专利名称：一种用于生物组织三维成像的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物医学测量和医疗器械技术领域，具体涉及一种用于生物组织 三维成像装置。
背景技术：
热声成像是一种基于生物组织内部微波吸收差异和以超声作为媒介的无损生物 医学影像技术，它有效的结合了纯微波成像的高对比度和纯声学成像的高穿透深度的优 点，可实现厘米量级探测深度和微米量级成像精度的组织影像，被认为将发展为新一代的 医学成像技术，成为非常有效的乳腺癌和其它组织病变的早期诊断方法。目前热声成像系 统的系统普遍采用单个宽带换能器，通常360°全方位的步进旋转机械扫描，以获得不同方 向的热声信号，再经复杂算法重建出组织的微波吸收分布，具有系统结构复杂稳定性差、计 算量大、耗费时间长等缺点，在实际应用中显然存在相当大的局限性，无法满足实际临床的 需求。
发明内容本实用新型的目的是提供一种用于生物组织三维成像装置，利用所述装置可以快 速、准确地实现生物组织的三维热声成像。为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案一种生物组织三维成像装置，包括热声激发与传感单元，信号控制与处理单元。所述热声激发与传感单元包括圆形齿轮、一个或一个以上弧形超声阵列、内装有 超声耦合液的碗状弧形外壳、保护膜、喇叭天线、波导管和微波发生器。所述碗状弧形外壳 的顶部外壁定位同心安装所述圆形齿轮，碗状弧形外壳的侧壁从顶部到底部镶嵌弧度与碗 状弧形外壳相匹配的所述弧形超声阵列，碗状弧形外壳的底部与所述保护膜密封结合；保 护膜的下方装有所述喇叭天线。所述波导管一端与喇叭天线底部连接，另一端与所述微波 发生器连接。碗状弧形外壳的下沿与喇叭天线的上沿转动连接。所述信号控制与处理单元由分频器、数据采集电路、预处理电路、步进电机、驱动 器、数字I/O卡、计算机和显示器组成。所述圆形齿轮与步进电机啮合连接。所述计算机、数字I/O卡、驱动器与步进电机 依次导线连接。所述数字I/O卡还与预处理电路、弧形超声阵列依次导线连接。所述数据 采集电路分别与分频器、预处理电路和计算机导线连接。所述计算机还和显示器导线连接。 所述分频器与所述微波发生器导线连接。作为本实用新型的一种实施例，所述碗状弧形外壳从顶部到底部镶嵌一个所述弧 形超声阵列。在检测时，碗状弧形外壳需要至少围绕被测乳腺旋转180度，才可获得完备数 据的三维热声图像，耗时比较长。作为本实用新型的另一种实施例，所述碗状弧形外壳从顶部到底部镶嵌三个或三 个以上所述弧形超声阵列。碗状弧形外壳围绕被测乳腺旋转较小的角度，即可获得完备数
4据的三维热声图像；但由于采用了多个弧形超声阵列，成本较高。本实用新型优选的实施例是，所述碗状弧形外壳从顶部到底部镶嵌两个所述弧形 超声阵列。本实用新型更优选的是两个所述弧形超声阵列夹角为90度地镶嵌在碗状弧形 外壳上。该优选的装置在检测时，碗状弧形外壳围绕被测乳腺旋转90，即可获得完备数据的 三维热声图像；检测耗时短，成本合理。当然，本领域技术人员应当理解，在实际检测不需要完备数据的情况下，上述碗状 弧形外壳只需围绕被测乳腺旋转更小的角度。为了防止检测时碗状弧形外壳中的超声耦合液流出，上述热声激发与传感单元还 包括一个与碗状弧形外壳顶部内壁密封结合的圆环状弹性密封圈，所述弹性密封圈可以采 用如橡胶、硅胶等弹性材料制成，密封圈的内径小于被测乳腺的直径。本实用新型的一种实施例中，仅包括一个所述热声激发与传感单元和一个所述信 号控制与处理单元，所述装置特别适用于单侧乳房的检测。本实用新型所述装置的另一种实施例中，包括两个所述热声激发与传感单元和一 个所述信号控制与处理单元。所述信号控制与处理单元中的分频器同时和两个热声激发与 传感单元中的微波发生器导线连接；信号控制与处理单元中的步进电机和两个热声激发与 传感单元中的圆形齿轮有两种连接方式1) 一个步进电机同时和两个圆形齿轮啮合连接， 则两个碗状弧形外壳同步转动；2)两个圆形齿轮分别和两个步进电机啮合连接，两个所述 步进电机同时和所述驱动器导线连接，这种连接方式下两个碗状弧形外壳可以独立转动。 所述装置特别适用于双侧乳房的检测。