应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法及粘弹性测量系统与流程

本发明涉及一种应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法及粘弹性测量系统。
背景技术：
：组织病变通常会导致生物组织的力学特性发生改变。因此，通过弹性成像方法在体测量生物组织的力学特性，对某些重大疾病的诊断监控以及药物疗效评价都具有重要意义。对于关节软骨结构，临床上希望有无创定量的力学特性诊断技术。总结现有的软骨弹性测量方法，从原理上看大致有如下两种：1)基于应力应变法的弹性测量原理是测量软骨上的应力σ和应变ε，然后根据应力应变关系e＝σ/ε计算弹性模量e。该方法的难点在于，难以无创的测量软骨应力。在具体实现上，要么在关节软骨上开微小的窗口，从而有创(或微创)的测量软骨受力，如基于印压原理的软骨弹性测量；要么只测量应变，实现软骨弹性的定性测量，如基于核磁的关节软骨应变弹性成像。因此，基于应力应变法无法定量无创测量关节软骨的弹性。2)基于波速法的弹性测量原理是测量组织中的波速，然后根据波速与组织弹性的对应关系(即波传播规律)，计算组织弹性。目前基于波速法的超声弹性仪器，已经可以定量无创测量肝脏、乳腺、血管等生物组织的弹性。肝脏和乳腺组织的尺寸较大，可以近似为三维结构，波传播规律满足剪切波模型；血管壁较薄，周边组织的弹性较低，血管壁可以近似为薄壁结构，波传播规律满足单层板中的兰姆波模型。但关节软骨是有别于肝脏和血管的特殊结构。软骨的厚度较薄，与软骨相连的骨弹性模量远高于软骨。因此从力学上看，关节软骨是一种双层粘弹性板结构，且具有硬质基底。目前已可以基于双层板中的兰姆波模型，测量离体牛关节软骨上的软骨粘弹性。但是双层结构中粘弹性波传播规律非常复杂，波速与软骨厚度相关，测量和反演计算软骨粘弹性的难度均较大。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法，其降低了对测量频率的要求，又降低了对测量数据后处理的要求为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法，所述方法包括：s1、利用不同频率的外部激励在待测材料中激励出导波；s2、利用预设成像方法记录导波的传播信息，计算近距范围及获得平均测量距离；s3、根据近距范围内导波的传播信息，计算出近距区域内波速与频率的关系，以给出频散曲线；s4、根据频散曲线及平均测量距离确定临界频率；s5、利用频散曲线，并根据表面波模型和临界频率，拟合计算出待测材料的粘弹性。进一步地，所述待测材料包括关节软骨或具有硬质基底的粘弹性薄板。进一步地，所述外部激励为机械激励或超声辐射激励。进一步地，所述预设成像包括超声成像、核磁成像和光学成像中的一种。进一步地，所述表面波模型为：其中，其中,ρ为密度，ω为角频率，υ为泊松比。进一步地，在所述步骤s4中，所利用的临界频率fcritical可表示为：进一步地，所述近距区域为靠近外部激励作用在待测材料上的驱动点的区域。进一步地，所述步骤s2还包括：测量薄板厚度h，所述近距的取值范围技术方法如下：xcritical≈1.35*h，其中，h为薄板厚度。本发明还提供了一种粘弹性测量系统，所述粘弹性测量系统采用上述应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法。本发明的有益效果在于：本发明的应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法利用近距区域内的临界频率，根据表面波模型，以获得粘弹性薄板的粘弹性。相比于兰姆波法，降低了对测量频率的要求；又因为表面波模型的简单，降低了对测量数据后处理的要求。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法的流程图；图2为关节软骨的模型示意图；图3为关节软骨在外部激励后测试到的无量纲速度云图；图4a为近距的无量纲速度云图；图4b为根据速度云图(图4a)计算的二维fft结果；图5a为波速与频率的关系；图5b为根据5(a)计算得到的频率与波长之间的关系。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。请参见图1，本发明的应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法包括：s1、利用不同频率的外部激励在待测材料中激励出导波，该待测材料包括关节软骨或具有硬质基底的粘弹性薄板，所述外部激励为机械激励或超声辐射激励。s2、利用预设成像方法记录导波的传播信息，并测量薄板厚度h，计算近距范围及获得平均测量距离，其中，预设成像包括超声成像、核磁成像和光学成像中的一种；s3、根据近距范围内导波的传播信息，计算出近距区域内波速与频率的关系，以给出频散曲线；s4、根据频散曲线及平均测量距离确定临界频率；s5、利用频散曲线，并根据表面波模型和临界频率，拟合计算出待测材料的粘弹性。