CN103054552A - 生物组织粘弹性测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种生物组织粘弹性测量方法，包括以下步骤：根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号；在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波；根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步；在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向；接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号；根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。此外，还提供一种生物组织粘弹性测量系统。上述方法和系统，测量过程操作简便，可提高测量结果的精确性。

Description

生物组织粘弹性测量方法和系统

【技术领域】

本发明涉及生物组织技术领域，特别涉及一种生物组织粘弹性测量方法和系统。

【背景技术】

肝硬化和肝癌是非常严重的肝脏疾病，而肝纤维化是它们发展的早期阶段。肝纤维化(hepatic fibrosis)是指肝脏内过量的胶原沉积，是细胞外基质合成过多或降减不足的直接后果。肝纤维化是许多肝脏疾病尤其是各种慢性肝病的常见和共同的病理转归，其形成与发展是一个动态的病理过程，这种动态演变过程是慢性肝病的共同特征。各种病因引起的慢性肝病绝大多数都伴随有肝纤维化，其中25%～40%的肝纤维化最终发展为肝硬化以至肝癌。近年来的研究已经表明肝纤维化在一定情况下是可逆转的，但如若病因持续存在，肝纤维化最终必然发展为不可逆转的肝硬化。因此，肝纤维化的早期诊断以及对肝纤维化程度的量化评估，对于及时治疗并逆转肝纤维化的发展，以及预防肝硬化与肝癌都具有十分重要的意义。

肝组织的弹性和粘性是反映肝纤维化的重要方面，而肝组织的弹性模量和粘性系数分别是肝组织的弹性和粘性的重要指标。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种操作简便且测量结果精准的生物组织粘弹性测量方法。

一种生物组织粘弹性测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号；

步骤S20，在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波；

步骤S30，根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步；

步骤S40，在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向；

步骤S50，接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号；

步骤S60，根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。

在其中一个实施例中，步骤S60包括以下步骤：

步骤S610，根据接收的超声射频回波信号测量所述剪切波在被测生物组织中的传播速度和衰减系数，测量得到的传播速度记为V_m，测量得到的衰减系数记为a_m；

步骤S620，计算出所述剪切波的仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量的值和所述剪切波的真实传播速度，其中，仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量记为a_d，所述剪切波的真实传播速度记为V_d；

步骤S630，根据上述获取的a_m的值、a_d的值和V_d的值计算被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，剪切弹性模量记为μ，粘性系数记为η。

在其中一个实施例中，步骤S610的包括以下步骤：

步骤S611，根据接收的超声射频回波信号获取被测生物组织中的质点在剪切波的推动下的偏移曲线；

步骤S612，对偏移曲线作傅立叶变换得到对应的频域信号；

步骤S613，从频域信号中得到对应于圆盘形激励源振荡频率的幅度和相位；

步骤S614，根据以下公式计算剪切波在被测生物组织中的传播速度的值和衰减系数的值，传播速度记为V_m，衰减系数记为a_m：

$a_m=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}$

其中，ω为剪切波频率，为频域信号的相位，z为超声波束的轴向深度，A为所述频域信号的幅度。

在其中一个实施例中，步骤S620包括以下步骤：

步骤S621，根据所述剪切波仿真拟合出仿真剪切波；

步骤S622，基于理想激励点源的格林函数建立仿真剪切波的仿真传播速度、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式，其中，仿真剪切波的仿真传播速度记为V_sim：

a_d＝g(V_d)

V_sim＝h(V_d)；

步骤S623，采用基于二分法的自适应误差补偿算法，将上述计算得到的V_m的值代入V_sim，拟合出使得关系表达式V_sim＝h(V_d)成立的V_d的值，由拟合出的V_d的值和关系表达式a_d＝g(V_d)求出a_d的值。

在其中一个实施例中，步骤S630包括以下步骤：

步骤S631，根据上述获取的a_m的值、a_d的值及以下公式求出所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量的值，所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量记为a_v：

a_v＝a_m-a_d；

步骤S632，根据上述获取的V_d的值以及上述计算得到的a_v的值以及以下公式求出μ和η的值：

$V_d=\sqrt{\frac{2\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}(1+\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{w^2{\mathrm{\η}}^2}}}}$

