基于水平剪切波的材料弹性测量方法及材料弹性测量系统与流程

本发明涉及一种基于水平剪切波的材料弹性测量方法及材料弹性测量系统。

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。总结现有的生物组织无创弹性测量方法，主要有：

1.应变弹性成像。原理是测量组织上的应力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。该方法主要靠手持压力、声辐射力对组织加压，通过超声、光学成像或核磁成像测量组织内部位移和应变。该方法的特点在于，可以计算出组织内部的应变，但无法测量组织内部的应力。因此，基于应力应变法无法定量测量组织弹性，只能定性的显示组织内部的应变云图。

2.基于波速法的弹性成像。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。这里还可以分成两类，1.波传播方向和测量方向一致，如用于肝脏弹性测量的商用仪器fibroscan。fibroscan的应用比较狭窄，主要应用于肝脏(泊松比约为0.5)，在低泊松比的组织弹性测量中未见其应用。2.波传播方向和测量方向垂直，如商用仪器supersonicshearimage(ssi)。ssi的应用比较广，可以定量无创测量肝脏、乳腺、血管等生物组织的弹性。但存在问题是，ssi驱动的剪切波波速不只和组织的粘弹性相关，也和组织或病变组织的特征尺寸相关。比如，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，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；再比如更加复杂的关节软骨，波速满足更复杂的双层板中粘弹性兰姆波模型。而且，ssi中的波传播方向为其ssi探头长度方向，若ssi探头的长度太小，则导致探头两端测量点的波传播相位差或时间差太小而无法测量波速，也就是说，ssi探头的长度不能太小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于水平剪切波的材料弹性测量方法。相比于fibroscan方法，本发明解决其低泊松比介质中的弹性测量问题；相比于ssi等剪切波弹性成像，本发明解决其波传播规律受组织特征尺寸影响的问题；也因本发明测量的是从表面向深度方向传播的水平剪切波，因此本方案也只需要有限长度探头用于计算其主位移。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于水平剪切波的材料弹性测量方法，包括：

s1、利用外部激励在待测材料表面激励出水平剪切波；

s2、根据水平剪切波的驱动方向，测量并计算待测材料中不同时刻不同深度的主位移，以确定从表面向深度方向传播的水平剪切波；

s3、根据不同时刻不同深度的主位移计算出不同深度的波传播速度，最后计算出不同深度的材料弹性模量。

进一步地，在所述步骤s1中，在所述待测材料表面上施加环向的外部激励。

进一步地，在所述步骤s1中，在所述待测材料表面施加对称分布的外部激励阵列，单个外部激励为环形且驱动方向为环向。

进一步地，在所述步骤s1中，在所述待测材料表面施加单个线型外部激励；或，在所述待测材料表面施加至少两个对称分布的外部激励阵列，每个外部激励为线型且驱动方向为水平方向。

进一步地，在所述步骤s1中通过机械驱动、压电陶瓷驱动、磁致伸缩驱动、声学驱动、光学驱动中的一种实现所述外部激励。

进一步地，在所述步骤s1中，所述外部激励为施加在被测材料表面上的位移激励，所述位移激励的波形包括单脉冲正弦波，方波、三角波、谐波、宽频任意波、瞬态波、连续波中的一种。

进一步地，所述步骤s2具体包括：

s21、利用预设成像方法向待测材料发射扫描信号，并接收待测材料反射的反馈信号；

s22、根据反馈信号计算出所述待测材料中不同时刻不同深度的主位移，所述主位移与水平剪切波的驱动方向相关，为侧向或环向位移。

进一步地，所述步骤s22中采用：通过超声信号或光学图像的块匹配算法计算得到主位移；或者，改造超声探头，通过空间向量复合方法计算得到主位移；或者，通过偏振光学成像直接测量主位移；或者，通过核磁影像直接测量主位移。

