CN107389680B - 一种定量粘弹性检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种定量粘弹性检测方法，涉及材料的粘弹性检测领域。根据设置的驱动参数，在被测样本表面进行脉冲激励，使得被测样本表面产生瑞利波；运用激光散斑衬比成像技术检测被测样本表面产生的瑞利波的传播；根据瑞利波在时间和空间的传播特性计算瑞利波的频散特性，即瑞利波传播的相速度和频率关系；将上述所求瑞利波的频散曲线带入粘弹性固体模型中瑞利波传播的运动方程，定量的求解出该被测样本的粘性模量和弹性模量。本发明采用脉冲激励作为振动方式，通过反射式激光散斑衬比成像技术，能够同时完成被测样本的粘性和弹性的定量检测，消耗时间少，且不易受样本边界条件的影响，便于实际应用。

Description

一种定量粘弹性检测方法
技术领域
本发明涉及材料的粘弹性检测领域，具体来讲涉及一种定量粘弹性检测方法。
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定量粘弹性检测方法，同时完成被测样本的粘性和弹性的定量检测，消耗时间少，且不易受样本边界条件的影响，便于实际应用。
为达到以上目的，本发明采取一种定量粘弹性检测方法，包括如下步骤：
S1.根据预设的驱动激励参数产生脉冲激励信号，作用于被测样本产生振动，在被测样本表面形成瑞利波；将激光光束照射在被测样本上，用光学成像系统的相机，以一定的帧率和曝光时间采集被测样本的激光散斑图像；
S2.对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，所述空间窗口内的W×W个像素组成一个大小为W2的像素集，结合该像素集内各像素的灰度值，计算出所述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；
S3.按照S2中赋值方式，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；
S4.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；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；
S5.选取所述C(x,y,t)在空间上的部分区域，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)；
S6.对所述激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)，经过二维傅里叶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；
S7.将所述瑞利波的频散特性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该部分区域的粘性和弹性。
在上述技术方案的基础上，所述S1中，脉冲激励信号的幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。
在上述技术方案的基础上，所述S1中，相机每次以一定的帧率Nf帧/秒和曝光时间t秒，采集N张被测样本的激光散斑图像，并重复Na次采集，每次在上次的基础上多延时t1秒，其中Na＝1/(Nf*t1)，采集瑞利波传播的整个过程，N/Nf不小于瑞利波传播的时间。
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，相机以曝光时间t＝0.5ms，帧率Nf＝1000帧/秒，采集N＝160张激光散斑图像；重复Na＝20次采集，后一次激光散斑图像采集比前一次激光散斑图像采集延迟t1＝50μs。
在上述技术方案的基础上，所述S2中，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，所述S5中，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S6中，激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)，通过公式
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。
在上述技术方案的基础上，通过某个频率f0，得到H(k,f0)，在对应曲线上找到H(k,f0)的最大值，得到最大值对应的波数k0，所述频率f0下瑞利波传播的相速度V0＝f0/k0，据此得到瑞利波的频散特性。
在上述技术方案的基础上，所述S7中，粘弹性固体瑞利波的频散方程为
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S1中，所述被测样本通过一个扬声器产生振动，所述脉冲激励信号由一个信号发生器控制，通过一个扬声器驱动装置驱动所述扬声器。
本发明的有益效果在于：
1、运用反射式激光散斑衬比成像技术，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、通过反射式激光散斑衬比成像技术，可以更加方便运用到实际应用中。
3、采用脉冲激励方式，完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为本发明定量粘弹性检测方法流程图；
图2为本发明定量粘弹性检测方法基于的生物组织仿体实验装置示意图；
图3为图2中不同系统间同步的触发时序示意图；
图4为300Hz连续波激励下激光散斑衬比值的时空分布图；
图5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6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，本发明定量粘弹性检测方法，包括如下步骤：
S1.根据预设的驱动激励参数产生脉冲激励信号，作用于被测样本产生振动，在被测样本表面形成瑞利波；同时，将激光光束照射在被测样本上，用光学成像系统的相机，每次以一定的Nf帧/秒和曝光时间t秒，采集N张被测样本的激光散斑图像，并重复Na次采集，每次在上次的基础上多延时t1秒，其中Na＝1/(Nf*t1)，因为采集瑞利波传播的整个过程，所以N/Nf不小于瑞利波传播的时间。
如图2所示，为本发明基于的生物组织仿体实验装置示意图，包括反射式激光散斑成像系统、激励系统和信号发生器。反射式激光散斑成像系统包括激光器、相机和计算机，相机可以是CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)相机或CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机，计算机与相机相连，用于数据采集和处理。激光器发出激光光束照射在被测样本上，相机通过计算机进行成像；具体的，通过调节相机进行对焦，相机设置成外触发，等待触发信号；为了使相机帧率足够大，选择相机成像区域为40*2048像素。激励系统包括扬声器和扬声器驱动装置，扬声器通过支架放置在被测样本上面，其振动膜片与样本上表面轻轻接触；扬声器驱动装置用于驱动扬声器。信号发生器受计算机控制，用来产生全局触发信号，包括一路控制相机曝光时间和采集的帧率的信号，还包括一路脉冲激励信号，输入给扬声器驱动装置，用来驱动扬声器作用于被测样本产生振动。
如图3所示，优选的，信号发生器全局触发信号后，延迟50ms+0μs，产生一路控制相机信号，即一路160个方波信号。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t＝0.5ms，帧率Nf＝1000帧/秒，采集N＝160张激光散斑图像。信号发生器全局触发信号后，还同时产生另外一路脉冲激励信号，作为扬声器控制信号，信号幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。重复Na＝20次采集，每一次控制相机信号的延迟时间都不相同，后一次激光散斑图像采集比前一次激光散斑图像采集延迟t1＝50μs；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。
S2.对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。
S3.按照S2中赋值方式，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。
S4.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，在步骤S1中，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，组合方法为：将每次采集的图像集中次序相同的激光散斑图像，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。
S5.选取所述C(x,y,t)在空间上的部分区域，在时间域上进行数据预处理，得到由于脉冲激励导致的激光散斑衬比的变化的时空分布ΔC(x,t)；数据预处理包括叠加平均、滤波和选取矩形窗，具体包括如下步骤：
S501.对S4中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)。
S6.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。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，具体的，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，所述频率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。
S7.将所述瑞利波的频散特性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该部分区域的粘性和弹性。
具体的，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。按本发明所述方法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。
为了验证本发明所述方法，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4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5所示，为脉冲激励下，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6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6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6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，这样可以节约大约1/11的时间，而且受边界条件的影响更小。从图6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6的线条表示。按照本发明所述的方法测得的四种明胶-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 (10)