在步骤s5中，所述表面波模型为：其中ρ为密度，ω为角频率，υ为泊松比。此表面波模型基于voigt材料模型。该表面波模型也可基于其它粘弹性材料模型建立，如基于maxwell材料模型、zener材料模型等。也可预先不假设材料模型，而根据有限窗口2dfft方法计算出材料的粘弹性规律。所述“根据频散曲线及平均测量距离确定临界频率”中所利用的临界频率fcritical可表示为：在所述步骤s2中，所述近距区域为靠近外部激励作用在待测材料上的驱动点的区域，具体的，所述近距的取值范围技术方法如下：xcritical≈1.35*h，其中，h为薄板厚度。上述应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法可应用于电脑或计算载体中以形成粘弹性测量系统。上述应用于含硬质基底粘弹性薄板的粘弹性测量方法利用近距区域内的频散曲线，根据表面波模型获得粘弹性薄板的粘弹性。相比于兰姆波法，降低了对测量频率的要求；又因为表面波模型的简单，降低了对测量数据后处理的要求。为了更清楚的说明本发明的方案的优势，下面通过一详细实施方案进行比对说明。采用商用有限元软件abaqus对关节软骨中的波传播过程进行数值模拟，需要说明的是：从力学视角看，关节软骨可简化为双层板(如图2)，其中软骨可视为粘弹性薄板1，骨可视为弹性硬质基底2，软骨和骨均采用轴对称单元(cax4r)。其中，软骨的厚度为2.5mm，密度为1100kg/m3，泊松比为0.25，粘弹性本构关系为voigt模型(μ＝μ1+iωμ2)，剪切模量μ1为1mpa，粘性系数μ2为30pa.s。骨的厚度为150mm，密度为743kg/m3，泊松比为0.25，本构关系为线弹性模型，杨氏模量为100mpa。在关节软骨上激发不同频率的正弦波(6000-10000hz)，并沿着波传播方向(x方向)测量软骨表面上的粒子速度。在驱动力的作用下，机械波从驱动力的作用点向远场传播(如图3)。如图3所示，速度云图可以分为2个部分。第一部分是粘弹性波传播，范围大约是0-5mm；第二部分为5mm之外，此时，因为软骨高粘性的影响，软骨中的波传播已衰减完，骨的振动推动软骨表面的运动，因此其波速特别大，接近于骨的剪切波波速。因此，只有第一部分可以用来测量软骨中的粘弹性波速。下面具体分析第一部分。该第一部分又可以分为两部分，其中，近距(靠近驱动点)的波传播模式是表面波和弱表面波的耦合，当频率足够高时，近距的波传播趋近于表面波cr，即其中,ρ为密度，ω为角频率，υ为泊松比。而远距(远离驱动点)的波传播模式是兰姆波和弱表面波的耦合，当频率足够高时，远距的波传播模型趋近于双层板中的兰姆波模型，即满足：其中，系数矩阵g为：g24＝g13g33＝＝g22g34＝g12g42＝g31g43＝g21g44＝g11.(3)其中k＝cl/ω，cl为兰姆波波速，其他参数在此不对其进行详细说明，具体可参见现有的文献资料。近距和远距的临界值可表示为：xcritical≈1.35*h(4)其中，h为薄板厚度。有限元模拟中软骨厚度为2.5mm，因此近距和远距的临界值分别3.37mm。对近距(2mm-3.37mm,图4a)和远距(3.37mm-4.37mm)的速度云图进行二维fft计算(图4b)，得到该频率下的波传播速度。重复以上过程，得到不同频率下的波传播速度(图5)。需要说明的是，波传播速度的计算方法还可以采用有限窗口二维fft算法，波峰法等。只有频率足够高时，近距的波传播规律才满足表面波模型，远距的波传播规律才满足兰姆波模型。因此，首先需要确定临界频率。临界频率可表示为：其中xmean＝mean(xi)为平均测量距离，即波长约等于2xmean。近距和远距的2xmean分别5.37mm和7.74mm，因此可以根据频率与波长的关系分别确定近距和远距的临界频率为8000hz和8500hz(表5)。然后根据表面波和兰姆波模型拟合测量到的波速(高于临界频率的波速)，即可反演材料的粘弹性模量(如表1)。表1.材料粘弹性的反演结果测量范围(mm)临界频率(hz)弹性μ1(mpa)粘性μ2(pa.s)有限元材料参数----130表面波法2.00-3.3780000.928.8兰姆波法3.37-4.3785001.0731通过上述对比实施例，比较表面波法和兰姆波法。兰姆波理论模型(公式2)更为复杂，波速频率关系(如图5)更为复杂，而表面波模型的波速随频率单调递增；表面波法的临界频率更低。综上，相比于兰姆波法，本发明所采用的方法降低了对测量频率的要求；表面波法的波速与软骨厚度无关，兰姆波法的波速与软骨厚度相关；也因为表面波模型的简单，降低了对测量数据后处理的要求。因此，基于本发明的超声弹性成像(或核磁弹性成像、光学干涉成像)仪器(或系统)，将有望实现软骨的无创定量粘弹性测量。另外，本发明的应用范围包括生物组织，生物材料及其他非生物材料等。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12