一种内部无源声学传感系统及其传感方法与流程

本发明属于检测传感领域，具体涉及一种内部无源声学传感系统及其传感方法。

背景技术：

组织内部的生命信号包括血压、脑压、心电、脑电、脉搏、血氧以及各种生化物质的含量等。这些生命信号表征了生命体的健康状态，并携带有大量的生命特征信息。准确测定这些生命信号，将有助于判断生命活动信号，对生命体的健康状态进行诊断和保护，还可以进一步依据获得的信号，对疾病进行针对性的治疗和预防。

例如：通过对植物人等行动不便的生命体脑电的实时读取，可以判断被测生命体的大脑活动，并预测其行为意图，进而可以依靠外界机械辅助其活动；通过对体内心电信号读取，可以判断人体是否发生心率失调和房颤，并可以及时通过对心脏施加外界电刺激以防止猝死的发生；通过对体内的血糖信号的实时读取，可以实时判断血糖含量并提醒被测对象控制饮食，还可以进一步控制自动化的胰岛素注射器注射胰岛素。

但是，当前对生命信号的传统测量方法多依赖于体外的传感器，例如体表的血压计或心电检测设备等。这类体表的测量设备的问题在于：测点并不是生化信号的原点，非原位测量；测量不准确；所测信号存在延时；易受外界噪声、人体运动和体表变形干扰等。

若需要准确的对这些信号进行测量，则需要发展置于组织内部的生命特征信号原位传感器及其信号传输系统。而置于组织内部的传感器需要解决以下两个挑战：能源供应和信号传输问题。由于组织内传感器的手术复杂性问题，因此不可能经常进行手术更换电池，而且考虑到电池内部存在生物组织危害物，所以最好发展无源的传感器件。由于生物组织多为含水丰富的组织，因此电磁波会因为在组织内的严重衰减而无法有效传播，此时需要采用新的适用于组织内的信号传输方法。

技术实现要素：

为了实现组织内生命信号的实时原位检测，并解决相应传感器的能源供应和信号传输问题，本发明提供了一种新型的内部无源声学传感系统及其传感方法，该方法基于声信号在被测对象内传输衰减小的特点，使用被测对象外表面的超声换能器提供声信号，被测对象内部设有换能器接受该能量并提供给内部的声表面波传感器，声表面波传感器将携带被测对象检测信息的信号返回给内部的超声换能器，被测对象内部的超声换能器将该携带信息的信号利用声波传输到被测对象外，被测对象外的换能器进行信号接受并解码。

本发明的一个目的在于提出一种内部无源声学传感系统。

本发明的内部无源声学传感系统包括：控制电路、主动式超声换能器、被动式超声换能器和声表面波传感器；其中，控制电路和主动式超声换能器布置在被测对象外部，二者通过电线连接；主动式超声换能器的发射面紧贴被测对象的表面；被动式超声换能器和声表面波传感器设置在被测对象内部，二者之间通过导线连接，被动式超声换能器的接收面正对主动式超声换能器的发射面；控制电路发出控制信号至主动式超声换能器，控制信号的形式是电信号，主动式超声换能器将电信号转换成声信号，并通过被测对象的表面传输至被测对象的内部；被动式超声换能器接收声信号，并将声信号转换成电信号传输至声表面波传感器，声表面波传感器将电信号转换成声信号并在表面传播，与被测对象的内部物质或物理环境相互作用，引起声信号的改变，声表面波传感器将携带有被测对象内部信息的声信号转换成电信号传输至被动式超声换能器，被动式超声换能器将声信号转换成电信号后发射出，主动式超声换能器接收声信号并将声信号转换成电信号传输至控制电路，控制电路处理分析，提取出被测对象的信息。

控制电路包括：能量发出模块和信号分析模块；其中，能量发出模块发出带有能量的控制信号，例如瞬时脉冲等，并传输至主动式超声换能器；信号分析模块处理主动式超声换能器收到的声信号，提取和分析被测对象的信息。

