柔性可穿戴式阵列探头及颅内成像系统的制作方法

1.本发明公开了一种柔性可穿戴式阵列探头及颅内成像系统，属于颅内成像技术领域
。


背景技术：

2.颅内成像技术是一种利用物理
、
电子
、
计算机等现代科学技术，对大脑的结构和功能进行观测和分析的技术
。
它在神经科学
、
医学
、
心理学等领域有重要的应用和价值
。
颅内成像技术的发展可以帮助我们深入了解大脑的工作原理，揭示认知
、
情感
、
行为等心理过程的神经基础，诊断和治疗各种神经系统疾病
。
颅内成像技术的发展也可以推动人工智能
、
脑机接口
、
类脑计算等新兴领域的创新和突破，为人类社会的进步和发展做出贡献
。
目前，颅内成像技术已经形成了多种不同的成像方法，各有其优势和局限
。
例如：脑电图
、
脑磁图
、
功能性近红外光谱
、
正电子发射断层扫描
、
核磁共振成像等
。
目前的颅内成像通常使用正电子发射断层扫描和核磁共振成像方法，这两种方法都可以应用于人体实验，能够提供全脑图像，但它们都需要昂贵
、
复杂且体积庞大的设备，限制了其普及和全面应用
。
3.近年来，研究人员提出了一种超声颅内功能成像的方法，超声颅内功能成像是一种无损神经科学成像方法，它具有高时间
/
空间分辨率
、
高对比度
、
便携和无创的特性，可提供清晰和详细的大脑结构和功能成像
。
4.现有技术中超声颅内功能成像的方法主要是经颅多普勒超声
(transcranial doppler
，
tcd)。
但目前的
tcd
方法主要观测的是大脑的血流或血容量变化，而不是神经元的活动，因而需要通过神经血管耦合机制来推断大脑功能活动
。tcd
检查还受到操作者技术的影响，其主要缺陷是操作者不能看到颅内血管的走行及血管与超声束之间的角度，降低了血流速度重复测量的准确性
。
总体而言，经颅多普勒超声的失败率为
2.7
％～5％
。
其原因为部分检测者的颅骨增厚
、
动脉迂曲
、
动脉移位等
。
综上，传统的超声多普勒血流成像的主要局限性在于不够灵敏，无法检测出小血管的低速血流，而发生血液动力学反应的主要是小血管
。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于，提供一种柔性可穿戴式阵列探头及颅内成像系统，以解决现有技术中经颅多普勒超声存在的灵敏度低，无法检测小血管的低速血流，导致的颅内成像结果不精确的技术问题
。
6.本发明的第一方面提供了一种柔性可穿戴式阵列探头，包括由多个阵列排布的传感单元组成的柔性传感阵列
、
半球形的支撑外壳和固定带；
7.所述柔性传感阵列固定设置于所述支撑外壳内，用于向待测生物组织发送超声波信号，并接收所述待测生物组织返回的超声波信号；
8.每个所述传感单元包括一个接收模块和围绕所述接收模块设置的m个发射模块，所述接收模块与每一个所述发射模块柔性连接；
9.相邻两个所述传感单元之间共用一个发射模块；
10.所述固定带与所述支撑外壳连接，用于将所述支撑外壳固定在所述待测生物组织上
。
11.优选地，所述接收模块包括敏感层和光纤传感单元；
12.所述敏感层设置于所述光纤传感单元的端口上，用于接收所述待测生物组织返回的超声波信号，所述超声波信号通过敏感层的弹光效应对所述光纤传感单元中传输的激光进行折射率调制
。
13.优选地，还包括连接器，所述连接器内包括导线对接头和光纤接口；
14.所述导线对接头与所述发射模块连接；
15.所述光纤接口与所述光纤传感单元连接
。
16.优选地，还包括缓冲层；
17.所述缓冲层设置于所述支撑外壳与所述柔性传感阵列之间
。
18.优选地，还包括喉箍；
19.所述喉箍的箍体与所述缓冲层相接，喉箍的螺丝扣设置于所述支撑外壳的外部
。
20.本发明的第二方面提供了一种颅内成像系统，包括信号发生器
、
光源发生器
、
光信号解调器成像单元和上述柔性可穿戴式阵列探头；
21.所述信号发生器与发射模块连接，用于产生激励电信号，使所述发射模块产生超声波信号；
22.所述光源发生器与所述接收模块连接，用于向所述接收模块提供激光，所述激光被所述待测头部返回的超声波信号调制；
