的圖；
[0078] 圖29(b)為表示利用3個(gè)PEFS (EpE2, E3)確定附著在乳房基底上的不正常組織的 深度的需要探測(cè)的組織樣品的圖；
[0079] 圖29(c)為表示利用4個(gè)PEFS (E1, E2, E3, E4)確定懸掛在乳房?jī)?nèi)的不正常組織的 深度的需要探測(cè)的組織樣品的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0080] 為了說明，參考各個(gè)示例性實(shí)施例說明本發(fā)明的原理。雖然這里說明的是本發(fā)明 的一些實(shí)施例，但技術(shù)員知道，同樣的原理同樣可用于其它裝置和方法中。在詳細(xì)說明本發(fā) 明的實(shí)施例前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的應(yīng)用不限于所示的具體實(shí)施例的細(xì)節(jié)。這里所用的術(shù)語(yǔ) 是為了說明而不是限制。另外，雖然這里所述的一些方法參考按一定次序排列的步驟，但技 術(shù)員知道，在許多情況下可按任何次序進(jìn)行這些步驟，并且該方法也不限于所述步驟的具 體安排。
[0081] 必需說明，如在這里和所附權(quán)利要求書中所用的那樣，單個(gè)形式"一"和"該"除非 另有說明，表示多個(gè)參照物。這樣，技術(shù)員知道，例如"一個(gè)傳感器"包括多個(gè)傳感器及其等 價(jià)件。另外，術(shù)語(yǔ)"一個(gè)"，"一個(gè)或多個(gè)"和"至少一個(gè)"可以互換使用。還要說明，術(shù)語(yǔ)"包 括"和"具有"也可互換使用。
[0082] 本發(fā)明涉及利用壓電指形傳感器（PEFS)系統(tǒng)100探測(cè)和/或辯識(shí)評(píng)估組織，特別 是軟組織，不正常生長(zhǎng)的系統(tǒng)和方法。該P(yáng)EFS系統(tǒng)可包括至少一個(gè)PEFS 1，測(cè)量裝置2,和 自動(dòng)的傳感器定位裝置3。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，PEFS 1可包括能使用簡(jiǎn)單的電氣裝 置同時(shí)工作的作動(dòng)器和傳感器。
[0083] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可以使用PEFS 1在體內(nèi)測(cè)量組織的彈性和剪切性質(zhì)。通過定 量地確定組織的剪切模量，彈性模量和/或剪切模量與彈性模量的比（以后稱為"G/E比")， 可用PEFS 1確定在組織內(nèi)包含的腫瘤的存在、尺寸、位置、類型、侵入性和/或惡性?？衫?用本發(fā)明的方法探測(cè)、篩選和/或確認(rèn)各種不同類型的癌組織的存在，并且特別適用于發(fā) 現(xiàn)乳房癌、前列腺癌、皮膚癌或肝癌。
[0084] 1.壓電指形傳感器（PEFS)系統(tǒng)
[0085] 如圖1所示，本發(fā)明的PEFS系統(tǒng)100可包括至少一個(gè)與測(cè)量裝置2連接的PEFS 1，用以產(chǎn)生組織的彈性模量，剪切模量和/或G/E比的空間分布的圖像、圖形或數(shù)字表示。 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該P(yáng)EFS系統(tǒng)還可包括一個(gè)自動(dòng)或手動(dòng)的傳感器定位裝置3。該裝 置3附著在組織表面上并可使PEFSl相對(duì)于組織表面定位。
[0086] 本發(fā)明的該至少一個(gè)PEFSl可作成懸臂，它包括至少一個(gè)與至少一個(gè)非壓電層5' 粘接的壓電層4,并包括至少一個(gè)將電壓加在該至少一個(gè)壓電層4上和從該壓電層4轉(zhuǎn)換感 應(yīng)電壓的導(dǎo)電元件6, 7。
