[发明专利]基于开口环局域微波致声成像的液体浓度检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于开口环局域微波致声成像的液体浓度检测装置及方法，通过结合开口环谐振技术与微波致声成像技术组成基于开口环局域微波致声成像技术，实现高效率的微波致声转换平台，产生高信噪比的热声信号，提高了对极性分子、离子浓度的检测灵敏度。液体浓度检测装置包括金属开口环、圆柱状胶管、微波致声成像系统和图像处理分析模块。液体浓度检测方法对重建图像进行处理，获得胶管区域内的图像像素点总和值，基于对应关系获得待测液体中极性分子或离子的浓度值。与电化学检测方式和传统的微波致声成像技术相比，本发明具有非接触、高灵敏度、实时检测、信噪比高、成本低等特点，在体外诊断领域具有重大潜在应用价值。

技术领域

本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种基于开口环局域微波致声成像的液体浓度检测装置及方法。

背景技术

人体血液中含有91%-92%的水和其他主要营养物质，如蛋白质、无机盐、非蛋白氮化合物和糖类。其中一些营养物质是由极性分子构成，这些极性分子具有较大的电偶极矩，它们在某些生理、病理过程中扮演着至关重要的角色。例如，结肠癌患者血液中的精氨酸（Arg）浓度较正常人低；乳腺癌患者的血清白蛋白（Alb）浓度是预测生存率的一项重要指标；另外血液中的电解质在生理上也非常重要，因为它们在各种重要功能中起着关键作用，如控制血压和pH值、身体水合作用、神经和肌肉功能等。在人体的血液和尿液中，最重要的电解质离子是钠（Na⁺）、钾（K⁺）、钙（Ca²⁺）、氯化物（Cl^-）和碳酸氢盐（HCO₃⁻)；血液或尿液中离子浓度的异样可预示着某些病理特征的存在。

目前，液体中的极性分子、离子浓度检测的检测方法一般采用电化学方法。微波致声成像作为一种新型检测技术，采用以微波吸收特性为基础的成像机制，和电化学方法相比具有非接触、高分辨等特点。

发明内容

（一）要解决的技术问题

传统意义的微波致声成像技术存在局限性。由于极性分子、离子对微波的低吸收，电磁能转化为超声能的效率普遍偏低，因而限制了其在极性分子、离子浓度检测中的应用。基于此，我们提出了基于开口环局域微波致声成像的液体浓度检测装置及方法。

在本发明中，开口环实际上是一种共振天线，它可以将微波能量局域到仅有亚毫米尺寸的微小空间，在开口环缝隙处几何级数倍地增强微波电磁场的电场强度，从而可构建高效率的微波热声转换平台，最终产生高信噪比的热声信号。一个金属圆环在与其垂直的变化磁场中，会产生感应电磁场，但却并非谐振的系统；为了产生谐振加强的电磁响应，需要引入电容，因为电感和电容一起才能形成谐振电路（金属圆环可视为电感）。为此，在金属环中加入一个缺口就形成了电容，电荷便会在开口两端积聚。这个开口谐振环就类比于一种带有一个电容和一个电感的谐振LC电路。

（二）技术方案

为了解决其技术问题，本发明提供了一种基于开口环局域微波致声成像的液体浓度检测装置及方法。

基于开口环局域微波致声成像的液体浓度检测装置，用于对液体中的极性分子或离子浓度进行非接触式、高灵敏度实时检测，其特征在于：该液体浓度检测装置包括金属开口环、圆柱状胶管、微波致声成像系统和图像处理分析模块；金属开口环由完整金属环在开口位置处破缺形成，用于几何级数倍地增强附近局部区域内微波电磁场的电场强度；圆柱状胶管用于封装待检液体样品，胶管直径小于金属开口内环直径；金属开口环以同心或偏心的方式套在圆柱状胶管上工作，由于金属开口环的局域增强作用，液体样品对微波吸收效率显著提高，最终产生高信噪比的超声信号；微波致声成像系统中的超声探头从侧面正对金属开口环和圆柱状胶管，用于获得胶管中样品对微波高效率吸收而产生的超声信号；图像处理分析模块对基于微波致声成像系统获得的图像进行处理分析，进一步得到重建图像中胶管区域内的图像像素点总和值，根据图像像素点总和值与液体浓度值之间的对应关系，获得待测液体中极性分子或离子的浓度值。

更具体地，待检液体样品包括但不限于电解质液体、细胞溶液、血液及尿液等标本。