CN111345851B - 一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及组织修复评价技术领域，具体涉及一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法。其步骤如下：在处于流固耦合状态的组织‑生物多孔性材料体系中选择一感兴趣区域，运用超声脉冲来采集该区域的组织回波信号，通过同一超声探头，对感兴趣区域内的剪切波传播进行快速追踪并采集实时回波数据；运用获得的实时回波数据进行位移获取和反演分析，进而得到感兴趣区域内不同位点处的剪切波速度Vs；利用得到的剪切波速度Vs，运用本发明提供的函数计算饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数ρa，ρa越大，表明组织修复长入状态越好；本发明的方法能够无创、非破坏性评价生物多孔性材料引导组织修复过程。

Description

一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法
技术领域
本发明涉及组织修复评价技术领域，具体涉及一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法。
背景技术
组织工程是近年来正在兴起的一门新学科，它深刻地改变了传统医学的概念，为人类治疗组织和器官的功能衰竭、缺失提供了全新思路。组织工程研究和开发用于修复，维持或改善人体病损组织的具有生理功能的替代物。传统的组织工程需要进行体外细胞培养，存在种子细胞来源有限、培养过程繁复、技术要求高等缺点。近年来无细胞体内原位组织工程(in-situ tissue engineering)的兴起，向体内移植无细胞的多孔支架材料，由多孔支架材料在体内富集种子细胞进行组织再生和修复治疗，部分产品在粘膜和软骨再生等领域得到了实际临床运用。多孔支架材料必须具有固定形状和多孔内部结构以引导细胞分化生长形成新的功能性组织，而且需要具有合适的力学性能。目前，具有良好生物相容性和力学性能且可以在一定程度上模拟天然组织力学性质的生物多孔性材料正在迅猛发展。
在无细胞原位组织工程中，所采用的具有固定形状和多孔内部结构的生物多孔性材料需要具有合适的力学性能和降解性能以引导细胞分化生长形成新的功能性组织。在这个力学重构过程中，一方面组织的长入使支架处的力学强度增加，而另一方面，由生物多孔性材料构成的支架会随着时间逐渐降解，其力学强度将降低，所以整个材料体系的力学重构过程是动态且复杂的。对这种动态且复杂的力学重构过程，现有理论模型和技术方案并不能准确地监测工程化组织修复过程。
现有技术在对全局和局部的力学性能进行探测时要做破坏性分析，从而使实验材料不能持续用于整个实验过程的研究与分析。而且现有典型技术方案如静态弹性成像会受到边界条件的影响，从而使成像准确性受到影响。因此，亟需开发一种对生物多孔性材料引导组织再生和修复过程进行无创监测及力学性质评价的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法，包括以下步骤：
S1，在处于流固耦合状态的组织和生物多孔性材料体系中选择一感兴趣区域，向该区域发射超声脉冲，并采集该区域的实时回波数据；
S2，运用获得的实时回波数据进行位移获取和反演分析，进而得到感兴趣区域内不同位点处的剪切波速度Vs；
S3，利用S2得到的剪切波速度Vs，运用如下函数计算饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数ρa，ρa越大，表明组织修复长入状态越好；
Figure BDA0002410821690000021
式中：
ρ1：考虑孔隙率值时生物多孔性材料的密度，由基体生物材料的密度乘以(1-孔隙率)得到；
ρ2：饱和流体与生物多孔性材料流固耦合状态下考虑孔隙率值时的流体实际密度，由流体密度乘以孔隙率得到；
N：生物多孔性材料的剪切模量；
n：饱和流体与生物多孔性材料的相对位移系数，是对S2中获得的位移数据利用K-均值聚类算法进行聚类分析，分别得到饱和流体与生物多孔性材料的位移均值，饱和流体与生物多孔性材料位移均值之差除以生物多孔性材料位移均值即得n值；
Vs：超声剪切波弹性成像方法得到的剪切波速度；
ρa：饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数。
进一步的，S1具体为：利用超声探头作用于组织上的声辐射力沿轴向高速聚焦于感兴趣区域的不同深度处，使感兴趣区域内的组织在声辐射力作用下产生弹性形变，相应地，此弹性形变在组织内产生回复力，在回复力作用下，感兴趣区域内激发出剪切波；通过同一超声探头，对感兴趣区域内的剪切波传播进行快速追踪并采集实时回波数据。
进一步的，所述组织为动物或人体组织，包括仿组织超声体模。
进一步的，所述S2具体为：对帧间组织运动，应用相移估计算法精确追踪成像平面内不同位点的微小位移，获得随时间和空间变化的传播的剪切波的位移数据，根据位移的时空数据，采用依据剪切波传播方程的直接反演法或飞行时间测量法计算不同位点的剪切波速度Vs。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明的技术方案，可以对组织工程中的生物多孔性材料与流体耦合状态及组织长入的发展状况进行定量、实时、准确地监测，根据剪切波速度Vs来计算出组织长入过程的耦合密度参数ρa，从而对组织发展状态与力学性质进行无创监测与动态评价。
运用本发明技术还可以有效避免传统弹性成像技术在外部压力作用下受边界条件影响的缺点，而且本发明技术能够用于指导组织生长速度不同的生物多孔性材料的设计与制备。
附图说明
图1为本发明工作原理图。
图2为评价组织长入状态优劣的原理图。