主动式超声换能器包括：外部声匹配层、外部前压电层、外部后压电层、外部中心弹性层和外部高质量支撑结构；其中，在外部中心弹性层的两个表面分别设置外部前压电层和外部后压电层，外部前压电层和外部后压电层的极化方向相同；外部前压电层和外部后压电层几何尺寸上相对外部中心弹性层对称布置；外部前压电层的前表面为发射面，在外部前压电层的前表面设置外部声匹配层；外部中心弹性层放置在外部高质量支撑结构上，并且外部高质量支撑结构远离发射面；外部前压电层和外部后压电层分别与控制电路电学连接；从控制电路发来的电信号分别传输至外部前压电层和外部后压电层，引起二者振动，并确保振动方式为弯曲振动，外部前压电层和外部后压电层将电信号转化为声信号；远离发射面一端的外部高质量支撑结构保证振动时能量主要为向前，进而声信号为指定的向前传播；设置在发射面上的外部声匹配层，降低了声信号从主动式超声换能器向被测对象传播时的能量衰减，提高传播效率；被动式超声换能器发回声信号时，通过外部声匹配层，外部前压电层和外部后压电层感受到振动并将声信号转换为电信号，传输至控制电路。这里的向前，是相对于主动式超声换能器的发射面的方向为向前。

被动式超声换能器包括：内部声匹配层、内部前压电层、内部后压电层、内部中心弹性层和内部高质量支撑结构；其中，在内部中心弹性层的两个表面分别设置内部前压电层和内部后压电层，内部前压电层和内部后压电层的极化方向相同，且两者在几何上沿中弹性层对称分布；内部前压电层的前表面为接收面，在内部前压电层的前表面设置内部声匹配层；内部中心弹性层放置在高质量支撑结构上，并且高质量支撑结构远离接收面，接收面与主动式超声换能器的发射面相对；内部前压电层和内部后压电层通过导线连接至声表面波传感器；主动式超声换能器发射出声信号，内部前压电层和内部后压电层感受到振动并将声信号转换为电信号，并将电信号传输至声表面波传感器；从声表面波传感器返回的携带有被测对象内部信息的电信号传输至内部前压电层和内部后压电层，引起二者振动，将电信号转化为声信号，远离接收面一端的高质量支撑结构保证振动时能量主要为先前，进而声信号为指定的向前传播；设置在接收面上的内部声匹配层，降低了声信号在从被测对象向固体的主动式超声换能器传播时的能量衰减，提高传播效率。这里的向前，是相对于被动式超声换能器的接收面的方向为向前。

声表面波传感器包括：压电基底、敏感层和叉指电极；其中，压电基底采用压电材料；敏感层和叉指电极分别设置在压电基底上；叉指电极布置在压电基底的中间，或者布置在压电基底上位于敏感层的两端；敏感层采用与被测对象内部的生化物质相互作用的材料；叉指电极采用金属材料；叉指电极将来自被动式超声换能器的电信号转换为声信号并在压电基底的表面传播，敏感层与被测对象内部的生化物质或物理环境相互作用，引起敏感层本身物理特性发生变化，从而导致声信号的波速或者共振频率发生相应的定量变化；当叉指电极位于敏感层的两端时，检测到声信号中波速的变化；当叉指电极布置在压电基底的中间时，检测到声信号中共振频率的变化，从而声信号中携带有被测对象内部信息；压电基底将声信号转化成电信号，传输至被动式超声换能器。

