CN107367462B - 一种生物组织粘弹性的定量检测系统 - Google Patents

一种生物组织粘弹性的定量检测系统 Download PDF

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Abstract

一种生物组织粘弹性的定量检测系统，涉及材料的粘弹性检测技术领域，包括：激励子系统、反射式激光散斑成像子系统和信号发生器，激励子系统用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；反射式激光散斑成像子系统用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；信号发生器用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。通过本发明中的系统，能够同时定量检测生物组织的粘性和弹性，便于实际应用，耗费时间短，不易受边界条件影响。

Description

一种生物组织粘弹性的定量检测系统
技术领域
本发明涉及材料的粘弹性检测技术领域，具体来讲是一种生物组织粘弹性的定量检测系统。
背景技术
疾病(如动脉粥样硬化、皮肤瘤等)的发生和发展会改变生物组织的机械性质(如弹性和粘性)。生物组织粘弹性测量可以用来监测病变过程，并做到早期诊断的目的。
生物组织粘弹性测量，是通过测量生物组织在应力作用下的应变来反映生物组织的机械性能的，其中应力通过外部激励装置施加到被测样本，应变相关参量可以用激光散斑衬比成像的方法来进行测量。激光散斑衬比成像是通过扰动下散斑图样的变化来检测被测物体的运动，已经被广泛用于血流的检测。
现阶段激光散斑技术大多只用于被测样本的弹性的定量检测，并不能同时检测被测样本的粘性。另外，采用透射式激光散斑衬比分析技术，检测连续简谐激励下剪切波的衰减的频散特性，在实际应用中多有不便。如果采用连续波振动的方法采取多个连续的正弦激励源激励样本，需要多个连续的激励，耗费的时间较长；并且瑞利波会从边界反射，与从激励源出发且沿远离激励源方向传播的瑞利波叠加，容易受到样本边界条件的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种生物组织粘弹性的定量检测系统，通过该系统能够同时定量检测生物组织的粘性和弹性，便于实际应用，耗费时间短，不易受边界条件影响。
为达到以上目的，本发明采取一种生物组织粘弹性的定量检测系统，包括：
激励子系统，用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；
反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；
信号发生器，用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；
所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。
在上述技术方案的基础上，所述激励子系统包括扬声器驱动装置和扬声器，扬声器的振动膜片与被测样本的上表面相接触，扬声器驱动装置分别连接扬声器和信号发生器，信号发生器输出脉冲信号激励扬声器驱动装置驱动扬声器。
在上述技术方案的基础上，反射式激光散斑成像子系统包括激光器、相机和计算机，激光器用于发出照射在被测样本表面的激光光束；所述相机用于多次采集被测样本的激光散斑图像；所述计算机与信号发生器相连，用于设置时序信号的参数；所述信号发生器与相机相连，用于控制相机的曝光和采集；所述计算机还连接相机，用于接收相机采集激光散斑图像并进行处理。
在上述技术方案的基础上，所述计算机包括控制模块、激光散斑衬比计算模块、散斑衬比数据集处理模块、数据预处理模块和粘弹性计算模块；
控制模块用于设置信号发生器发出时序信号的参数，并控制信号发生器；
激光散斑衬比计算模块用于对相机采集到的某一帧激光散斑图像，选取尺寸为W×W的空间窗口，并计算出该空间窗口内的空间散斑衬比C，赋值给所述空间窗口中心位置的像素；
散斑衬比数据集处理模块用于获取整个激光散斑图像中所有像素对应的衬比值C(x,y)，以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图像；计算每张散斑图像的空间散斑衬比，构建三维的空间散斑衬比图像C(x,y,t)，其中x,y表示二维空间，t表示时间；还用于将相机每次采集的图像集中次序相同的激光散斑衬比图像，组合到一个新图像集，所有新图像集按次序排列；
数据预处理模块用于对散斑衬比数据集处理模块中得到的激光散斑衬比图像在时间上的分布，在时间域上进行数据预处理，得到激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)；