${\mathrm{\α}}_v=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}{w}^2\left(\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{w^2{\mathrm{\η}}^2}-1}\right)}{2\mathrm{\μ}}},$

其中，ρ为被测生物组织密度，ω为所述剪切波的频率。

此外，还有必要提供一种操作简便且测量结果精准的生物组织粘弹性测量方法。

一种生物组织粘弹性测量系统，包括：

信号发生器，用于根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号；

机械振荡器，用于在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波；

脉冲收发器，用于根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步；

超声换能器，用于在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向；

超声换能器还用于接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号；

信号处理器，用于根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。

在其中一个实施例中，所述信号处理器包括：

传播速度和衰减系数测量模块，用于根据接收的超声射频回波信号测量所述剪切波在被测生物组织中的传播速度和衰减系数，测量得到的传播速度记为V_m，测量得到的衰减系数记为a_m；

真实传播速度和衍射衰减分量计算模块，用于计算出所述剪切波的仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量的值和所述剪切波的真实传播速度，其中，仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量记为a_d，所述剪切波的真实传播速度记为V_d；

剪切弹性模量和粘性系数获取模块，用于根据上述获取的a_m的值、a_d的值和V_d的值计算被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，剪切弹性模量记为μ，粘性系数记为η。

在其中一个实施例中，传播速度和衰减系数测量模块包括：

偏移曲线获取单元，用于根据接收的超声射频回波信号获取被测生物组织中的质点在剪切波的推动下的偏移曲线；

频域信号获取单元，用于对偏移曲线作傅立叶变换得到对应的频域信号；

幅度和相位获取单元，用于从频域信号中得到对应于圆盘形激励源振荡频率的幅度和相位；

传播速度和衰减系数计算单元，用于根据以下公式计算剪切波在被测生物组织中的传播速度的值和衰减系数的值，传播速度记为V_m，衰减系数记为a_m：

$a_m=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}$

其中，ω为剪切波频率，

为频域信号的相位，z为超声波束的轴向深度，A为所述频域信号的幅度。

在其中一个实施例中，所述真实传播速度和衍射衰减分量计算模块包括：

仿真剪切波拟合单元，用于根据所述剪切波仿真拟合出仿真剪切波；

关系表述式建立单元，用于基于理想激励点源的格林函数建立仿真剪切波的仿真传播速度、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式，其中，仿真剪切波的仿真传播速度记为V_sim：

a_d＝g(V_d)

V_sim＝h(V_d)；

真实传播速度和衍射衰减分量计算单元，用于采用基于二分法的自适应误差补偿算法，将上述计算得到的V_m的值代入V_sim，拟合出使得关系表达式V_sim＝h(V_d)成立的V_d的值，由拟合出的V_d的值和关系表达式a_d＝g(V_d)求出a_d的值。

在其中一个实施例中，所述剪切弹性模量和粘性系数获取模块包括：

粘性衰减分量计算单元，用于根据上述获取的a_m的值、a_d的值及以下公式求出所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量的值，所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量记为a_v：

a_v＝a_m-a_d；

剪切弹性模量和粘性系数计算单元，用于根据上述获取的V_d的值以及上述计算得到的a_v的值以及以下公式求出μ和η的值：

$V_d=\sqrt{\frac{2\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}(1+\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{w^2{\mathrm{\η}}^2}}}}$

${\mathrm{\α}}_v=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}{w}^2\left(\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{w^2{\mathrm{\η}}^2}-1}\right)}{2\mathrm{\μ}}},$

其中，ρ为被测生物组织密度，ω为所述剪切波的频率。

上述生物组织粘弹性测量方法和系统，可减少测量设备的复杂性、缩短测量时间，并可在单一振荡频率下即可测量得到生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，从而降低因改变频率多次测量引入的误差，因此，上述方法和系统，测量过程操作简便，可提高测量结果的精确性。

