一种可用于体内组织/器官应变监测的超声监测系统技术方案

本发明专利技术属于声学、医学和超材料交叉领域，公开了一种可用于体内组织/器官应变监测的超声监测系统，其中传感器包括材料声速互不相同的第一材料和第二材料，第二材料呈周期性排列；该传感器用于固定在被监测的体内组织/器官表面，能够在超声波条件下进行传感；当体内组织/器官发生应变时，通过检测超声回波的变化，即可实现对体内组织/器官应变的监测。本发明专利技术通过对传感器的结构及其组成进行改进，利用2种材料声速不同的材料并基于周期性结构得到基于超构材料的柔性传感器，配合超声探头，即可实现对体内组织/器官应变的监测，能够有效克服现有的体内组织/器官应变监测需借助大型成像设备，无法进行长期实时监测等不足。无法进行长期实时监测等不足。无法进行长期实时监测等不足。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于体内组织/器官应变监测的超声监测系统


[0001]本专利技术属于声学、医学和超材料交叉领域，更具体地，涉及一种可用于体内组织/器官应变监测的超声监测系统。

技术介绍

[0002]人体内有许多柔软的器官和组织在正常生理过程中会有很大的形变，例如心脏搏动，肠胃蠕动，肌腱和韧带在运动过程中的拉伸和收缩等等。对这些器官或组织形变的检测，可以反映人体的器官生理机能是否正常，人体的健康状态，手术后的康复情况等。目前临床上对体内器官和组织的动态监测，尚无有效的连续监测手段，一般依赖于B超，CT，MRI等大型成像设备，帮助医生判断患者的健康状态，术后康复程度。医学上急需一种低成本，生物友好，稳定可靠，可以长期连续监测体内器官应变的植入性传感器。
[0003]而传统声学超构材料以刚性材料为主，例如周期性设计的钢柱等。现有技术中使用纯柔性材料制造的声学超构材料较为少见，更不用说如何实际应用纯柔性材料制造的声学超构材料。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种可用于体内组织/器官应变监测的超声监测系统，其中通过对传感器的结构及其组成进行改进，利用2种材料声速不同的材料并基于周期性结构得到基于超构材料的柔性传感器(材料声速较高一者的声速是较低的另一者的2倍以上，具有显著声速差异；第一材料为柔性材料、作为基体)，配合超声探头，即可实现对体内组织或体内器官应变的监测，能够有效克服现有的体内组织/器官应变监测需借助大型成像设备，无法进行长期实时监测等不足。
>[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种可用于体内组织/器官应变监测的传感器，其特征在于，该传感器包括材料声速互不相同的第一材料和第二材料；其中，第一材料为柔性可变形材料，所述第二材料分布在第一材料内、且呈周期性排列，周期性排列的层数为至少3层；第一材料和第二材料中，材料声速较大者的材料声速是材料声速较小者材料声速的至少2倍；
[0006]该传感器用于固定在被监测的体内组织或体内器官表面，能够在超声波条件下进行传感，入射超声波将先入射至第一层第二材料、再入射至第二层第二材料、然后再入射至第三层第二材料；当体内组织或体内器官发生应变时，所述传感器也随之发生形变，从而能够引起超声回波的变化；通过检测超声回波的变化，即可实现对体内组织或体内器官应变的监测。
[0007]作为本专利技术的进一步优选，所述第二材料为空气，相应的，所述传感器包括片状柔性材料基体以及密封在该基体内的、呈周期性排列的空气孔(1)。
[0008]作为本专利技术的进一步优选，所述空气孔(1)为圆柱孔、多边形棱柱孔或椭圆柱孔；优选为圆柱孔。
[0009]作为本专利技术的进一步优选，在所述片状柔性材料基体的两端还设置有黏附层(3)；所述黏附层(3)优选为壳聚糖黏附层。
[0010]作为本专利技术的进一步优选，对于周期性排列的第二材料，相邻两层的第二材料区域之间的中心间距a为0.3mm至20mm；单层第二材料区域的厚度d小于中心间距a；
[0011]所述超声回波具体为反射超声。
[0012]作为本专利技术的进一步优选，对于单层第二材料，任意一个第二材料区域的横向宽度h大于中心间距a。
[0013]按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种可用于体内组织/器官应变监测的超声监测系统，包括配合使用的超声探头(4)和上述的传感器。
[0014]按照本专利技术的又一方面，本专利技术提供了上述传感器在制备体内组织或体内器官应变监测用医用产品中的应用。