粘弹性计算模块用于将激光散斑衬比值变化的时空分布经过二维傅里叶变换到波数和频率域，计算瑞利波的频散特性，并代入到粘弹性固体瑞利波的频散方程中，拟合求解出被测样本的粘性和弹性。
在上述技术方案的基础上，所述控制模块设置信号发生器重复触发两路时序信号20次，首次触发延迟50ms后产生160个方波信号，且后一次比前一次延迟50μs，方波信号的参数为低电平为0V，高电平为5V，频率为1000Hz，占空比为50％；控制相机以曝光时间为0.5ms，帧率为1000帧/秒，采集160张激光散斑图像；控制模块设置脉冲信号幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。
在上述技术方案的基础上，所述激光散斑衬比计算模块通过公式
计算空间窗口内的散斑衬比C，其中W为空间窗口的尺寸大小，Ii代表该W×W的空间窗口中第i个像素的灰度值，为这W2个像素灰度的平均值。
在上述技术方案的基础上，数据预处理模块进行数据预处理包括叠加平均、滤波和选取矩形窗。
在上述技术方案的基础上，所述粘弹性计算模块通过公式
将ΔC(x,t)变换到波数和频域H(k,f)，其中k为波数，f为波数频率，m、n为整数；并通过瑞利波的传播特性得到瑞利波的相速度VR与频率f的关系为VR＝f/k，即瑞利波的频散特性。
在上述技术方案的基础上，所述粘弹性计算模块通过粘弹性固体瑞利波的频散方程
拟合求解出被测样本的粘性和弹性，其中ω为瑞利波的角频率，与频率f之间的关系为ω＝2*πf，ρ为被测样本的密度，VR为瑞利波的相速度，μ1为弹性模量，μ2为粘性模量。
在上述技术方案的基础上，所述相机为CCD相机或CMOS相机，相机成像区域为40*2048像素。
本发明的有益效果在于：
1、运用反射式激光散斑成像子系统，可以检测被测样本在脉冲激励下产生的瑞利波的传播，利用瑞利波传播的时空性质计算瑞利波的频散特性，从而定量求解被测样本粘性模量和弹性模量。
2、采用反射式激光散斑成像子系统，可以更加方便运用到实际应用中。
3、激励子系统受到信号发生器产生的脉冲信号激励，仅需要一个脉冲激励，即可成被测样本的粘性和弹性的定量检测，需要的时间更短，并且不容易受到样本边界条件的影响。
附图说明
图1为本发明实施例生物组织粘弹性的定量检测系统的检测示意图；
图2为图1中不同子系统间同步的触发时序示意图；
图3为300Hz连续波激励下激光散斑衬比值的时空分布图；
图4为本发明脉冲激励下激光散斑衬比值变化的时空分布图；
图5为两种方法测得的两种明胶-蓖麻油仿体的频散曲线及拟合结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明生物组织粘弹性的定量检测系统，包括激励子系统、反射式激光散斑成像子系统和信号发生器；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。激励子系统用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波。反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像。信号发生器用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集。
所述激励子系统包括扬声器驱动装置和扬声器，扬声器通过支架放置在被测样本上面，扬声器的振动膜片与被测样本的上表面轻轻接触，扬声器驱动装置分别连接扬声器和信号发生器，信号发生器输出脉冲信号，用来激励扬声器驱动装置驱动扬声器，进而使被测样本产生振动，在被测样本表面形成瑞利波。
反射式激光散斑成像子系统包括激光器、相机和计算机，激光器用于发出照射在被测样本表面的激光光束；相机用于多次采集被测样本的激光散斑图像；计算机与信号发生器相连，用于设置时序信号的参数；信号发生器与相机相连，用于触发相机，并控制相机的曝光和采集；计算机还连接相机，用于接收相机采集激光散斑图像并进行处理。相机可以是CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)相机或CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)相机，为了使相机帧率足够大，选择相机成像区域为40*2048像素。
所述计算机包括五个模块，分别为控制模块、激光散斑衬比计算模块、散斑衬比数据集处理模块、数据预处理模块和粘弹性计算模块。