【附图说明】

图1为一个实施例中的生物组织粘弹性测量方法的流程示意图；

图2为一个实施例中图1的步骤S60的流程示意图；

图3为一个实施例中图2的步骤S610的流程示意图；

图4为一个实施例中图2的步骤S620的流程示意图；

图5为一个实施例中图2的步骤S630的流程示意图；

图6为一个实施例中的生物组织粘弹性测量系统的结构示意图；

图7为一个实施例中信号处理器的结构示意图；

图8为一个实施例中传播速度和衰减系数测量模块的结构示意图；

图9为一个实施例中真实传播速度和衍射衰减分量计算模块的结构示意图；

图10为一个实施例中剪切弹性模量和粘性系数获取模块的结构示意图；

图11为一个实施例中生物组织粘弹性测量系统测量被测生物组织的粘弹性的示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，在一个实施例中，一种生物组织粘弹性测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号。

具体的，驱动激励参数包括驱动激励信号的波形、占空比、幅度和频率等。优选的设置的驱动激励信号的频率为50Hz。

步骤S20，在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波。

步骤S30，根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步。

具体的，超声波参数包括超声波收发频率、发射功率、脉冲相位、衰减系数、放大增益和滤波器上下阈值等。

步骤S40，在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向。

步骤S50，接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号。

被测生物组织内部有剪切波传播时，组织内的质点会因振动而发生偏移，超声射频回波信号可以反映这种偏移。

步骤S60，根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。

如图2所示，步骤S60的具体过程包括以下步骤S610、步骤S620、步骤S630。

步骤S610，根据接收的超声射频回波信号测量所述剪切波在被测生物组织中的传播速度和衰减系数，测量得到的传播速度记为V_m，测量得到的衰减系数记为a_m。

如图3所示，步骤S610的具体过程包括以下步骤S611～S614。

步骤S611，根据接收的超声射频回波信号获取被测生物组织中的质点在剪切波的推动下的偏移曲线。步骤S611的具体过程如下：

（1）对从被测生物组织反射的超声射频回波信号进行采样，得到连续超声射频回波信号帧。

（2）根据连续超声射频回波信号帧中相邻两超声射频回波信号帧，获取使得以下公式中的互相关数值取得最大值时的偏移距离，得到相邻两超声射频回波信号帧之间对应的偏移值：

$R_{\mathrm{nc}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{{\∫}_{-T/2}^{T/2}\left(s_r\left(t\right)s_d(t+\mathrm{\τ})\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{{\∫}_{-T/2}^{T/2}{\left(s_r\left(t\right)\right)}^2\mathrm{dt}{\∫}_{-T/2}^{T/2}{\left(s_d(t+\mathrm{\τ})\right)}^2\mathrm{dt}}},$

其中，s_r和s_d为相邻两超声射频回波信号帧中的信号值，t为在相邻两信号帧中的前一帧中的数据点的位置，τ为在相邻两信号帧中的后一帧中的数据点相对前一帧从t位置偏移的偏移距离，R_nc为互相关数值。

（3）将连续超声射频回波信号帧中各相邻两超声射频信号帧之间对应的偏移值依次叠加，得到连续超声射频回波信号帧相对于连续超声射频回波信号帧中的第一帧的偏移曲线。

步骤S612，对偏移曲线作傅立叶变换得到对应的频域信号；

步骤S613，从频域信号中得到对应于圆盘形激励源振荡频率的幅度和相位；

步骤S614，根据以下公式计算剪切波在被测生物组织中的传播速度的值和衰减系数的值，传播速度记为V_m，衰减系数记为a_m：

$a_m=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}$

其中，ω为剪切波频率，

为频域信号的相位，z为超声波束的轴向深度，A为所述频域信号的幅度。

步骤S620，计算出所述剪切波的仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量的值和所述剪切波的真实传播速度，其中，仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量记为a_d，所述剪切波的真实传播速度记为V_d。

如图4所示，步骤S620的具体过程包括以下步骤S621～S623。

步骤S621，根据所述剪切波仿真拟合出仿真剪切波。

步骤S622，基于理想激励点源的格林函数建立仿真剪切波的仿真传播速度、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式，其中，仿真剪切波的仿真传播速度记为V_sim：

a_d＝g(V_d)