23.所述光信号解调器与所述接收模块连接，用于从所述激光上解调折射率变化，从而得到所述待测头部返回的超声波信号对应的电信号；
24.所述成像单元与所述光信号解调器连接，用于根据所述电信号生成颅内图像
。
25.优选地，所述成像单元包括控制设备和显示器；
26.所述控制设备与所述光信号解调器连接，用于根据所述电信号生成颅内图像；
27.所述显示器与所述控制设备连接，用于显示所述颅内图像
。
28.优选地，还包括功率放大器；
29.所述功率放大器设置于所述信号发生器和所述发射模块之间，用于对所述激励电信号进行功率放大，并传输至所述发射模块
。
30.优选地，所述光源发生器与所述接收模块通过多模光纤连接
。
31.优选地，所述光源发生器为半导体激光器，所述半导体激光器发射的激光的波长为
1550nm。
32.本发明的柔性可穿戴式阵列探头及颅内成像系统，相较于现有技术，具有如下有益效果：
33.本发明的柔性传感阵列可与待测生物组织曲面紧密贴合，有效降低了超声在空气和骨头中的衰减和反射，提高了超声能量的利用率和信噪比，实现超声的高效激发
、
传输与高灵敏度接收，提高成像质量和分辨率，可以对生物颅脑等待测生物组织进行高效
、
安全
、
无创的超声成像，以颅脑成像为例，可实现大脑结构和功能的可视化，如脑血流
、
脑氧饱和度
、
神经元活动等，为研究大脑认知机制
、
诊断神经退行性疾病
、
评估脑损伤程度等提供了
新的手段
。
附图说明
34.图1为本发明实施例中柔性可穿戴式阵列探头的结构示意图；
35.图2为本发明实施例中一个传感单元的结构示意图；
36.图3为本发明实施例中发射模块的结构示意图；
37.图4为本发明实施例中接收模块的结构示意图；
38.图5为本发明实施例中颅内成像系统的结构示意图
。
39.图中，1为柔性传感阵列；
11
为接收模块；
111
为第二背衬；
112
为微纳光纤；
113
为敏感层；
114
为匹配层；
12
为发射模块；
121
为压电薄膜；
122
为上电极；
123
为下电极；
124
为第一背衬；
13
为柔性电路；
14
为柔性衬底；2为支撑外壳；
31
为带体；
32
为插扣；4为连接器；5为缓冲层；6为喉箍；7为螺口；8为信号发生器；9为光源发生器；
10
为光信号解调器；
11
为控制设备；
12
为显示器；
13
为功率放大器；
14
为数据线；
15
为光信号线；
16
为复合缆线；
17
为柔性可穿戴式阵列探头；
18
为可移动立式平台
。
具体实施方式
40.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构
、
技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例
。
然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明
。
在其它情况中，省略对众所周知的系统
、
装置
、
电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述
。
41.本发明的第一方面提供了一种柔性可穿戴式阵列探头
17
，如图1所示，包括由多个阵列排布的传感单元组成的柔性传感阵列
1、
半球形的支撑外壳2和固定带；
42.其中柔性传感阵列1固定设置于支撑外壳2内，用于向待测生物组织发送超声波信号，并接收待测生物组织返回的超声波信号；
43.每个传感单元包括一个接收模块
11
和围绕接收模块
11
设置的m个发射模块
12
，接收模块
11
与每一个发射模块
12
柔性连接，如图2所示；
44.相邻两个传感单元之间共用一个发射模块
12
；
45.固定带与支撑外壳2连接，用于将支撑外壳2固定在待测生物组织上
。
46.本发明实施例每个传感单元的发射模块
12
的数量可为多个，示例性地，图2中包括四个发射模块
12
，每个发射模块
12
与接收模块
11