控制模块，用于设置信号发生器发出时序信号的参数，并控制信号发生器。如图2所示，具体的，控制模块控制信号发生器产生两路信号，一路为为脉冲信号，也就是控制扬声器信号；另一路为方波信号，也就是控制相机信号。优选的，信号发生器全局触发信号后，产生一路脉冲信号，可以预先通过控制模块设置脉冲信号幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。信号发生器全局触发信号后，延迟50ms+0μs，产生一路160个方波信号。控制模块设置参数为：方波信号低电平为0V，高电平为5V，频率为1000Hz，占空比为50％。该路信号控制相机以曝光时间为0.5ms，帧率为1000帧/秒，采集160张激光散斑图像。控制模块设置信号发生器重复触发两路时序信号20次，每一次控制相机信号的延迟时间都不相同，第一次为50ms+0μs，第二次为50ms+50μs，第三次为50ms+100μs，…，第二十次为50ms+950μs，因此每次均采集了50ms的基线。不同的次数，采集了被测样本受扬声器激励产生的瑞利波传播的不同阶段，20次采集组合在一起，可以重构出瑞利波传播的整个过程，得到3200张散斑衬比图像。
激光散斑衬比计算模块，用于对相机采集到的、被测对象反射产生的某一帧激光散斑图像，在该帧图像上选取一个尺寸为W×W的空间窗口，空间窗口内的W×W个像素组成一个大小为W2的像素集，该像素集内各像素的灰度值设为Ii，利用公式(I)计算该空间窗口内的空间散斑衬比C，赋值给该空间窗口中心位置的像素。
其中，W为空间窗口的尺寸大小，Ii代表该W×W的空间窗口中第i个像素的灰度值，为这W2个像素灰度的平均值；本实施例中，W取7。
散斑衬比数据集处理模块，用于滑动所述空间窗口，遍历整个激光散斑图像，获得所有像素对应的衬比值C(x,y)，分别以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图像。具体的，一张空间散斑衬比图像的大小为34×2044像素。还用于计算每张图像的空间散斑衬比，构建三维的空间散斑衬比图像C(x,y,t)，其中x,y表示二维空间，t表示时间，C(x,y,t)描述了激光散斑衬比值的分布。
三维空间散斑衬比图像是大小为3200×34×2044的矩阵，其中在时间序列共有3200个点，在X方向有2044个像素，在Y方向有34个像素。对于3200×34×2044的矩阵，在时间域共获得了3200张散斑衬比图像，由于相机帧率的限制，分20次采集时间域上不同时刻的变化。对采集到的3200张散斑衬比图像按照顺序重新进行排列，组合依据为：将每次采集的图像集中次序相同的激光散斑衬比图像，组合到一个新图像集，所有新图像集按次序排列。例如：第一个采集的图像集为1…160；第二个采集的图像集为161…320；…；第20个采集的图像集为3041…3200。按照1，161，…，3041；2，162，…，3042；…；160，320，…，3200的顺序排列。
数据预处理模块，用于对散斑衬比数据集处理模块中得到的激光散斑衬比图像在时间上的分布，在时间域上进行数据预处理，得到激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)。数据预处理模块进行数据预处理包括叠加平均、滤波和选取矩形窗。具体按照如下步骤进行：
S501.对散斑衬比图像在时间上的分布，在Y方向34个像素平均，在X方向上10个像素进行平均，得到3200×200大小的图像。
S502.对于200个像素中的某个像素，在时间域上减去基线的平均值。具体的，基线为50ms，共1000个点，求取这1000个点的均值，即为基线的平均值。对于某个像素，共采集了160ms，时间采样率为20000点/秒，共采集了3200个数据点，将3200个点均减去基线的平均值。
S503.遍历200个像素的其他像素，重复步骤S502，使每个像素在时间域上减去基线的平均值。
S504.选取矩形窗，选择由激励源激励，向远离激励源方向传播的瑞利波，可以减小由边界面反射回来的波的影响，得到由于脉冲激励导致的激光散斑衬比变化的时空分布ΔC(x,t)。
粘弹性计算模块，用于将激光散斑衬比变化的时空分布ΔC(x,t)变换到波数和频率域，计算瑞利波的传播速度与频率之间的关系，即瑞利波的频散特性，并代入到粘弹性固体瑞利波的频散方程中，拟合求解出被测样本的粘性和弹性。
具体的，通过公式(II)进行二维傅里叶变换，将时间和空间域的信号ΔC(x,t)变换到波数和频域H(k,f)。
其中k为波数，f为波数频率，m、n为整数，H(k,f)为二维傅里叶变换到波数域和频域的二维图像。
计算瑞利波的传播速度与频率之间的关系，通过某个频率f0，可以得到H(k,f0)，在对应曲线上找到H(k,f0)的最大值max(H(k,f0))，得到最大值处对应的波数k0，频率f0下瑞利波传播的相速度V0＝f0/k0，由此可见瑞利波的相速度VR与频率f的关系为：VR＝f/k。