V_sim＝h(V_d)；

步骤S622的详细过程如下：

（1)叠加所述圆盘形激励源中的点x_i在t时刻的理想点源激励函数f_i(x-x_i,t)，其中，i＝1,…,N，N→∝，得到所述圆盘形激励源在t时刻的激励函数：

$f(x,t)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(x-x_i,t),N\→\∝;$

（2）根据所述圆盘形激励源的激励函数获得圆盘形激励源在t时刻的轴向系统函数：

$H_{\mathrm{zz}}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2V_c}& \mathrm{if}\frac{z}{V_c}<t<\frac{\sqrt{R^2+z^2}}{V_c}\\ \frac{R^{2}t}{2^{3/2}\sqrt{R^2+z^2}}& \mathrm{if}\frac{\sqrt{R^2+z^2}}{V_c}<t<\frac{\sqrt{R^2+z^2}}{V_d}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.$

其中，V_c为所述超声波束的速度，V_d为所述剪切波的真实传播速度，R为所述圆盘形激励源半径，z为所述超声波束的轴向深度；

（3）根据所述圆盘形激励源的轴向系统函数获取所述剪切波在圆盘形激励源的轴向的传播函数；

（4）根据所述剪切波在圆盘形激励源的轴向的传播函数计算仿真剪切波的仿真传播速度V_sim、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式：

当z≈R→0时，

${\mathrm{\&alpha;}}_d=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}=-\frac{R^2}{4{V_d}^{3/2}\sqrt{R^2+z^2}}$

当z>>R→∝时，

${\mathrm{\&alpha;}}_d=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}=-\frac{R^2}{w{V}_d{z}^3},$

V_sim＝V_d

其中，R为圆盘形激励源的半径，z为圆盘形激励源的轴向深度，ω为所述剪切波的频率，A为所述剪切波的幅度。

步骤S623，采用基于二分法的自适应误差补偿算法，将上述计算得到的V_m的值代入V_sim，拟合出使得关系表达式V_sim＝h(V_d)成立的V_d的值，由拟合出的V_d的值和关系表达式a_d＝g(V_d)求出a_d的值。

步骤S630，根据上述获取的a_m、a_d的值和V_d的值计算被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，剪切弹性模量记为μ，粘性系数记为η。

如图5所示，步骤S630包括以下步骤S631～S632。

步骤S631，根据上述获取的a_m的值、a_d的值及以下公式求出所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量的值，所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量记为a_v：

a_v＝a_m-a_d。

上述剪切波的衰减系数a_m是剪切波的由衍射产生的衰减分量与由组织粘性产生的衰减分量a_v的和，而在根据剪切波仿真拟合出仿真剪切波的过程中，忽略了由组织粘性产生的衰减分量a_v，剪切波的由衍射产生的衰减分量与仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d是相同的，因此，剪切波的由组织粘性产生的衰减分量a_v就等于剪切波的衰减系数a_m减去仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d。

步骤S632，根据上述获取的V_d的值以及上述计算得到的a_v的值以及以下公式求出μ和η的值：

$V_d=\sqrt{\frac{2\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&rho;}(1+\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}}}}$

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}{w}^2\left(\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}-1}\right)}{2\mathrm{\&mu;}}},$

其中，ρ为被测生物组织密度，ω为所述剪切波的频率。

如图6所示，在一个实施例中，一种生物组织粘弹性测量系统，包括信号发生器10、机械振荡器20、脉冲收发器30、超声换能器40和信号处理器60，其中：

信号发生器10用于根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号。

具体的，驱动激励参数包括驱动激励信号的波形、占空比、幅度和频率等。优选的设置的驱动激励信号的频率为50Hz。

机械振荡器20用于在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波。

脉冲收发器30用于根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步。

具体的，超声波参数包括超声波收发频率、发射功率、脉冲相位、衰减系数、放大增益和滤波器上下阈值等。

超声换能器40用于在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向。

超声换能器40还用于接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号。

被测生物组织内部有剪切波传播时，组织内的质点会因振动而发生偏移，超声射频回波信号可以反映这种偏移。

信号处理器60用于根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。

如图7所示，信号处理器60包括传播速度和衰减系数测量模块610、真实传播速度和衍射衰减分量计算模块620和剪切弹性模量和粘性系数获取模块630，其中：

传播速度和衰减系数测量模块610用于根据接收的超声射频回波信号测量所述剪切波在被测生物组织中的传播速度和衰减系数，测量得到的传播速度记为V_m，测量得到的衰减系数记为a_m。