本实用新型所述装置还可以包括主要由工作台构成的固定单元，所述工作台上有 一个或两个圆心共轴的圆形通孔，每一个所述圆形通孔的正下方是一个所述热声激发与传 感单元，所述圆形齿轮与工作台转动连接。病人可以俯卧在工作台上接受单侧或双侧乳腺 的热声检测。本实用新型所述每个弧形超声阵列可以含有512、256或128个阵元，阵元之间的 刻缝宽为0. 03mm。本实用新型的工作过程是1)被测生物组织，如乳腺、颅脑等，由弧形外壳的上端开口进入并浸没于超声耦合 液中，开启无损普查装置；2)微波发生器激发产生1. 2GHz的脉冲微波耦合进入波导管，经喇叭天线透过保 护膜辐射在被测生物组织上激发出热声信号，同时经分频器分频的脉冲微波触发数据采集 电路；弧形超声阵列接收热声信号，将其转化为电信号并经过预处理电路处理后，由数据采 集电路采集进计算机；3)采集完一次热声信号后，计算机通过数字I/O卡发出数字信号到驱动器，驱动 步进电机实现一次步进转动，同时通过圆形齿轮带动弧形超声阵列围绕被测生物组织转动 到下一个位置；4)重复步骤2禾口 3 ；5)当旋转扫描接收到足够多方位的热声信号后，计算机通过计算重建出被测生物 组织的三维热声图像，由显示器实时显示或后续打印等处理。本实用新型的有益效果是
5[0025](1)本实用新型将三维热声成像的激发与传感一体化处理，有效的实现了系统结 构的小型化和实用化。系统便携性好且操作简便。(2)本实用新型采用的凹弧形结构的超声阵列具有振元密度高、定位精确和机械 加工简便等优点，可有效提高成像的空间分辨率和时间分辨率，快速、准确地实现生物组织 的三维热声成像，特别适用于早期乳腺癌和颅脑损伤的检测。(3)只需进行一个方向的旋转扫描即可实现三维热声成像，有效提高了系统的机 械稳定性和操作简便。(4)本实用新型的传感装置为可做圆周扫描的凹弧形结构，除乳腺、颅脑外，可广 泛应用于不规则凸出结构的生物组织或小动物的发育与病变检测等三维医学成像领域。
图1为实施例1的主要结构示意图。图2为图1所示实施例的热声激发与传感单元的结构示意图。图3为图2所示不含微波发生器的热声激发与传感单元的俯视图。图4为图2所示不含微波发生器的热声激发与传感单元的仰视图。图5为实施例2的固定单元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作具体说明，本领域技术人员应当理解本实用新型所 述装置的尺寸并不限于下述实施例，可以根据实际情况进行调整，但都在本实用新型保护 的范围内实施例1 一种用于乳腺三维成像的装置本实施例的结构如图1-4所示，各元件的名称为1.圆形齿轮、2.弧形超声阵 列、3.碗状弧形外壳、4.超声耦合液、5.保护膜、6.喇叭天线、7.波导管、8.微波发生器、 9.弹性密封圈、10.分频器、11.数据采集电路、12.预处理电路、13.步进电机、14.驱动器、 15.数字I/O卡、16.计算机、17.显示器。其中微波发生器10选用中国兵器工业第二零六研究所的BW-1200HPT，可发射频 率为1. 2GHz的脉冲微波，脉宽为0. 5或Ius可选；数据采集电路11为8通道同步采样通道 的高速数字化仪PCI_5105(NI，美国)；弧形超声阵列2为广州多浦乐电子科技有限公司最 新推出的基于1-3复合材料的医用传感器产品。本实施例包括热声激发与传感单元，信号控制与处理单元。热声激发与传感单元由圆形齿轮1、弧形超声阵列2、内装有超声耦合液4的碗状 弧形外壳3、保护膜5、喇叭天线6、波导管7、微波发生器8和圆环状的弹性密封圈9组成。 弧形外壳3两端开口，其顶部直径为30cm，底部直径为5cm。圆形齿轮1定位同心安装在弧 形外壳3的顶部外壁，圆形齿轮1加工的齿数为48，采用步进电机13带动完成一个圆周扫 描至少需要48个脉冲。圆环状弹性密封圈9与碗状弧形外壳3的顶部内壁密封结合。碗 状弧形外壳3的侧壁从顶部到底部镶嵌两个弧度与弧形外壳3相匹配、夹角为90度的弧形 超声阵列2。每个弧形超声阵列2含有128个阵元，阵元之间的刻缝宽为0. 03mm，其中心频 率为2. 5MHz，相对带宽为75%，面积为lOOmmXIOmmXO. 8mm。保护膜5与碗状弧形外壳3