本发明的另一个目的在于提供一种内部无源声学传感方法。

本发明的内部无源声学传感方法，包括以下步骤：

1)控制电路发出控制信号至主动式超声换能器，控制信号形式为电信号；

2)主动式超声换能器的发射面紧贴被测对象的表面，将电信号转换成声信号，并通过被测对象的表面传输至被测对象的内部；

3)设置在被测对象内部的被动式超声换能器接收声信号，并将声信号转换成电信号传输至声表面波传感器；

4)声表面波传感器将电信号转换成声信号并在其表面传播，被测对象的内部物质或物理环境与在表面传播的声信号相互作用，引起声信号的改变；

5)声表面波传感器将携带有被测对象内部信息的声信号转换成电信号传输至内部的被动式超声换能器；

6)被动式超声换能器将声信号转换成电信号后发射出，主动式超声换能器接收声信号并将声信号转换成电信号传输至控制电路；

7)控制电路处理分析，提取出被测对象的信息。

其中，在步骤2)中，主动式超声换能器将电信号转换成声信号传输至被测对象的内部，具体包括以下步骤：

a)从控制电路发来的电信号传输至外部前压电层和外部后压电层，引起二者振动，将电信号转化为声信号；

b)远离发射面一端的外部高质量支撑结构保证振动时能量主要为向前，进而声信号为指定的向前传播；

c)设置在发射面上的外部声匹配层，使得声信号能量不衰减地传播至被测对象内部。

在步骤3)中，被动式超声换能器将声信号转换成电信号传输至声表面波传感器，具体包括以下步骤：

a)声匹配层使得来自主动式超声换能器声信号低衰减地传输至被动式超声换能器；

b)前压电层和后压电层感受到振动并将声信号转换为电信号；

c)电信号传输至声表面波传感器。

在步骤4)中，声表面波传感器与被测对象的内部物质或物理环境相互作用，具体包括以下步骤：

a)叉指电极将来自被动式超声换能器的电信号转换为声信号并在压电基底的表面传播；

b)位于压电基底表现的敏感层与被测对象内部的物质或物理环境相互作用，引起敏感层本身物理特性发生变化；

c)敏感层的物理特性发生改变导致声信号的波速或者共振频率发生相应的定量变化。

在步骤5)中，声表面波传感器将声信号转换成电信号传输至被动式超声换能器，具体包括以下步骤：

a)当叉指电极布置在压电基底上位于敏感层的两端时，检测到声信号中波速的变化；当叉指电极布置在压电基底的中间时，检测到声信号中共振频率的变化，从而声信号中携带有被测对象内部信息；

b)压电基底将携带有被测对象内部信息的声信号转化成电信号，传输至被动式超声换能器。

在步骤6)中，被动式超声换能器将声信号转换成电信号后发射出，主动式超声换能器接收声信号并将声信号转换成电信号传输至控制电路，具体包括以下步骤：

a)从声表面波传感器返回的携带有被测对象内部信息的电信号传输至内部前压电层和内部后压电层，引起二者振动，将电信号转化为声信号；

b)远离接收面一端的内部高质量支撑结构保证振动时能量主要为先前，进而声信号为指定的向前传播；

c)设置在接收面上的内部声匹配层，使得声信号低衰减地从被测对象传播至主动式超声换能器；

d)通过主动式超声换能器的外部声匹配层，外部前压电层和外部后压电层感受到振动并将声信号转换为电信号；

e)电信号传输至控制电路。

在步骤7)中，控制电路处理分析，提取出被测对象的信息，具体包括：控制电路的信号分析模块处理主动式超声换能器收到的声信号，通过监测返回的声信号中波峰之间的时间差，或者声信号的频谱特性来判断被测对象的内部物质的特征。

本发明的内部无源声学传感系统可以用于人体组织、油箱、水槽和核反应堆内部的物质含量或物理参数检测，在被测对象内部的部分是无需电源即可工作，因此可以实现长时间无害运行。

本发明使用一个特殊设计声学系统，实现了对内部物质信号的实时无源检测。本发明提供的方法中，被测对象内部的部分的器件无需电源供电，因此可以解决长时间持续工作的问题。与传统的基于电磁波传输的无源检测方法相比，本发明使用声信号作为内部能量供应和信号传输的载体，其优势在于：

1、电磁波在许多物质内部中有明显的衰减，2.45GHz电磁波在10cm的人体组织中衰减为75dB，单纯增大发射功率会导致电源发热等难题；而声波在人体内衰减低，1MHz声波在10cm的人体组织中衰减仅为10dB；