如图8所示，传播速度和衰减系数测量模块610包括偏移曲线获取单元611、频域信号获取单元612、幅度和相位获取单元613和传播速度和衰减系数计算单元614，其中：

偏移曲线获取单元611用于根据接收的超声射频回波信号获取被测生物组织中的质点在剪切波的推动下的偏移曲线。偏移曲线获取单元611执行以下步骤：

（1）对从被测生物组织反射的超声射频回波信号进行采样，得到连续超声射频回波信号帧。

（2）根据连续超声射频回波信号帧中相邻两超声射频回波信号帧，获取使得以下公式中的互相关数值取得最大值时的偏移距离，得到相邻两超声射频回波信号帧之间对应的偏移值：

$R_{\mathrm{nc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{{\&Integral;}_{-T/2}^{T/2}\left(s_r\left(t\right)s_d(t+\mathrm{\&tau;})\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{{\&Integral;}_{-T/2}^{T/2}{\left(s_r\left(t\right)\right)}^2\mathrm{dt}{\&Integral;}_{-T/2}^{T/2}{\left(s_d(t+\mathrm{\&tau;})\right)}^2\mathrm{dt}}},$

其中，s_r和s_d为相邻两超声射频回波信号帧中的信号值，t为在相邻两信号帧中的前一帧中的数据点的位置，τ为在相邻两信号帧中的后一帧中的数据点相对前一帧从t位置偏移的偏移距离，R_nc为互相关数值。

（3）将连续超声射频回波信号帧中各相邻两超声射频信号帧之间对应的偏移值依次叠加，得到连续超声射频回波信号帧相对于连续超声射频回波信号帧中的第一帧的偏移曲线。

频域信号获取单元612用于对偏移曲线作傅立叶变换得到对应的频域信号；

幅度和相位获取单元613用于从频域信号中得到对应于圆盘形激励源振荡频率的幅度和相位；

传播速度和衰减系数计算单元614用于根据以下公式计算剪切波在被测生物组织中的传播速度的值和衰减系数的值，传播速度记为V_m，衰减系数记为a_m：

$a_m=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}$

其中，ω为剪切波频率，

为频域信号的相位，z为超声波束的轴向深度，A为所述频域信号的幅度。

真实传播速度和衍射衰减分量计算模块620用于计算出所述剪切波的仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量的值和所述剪切波的真实传播速度，其中，仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量记为a_d，所述剪切波的真实传播速度记为V_d。

如图9所示，真实传播速度和衍射衰减分量计算模块620包括仿真剪切波拟合单元621、关系表述式建立单元622和真实传播速度和衍射衰减分量计算单元623，其中：

仿真剪切波拟合单元621用于根据所述剪切波仿真拟合出仿真剪切波。

关系表述式建立单元622用于基于理想激励点源的格林函数建立仿真剪切波的仿真传播速度、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式，其中，仿真剪切波的仿真传播速度记为V_sim：

a_d＝g(V_d)

V_sim＝h(V_d)；

具体的，关系表述式建立单元622执行以下步骤：

（1)叠加所述圆盘形激励源中的点x_i在t时刻的理想点源激励函数f_i(x-x_i，t)，其中，i＝1,…,N，N→∝，得到所述圆盘形激励源在t时刻的激励函数：

$f(x,t)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i(x-x_i,t),N\&RightArrow;\&Proportional;;$

（2）根据所述圆盘形激励源的激励函数获得圆盘形激励源在t时刻的轴向系统函数：

$H_{\mathrm{zz}}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2V_c}& \mathrm{if}\frac{z}{V_c}<t<\frac{\sqrt{R^2+z^2}}{V_c}\\ \frac{R^{2}t}{2^{3/2}\sqrt{R^2+z^2}}& \mathrm{if}\frac{\sqrt{R^2+z^2}}{V_c}<t<\frac{\sqrt{R^2+z^2}}{V_d}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.$

