括安裝在所述超聲波換能器觸頭與振動器之間的壓力傳感器陣列，該壓力傳感器陣列分別與所述超聲波換能器觸頭和振動器接觸；所述的控制設備還包括通過通訊接口與計算機、微控制器或者微處理器之中任一種相連的壓力信號採集電路。
11. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該裝置還包括與所述控制設備相連的一個超聲波診斷儀，用於選擇進行彈性測量的待檢測介質位置。
12. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵是，該裝置還包括一個狀態指示裝置，用於指示裝置的工作狀態。
13. 根據權利要求7所述的裝置，其特徵是，該裝置還包括一個機械臂，用於支撐超聲探頭。
全文摘要
本發明涉及超聲無損檢測粘彈性介質彈性的方法及其裝置，屬於無損測量技術領域，該方法包括使用超聲探頭對待檢測介質產生低頻振動並且向待檢測介質發射超聲波，同時採集從待檢測介質返回的超聲波信號；選擇用以計算待檢測介質彈性的超聲波信號範圍；用選擇的超聲波信號計算低頻振動產生的彈性波的在介質中的傳播速度；進而從得到的彈性波傳播速度計算介質彈性。所述裝置包括一個超聲波換能器觸頭；一個固定該超聲波換能器觸頭的振動器；一個控制設備。本發明無需進行超聲探頭運動補償，因此能夠減少計算時間，同時由於不需要位置傳感器進行位置檢測，也降低了系統複雜性和成本。
文檔編號A61B8/08GK101699280SQ20091023573
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月15日 優先權日2009年10月15日
發明者孫錦, 段後利, 段媛媛 申請人:北京索瑞特醫學技術有限公司