CN110879249B - 一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置 - Google Patents

一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置。该装置包括单模连续激光器,单模连续激光器发出一束光，经过分束器分成两束光，第一束光经过全反射镜和小孔光阑为调节光路共轴，第二束光入射全反射镜经过平凸透镜聚焦到样品上，样品的散射光通过平凸透镜收集平行光经过平凸透镜聚焦入射针孔滤波器，然后在通过平凸透镜平行光在经过圆柱透镜变成直线光入射VIPA上，出来的平行光通过平凸透镜聚焦入射光纤耦合器，连接到CCD上进行拍照，然后经过采集卡进行采集，把光信号转化电信号，最后通过计算机处理得到布里渊频移图像，进而通过推断运算得出生物牛顿流体极限剪切模量。本发明有测量准确，实时性，非接触，非破坏性和适用临床等优点。

Description

一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置
技术领域
本发明涉及一种测量极限剪切模量的系统装置，具体为一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置。
背景技术
目前测量生物牛顿流体剪切模量的方法大多是采用物理实验的方法，经过反复测试得出结果，在这一过程中就存在的缺点有接触性、破坏性、误差大、非实时、测量时间长和临床可操作性有一定限制等。测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置用来检测生物组织力学性质的剪切模量，主要在测量眼科生物组组织的剪切模量方面为眼科临床疾病的诊断、治疗以及预防领域提供了广阔的应用前景。
本发明作为一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，其主要是通过由弹性模量的基本定义结合热力学理论得出一般介质的剪切模量微分方程，以及剪切模量与声波场的声速直接相关，本发明设计了一种基于VIPA的布里渊散射弹性成像系统来测量流体介质的布里渊频移，由该频移信息可以直接对应得到声波场的声速，进而结合纵向模量的微分方程，计算得到牛顿流体介质的极限剪切模量。本发明的系统装置可以提供在体实时测量，具有非接触性、非破坏性以及更准确的优点，这也为在临床运用提供可操作性以及眼科类疾病的诊断、治疗和预防提供重要的参考依据。
发明内容
本发明由弹性模量的基本定义式结合热力学理论推导得出一般形式的剪切模量微分方程，进而得到剪切模量的一般形式的物理表达，再由纵向模量的微分方程可以得到剪切模量与牛顿流体的声波场的声波波速的物理关系。由于不同生物力学性质对布里渊散射光谱频移信号的影响程度不同，所以不同的生物牛顿流体有着不同的布里渊频移，采用基于布里渊散弹性成像系统来测量布里渊频移，进而得到牛顿流体的声波场的声波波速与布里渊频移的物理关系，从而得出牛顿流体的极限剪切模量。
本发明通过以下技术方案实现:
一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，包括单模连续激光器、分束器、全反射镜一、小孔光阑、全反射镜二、平凸透镜一、平凸透镜二、平凸透镜三、针孔滤波器、平凸透镜四、圆柱透镜、虚拟成像相控阵光谱仪、平凸透镜五、光纤耦合器、CCD、采集卡以及计算机；单模连续激光器发出一束光，经过分束器分成两束光，第一束光经过全反射镜一和小孔光阑为调节光路共轴，第二束光入射全反射镜二经过平凸透镜一聚焦到样品上，样品的散射光通过平凸透镜二收集平行光经过平凸透镜三聚焦入射针孔滤波器，然后在通过平凸透镜四平行光在经过圆柱透镜变成直线光入射虚拟成像相控阵光谱仪(VIPA)上，出来的平行光通过平凸透镜五聚焦入射光纤耦合器，连接到CCD上进行拍照，然后经过采集卡进行采集，把光信号转化电信号，最后通过计算机处理得到布里渊频移图像，在经过计算得到布里渊频移，进而通过推断运算得出生物牛顿流体极限剪切模量。
优选的，所述的单模连续激光器发出的一束光的波长为532nm。
优选的，所述的分束器的分光比为95:5，所述的第一束光为5％的，第二束光为95％的。
优选的，所述的推断运算包括以下步骤：
步骤一、由弹性模量的基本定义结合热力学理论得出一般介质的剪切模量微分方程：
Figure BDA0002294960950000031
其中：τs是剪切弛豫时间，G∞是高频的剪切刚度，Tij为剪切应力；
复剪切模量表示为：
Figure BDA0002294960950000032