其中，V_c为所述超声波束的速度，V_d为所述剪切波的真实传播速度，R为所述圆盘形激励源半径，z为所述超声波束的轴向深度；

（3）根据所述圆盘形激励源的轴向系统函数获取所述剪切波在圆盘形激励源的轴向的传播函数；

（4）根据所述剪切波在圆盘形激励源的轴向的传播函数计算仿真剪切波的仿真传播速度V_sim、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式：

当z≈R→0时，

${\mathrm{\&alpha;}}_d=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}=-\frac{R^2}{4{V_d}^{3/2}\sqrt{R^2+z^2}}$

当z>>R→∝时，

${\mathrm{\&alpha;}}_d=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}=-\frac{R^2}{w{V}_d{z}^3},$

V_sim＝V_d

其中，R为圆盘形激励源的半径，z为圆盘形激励源的轴向深度，ω为所述剪切波的频率，A为所述剪切波的幅度。

真实传播速度和衍射衰减分量计算单元623用于采用基于二分法的自适应误差补偿算法，将上述计算得到的V_m的值代入V_sim，拟合出使得关系表达式V_sim＝h(V_d)成立的V_d的值，由拟合出的V_d的值和关系表达式a_d＝g(V_d)求出a_d的值。

剪切弹性模量和粘性系数获取模块630用于根据上述获取的a_m、a_d的值和V_d的值计算被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，剪切弹性模量记为μ，粘性系数记为η。

如图10所示，剪切弹性模量和粘性系数获取模块630包括粘性衰减分量计算单元631和剪切弹性模量和粘性系数计算单元632，其中：

粘性衰减分量计算单元631用于根据上述获取的a_m的值、a_d的值及以下公式求出所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量的值，所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量记为a_v：

a_v＝a_m-a_d。

上述剪切波的衰减系数a_m是剪切波的由衍射产生的衰减分量与由组织粘性产生的衰减分量a_v的和，而在根据剪切波仿真拟合出仿真剪切波的过程中，忽略了由组织粘性产生的衰减分量a_v，剪切波的由衍射产生的衰减分量与仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d是相同的，因此，剪切波的由组织粘性产生的衰减分量a_v就等于剪切波的衰减系数a_m减去仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d。

剪切弹性模量和粘性系数计算单元632用于根据上述获取的V_d的值以及上述计算得到的a_v的值以及以下公式求出μ和η的值：

$V_d=\sqrt{\frac{2\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&rho;}(1+\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}}}}$

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}{w}^2\left(\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}-1}\right)}{2\mathrm{\&mu;}}},$

其中，ρ为被测生物组织密度，ω为所述剪切波的频率。

在一个实施例中，上述生物组织粘弹性测量系统还包括主控模块，用于接收用户设置的驱动激励参数和超声波参数，将驱动激励参数下发给信号发生器10，将超声波参数下发给脉冲收发器30。信号处理器60将测量得到的被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数发送给主控单元。主控单元还用于显示测量结果。

图11为上述生物组织粘弹性测量系统测量被测生物组织的粘弹性的示意图。其中，70为主控模块，80为被测生物组织。主控模块70可以为计算机、工控机或单片机等设备。主控模块70与信号发生器10和脉冲收发器30的连接可以通过串口、并口、USB口等接口实现，或通过1394火线、光纤等连接。信号发生器10与机械振荡器20相匹配。机械振荡器20可以采用气动式，液压式或者电磁式等模式。为了获得良好的振动效果及提高安全性，机械振荡器20的振动部分连接一个圆形的振动头，用来接触被测生物组织80表面，传递振动到组织内部，形成剪切波。机械振荡器20以单一频率振动。优选的，单一频率为50Hz振动频率。脉冲收发器30可以采用任何能够提供超声射频回波信号的商用设备，或者具有相同功能的装置。脉冲收发器30与超声换能器40相匹配。