6的底部密封结合。弧形外壳3内装有超声耦合液4。喇叭天线6位于保护膜5下方，波导 管7 —端与喇叭天线6底部连接，另一端与微波发生器8连接。碗状弧形外壳3下沿与喇 叭天线6的上沿转动连接。信号控制与处理单元由分频器10、数据采集电路11、预处理电路12、步进电机13、 驱动器14、数字I/O卡15、计算机16和显示器17组成。所述圆形齿轮1与步进电机13啮合连接。所述计算机16、数字I/O卡15、驱动器 14与步进电机13依次导线连接。所述数字I/O卡15还与预处理电路12、弧形超声阵列2 依次导线连接。所述数据采集电路11分别与分频器10、预处理电路12和计算机16导线连 接。所述计算机16还和显示器17导线连接。所述分频器10与所述微波发生器8导线连接。本实施例适用于单侧乳腺的热声三维成像，具体操作步骤为1)被测乳腺由弧形外壳3的上端开口进入并浸没于超声耦合液4中，开启所述装 置；2)微波发生器8激发产生1. 2GHz的脉冲微波耦合进入波导管7，经喇叭天线6透 过保护膜5辐射在被测乳腺上激发出热声信号，同时经分频器10分频的脉冲微波触发数据 采集电路11 ；弧形超声阵列2接收热声信号转化为电信号并经过预处理电路12后，由数据 采集电路11采集进计算机16;3)采集完一次热声信号后，计算机16通过数字I/O卡15发出数字信号到驱动器 14，驱动步进电机13实现一次步进转动，同时通过圆形齿轮1带动弧形超声阵列2围绕被 测乳腺转动到下一个位置；4)重复步骤2禾口 3 ；5)当旋转扫描接收到足够多方位的热声信号后，计算机16通过计算重建出被测 乳腺的三维热声图像，由显示器17实时显示或后续打印等处理。实施例2 —种用于双侧乳腺三维成像的装置本实施例的结构与实施例1相似，不同之处在于1)还包括主要由工作台18构成的固定单元。工作台18上有两个圆心共轴的圆形 通孔19，每个所述圆形通孔19的正下方是一个所述热声激发与传感单元，每个热声激发与 传感单元中的圆形齿轮1都与工作台18转动连接。2) 一个步进电机13同时与两个热声激发与传感单元中的圆形齿轮1啮合连接。3) 一个分频器10同时与两个热声激发与传感单元中的微波发生器8的导线连接。4)每个热声激发与传感单元中，一个弧度与碗状弧形外壳3相匹配的弧形超声阵 列2镶嵌固定在弧形外壳的侧壁；所述弧形超声阵列2含有512个阵元，阵元之间的刻缝宽 为0. 03mm，其中心频率为2. 5MHz，相对带宽为75%，面积为IOOmmX IOmmX0. 8mm。该装置的操作步骤与实施例1所述步骤相同，两个碗状弧形外壳同步转动。实施例3 —种用于双侧乳腺三维成像的装置本实施例的结构与实施例2相似，不同之处在于每个热声激发与传感单元中的圆形齿轮1分别与一个步进电机13啮合连接。两 个步进电机同时和驱动器14导线连接。每个碗状弧形外壳3的侧壁镶嵌固定两个夹角为 90度的弧形超声阵列2，每个所述弧形超声阵列2含有256个阵元，阵元之间的刻缝宽为
70. 03mm，其中心频率为2. 5MHz，相对带宽为75%，面积为80mmX IOmmXO. 8mm。该装置的操作步骤与实施例1所述步骤相同，两个碗状弧形外壳可以独立转动， 对有病变怀疑的乳腺则可以进行更多的扫描。实施例4 一种用于颅脑三维成像的装置本实施例的结构与实施例1相似，不同之处在于热声激发与传感单元中，碗状弧形外壳的直径为70cm，三个弧度与碗状弧形外壳 3相匹配的弧形超声阵列2圆周对称地固定在弧形外壳的外壁；所述弧形超声阵列2含有 256个阵元，阵元之间的刻缝宽为0. 03mm，其中心频率为3. 5MHz，相对带宽为75%，面积为 80mmX IOmmXO. 8mm。该装置的操作步骤与实施例1所述步骤相同。
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权利要求一种用于生物组织三维成像的装置，其特征在于包括热声激发与传感单元，信号控制与处理单元；所述热声激发与传感单元包括圆形齿轮(1)、一个或一个以上弧形超声阵列(2)、内装有超声耦合液(4)的碗状弧形外壳(3)、保护膜(5)、喇叭天线(6)、波导管(7)和微波发生器(8)；所述碗状弧形外壳(3)的顶部外壁定位同心安装所述圆形齿轮(1)，碗状弧形外壳(3)的侧壁从顶部到底部镶嵌弧度与碗状弧形外壳(3)相匹配的所述弧形超声阵列(2)，碗状弧形外壳(3)的底部与所述保护膜(5)密封结合；保护膜(5)的下方装有所述喇叭天线(6)，所述波导管(7)一端与喇叭天线(6)底部连