步骤二、剪切模量与声波场的声速直接相关,在生物牛顿流体中，声波的传播过程中剪切模量和压缩模量不等于零，可得纵向模量M的微分方程为：
Figure BDA0002294960950000033
其中：X1表示介质中一个点的位移,ω为物体的振动频率；
由X1＝exp(iω(t-x/V))可得：
Figure BDA0002294960950000034
其中：V为声波场的声波波速；
由Landau和Lifshitz得出杨氏模量与剪切模量的关系为：
Figure BDA0002294960950000035
其中：σ为泊松比；
由公式(4)(5)可得：
Figure BDA0002294960950000036
步骤三、通过布里渊频移，进而得到布里渊频移与生物牛顿流体声波场的声波波速关系为：
Figure BDA0002294960950000037
其中VB为布里渊频移，V为声速，n为折射率，θ为散射角，λ为波长。
步骤四、由布里渊频移与生物牛顿流体声波场的声波波速的关系，可以得出声波场的声波波速，由公式(6)(7)得到生物牛顿流体极限剪切模量：
Figure BDA0002294960950000041
本发明的优点在于：本发明可以提供在体实时测量，具有非接触性、非破坏性以及更准确的优点，这也为在临床运用提供可操作性以及眼科类疾病的诊断、治疗和预防提供重要的参考依据。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图中：单模连续激光器01，分束器02，全反射镜一03，小孔光阑04，全反射镜二05，平凸透镜一06，平凸透镜二07，平凸透镜三08，针孔滤波器09，平凸透镜四10，圆柱透镜11，虚拟成像相控阵光谱仪12，平凸透镜五13，光纤耦合器14，CCD15，采集卡16，计算机17。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，包括单模连续激光器01、分束器02、全反射镜一03、小孔光阑04、全反射镜二05、平凸透镜一06、平凸透镜二07、平凸透镜三08、针孔滤波器09、平凸透镜四10、圆柱透镜11、虚拟成像相控阵光谱仪12、平凸透镜五13、光纤耦合器14、CCD15、采集卡16以及计算机17；单模连续激光器01发出一束波长为532nm的光，经过95:5分束器02分成两束光，5％的第一束光经过全反射镜一03和小孔光阑04为调节光路共轴，95％的第二束光入射全反射镜二05经过平凸透镜一06聚焦到样品上，样品的散射光通过平凸透镜二07收集平行光经过平凸透镜三08聚焦入射针孔滤波器09，然后在通过平凸透镜四10平行光在经过圆柱透镜11变成直线光入射虚拟成像相控阵光谱仪12上，出来的平行光通过平凸透镜五13聚焦入射光纤耦合器14，连接到CCD15上进行拍照，然后经过采集卡16进行采集，把光信号转化电信号，最后通过计算机17处理得到布里渊频移图像，在经过计算得到布里渊频移，进而通过推断运算得出生物牛顿流体极限剪切模量。
进一步的，所述的推断运算包括以下步骤：
步骤一、由弹性模量的基本定义结合热力学理论得出一般介质的剪切模量微分方程：
Figure BDA0002294960950000051
其中：τs是剪切弛豫时间，G∞是高频的剪切刚度，Tij为剪切应力；
复剪切模量表示为：
Figure BDA0002294960950000052
步骤二、剪切模量与声波场的声速直接相关,在生物牛顿流体中，声波的传播过程中剪切模量和压缩模量不等于零，可得纵向模量M的微分方程为：
Figure BDA0002294960950000053
其中：X1表示介质中一个点的位移,ω为物体的振动频率；
由X1＝exp(iω(t-x/V))可得：
Figure BDA0002294960950000054
其中：V为声波场的声波波速；
由Landau和Lifshitz得出杨氏模量与剪切模量的关系为：
Figure BDA0002294960950000061
其中：σ为泊松比；
由公式(4)(5)可得：
Figure BDA0002294960950000062
步骤三、通过布里渊频移，进而得到布里渊频移与生物牛顿流体声波场的声波波速关系为：
Figure BDA0002294960950000063
其中VB为布里渊频移，V为声速，n为折射率，θ为散射角，λ为波长。
步骤四、由布里渊频移与生物牛顿流体声波场的声波波速的关系，可以得出声波场的声波波速，由公式(6)(7)得到生物牛顿流体极限剪切模量：
Figure BDA0002294960950000064