信号发生器10和脉冲收发器30间的同步，可以由主控模块70来控制，也可以由两者间的连接的一条同步电缆实现。

在对在被测生物组织80进行测量时，超声换能器40与机械振荡器20的圆形振动头同轴装配在一起，

测量过程中：主控模块70接收用户设置的驱动激励参数和超声波参数，将驱动激励参数下发给信号发生器10，将超声波参数下发给脉冲收发器30。信号发生器10根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号；机械振荡器20在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织80表面进行振荡，使得在被测生物组织80内部产生剪切波；脉冲收发器30根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步；超声换能器40在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织80发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向；超声换能器40接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织80反射的超声射频回波信号；信号处理器60根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织80的剪切弹性模量和粘性系数。信号处理器60将测量得到的被测生物组织80的剪切弹性模量和粘性系数发送给主控单元70。主控单元70显示测量结果。

上述生物组织粘弹性测量方法和系统，可减少测量设备的复杂性、缩短测量时间，并可在单一振荡频率下即可测量得到生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，从而降低因改变频率多次测量引入的误差，因此，上述方法和系统，测量过程操作简便，可提高测量结果的精确性。

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本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。

Claims (10)

1.一种生物组织粘弹性测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号；

步骤S20，在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波；

步骤S30，根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步；

步骤S40，在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向；

步骤S50，接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号；

步骤S60，根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。

2.根据权利要求1所述的生物组织粘弹性测量方法，其特征在于，步骤S60包括以下步骤：

步骤S610，根据接收的超声射频回波信号测量所述剪切波在被测生物组织中的传播速度和衰减系数，测量得到的传播速度记为V_m，测量得到的衰减系数记为a_m；

步骤S620，计算出所述剪切波的仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量的值和所述剪切波的真实传播速度，其中，仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量记为a_d，所述剪切波的真实传播速度记为V_d；

步骤S630，根据上述获取的a_m的值、a_d的值和V_d的值计算被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，剪切弹性模量记为μ，粘性系数记为η。

3.根据权利要求2所述的生物组织粘弹性测量方法，其特征在于，步骤S610的包括以下步骤：

步骤S611，根据接收的超声射频回波信号获取被测生物组织中的质点在剪切波的推动下的偏移曲线；

步骤S612，对偏移曲线作傅立叶变换得到对应的频域信号；

步骤S613，从频域信号中得到对应于圆盘形激励源振荡频率的幅度和相位；

步骤S614，根据以下公式计算剪切波在被测生物组织中的传播速度的值和衰减系数的值，传播速度记为V_m，衰减系数记为a_m：

$a_m=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}$ 其中，ω为剪切波频率，

为频域信号的相位，z为超声波束的轴向深度，A为所述频域信号的幅度。

4.根据权利要求3所述的生物组织粘弹性测量方法，其特征在于，步骤S620包括以下步骤：

步骤S621，根据所述剪切波仿真拟合出仿真剪切波；

步骤S622，基于理想激励点源的格林函数建立仿真剪切波的仿真传播速度、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式，其中，仿真剪切波的仿真传播速度记为V_sim：

a_d＝g(V_d)

V_sim＝h(V_d)；

步骤S623，采用基于二分法的自适应误差补偿算法，将上述计算得到的V_m的值代入V_sim，拟合出使得关系表达式V_sim＝h(V_d)成立的V_d的值，由拟合出的V_d的值和关系表达式a_d＝g(V_d)求出a_d的值。

5.根据权利要求4所述的生物组织粘弹性测量方法，其特征在于，步骤S630包括以下步骤：

步骤S631，根据上述获取的a_m的值、a_d的值及以下公式求出所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量的值，所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量记为a_v：

a_v＝a_m-a_d；

步骤S632，根据上述获取的V_d的值以及上述计算得到的a_v的值以及以下公式求出μ和η的值：

$V_d=\sqrt{\frac{2\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&rho;}(1+\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}}}}$

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}{w}^2\left(\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}-1}\right)}{2\mathrm{\&mu;}}},$