通过柔性件连接，其中柔性件包括柔性衬底
14
和设置于柔性衬底
14
上的柔性电路
13。
47.本发明的柔性传感阵列1可与待测生物组织曲面紧密贴合，有效降低了超声在空气和骨头中的衰减和反射，提高了超声能量的利用率和信噪比，实现超声的高效激发
、
传输与高灵敏度接收，提高成像质量和分辨率，可以对生物颅脑等待测生物组织进行高效
、
安全
、
无创的超声成像，以颅内成像为例，可实现大脑结构和功能的可视化，如脑血流
、
脑氧饱和度
、
神经元活动等，为研究大脑认知机制
、
诊断神经退行性疾病
、
评估脑损伤程度等提供了新的手段
。
48.本发明可以通过调节阵列探头的形状
、
尺寸
、
排列方式等参数，适应不同个体的头型和不同部位的成像需求，增加了系统的灵活性和适应性
。
具有结构简单
、
价格低廉
、
便携
易用等优点
。
49.示例性地，本发明的发射模块
12
的结构如图3所示，包括压电薄膜
121、
第一背衬
124、
上电极
122
和下电极
123
；压电薄膜
121
设置于第一背衬
124
上，用于产生超声波信号；上电极
122
和下电极
123
分别设置于压电薄膜
121
的两侧表面
。
50.其中第一背衬
124
是柔性背衬，其材质可以为聚酰亚胺
。
51.本发明的压电薄膜
121
的激励电信号来源于外部的信号发生器，信号发生器与压电薄膜
121
通过上电极
122
和下电极
123
连接，压电薄膜
121
用于在激励电信号的作用下产生向待测生物组织发射的超声波信号
。
52.其中，压电薄膜
121
的材质为聚偏氟乙烯
。
聚偏氟乙烯生物相容性好，使用时，可直接贴合在待测生物组织上，无需使用耦合剂
。
另外聚偏氟乙烯声阻抗与人体组织相近，工作频带宽，压电系数高，从而最大程度的保证了高效率超声发射的实现
。
53.本发明的接收模块
11
如图4所示，包括敏感层
113
和光纤传感单元；
54.敏感层
113
设置于光纤传感单元的端口上，用于接收待测生物组织返回的超声波信号，对光纤传感单元中传输的激光进行调制
。
55.其中光纤传感单元包括第二背衬
111、
微纳光纤
112
和匹配层
114
；
56.敏感层
113
设置于微纳光纤
112
的端口上，用于接收待测生物组织返回的超声波信号，通过弹光效应使微纳光纤
112
上传输的激光产生折射率变化；
57.带有敏感层
113
的微纳光纤
112
设置于第二背衬
111
上；
58.匹配层
114
设置于带有敏感层
113
的微纳光纤
112
上，并与第二背衬
111
相接，从而将带有敏感层
113
的微纳光纤
112
封装在第二背衬
111
上
。
59.本发明的敏感层
113
和匹配层
114
均为聚二甲基硅氧烷弹性薄膜，聚二甲基硅氧烷具有低杨氏模量
、
优异的透气性
、
化学稳定性
、
热稳定性
、
低温柔韧性
(
在-60
～
200℃
下表现优异
)、
全透明性和生物相容性等优点，可准确接收待测生物组织返回的超声波信号对微纳光纤
112
中传输的激光进行调制
。
微纳光纤
112
具有较强的倏逝场，制成的接收模块可响应范围大
、
灵敏度高，使得利用其制备的柔性可穿戴式阵列探头
17
具有灵敏度高
、
分辨率高
、
抗电磁干扰
、
结构简单等优点
。
60.其中第二背衬
111
的制备方法为：
61.步骤
1、
获取背衬材料，背衬材料包括环氧树脂胶粘剂和钨粉，其中钨粉的体积占背衬材料体积的
13
～
40
％，相应的，环氧树脂胶粘剂的体积占背衬材料体积的
60
～
87
％
。
62.步骤
2、
将钨粉添加至环氧树脂胶粘剂中进行搅拌，得到表面包覆有环氧树脂的钨粉颗粒
。
其中环氧树脂的耐温范围为-45℃
～
245℃。
63.其中钨粉颗粒外表面的环氧树脂的密度为
2.5
～
3.5g/cm3。
64.步骤
3、
将复合颗粒装入模具，利用热压机在
40
～
80℃
下对模具内的复合颗粒进行热压，得到第二背衬
111。
65.本发明的第二背衬
111
为刚性背衬，其声阻抗和声衰减均较高，声阻抗可达