2、电磁波传播深度有限，2.5GHz～5GHz电磁波的趋肤深度低于2cm；而声波的传播深度可以到达10cm以上；

3、电磁波可能对人体有伤害，电磁波安全功率为10mW/cm²，世界卫生组织将电磁波归类为“可能致癌”；而声波对人体无害，其安全功率为720mW/cm²；

4、电磁波容易受到其他无线信号及医疗器械的干扰；人体内对通讯声波的干扰源十分有限，且声波还有指向性好，转换效率高的优势。

附图说明

图1为本发明的内部无源声学传感系统的示意图；

图2为本发明的内部无源声学传感系统中控制电路和主动式超声换能器布置在柔性基底上的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为剖面图；

图3为本发明的内部无源声学传感系统中主动式超声换能器和声表面波传感器的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为剖面图；

图4为本发明的内部无源声学传感系统的声表面波传感器的一个实施例的俯视图；

图5为本发明的内部无源声学传感系统用于检测HIV病毒时声表面波传感器的波速或共振频率与HIV病毒的含量的关系图。

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，本实施例的内部无源声学传感系统包括：控制电路1、主动式超声换能器2、被动式超声换能器3和声表面波传感器4；其中，控制电路1和主动式超声换能器2设置在被测对象5的外部，二者通过电线连接；主动式超声换能器2的发射面紧贴被测对象5的表面；被动式超声换能器3和声表面波传感器4设置在被测对象1内部，二者之间通过导线连接，被动式超声换能器3的接收面正对主动式超声换能器2的发射面。

如图2所示，控制电路1和主动式超声换能器2共同布置在外部柔性基底6上。

主动式超声换能器2包括外部声匹配层21、外部前压电层22、外部后压电层24、外部中心弹性层23和外部高质量支撑结构25；其中，在外部中心弹性层23的两个表面分别设置外部前压电层22和外部后压电层23，二者几何尺寸对称布置，外部前压电层22和外部后压电层23的极化方向相同；外部前压电层22的前表面为发射面，在外部前压电层的前表面设置外部声匹配层21；外部中心弹性层23放置在外部高质量支撑结构35上，并且外部高质量支撑结构25远离发射面；外部前压电层22和外部后压电层23连接至控制电路1。

如图3所示，被动式超声换能器3通过柔性可延展的导线8，与声表面波传感器4连接，被动式超声换能器3置于内部柔性基底7中。

被动式超声换能器3包括：内部声匹配层31、内部前压电层32、内部后压电层34、内部中心弹性层33和内部高质量支撑结构35；其中，在内部中心弹性层33的两个表面分别设置内部前压电层31和内部后压电层34，二者几何尺寸对称布置，内部前压电层32和内部后压电层34的极化方向相同；内部前压电层的前表面为接收面，在内部前压电层的前表面设置内部声匹配层；内部中心弹性层33放置在内部高质量支撑结构35上，并且内部高质量支撑结构远离接收面，接收面与主动式超声换能器的发射面相对；内部中心弹性层33与声表面波传感器4电学连接。

如图4所示，声表面波传感器4包括：压电基底41、敏感层42和叉指电极43；其中，压电基底41采用压电材料；敏感层42和叉指电极43分别设置在压电基底41上；叉指电极43布置在压电基底上位于敏感41层的两端。

本实施例中对HIV病毒的检测，说明本发明的声表面波传感器对体内生化信号的检测原理：

若被测对象是HIV病毒(人类免疫缺陷病毒)，则附着在敏感层42上的敏感物可以是与HIV病毒核糖核酸RNA特异性结合的互补RNA片段，也可以是与HIV病毒衣壳特异性结合的抗体，或是特殊的可与HIV病毒结合的宿主及蛋白结构。

当被测对象组织内或血液内有HIV病毒时，HIV的RNA和衣壳可以特异性的结合到敏感层42上，这一结合会定量的改变压电基底41中声波的速度，或者改变声表面波传感器4的共振频率。如图5所示，声表面波器波速或共振频率的改变量与HIV病毒的含量呈正比关系。

因此，从控制电路1接收到的信号，即可分析波束或者共振频率的改变量，进而给出HIV病毒的有无，以及其含量的具体数值，并可实现长时间的实时检测。

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。