[发明专利]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

说明书

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，该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，用于确定从表面向深度方向传播的水平剪切波，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。

技术领域

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Supersonic ShearImage(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。

发明内容

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。