[发明专利]表征韧性膜、表面和表面下的性质的装置和方法

说明书

超声信号处理器使用激励发生器在将一系列超声脉冲施加至膜或表面的同时导致膜或表面的位移。检查发射信号与接收信号之间的相位差，以确定膜或表面响应于所施加的激励的运动。对膜或表面的相位响应的检查提供一种手段来确定膜或表面后的流体类型是非流体、血清液或脓液中的哪一种。

技术领域

本发明涉及用于表征(characterization)韧性膜、表面或表面下材料性质的任一种的设备。具体地，本发明涉及通过使用低频激励(如声激励)刺激表面或膜并利用较高频率的激励(如超声波)测量位移行为，对韧性膜、表面或表面下区域进行非接触式表征。

背景技术

传统上，韧性表面或膜的测量是通过施加外力来理解表面或膜对施加的力的反应来进行的。对于具有弹性表面或膜行为的情况，示例性表征可以描述为在一个短距离的运动范围的弹簧常数，而在一个方向上发生位移，然后在相反方向上发生非线性位移的情况下，对于有损系统，也可能会观察到滞后效应。膜与附近的液体或凝胶之间的关系涉及多种感兴趣的条件。在一种情况下，膜的韧性主导了测量，而膜附近的材料(如空气、流体或凝胶)的影响对测量没有影响，因为膜的特性主导了测量。在另一种情况下，膜为表面刺激提供了界面和挑战表面，并且使用该膜来测量膜附近的液体或凝胶的特性，而该膜不会改变所测量的特性，因为该膜非常紧密地耦合到表面和下方的流体，使得可以通过表面或膜对下方的流体进行位移而不会改变要测量的特性。在食品工业中，使用机械(搅拌桨)或其他方式广泛地进行了此类表征，以测量各种液体或半固体食品(如具有固化或培养时间的食品)的硬度或其他机械性能。例如，在食品科学的现有技术中，期望通过酸奶的机械特性来了解其何时已经达到特定的培养水平，而细菌的生长间隔可以根据先前的批次和所使用的固定间隔来确定。类似地，水果或蔬菜的成熟度可以通过其表面柔软度、弹性或其他机械性质来确定，这可以通过施加足以产生可测量的挠度或可以在水果或蔬菜的整个表面上引起表面波或剪切波的较小力，并测量响应于该表面力的微小的表面或表面下挠度来执行。

因此，期望使用应用于要表征的食品的表面的非接触式测量方法来测量食品的机械性能。

在医学领域，可能期望测量皮肤表面、可移动膜或器官表面的弹性。在一个示例中，可以通过使用接触或光学方法来测量眼球，以确定在施加空气团(air puff)时的挠度。在现有技术中，可以将眼睛的光学反射率特性测量为挠度与施加力的关系。但是，眼睛的光学界面和各种下方结构可能具有带有运动限制的分辨率，这是光学测量系统具有光学透明结构特性的结果，其中预期的目标(如角膜)和周围结构(如眼晶状体和玻璃体液)具有相似的光学特性，因此很难彼此分辨。期望使用遥感和远程询问，例如通过空气，来测量眼睛或其他器官的表面的弹性。

超声测量通常使用液体介质作为耦合流体来执行，以使超声能量作为行进的声波从换能器通过流体传播，从而产生来自目标界面的反射超声能量，该目标界面根据耦合流体与目标之间的传输阻抗不匹配而具有不同的声波折射率。由于传统上需要在换能器与目标之间有耦合流体，因此无法将超声用于非接触位移测量来分辨毫米(mm)和亚毫米范围级的距离。

期望有一种通过对位移进行遥感并结合施加表面刺激物来对表面进行非接触式表面表征的方法。进一步期望使用空气作为刺激和测量的介质，而不由刺激物或测量装置直接接触表面或膜。

发明目的

本发明的第一目的是一种装置和方法，其用于生成脉冲式机械刺激以供施加至表面或膜，该机械刺激与通过检查所反射的超声信号进行的对表面或膜的刺激响应的超声测量相结合；以及表征所反射的响应来确定表面或膜的机械性质。

本发明的第二目的是通过检查从表面、表面下或膜反射的超声信号来测量表面、表面下或膜的韧性和弹性。

本发明的第三目的是一种装置和方法，其用于向食品施加力，该力生成具有时间响应的表面或膜挠度，包括剪切波或表面波，该表面或膜挠度的特征在于从表面或膜反射的超声信号中的相位或振幅变化。