由于瑞利波传播的频散特性可以通过瑞利波传播的时空分布求得，而且瑞利波传播导致的激光散斑衬比变化的时空分布ΔC(x,t)恰恰能够描述瑞利波在时间和空间的传播特性，所以通过瑞利波导致的散斑衬比的变化的时空性质，可以计算出瑞利波传播的频散特性。
生物组织在低频振荡下的力学性质一般可以用Voigt模型来描述，Voigt模型由弹簧和黏壶并行连接构成，弹簧和黏壶是模型构建的理想的弹性体和粘性体。其中弹簧的弹性模量为μ1，黏壶的粘性模量为μ2，对于上表面为空气的粘弹性固体，剪切波的速度Vs和瑞利波的速度VR关系可以近似的求得为Vs/VR≈1.05，瑞利波的相速度与频率的关系可以由公式(III)描述，即粘弹性固体瑞利波的频散方程。
其中ω为瑞利波的角频率，与频率f之间的关系为ω＝2*πf；ρ为被测样本的密度，对于类似于皮肤、粘膜等生物软组织，一般假设其密度接近水的密度为1000kg/m3。公式(III)由参数μ1、μ2描述和ρ描述了瑞利波相速度和频率的关系，所以通过曲线拟合的方法可以求出弹性模量μ1和粘性模量μ2，作为被测样本该部分区域的弹性和粘性的值。
下面通过仿体实验进一步说明本发明。
实验对象为生物仿体，该类型的生物仿体由动物明胶、蓖麻油、脂肪乳和蒸馏水配成，这种或相似的仿体被广泛用于生物组织粘弹性的检测。动物明胶由猪皮熬制而成，具有丰富的弹性和略微的粘性，加入蓖麻油可以明显增加其粘性，脂肪乳可以改变其散射特性，使其约化散射系数与实际组织相符。以650nm的半导体激光器为光源，照射在生物仿体上，通过成像光路搜集反射光，用sCMOS相机对该生物仿体表面的散斑成像。通过发明生物组织粘弹性的定量检测系统，获取原始激光散斑图像，计算激光散斑衬比的值，重构出瑞利波传播导致的激光散斑衬比变化来描述瑞利波的传播过程，并进一步计算瑞利波传播的频散曲线，拟合得到该被测样本的剪切弹性模量μ1和剪切粘性模量μ2。
本具体实施例中，仿体实验共采用了四个不同浓度配比的明胶-蓖麻油仿体，分别为3％的明胶加入0％、10％、20％和40％的蓖麻油；每个样本中均加入了1.6％的脂肪乳溶液。按照明胶-蓖麻油仿体的性质，加入蓖麻油后样本的剪切粘性模量会增加。
为了验证本发明，仿体实验还采用连续波振动的方法。采取多个连续的正弦激励源激励样本，激励源的频率从300Hz开始，以50Hz步进变化到800Hz。采用连续波激励的方法，需要多个连续的激励，耗费的时间更长；而且瑞利波会从边界反射，与从激励源出发沿远离激励源方向传播的瑞利波叠加，受边界的影响更大。
如图3所示，为300Hz连续波激励下，激光散斑衬比的时空分布，可以明显的看到瑞利波的传播过程。在时间方向上，激光散斑衬比值受连续脉冲激励激发的瑞利波的调制，也以300Hz的频率振动。在空间方向上，瑞利波由于衰减，振动的幅度变小，导致激光散斑衬比值的变化变小。随着时间增大，瑞利波传播的越远，而且几乎成线性关系。斜率代表了300Hz频率下瑞利波的传播速度。
如图4所示，为信号发生器产生的脉冲信号的激励下，瑞利波传播导致的激光散斑衬比值的时空分布，可以看到瑞利波由近及远的传播过程。
如图5所示，为脉冲激励和连续波激励下求得的3％明胶-0％蓖麻油、3％明胶-20％蓖麻油样本瑞利波的频散曲线。图5中星号代表的是连续波激励下求得的速度，每一个点都是由图4所示的某一频率连续波激励下激光散斑衬比值的时空分布求得的，共需要11组不同的频率。图5中圈代表的是由脉冲激励方式求得的瑞利波的频散曲线。由于脉冲激励是无数个正弦信号的叠加，所以只需要一次脉冲激励就可以通过公式(II)所表述的方法求得不同频率下瑞利波的传播速度，相比于连续波激励的方式，这样大约需要1/11的时间，而且受边界条件的影响更小。
从图5中可以看出两种方法求得的频散曲线吻合的非常好，连续波激励是一种现有的被大家所公认频散曲线测量方法，验证了脉冲激励求解频散曲线的可行性和准确性。另外，按照公式(III)所述模型，对瑞利波的频散进行拟合求得样本的粘性和弹性，拟合的曲线在图5的线条表示。通过发明生物组织粘弹性的定量检测系统，测得的四种明胶-蓖麻油样本的剪切弹性模量μ1分别为1.14kPa、2.52kPa、3.58kPa和1.15kPa；剪切粘性模量μ2分别为0.15PaS、0.24PaS、0.78PaS和1.54PaS。可以看出剪切弹性模量μ1会随着蓖麻油的溶度增加而先增大后减小；剪切粘性模量μ2会随着蓖麻油的浓度的增加而变大，实验结果无论是从变化趋势还是值都有现有文献报告相符得很好。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于，包括：
激励子系统，用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；
反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；