1.一种定量粘弹性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据预设的驱动激励参数产生脉冲激励信号，作用于被测样本产生振动，在被测样本表面形成瑞利波；将激光光束照射在被测样本上，用光学成像系统的相机，以一定的帧率和曝光时间采集被测样本的激光散斑图像；
S2.对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，所述空间窗口内的W×W个像素组成一个大小为W2的像素集，结合该像素集内各像素的灰度值，计算出所述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；
S3.按照S2中赋值方式，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；
S4.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；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；
S5.选取所述C(x,y,t)在空间上的部分区域，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)；
S6.对所述激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)，经过二维傅里叶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；
S7.将所述瑞利波的频散特性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该部分区域的粘性和弹性。
2.如权利要求1所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S1中，脉冲激励信号的幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。
3.如权利要求1所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S1中，相机每次以一定的帧率Nf帧/秒和曝光时间t秒，采集N张被测样本的激光散斑图像，并重复Na次采集，每次在上次的基础上多延时t1秒，其中Na＝1/(Nf*t1)，采集瑞利波传播的整个过程，N/Nf不小于瑞利波传播的时间。
4.如权利要求3所述的定量粘弹性检测方法，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，相机以曝光时间t＝0.5ms，帧率Nf＝1000帧/秒，采集N＝160张激光散斑图像；重复Na＝20次采集，后一次激光散斑图像采集比前一次激光散斑图像采集延迟t1＝50μs。
5.如权利要求1所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S2中，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所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S5中，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所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S6中，激光散斑衬比值变化的时空分布ΔC(x,t)，通过公式
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。
8.如权利要求7所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：通过某个频率f0，得到H(k,f0)，在对应曲线上找到H(k,f0)的最大值，得到最大值对应的波数k0，所述频率f0下瑞利波传播的相速度V0＝f0/k0，据此得到瑞利波的频散特性。
9.如权利要求8所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S7中，粘弹性固体瑞利波的频散方程为
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。
10.如权利要求1所述的定量粘弹性检测方法，其特征在于：所述S1中，所述被测样本通过一个扬声器产生振动，所述脉冲激励信号由一个信号发生器控制，通过一个扬声器驱动装置驱动所述扬声器。
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