其中，ρ为被测生物组织密度，ω为所述剪切波的频率。

6.一种生物组织粘弹性测量系统，其特征在于，包括：

信号发生器，用于根据设置的驱动激励参数产生驱动激励信号；

机械振荡器，用于在驱动激励信号的驱动下产生圆盘形激励源，以对被测生物组织表面进行振荡，使得在被测生物组织内部产生剪切波；

脉冲收发器，用于根据设置的超声波参数产生超声驱动信号，超声驱动信号的产生与驱动激励信号的产生保持同步；

超声换能器，用于在超声驱动信号的驱动下对被测生物组织发射超声波束，超声波束的轴向方向与剪切波的轴向方向同向；

超声换能器还用于接收超声波束从内部有剪切波传播的被测生物组织反射的超声射频回波信号；

信号处理器，用于根据接收的超声射频回波信号测量被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数。

7.根据权利要求6所述的生物组织粘弹性测量系统，其特征在于，所述信号处理器包括：

传播速度和衰减系数测量模块，用于根据接收的超声射频回波信号测量所述剪切波在被测生物组织中的传播速度和衰减系数，测量得到的传播速度记为V_m，测量得到的衰减系数记为a_m；

真实传播速度和衍射衰减分量计算模块，用于计算出所述剪切波的仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量的值和所述剪切波的真实传播速度，其中，仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量记为a_d，所述剪切波的真实传播速度记为V_d；

剪切弹性模量和粘性系数获取模块，用于根据上述获取的a_m的值、a_d的值和V_d的值计算被测生物组织的剪切弹性模量和粘性系数，剪切弹性模量记为μ，粘性系数记为η。

8.根据权利要求7所述的生物组织粘弹性测量系统，其特征在于，传播速度和衰减系数测量模块包括：

偏移曲线获取单元，用于根据接收的超声射频回波信号获取被测生物组织中的质点在剪切波的推动下的偏移曲线；

频域信号获取单元，用于对偏移曲线作傅立叶变换得到对应的频域信号；

幅度和相位获取单元，用于从频域信号中得到对应于圆盘形激励源振荡频率的幅度和相位；

传播速度和衰减系数计算单元，用于根据以下公式计算剪切波在被测生物组织中的传播速度的值和衰减系数的值，传播速度记为V_m，衰减系数记为a_m：

$a_m=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}$ 其中，ω为剪切波频率，

为频域信号的相位，z为超声波束的轴向深度，A为所述频域信号的幅度。

9.根据权利要求8所述的生物组织粘弹性测量系统，其特征在于，所述真实传播速度和衍射衰减分量计算模块包括：

仿真剪切波拟合单元，用于根据所述剪切波仿真拟合出仿真剪切波；

关系表述式建立单元，用于基于理想激励点源的格林函数建立仿真剪切波的仿真传播速度、仿真剪切波的由衍射产生的衰减分量a_d和所述剪切波的真实传播速度V_d之间的如下的关系表达式，其中，仿真剪切波的仿真传播速度记为V_sim：

a_d＝g(V_d)

V_sim＝h(V_d)；

真实传播速度和衍射衰减分量计算单元，用于采用基于二分法的自适应误差补偿算法，将上述计算得到的V_m的值代入V_sim，拟合出使得关系表达式V_sim＝h(V_d)成立的V_d的值，由拟合出的V_d的值和关系表达式a_d＝g(V_d)求出a_d的值。

10.根据权利要求9所述的生物组织粘弹性测量系统，其特征在于，所述剪切弹性模量和粘性系数获取模块包括：

粘性衰减分量计算单元，用于根据上述获取的a_m的值、a_d的值及以下公式求出所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量的值，所述剪切波的由组织粘性产生的衰减分量记为a_v：

a_v＝a_m-a_d；

剪切弹性模量和粘性系数计算单元，用于根据上述获取的V_d的值以及上述计算得到的a_v的值以及以下公式求出μ和η的值：

$V_d=\sqrt{\frac{2\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&rho;}(1+\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}}}}$

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}{w}^2\left(\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2}{w^2{\mathrm{\&eta;}}^2}-1}\right)}{2\mathrm{\&mu;}}},$

其中，ρ为被测生物组织密度，ω为所述剪切波的频率。

Images