[0087] 圖2(a)表示驅(qū)動(dòng)電極6和測(cè)量電極7與壓電層4的同一側(cè)連接的一個(gè)實(shí)施例。第 三電極6'可放在壓電層4的相反側(cè)上。圖2(b)-2(d)表示另一個(gè)實(shí)施例，它包括用于驅(qū)動(dòng) PEFS 1的電極6,6'在相對(duì)的表面上的第一壓電層4,用于測(cè)量PEFS 1的位移的非壓電層 和電極7,7'在相對(duì)的表面上的第二壓電層5。為了便于同時(shí)加力和測(cè)量位移，本壓電懸臂 傳感器可作成二個(gè)電路系統(tǒng)。第一電路可用于將驅(qū)動(dòng)力加在PEFS 1上。在一個(gè)示例性實(shí) 施例中，加力電路在圖2(a)所示的第一實(shí)施例中，可包含與電極6,6'連接的電源10。另 外，在圖2(b)-2(d)所示的第二實(shí)施例中，電源10可與在第一壓電層4上的電極6和6'連 接。第二電路可用于檢測(cè)和定量測(cè)量由所加的驅(qū)動(dòng)力引起的PEFS 1的位移。如在圖2(a) 所示的第一實(shí)施例中所示，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，電壓測(cè)量電路可包含與電極7和6'連 接的電壓測(cè)量裝置11。另外，在圖2(b)-2(d)所示的第二實(shí)施例中，電壓測(cè)量裝置11可與 第二壓電層5上的電極7和7'連接。
[0088] PEFS 1可在沒有圖2 (a)所示的實(shí)施例中的測(cè)量電極7或沒有圖2 (b) -2⑷所示 的實(shí)施例中的第二壓電層5和電極7, 7'的情況下工作。在壓縮或剪切情況下，這些零件可 用測(cè)量壓電懸臂的位移的其它裝置，例如激光或壓電位移計(jì)代替。然而，沒有由第一實(shí)施例 中的電極7或第二實(shí)施例中的第二壓電層5和電極7，7 '提供的自檢測(cè)能力，該裝置不能在 體內(nèi)或原地測(cè)量形狀復(fù)雜的組織。
[0089] PEFS 1可有便于組織分析的各種不同形狀和結(jié)構(gòu)。示例性的結(jié)構(gòu)可包括L形、U-L 形、U形、方形、矩形、0形或具有各種長(zhǎng)度和寬度的錐形結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中， PEFS 1可具有可精確測(cè)量軟組織的剪切模量的L形尖端和以避免病人的不舒適的應(yīng)變程 度小于大約0.1%可忽略的材料。最好，PEFS 1作成小的懸臂探頭，其一個(gè)或多個(gè)懸臂的指 適合于檢測(cè)前列腺癌、乳房癌、皮膚癌或肝癌。
[0090] 一個(gè)示例性實(shí)施例中，PEFS 1為能夠同時(shí)將力加在組織上和可檢測(cè)組織的相應(yīng)地 引起的位移的懸臂的全電氣傳感器。這個(gè)自激勵(lì)和自檢測(cè)的能力使PEFS 1可利用其懸臂 的尖端直接測(cè)量復(fù)雜形狀的樣件的彈性和剪切模量。在工作中，PEFS 1懸臂的尖端鄰近和 /或與組織表面接觸。為了產(chǎn)生引起PEFS 1的相應(yīng)位移的彎曲力，將電壓加在壓電層4的 驅(qū)動(dòng)電極6上。傳感器尖端與組織接觸的情況下，組織的阻力使懸臂的位移改變，較堅(jiān)硬的 組織產(chǎn)生較小彎曲。作用在組織上的凈力為由所加電壓產(chǎn)生的力與阻止組織變形的反力的 綜合。PEFS 1懸臂的彎曲在底部的測(cè)量PZT層中產(chǎn)生與懸臂尖端位移成比例的感應(yīng)壓電電 壓。由檢測(cè)電極7感應(yīng)產(chǎn)生的壓電電壓，可測(cè)量懸臂尖端的位移。在給定的測(cè)試中，仔細(xì)監(jiān) 視懸臂尖端的位移可精確測(cè)量產(chǎn)生的力和組織表面的位移。然后，可利用這個(gè)信息精確地 確定組織樣件的機(jī)械性質(zhì)。例如，可利用凈力對(duì)位移的圖的斜度確定組織的彈性模量、剪切 模量或G/E比。PEFS 1的檢測(cè)靈敏度可以很高。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，PEFS 1的深度檢 測(cè)靈敏度為PEFS 1的寬度的約二倍。例如，Icm寬的PEFS 1可測(cè)量、發(fā)現(xiàn)和分析深度達(dá)到 約2cm的組織。