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，其特征在于，包括单模连续激光器（01）、分束器（02）、全反射镜一（03）、小孔光阑（04）、全反射镜二（05）、平凸透镜一（06）、平凸透镜二（07）、平凸透镜三（08）、针孔滤波器（09）、平凸透镜四（10）、圆柱透镜（11）、虚拟成像相控阵光谱仪（12）、平凸透镜五（13）、光纤耦合器（14）、CCD（15）、采集卡（16）以及计算机（17）；单模连续激光器（01）发出一束光，经过分束器（02）分成两束光，第一束光经过全反射镜一（03）和小孔光阑（04）为调节光路共轴，第二束光入射全反射镜二（05）经过平凸透镜一（06）聚焦到样品上，样品的散射光通过平凸透镜二（07）收集平行光经过平凸透镜三（08）聚焦入射针孔滤波器（09），然后在通过平凸透镜四（10）平行光在经过圆柱透镜（11）变成直线光入射虚拟成像相控阵光谱仪（12）上 ，出来的平行光通过平凸透镜五（13）聚焦入射光纤耦合器（14），连接到CCD（15）上进行拍照，然后经过采集卡（16）进行采集，把光信号转化电信号，最后通过计算机（17）处理得到布里渊频移图像，在经过计算得到布里渊频移，进而通过推断运算得出生物牛顿流体极限剪切模量。
2.根据权利要求1所述的一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，其特征在于：所述的单模连续激光器（01）发出的一束光的波长为532nm。
3.根据权利要求1所述的一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，其特征在于：所述的分束器（02）的分光比为95:5，所述的第一束光为5%的，第二束光为95%的。
4.根据权利要求1所述的一种测量生物牛顿流体极限剪切模量的系统装置，其特征在于，所述的推断运算包括以下步骤：
步骤一、由弹性模量的基本定义结合热力学理论得出一般介质的剪切模量微分方程：
Figure 223974DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中：
Figure 471416DEST_PATH_IMAGE004
是剪切弛豫时间，
Figure 729091DEST_PATH_IMAGE006
是高频的剪切刚度，
Figure 720180DEST_PATH_IMAGE008
为剪切应力；
复剪切模量表示为：
Figure 746911DEST_PATH_IMAGE009
（2）
步骤二、剪切模量与声波场的声速直接相关,在生物牛顿流体中，声波的传播过程中剪切模量和压缩模量不等于零，可得纵向模量M的微分方程为：
Figure 165254DEST_PATH_IMAGE010
（3）
其中：
Figure 370277DEST_PATH_IMAGE012
表示介质中一个点的位移,
Figure 165058DEST_PATH_IMAGE014
为物体的振动频率；
由
Figure 311875DEST_PATH_IMAGE016
可得：
Figure 901119DEST_PATH_IMAGE018
（4）
其中：
Figure 133386DEST_PATH_IMAGE020
为声波场的声波波速；
由Landau 和 Lifshitz得出杨氏模量与剪切模量的关系为：
Figure 794174DEST_PATH_IMAGE022
（5）
其中：
Figure 546230DEST_PATH_IMAGE024
为泊松比；
由公式（4）（5）可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
（6）
步骤三、通过布里渊频移，进而得到布里渊频移与生物牛顿流体声波场的声波波速关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（7）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为布里渊频移，V为声速，n为折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为散射角，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为波长；
步骤四、由布里渊频移与生物牛顿流体声波场的声波波速的关系，可以得出声波场的声波波速，由公式（6）（7）得到生物牛顿流体极限剪切模量：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
（8）。
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