进一步地，在所述步骤s3具体为：根据不同时刻不同深度的主位移确定其位移场或速度场，并计算出不同深度的波传播速度，最后计算出不同深度的材料弹性模量。

本发明还提供了一种材料弹性测量系统，采用上述材料弹性测量方法。

本发明的有益效果在于：本发明的基于水平剪切波的材料弹性测量方法通过在待测材料表面上激励出水平剪切波，然后测量并计算待测材料中不同时刻不同深度的主位移，从而根据主位移计算出不同深度的波传播速度，最后计算出不同深度的材料弹性模量。相比于fibroscan，本发明解决了低泊松比介质中的弹性测量问题；相比于ssi等剪切波弹性成像，本发明解决了其波传播规律受组织特征尺寸影响的问题；也因本发明测量的是从表面向深度方向传播的水平剪切波，因此本发明的方法也只需要采用有限长度探头用于计算其主位移。

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为本发明一实施例所示的材料弹性测量方法的流程图。

图2a为方案1的俯视示意图；

图2b为方案1的侧视示意图；

图2c为方案1中典型的三方向位移时间曲线；

图3a为方案2的俯视示意图；

图3b为方案2的侧视示意图；

图3c为方案2中典型的三方向位移时间曲线；

图4a为方案3的俯视示意图；

图4b为方案3的侧视示意图；

图4c为方案3中典型的三方向位移时间曲线；

图5a至图5c为方案1、方案2、方案3于深度方向的位移云图。

图6a、图6b为fibroscan方案的弹性测量方法示意图，及典型的三方向位移时间曲线；

图7a、图7b为泊松比0.4时，方案1(左)与fibroscan方案(右)波传播位移云图；

图7c、图7d为泊松比0.495时，方案1(左)与fibroscan方案(右)波传播位移云图；

图8为方案1不同深度的波传播速度，并比较了泊松比的影响；

图9a、图9b为ssi方案的弹性测量方法示意图，及典型的三方向位移时间曲线；

图10a为方案1的波速与驱动频率的关系图，并比较了驱动频率的影响；

图10b为ssi方案的波速与驱动频率的关系图。

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，本发明一实施例所示的基于水平剪切波的材料弹性测量方法包括：

s1、利用外部激励在待测材料表面激励出水平剪切波；

s2、根据水平剪切波的驱动方向，测量并计算待测材料中不同时刻不同深度的主位移，以确定从表面向深度方向传播的水平剪切波；

s3、根据不同时刻不同深度的主位移计算出不同深度的波传播速度，最后计算出不同深度的材料弹性模量。

在所述步骤s1中通过机械驱动、压电陶瓷驱动、磁致伸缩驱动、声学驱动、光学驱动中的一种实现所述外部激励。所述外部激励为施加在被测材料表面上的位移激励，所述位移激励的波形包括单脉冲正弦波，方波、三角波、谐波、宽频任意波、瞬态波、连续波中的一种。

在所述步骤s1中，水平剪切波的外部激励施加方案可以为：在所述待测材料表面上施加环向的外部激励(如图2a)；或，在所述待测材料表面施加对称分布的外部激励阵列，单个外部激励为环形且驱动方向为环向(如图3a)；或，在所述待测材料表面施加两个对称分布的外部激励阵列，每个外部激励为线型且驱动方向为水平方向(如图4a)。需要说明书的是，在其他实施方式案中，该线型外部激励也可以是单个或者两个以上。

在本实施例中，所述步骤s2具体包括：

s21、根据水平剪切波的驱动方向，利用预设成像方法向待测材料发射扫描信号，并接收待测材料反射的反馈信号，其中，可选的，所述预设成像包括超声成像、光声成像、核磁成像、光学成像中的一种；

s22、根据反馈信号计算出所述待测材料中不同深度的主位移，该主位移与水平剪切波的驱动方向有关，一般为侧向或环向位移。

所述步骤s22中采用：通过超声信号(射频信号、包络信号、b超图像、超声散斑信号)；或者，光学图像的块匹配算法计算得到主位移；或者，改造超声探头，通过空间向量复合方法计算得到主位移；或者，通过偏振光学成像直接测量主位移；或者，通过核磁影像直接测量主位移。详细的，

超声信号或光学信号的块匹配算法，其核心是找到两帧图像的对应点位置，然后比较匹配点在侧向的偏移。具体的，对数据或图像中的任一点进行加窗处理，得到对应数据点的数据窗，当连续两帧的图像数据的相关性最大时，确定该数据点的环向位移或侧向位移。相关性系数可以通过自相关、互相关、绝对误差、幅度差平方、光流法等计算。可以理解，基于互相关的二维位移计算方法不限于这几种方式，还可以通过其它位移估计算法实现，在此不再一一赘述。因为只需要有限的线扫描用于计算侧向或环向位移，因此可以减小探头长度。