[0091] 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，PEFS系統(tǒng)100可包括多個(gè)排列成陣列的PEFS1，以便于 實(shí)時(shí)進(jìn)行壓縮和剪切測(cè)量。可以制造探頭寬度變化或探頭寬度相同的寬度范圍小于Imm至 幾 cm的PEFS陣列，評(píng)估深度達(dá)幾十cm的軟材料/組織的剛度變化，而空間分辯率增加小 于1_。通過調(diào)整PEFS接觸區(qū)域的寬度，可進(jìn)一步提高和定制深度靈敏度。為了得到適當(dāng) 的測(cè)量速度，優(yōu)選的PEFS寬度范圍為l-15mm。PEFS的形狀和尺寸可以任意，陣列的接觸表 面直徑約為5-10cm。該陣列可由任何尺寸的PEFS形成。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該P(yáng)EFS 陣列可由接觸面積為大約為〇. 1X0.1 mm-IOX IOmm的PEFS制成。該P(yáng)EFS的尺寸為寬約 l-10mm，長(zhǎng)約l-3cm。如圖3的實(shí)施例所示，每一個(gè)PEFS可在不銹鋼片的一側(cè)上設(shè)有長(zhǎng)的驅(qū) 動(dòng)PZT層和在不銹鋼片的另一側(cè)上設(shè)有較短的檢測(cè)PZT層。如圖4(c)-4(d)所示，為了測(cè) 量剪切模量，該陣列的所有PEFS與組織表面垂直。另外，如圖4(a)-4(b)所示，為了測(cè)量彈 性模量，該陣列的PEFS與組織表面平行。
[0092] PEFS陣列可包括多個(gè)均勻或變化尺寸的PEFS，形成適當(dāng)尺寸的組織接觸表面。該 PEFS陣列可通過利用金剛石鋸或鋼絲鋸切刀將預(yù)先粘接的PZT/不銹鋼雙層或PZT/不銹鋼 /PZT多層切成平行的PEFS制成。如圖3所示，再將單個(gè)的PEFS排列和裝配成陣列。在一 個(gè)示例性實(shí)施例中，可定制該陣列與具體的組織表面的輪廓和尺寸相適應(yīng)。
[0093] 另外，除了便于進(jìn)行檢測(cè)過程外，PEFS陣列增加深度靈敏度。PEFS 1陣列的深度 檢測(cè)靈敏度可約為陣列的PEFS 1的綜合寬度的二倍。將幾個(gè)PEFS排列成陣列和使相鄰的 PEFS 1的測(cè)量同步，可使多個(gè)PEFS 1如同具有寬的接觸表面的一個(gè)傳感器一樣，從而提高 裝置的深度靈敏度。
[0094] PEFS系統(tǒng)100還可包括與PEFS 1或PEFS 1陣列的工作相應(yīng)的測(cè)量裝置2。測(cè)量 裝置2可為任何電氣裝置，例如與計(jì)算機(jī)連接的示波器或電壓計(jì)。在圖2(a)所示的第一實(shí) 施例中，可用該電氣裝置測(cè)量在壓電層4上的電極7和6'之間的感應(yīng)電壓形式的懸臂位移， 或在圖2(b)所示的第二實(shí)施例中，可測(cè)量第二壓電層5的電極7和7'之間的感應(yīng)電壓。可 以與加的力一起使用這些電壓得到力位移圖?？梢岳迷搱D的斜度推導(dǎo)測(cè)試的組織的彈性 模量、剪切模量和/或G/E比。測(cè)量裝置2可以用數(shù)字、圖形或其它方法顯示由PEFS 1得 到的測(cè)量和/或根據(jù)這些測(cè)量的計(jì)算，包括彈性模量、剪切模量和/或G/E比。在一個(gè)實(shí)施 例中，測(cè)量裝置2可分析數(shù)據(jù)并以極坐標(biāo)表示組織不正常的位置，以便用圖形和精確地確 定在測(cè)試的組織內(nèi)或相對(duì)于該組織的不正常組織的位置。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，測(cè)量裝 置2可為能從陣列中的多個(gè)PEFSl處理多個(gè)測(cè)量的便攜式的電氣測(cè)量裝置。最好可對(duì)該測(cè) 量裝置編程，以自動(dòng)地推導(dǎo)與具體的組織樣件相應(yīng)的彈性模量、剪切模量和/或G/E比。 [0095] 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，測(cè)量裝置2可實(shí)時(shí)成像和/或圖形表示這些計(jì)算。最好， 測(cè)量裝置2可使用能在體內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、掃描和成像的數(shù)據(jù)處理速度。更優(yōu)選的是， 測(cè)量裝置2為便攜式的和可使分析的數(shù)據(jù)和/或組織的計(jì)算的性質(zhì)可視化。在一個(gè)示例性 實(shí)施例中，測(cè)量裝置2可為尺寸與口袋計(jì)算器一樣的便攜式裝置，和可用電或基于電池的 電源工作。