[0015]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术利用至少两种材料声速不同的材料，基于周期性结构，得到基于超构材料的传感器，该传感器固定在被监测的体内组织或体内器官表面，能够随贴附组织的形变而产生相应的应变，进而影响传感器的超声回波；如此通过检测回波，即可监测体内组织或体内器官的应变，为后续判断体内组织或体内器官的工作/恢复状态提供依据。
[0016]本专利技术通过将第二材料周期性排列在第一材料中由此得到具有特征频率反射的可形变声学超构材料，可作为监测体内组织/器官应变的传感器，能够作为可植入性的康复监测设备，用于在医学上监测人体内组织的应变，例如体内组织/器官(如心脏、胃等体内组织或者器官)的形变率。由于本专利技术传感器是使用柔性可形变材料作为基体材料，配合周期性分布的第二材料，无源，因而具备柔性的特性，在贴附时拥有良好的共形能力，在生物体内具备良好的生物相容性。并且，本专利技术中的传感器可灵活实现短期或长期的应变监测，根据实际需求，可以通过改变柔性材料的化学特性，例如使用可降解的柔性基体第一材料(如可降解的凝胶材料，柔性聚合物材料和其他可降解柔性材料)和第二材料(如可降解的聚乳酸PLA，聚羟基脂肪酸酯PHA，聚丁二酸丁二醇酯PBS，聚己内酯PCL，液态金属，气体以及其他和第一材料具备显著声速差异的可降解材料等)，可以使得柔性传感器在一段时间后自行降解，不用再次进行手术取出。当然，也可以选用其他不易降解水凝胶或硅基弹性体材料等其他弹性材料作为基体第一材料，使得传感器在体内长期存在。
[0017]本专利技术的监测原理，是基于柔性超构材料的频谱特征反射原理，以空气柱作为第二材料为例，通过在纯柔性材料中设计密封的周期性排列的空气柱结构，周期性排列的空气柱结构至少有3层，入射超声波将先入射至第一层第二材料、再入射至第二层第二材料、然后再入射至第三层第二材料(也就是说，若记超声入射方向为Y方向、构建XYZ空间直角坐标系，只要保证Y方向上存在至少3层第二材料即可，第二材料单层上的周期数量并没有严格要求)，由此，周期性排列的空气柱结构构成了一种声子晶体的结构设计，具有声学带隙特性，能够反射特定频率的声波。而当体内组织/器官发生形变时，连接在体内组织/器官上的柔性材料会随之发生形变；这种形变会导致超构材料的空气柱之间的间隔(晶格常数)发生变化，因此其声学特征反射频率也相应地会发生偏移。如此，通过监测偏移，即可间接的得到体内组织/器官的应变数据，判断体内组织/器官的恢复情况等。
[0018]以后文实施例为例，实施例1得到的初始中心频率为2.1MHz的柔性超构材料，配合
声学探头，在应变测试中显现，其空间拉伸率(对应拉伸系数)与声学特征反射频率有明显的对应关系，通过频移即可得到对应的应变值，变形分辨率可达0.5％。
[0019]基于本专利技术，可进一步通过调整传感器的周期参数(如，相邻两层第二材料区域之间的中心间距a，单个第二材料区域的厚度d)，调节传感器的初始反射频率，以满足不同应用要求。以羧甲基壳聚糖与聚乙烯醇双交联水凝胶作为基体第一材料，圆柱体形空气柱作为第二材料为例，如后文实施例所实验的，通过在0.3mm至20mm间调整空气柱之间的中心间隔a，并将空气柱的直径d(也即，单层第二材料区域的厚度d)控制为空气柱之间的中心间隔a的0.7倍(即，d＝0.7
×
a)，可以在105KHz至7MHz间调整柔性超构材料的初始反射频率，用于针对不同深度，不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于体内组织/器官应变监测的传感器，其特征在于，该传感器包括材料声速互不相同的第一材料和第二材料；其中，第一材料为柔性可变形材料，所述第二材料分布在第一材料内、且呈周期性排列，周期性排列的层数为至少3层；第一材料和第二材料中，材料声速较大者的材料声速是材料声速较小者材料声速的至少2倍；该传感器用于固定在被监测的体内组织或体内器官表面，能够在超声波条件下进行传感，入射超声波将先入射至第一层第二材料、再入射至第二层第二材料、然后再入射至第三层第二材料；当体内组织或体内器官发生应变时，所述传感器也随之发生形变，从而能够引起超声回波的变化；通过检测超声回波的变化，即可实现对体内组织或体内器官应变的监测。2.如权利要求1所述传感器，其特征在于，所述第二材料为空气，相应的，所述传感器包括片状柔性材料基体以及密封在该基体内的、呈周期性排列的空气孔(1)。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：臧剑锋，田野，唐瀚川，杨月莹，程一帆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：