图3为本发明的应用实施例原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应理解为本发明的限制。如未特殊说明，下述实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
参照图1所示，一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法，包括以下步骤：
S1，在处于流固耦合状态的组织和生物多孔性材料体系中选择一感兴趣区域，向该区域发射超声脉冲，并采集该区域的实时回波数据；具体为：超声探头作用于组织上的声辐射力沿轴向高速聚焦于感兴趣区域的不同深度处，使感兴趣区域内的组织在声辐射力作用下产生弹性形变，相应地，此弹性形变在组织内产生回复力，在回复力作用下，感兴趣区域内激发出剪切波；通过同一超声探头，对感兴趣区域内的剪切波传播进行快速追踪并采集实时回波数据；
S2，运用获得的实时回波数据进行位移获取和反演分析，进而得到感兴趣区域内不同位点处的剪切波速度Vs；具体的，对帧间组织运动，应用相移估计算法追踪成像平面内不同位点的微小位移，获得随时间和空间变化的传播的剪切波的位移数据，根据位移的时空数据，采用依据剪切波传播方程的直接反演法或飞行时间测量法计算不同位点的剪切波速度Vs。
S3，利用得到的剪切波速度Vs，运用如下函数计算饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数ρa，ρa越大，表明组织修复长入状态越好；
Figure BDA0002410821690000051
式中：
ρ1：考虑孔隙率值时生物多孔性材料的密度，由基体生物材料的密度乘以(1-孔隙率)得到；
ρ2：饱和流体与生物多孔性材料流固耦合状态下考虑孔隙率值时的流体实际密度，由流体密度乘以孔隙率得到；
N：生物多孔性材料的剪切模量；
n：饱和流体与生物多孔性材料的相对位移系数，是对S2中获得的位移数据利用K-均值聚类算法进行聚类分析，分别得到饱和流体与生物多孔性材料的位移均值，饱和流体与生物多孔性材料位移均值之差除以生物多孔性材料位移均值即得n值；
Vs：超声剪切波弹性成像方法得到的剪切波速度；
ρa：饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数。
应用实施例：
本发明涉及的一种超声评价生物多孔性材料引导组织再生和修复过程的方法，适用于对组织工程中的生物多孔性材料在组织长入与修复过程中的复杂力学过程进行定量化描述，并且本方法最大限度地减小了边界条件对成像准确度的影响。
参照图2-3，本评价方法基于超声剪切波弹性成像，首先由脉冲发生器激发的脉冲信号经过声束调节器的调控，在换能器输出通道产生聚焦于感兴趣区域的声辐射力，在预先设定的时钟信号控制下，换能器相应通道将接收到的反射回波信号传输给接收器。对接收器中的信息在PC机中进行位移获取并运用相关重构算法进行反演分析，得到剪切波在生物多孔性材料与饱和流体耦合的体系中的传播速度。
最后利用本专利提出的耦合密度参数与剪切波速度的计算公式，得到感兴趣区域内的耦合密度参数ρa的分布。根据ρa的分布，就可以对组织长入与修复的状态进行无创监测和力学性质的评价。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。凡在本发明的权利要求及其等同技术的范围之内，所作任何修改、等同替换、变型、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法，其特征在于，所述组织为仿组织超声体模，所述方法包括以下步骤：
S1，在处于流固耦合状态的组织和生物多孔性材料体系中选择一感兴趣区域，向该区域发射超声脉冲，并采集该区域的实时回波数据；
S2，运用获得的实时回波数据进行位移获取和反演分析，进而得到感兴趣区域内不同位点处的剪切波速度Vs；
S3，利用S2得到的剪切波速度Vs，运用如下函数计算饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数ρa，ρa越大，表明组织修复长入状态越好；
Figure FDA0003313117260000011
式中：
ρ1：考虑孔隙率时生物多孔性材料的密度，由基体生物材料的密度乘以(1-孔隙率)得到；
ρ2：饱和流体与生物多孔性材料流固耦合状态下考虑孔隙率值时的流体实际密度，由流体密度乘以孔隙率得到；
N：生物多孔性材料的剪切模量；
n：饱和流体与生物多孔性材料的相对位移系数，是对S2中获得的位移数据利用K-均值聚类算法进行聚类分析，分别得到饱和流体与生物多孔性材料的位移均值，饱和流体与生物多孔性材料位移均值之差除以生物多孔性材料位移均值即得n值；
Vs：超声剪切波弹性成像方法得到的剪切波速度；
ρa：饱和流体与生物多孔性材料耦合状态的耦合密度参数。
2.根据权利要求1所述的一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法，其特征在于，S1具体为：利用超声探头作用于组织上的声辐射力沿轴向高速聚焦于感兴趣区域的不同深度处，使感兴趣区域内的组织在声辐射力作用下产生弹性形变，相应地，此弹性形变在组织内产生回复力，在回复力作用下，感兴趣区域内激发出剪切波；通过同一超声探头，对感兴趣区域内的剪切波传播进行快速追踪并采集实时回波数据。
3.根据权利要求1所述的一种超声评价生物多孔性材料引导组织修复过程的方法，其特征在于，S2具体为：对帧间组织运动，应用相移估计算法追踪成像平面内不同位点的微小位移，获得随时间和空间变化的传播的剪切波的位移数据，根据位移的时空数据，采用依据剪切波传播方程的直接反演法或飞行时间测量法计算不同位点的剪切波速度Vs。
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