[0096] PEFS 1或PEFS陣列也可與便于使PEFS 1相對(duì)于軟組織定位的自動(dòng)和/或手動(dòng) 的定位裝置3連接。雖然可手動(dòng)地將PEFSl放置在組織表面上，但如圖1所示，可以使用自 動(dòng)的定位裝置3,更有效，更快和/或更精確地放置PEFSl。另外，可以使用自動(dòng)的定位裝 置3將PEFSl從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)至另一個(gè)位置，加速測(cè)量過程和便于在體內(nèi)臨床使用該裝置。 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該自動(dòng)定位裝置3可為可3D自動(dòng)定位的可編程的機(jī)器人臂，例如 CrustCrawler AX_12Smart Arm w/CM_5Bundle。另外，自動(dòng)定位裝置3也可為利用一組步 進(jìn)電機(jī)的三維定位器。
[0097] 2.使用壓電指形傳感器（PEFS)系統(tǒng)的方法
[0098] 本發(fā)明的方法為利用PEFS 1確定在組織內(nèi)包含的腫瘤的類型、侵入性和/或惡性 的非侵入的方法。該方法包括放置PEFS 1或PEFS 1的陣列與組織表面接觸。在一個(gè)實(shí)施 例中，可用與手摸相同的方法，通過接觸和摩擦組織表面，將PEFS 1加在組織表面上。因 此，PEFS 1的功能如同電子指一樣，它通過用電的方法加力至組織上和用電子方法測(cè)量組 織的位移，可進(jìn)行電子觸診。
[0099] 如圖2(b)所示，加電壓至PEFS 1的壓電層4上可使PEFSl工作。由于反壓電效 應(yīng)，該電壓使PEFSl彎曲，在傳感器的懸臂尖端產(chǎn)生力和位移。懸臂的彎曲在PEFSl的壓電 層4或5中產(chǎn)生與懸臂的尖端的位移成比例的感應(yīng)壓電電壓。因此，通過小心監(jiān)視懸臂尖端 的位移和確定作為由所加的電壓產(chǎn)生的力與由組織變形產(chǎn)生的反力的綜合的作用在組織 上的凈力，可以相對(duì)于沒有組織樣件時(shí)的尖端的期望位移，根據(jù)懸臂尖端的位移確定具體 的組織樣件的彈性模量和剪切模量?？梢岳梦灰茰y(cè)量確定具體的組織樣件的彈性模量、 剪切模量和G/E比。
[0100] 如圖5(a)所示，為了測(cè)量彈性模量，可放置PEFS 1與組織表面接觸。加電壓至 PEFS 1的情況下，PEFS在組織上，在與組織表面垂直的方向產(chǎn)生力，引起PEFS 1的尖端在 組織平面上垂直位移。通過測(cè)量所加的力和懸臂尖端產(chǎn)生的位移，可確定在樣件上產(chǎn)生的 凈力和從力位移曲線的斜率得到組織的彈性模量?？梢岳肞EFSl直接確定任何方向，包 括組織樣件的長(zhǎng)度、寬度或厚度的組織的彈性模量。在一些情況下，可利用測(cè)量的彈性模量 篩選存在不正常的組織。特別是，具有不正常大的彈性模量的組織表示存在不正常的組織。
[0101] 如圖5(b)所示，為了測(cè)量剪切模量，放置PEFS 1與組織表面接觸。將電壓加在 PEFSl上，在與組織表面平行的方向上，在組織上產(chǎn)生力，結(jié)果，使PEFS 1的尖端產(chǎn)生水平 位移。通過測(cè)量所加的力和懸臂尖端產(chǎn)生的位移，可確定在組織上產(chǎn)生的凈力和從凈力位 移曲線推導(dǎo)組織的剪切模量。當(dāng)在任何方向，包括組織樣件的長(zhǎng)度或?qū)挾确较蛏献骷羟羞\(yùn) 動(dòng)時(shí)，可以利用PEFSl直接確定組織的剪切模量。當(dāng)篩選測(cè)試時(shí)，可以利用測(cè)量的剪切模量 分布圖確定不正常組織的存在。特別是，具有不正常大的剪切模量的組織可表示存在不正 常的組織。
[0102] 表示界面區(qū)域光滑的剪切模量測(cè)量可以是非侵入性腫瘤的指標(biāo)，這時(shí)代表粗糙和 多枝的界面區(qū)域的剪切模量測(cè)量可能是侵入性腫瘤的指標(biāo)。不受理論限制，可設(shè)想當(dāng)在與 侵入腫瘤的界面的多枝和粗糙的突起部分垂直的特定方向測(cè)量時(shí)，因?yàn)樵谇秩肽[瘤的界面 區(qū)域中，組織的互鎖性質(zhì)使在界面區(qū)域的組織樣件的可動(dòng)性比少互聯(lián)的非侵入腫瘤的界面 區(qū)域中的組織小，因此侵入和