15
～
17mrayls、
声衰减可达
83
～
93db/cm/mhz
，同时具有宽工作温区，可提升接收模块
11
接收超声波信号的准确性
。
66.本发明的柔性可穿戴式阵列探头
17
还包括连接器4，连接器4内包括导线对接头和光纤接口；导线对接头与发射模块
12
和外部的信号发生器连接；光纤接口与光纤传感单元
和外部的光信号解调器
、
光源发生器连接
。
67.示例性地，连接器4设置于支撑外壳2的顶部
。
为避免柔性传感阵列1的碰撞损坏，本发明的柔性可穿戴式阵列探头
17
还包括缓冲层5；
68.缓冲层5设置于支撑外壳2与柔性传感阵列1之间，缓冲层5的材质可为硅胶
。
69.为固定缓冲层5，本发明还设置了喉箍6；
70.喉箍6的箍体与缓冲层5相接，喉箍6的螺丝扣与支撑外壳2上的螺口7对准，设置于支撑外壳2的外部
。
在支撑外壳2的外部调整螺丝扣即可调节喉箍6的松紧度
。
71.本发明的固定带包括带体
31
和插扣
32
，带体
31
的材质为涤纶，插扣
32
为聚乙烯插扣，通过插扣
32
调节带体的长度与固定
。
72.本发明的第二方面提供了一种颅内成像系统，如图5所示，包括信号发生器
8、
光源发生器
9、
光信号解调器
10、
成像单元和上述柔性可穿戴式阵列探头
17
；
73.信号发生器8通过复合缆线
16
中的数据线
14
经由连接器4的导线对接头与发射模块
12
连接，用于产生激励电信号，使发射模块
12
产生超声波信号；
74.光源发生器9通过复合缆线
16
中的光信号线
15
与接收模块
11
连接，用于向接收模块
11
提供激光，激光被待测头部返回的超声波信号调制；
75.光信号解调器
10
通过复合缆线
16
与接收模块
11
连接，用于从激光上解调折射率变化，从而得到待测头部返回的超声波信号对应的电信号；
76.成像单元与光信号解调器
10
连接，用于根据电信号生成颅内图像
。
77.本发明的颅内成像系统的成像单元包括控制设备
11
和显示器
12
；
78.控制设备
11
与光信号解调器
10
连接，用于根据电信号生成颅内图像；
79.显示器
12
与控制设备
11
连接，用于显示颅内图像
。
80.本发明通过光信号解调器
10
和控制设备
11
内的数据处理与成像软件连接，将超声波信号转换为光信号，并进行颅内成像和显示，方便操作者观测和分析
。
这些特点使得本发明在神经科学和颅内疾病的诊断和治疗方面具有重要的应用价值
。
81.本发明的颅内成像系统还包括功率放大器
13
；
82.功率放大器
13
设置于信号发生器8和发射模块
12
之间，用于对激励电信号进行功率放大，并传输至发射模块
12。
83.本发明实施例中的光信号线
15
包括多根多模光纤连接，光源发生器9通过多根多模光纤与每一个接收模块
11
连接
。
84.本发明实施例中光源发生器9为半导体激光器，半导体激光器发射的激光的波长为
1550nm。
该波长的激光可提高微纳光纤的传输精度
。
85.本发明的颅内成像系统装载在可移动的立式平台
18
上，以便于使用
。
86.本发明颅内成像系统的工作过程为：
87.首先通过信号发生器8与功率放大器
13
选择激励柔性可穿戴式阵列探头
17
的电信号的模式与强度，阵列探头产生响应向生物颅内内部发射对应的超声波信号，与之同时光源发生器9通过光信号线向柔性可穿戴式阵列探头
17
中的光纤传输
1550nm
波长的激光
。
再利用柔性可穿戴式阵列探头
17
的接收模块
11
模块接收超声波信号，通过弹性光学效应使光纤中传输的激光折射率发生变化，并使用光信号解调器
10
解调并转换为电信号，经数据线
14
将电信号传输到主机
(
控制设备
11)
，由主机上装载的数据处理与成像软件完成颅内成
像，并最终显示在显示器
12
上
。
88.本发明的颅内成像系统具有成像质量佳和分辨率高等优点
。
89.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内
。