接、另一端与所述微波发生器(8)连接；碗状弧形外壳(3)的下沿与喇叭天线(6)的上沿转动连接；所述信号控制与处理单元由分频器(10)、数据采集电路(11)、预处理电路(12)、步进电机(13)、驱动器(14)、数字I/O卡(15)、计算机(16)和显示器(17)组成；所述圆形齿轮(1)与步进电机(13)啮合连接；所述计算机(16)、数字I/O卡(15)、驱动器(14)与步进电机(13)依次导线连接，所述数字I/O卡(15)还与预处理电路(12)、弧形超声阵列(2)依次导线连接，所述数据采集电路(11)分别与分频器(10)、预处理电路(12)和计算机(16)导线连接，所述计算机(16)还和显示器(17)导线连接，所述分频器(10)与所述微波发生器(8)导线连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述碗状弧形外壳(3)的侧壁从顶部到 底部镶嵌一个所述弧形超声阵列(2)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述碗状弧形外壳(3)的侧壁从顶部到 底部镶嵌两个所述弧形超声阵列(2)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述两个弧形超声阵列(2)的夹角为90度。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述碗状弧形外壳(3)的侧壁从顶部到 底部镶嵌三个或三个以上所述弧形超声阵列(2)。
6.根据权利要求1至5任一所述的装置，其特征在于所述热声传感单元还包括一个 与碗状弧形外壳(3)顶部内壁密封结合的圆环状弹性密封圈(9)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述装置包括一个所述热声激发与传感 单元和一个所述信号控制与处理单元。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于还包括主要由工作台(18)构成的固定单 元，所述工作台(18)上有一个圆形通孔(19)，所述圆形通孔(19)的正下方是所述热声激发 与传感单元，所述圆形齿轮(1)与工作台(18)转动连接。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述装置包括两个所述热声激发与传感 单元和一个所述信号控制与处理单元；所述信号控制与处理单元中的分频器(10)同时和 两个热声激发与传感单元中的微波发生器(8)导线连接；信号控制与处理单元中的步进电 机(13)同时和两个热声激发与传感单元中的圆形齿轮(1)啮合连接，或者两个所述圆形 齿轮(1)分别和两个步进电机(13)啮合连接，两个所述步进电机(13)同时和所述驱动器 (14)导线连接。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于还包括主要由工作台(18)构成的固定 单元，所述工作台(18)上有两个圆心共轴的圆形通孔(19)，每个所述圆形通孔(19)的正下方是一个所述热声 激发与传感单元，所述圆形齿轮(1)与工作台(18)转动连接。
专利摘要本实用新型公开了一种用于生物组织三维成像的装置，它主要由圆形齿轮、弧形超声阵列、碗状弧形外壳、超声耦合液、保护膜、喇叭天线、波导管、微波发生器、分频器、数据采集电路、预处理电路、步进电机、驱动器、数字I/O卡、计算机、显示器组成。该装置的工作过程是被测组织经脉冲微波辐射产生热声信号，由弧形超声阵列接收并最终被采集进计算机；驱动器带动弧形超声阵列围绕被测生物组织转动到下一个位置；重复采集-转动的步骤，直至接收到足够多方位的热声信号，计算机通过计算重建出被测组织的三维热声图像。本实用新型可以快速、准确地实现生物组织的三维热声成像，特别适用于早期乳腺癌和颅脑损伤的检测。
文档编号A61B8/00GK201624674SQ20102014690
公开日2010年11月10日 申请日期2010年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者刘国栋, 徐景坤, 曾吕明, 杨迪武 申请人:江西科技师范学院