基于超声探头的空间向量复合方法，利用空间向量复合计算不同角度(或者不同角度不同时刻)的轴向位移，经计算得到感兴趣区域的剪切波的纵向位移、环向位移和侧向位移。

通过偏振光学成像(如ps-oct)的双折射原理测量或光轴变化确定侧向或环向位移。

通过磁共振成像技术(mri)，通过位移敏感梯度(msg)计算待测材料内的质点三维位移。

在实际的位移驱动中，可能会因为外部激励或自身运动夹杂z方向的驱动，导致z方向的位移。此时可通过二维位移计算轴向位移，并利用轴向位移修正主位移(环向或侧向)的计算值。

详细的通过三个详细方案对水平剪切波施加和测量方案进行说明。

方案1：请结合图2a至图2c，该水平剪切波驱动方向为绕z轴的θ方向，测量不同深度(z向)上的θ方向位移。比较方案1中的三个方向的位移，其中环向的位移最大，纵向和径向位移均较小。因此在方案1中，环向(即驱动方向)位移为主位移，方案1测量不同深度(z向)上的θ方向位移。

方案2，请结合图3a至图3c，两组分布在测量探头两侧的对称分布的驱动阵列，每组驱动阵列具有多个的单个驱动，每个驱动的水平剪切波驱动方向为绕z轴的θ方向，测量不同深度(z向)上的x方向位移。在对称分布的水平剪切波驱动的作用下，弹性波从驱动位置向外传播，在对称面(测量位置)上相遇。因其驱动的对称性，其y方向的位移几乎为零；另外因水平剪切波的关系，其纵向位移也可忽略。因此，在对称面(测量位置)上只有x方向的位移。比较方案2中三个方向的位移，x方向的位移最大，y方向和纵向的位移均较小，在方案2中，x方向(即驱动方向)位移为主位移。方案2测量不同深度(z向)上的x方向位移。

方案3，请结合图4a至图4c，两个分布在测量探头两侧的同向的线型驱动，每个线型驱动的水平剪切波的驱动方向为x方向，测量不同深度(z向)上的x方向位移。。在对称分布的水平剪切波驱动的作用下，弹性波从驱动位置向远处传播，在对称面(测量位置)上相遇。因其驱动的对称性，其y方向的位移几乎为零；另外因水平剪切波的关系，其纵向位移也可忽略。因此，在对称面(测量位置)上只有x方向的位移。比较方案3中三个方向的位移，x方向的位移最大，y方向和纵向的位移均较小。因此在方案3中，x方向(即驱动方向)位移为主位移，方案测量不同深度(z向)上的x方向位移。

在方案1、方案2中，实现外部激励的装置的驱动结构的形状包括圆形、方形、椭圆形或分布式散点形状等等，该驱动结构可以为实心或中空结构。在方案3中，驱动和测量可合二为一，形成单一线型的结构，同时实现驱动x方向水平剪切波和测量不同深度(z向)上的x方向位移。

在方案1、方案2和方案3中，几乎没有纵波的干扰，波传播速度与结构尺寸无关，只与材料本身性质有关。比较三种方案(方案1、方案2、方案3)中不同深度上的位移云图(图5a至图5c)，可以发现，三个方案的位移云图几乎没有区别。三个方案的波速计算方法和弹性计算方法相同。

在所述步骤s3中，波速的计算方法包括二维fft算法、有限窗口二维fft算法、波峰法等。应理解，在此处描述的波速计算方法仅出于纯粹示例性的目的而在此给出，并且绝不表示穷尽列举。

根据波传播速度和材料性质的关系，可以计算得到材料弹性模量。比如在各向同性的纯弹性材料中，波传播速度满足剪切波模型，即其中,ρ为密度。需要说明的是，波速与弹性的关系也可以基于其它材料模型建立，如voigt模型，maxwell模型，zener模型等。可以理解，材料弹性模型不限于这几种，还有其它材料模型，在此不再一一赘述。也可以不预设材料弹性模型，根据波速和振幅衰减，通过有限窗口二维fft算法计算其弹性和粘性与频率的关系。除了弹性参数，本发明也可测量粘弹性参数、衰减参数的一种或多种。