信号发生器，用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；
所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步；
反射式激光散斑成像子系统包括激光器、相机和计算机，所述计算机包括控制模块、激光散斑衬比计算模块、散斑衬比数据集处理模块、数据预处理模块和粘弹性计算模块；
控制模块用于设置信号发生器发出时序信号的参数，并控制信号发生器；
激光散斑衬比计算模块用于对相机采集到的某一帧激光散斑图像，选取尺寸为W×W的空间窗口，并计算出该空间窗口内的空间散斑衬比C，赋值给所述空间窗口中心位置的像素；
散斑衬比数据集处理模块用于获取整个激光散斑图像中所有像素对应的衬比值C(x,y)，以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图像；计算每张散斑图像的空间散斑衬比，构建三维的空间散斑衬比图像C(x,y,t)，其中x,y表示二维空间，t表示时间；还用于将相机每次采集的图像集中次序相同的激光散斑衬比图像，组合到一个新图像集，所有新图像集按次序排列；
数据预处理模块用于对散斑衬比数据集处理模块中得到的激光散斑衬比图像在时间上的分布，在时间域上进行数据预处理，得到激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)；
粘弹性计算模块用于将激光散斑衬比值变化的时空分布经过二维傅里叶变换到波数和频率域，计算瑞利波的频散特性，并代入到粘弹性固体瑞利波的频散方程中，拟合求解出被测样本的粘性和弹性。
2.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述激励子系统包括扬声器驱动装置和扬声器，扬声器的振动膜片与被测样本的上表面相接触，扬声器驱动装置分别连接扬声器和信号发生器，信号发生器输出脉冲信号激励扬声器驱动装置驱动扬声器。
3.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：激光器用于发出照射在被测样本表面的激光光束；所述相机用于多次采集被测样本的激光散斑图像；所述计算机与信号发生器相连，用于设置时序信号的参数；所述信号发生器与相机相连，用于控制相机的曝光和采集；所述计算机还连接相机，用于接收相机采集激光散斑图像并进行处理。
4.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述控制模块设置信号发生器重复触发两路时序信号20次，首次触发延迟50ms后产生160个方波信号，且后一次比前一次延迟50μs，方波信号的参数为低电平为0V，高电平为5V，频率为1000Hz，占空比为50％；控制相机以曝光时间为0.5ms，帧率为1000帧/秒，采集160张激光散斑图像；控制模块设置脉冲信号幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。
5.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述激光散斑衬比计算模块通过公式
计算空间窗口内的散斑衬比C，其中W为空间窗口的尺寸大小，Ii代表该W×W的空间窗口中第i个像素的灰度值，为这W2个像素灰度的平均值。
6.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：数据预处理模块进行数据预处理包括叠加平均、滤波和选取矩形窗。
7.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述粘弹性计算模块通过公式
将ΔC(x,t)变换到波数和频域H(k,f)，其中k为波数，f为波数频率，m、n为整数；并通过瑞利波的传播特性得到瑞利波的相速度VR与频率f的关系为VR＝f/k，即瑞利波的频散特性。
8.如权利要求7所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述粘弹性计算模块通过粘弹性固体瑞利波的频散方程
拟合求解出被测样本的粘性和弹性，其中ω为瑞利波的角频率，与频率f之间的关系为ω＝2*πf，ρ为被测样本的密度，VR为瑞利波的相速度，μ1为弹性模量，μ2为粘性模量。
9.如权利要求1-8任一所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述相机为CCD相机或CMOS相机，相机成像区域为40*2048像素。
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