应理解，在此处描述的波速计算方法和弹性计算方法仅出于纯粹示例性的目的而在此给出，并且绝不表示穷尽列举。

下面将结合实际案例进行说明，通过有限元模拟结果对本申请所述方案(方案1)与fibroscan方案进行对比，从而说明本发明所述方案的优势。

采用商用有限元软件abaqus对双层板中的波传播过程进行数值模拟。材料本构关系为线弹性材料，密度均为1000kg/m3，其它参数见表1。激发单次正弦波，正弦波频率为1500hz。对同一个模型，分别采用方案1和fibroscan方案计算其波传播云图。方案1的驱动方向为θ方向，并沿着深度方向(z方向)测量粒子θ方向的位移，其中环向(即θ方向)的位移相比其它两个方向更大(如图2)。fibroscan方案的驱动方向为z方向，并沿着深度方向(z方向)测量粒子z方向的位移，其中z方向的位移相比其它两个方向更大(如图6)。

表1.两种模拟示例的材料参数和厚度

如图7a至图7d为两种方案的位移云图的对比。本方案1中，在双层结构中都具有明显的剪切波传播位移云图，泊松比对其无影响；在fibroscan方案中，只有当泊松比为0.495时，第一层和第二层才有剪切波传播位移云图；在泊松比0.4时，纵波对位移云图的影响非常大，且剪切波传播不明显，说明了泊松比对fibroscan方案中位移云图的严重影响。

在实例中，材料模型为各向同性纯弹性材料，水平剪切波波速满足剪切波模型，即其中,ρ为密度。图8给出了两种泊松比下，基于本方案得到的不同深度的波传播速度，与有限元材料模型设置吻合(表1)。以上证明了泊松比没有影响本方案1中的波传播，其波传播速度等于剪切波波速。

下面将结合实际案例进行说明，通过有限元模拟结果对本申请所述方案(方案1)与ssi剪切波弹性成像方法(ssi方案)进行对比，从而说明本发明所述方案的优势。

采用商用有限元软件abaqus对双层板中的波传播过程进行数值模拟。材料本构关系为线弹性材料，密度均为1000kg/m3，其它参数见表1。激发单次正弦波，正弦波频率为500hz-1500hz。对同一个模型，分别采用方案1和ssi方案(如图9a)计算其波传播云图。方案1的驱动方向为θ方向，并沿着深度方向(z方向)测量粒子θ方向的位移，其中环向(即θ方向)的位移相比其它两个方向更大(如图2)。ssi方案的驱动方向为z方向，并测量x方向上的z方向位移，其中x方向和z方向的位移均较大(如图9)。

在本方案中，水平剪切波从表面向深度方向传播，波速与剪切波波速一致，不受驱动频率的影响(图10a)，不同深度的波速与有限元材料模型设置吻合(表1)。ssi方案中，在纵向驱动力的作用下，弹性波沿着x方向传播，且因其纵波与剪切波等耦合形成板波(即兰姆波)，波传播速度与频率相关，频率越低影响越大(图10b)。这主要是因为在低频时波长较长，当波长大于结构厚度时，波传播速度会受到相邻结构的影响，影响其波传播速度。

综上，本发明通过在待测材料表面上激励出水平剪切波，通过预设成像系统获取待测材料中的反馈信号，通过反馈信号计算波传播过程中待测材料中不同深度的主位移，从而根据位移确定其位移场或速度场，并计算出不同深度的波传播速度，最后计算出不同深度的材料弹性模量。相比于fibroscan，本发明解决了低泊松比介质中的弹性测量问题；相比于ssi等剪切波弹性成像，本发明解决了其波传播规律受组织特征尺寸影响的问题；也因本发明测量的是从表面向深度方向传播的水平剪切波，因此本方案也只需要有限长度探头用于计算其主位移。本发明的材料弹性测量方法可应用于包括生物组织，生物材料及其他非生物材料，金属，无机物，有机物等。

本发明的材料弹性测量系统采用上述材料弹性测量方法。

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。