CN113655127A - 一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 - Google Patents
一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113655127A CN113655127A CN202110921557.9A CN202110921557A CN113655127A CN 113655127 A CN113655127 A CN 113655127A CN 202110921557 A CN202110921557 A CN 202110921557A CN 113655127 A CN113655127 A CN 113655127A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hard tissue
- ultrasonic
- biological hard
- resonance
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 73
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims description 62
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 10
- 210000004268 dentin Anatomy 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 3
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 claims 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 claims 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
超声共振谱方法因其单次测量可获得样本全部独立的弹性常数，测量不受尺寸限制且测量精度高等优势，近年来被拓展应用于小尺寸生物硬组织材料弹性性质测量中。本发明设计了一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，主要用于准确检测小尺寸生物硬组织材料的超声共振频率，具体涉及生物医学电子技术领域，包括：第一部分，超声激励与接收模块；第二部分：测试参数设置模块。本发明可实现生物硬组织材料的超声共振频率精确测量，对生物硬组织材料力学性能评价有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台。
背景技术
骨骼、牙齿等生物硬组织力学特性的精确测量对于理解功能、揭示机理和植入式假体设计、制备与评价有重要意义。
由于生物硬组织材料硬度高、脆性大、尺寸小及取样困难，现有力学测试方法测试结果一致性差、重复性差、多为有损测量且对于小尺寸样本无法夹持。相较于现有的力学测试方法，超声共振谱因可实现无损测量、不受样本尺寸限制、单次测量就能获得全部弹性常数且结果高度可重复等优点，被广泛应用于金属或晶体材料的力学特性测试中。
但是，该方法在生物硬组织力学特性的测量中仍存在一定局限，其中一个重要的原因是缺乏适用于生物硬组织的超声共振谱测试平台。相较于晶体材料而言，由于生物硬组织材料并非标准弹性体，在超声共振测量过程中表现出较强的粘弹性，具体表现是共振谱平缓，相邻两个共振峰有较多重叠。并且，生物硬组织材料测量过程中对超声能量衰减较大。此外，生物硬组织样本通常尺寸较小，对应其更高的共振频率。故适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试系统对测试精度、分辨率及激励源、激励频率等参数均有较高要求。
发明内容
本发明提出了一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，可为生物硬组织力学特性的准确描述提供更为先进的技术手段。
针对小尺寸生物硬组织样本超声共振谱测试中对测试精度、分辨率及激励源、激励频率等参数的要求，本发明旨在提供一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量平台，实现小尺寸生物硬组织样本的共振频率精确测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量平台，包括：超声激励与接收模块和测试参数设置模块；所述超声激励与接收模块用于激励生物硬组织样本产生共振，并实现共振频谱接收；所述测试参数设置模块用于设置超声共振谱实验参数；
其中：
所述脉冲发生电路模块用于可产生特定频率范围和功率的电信号(扫频信号)；所述超声探头为一组(2个)轻质剪切波超声探头，第一超声探头，与脉冲发生电路模块电连接，探头表面向上放置，用于激励生物硬组织共振；作用于待测生物硬组织材料；第二超声探头表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。所述信号处理电路模块与第二超声探头电连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织样本共振频谱的存储；
所述激励参数设置模块用于设置激励强度、频率范围、频率分辨率等参数；所述接收参数设置模块用于设置接收带宽等参数设置。
本发明的有益效果包括：
本发明实现了生物硬组织材料的共振频率精确测量，对生物硬组织力学特性的准确描述提供更为先进的技术手段，为基于超声共振谱的生物硬组织材料测试设备的产品化设计奠定了基础。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量结果图；
图3是根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料的超声共振谱的使用流程图。
附图标记：
101-脉冲发生电路模块；102-第一超声探头；103-第二超声探头；104-信号处理电路模块；105-待测生物硬组织样本；201-激励参数设置模块；202-接收参数设置模块。
具体实施方式
本发明的目的在于设计了一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量平台，能够实现生物硬组织材料样本的共振频率准确两，具体包括：超声激励与接收模块和测试参数设置模块；所述超声激励与接收模块用于激励生物硬组织样本产生共振，并实现共振频谱接收；所述测试参数设置模块用于设置超声共振谱实验参数；
其中：
所述脉冲发生电路模块用于可产生特定频率范围和功率的电信号(扫频信号)；所述超声探头为一组(2个)轻质剪切波超声探头，第一超声探头，与脉冲发生电路模块电连接，探头表面向上放置，用于激励生物硬组织共振；作用于待测生物硬组织材料；第二超声探头表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。所述信号处理电路模块与第二超声探头电连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织样本共振频谱的存储；
所述激励参数设置模块用于设置激励强度、频率范围、频率分辨率等参数；所述接收参数设置模块用于设置接收带宽等参数设置。
本发明的优点包括：
本发明实现了生物硬组织材料的共振频率精确测量，对生物硬组织力学特性的准确描述提供更为先进的技术手段。
以下结合附图和实施例对本发明的具体结构和工作过程进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料样本超声共振谱的测量平台包括超声激励与接收模块和测试参数设置模块。
超声激励与接收模块主要包括：
脉冲发生电路模块101，第一超声探头102，第二超声探头103，信号处理模块104。为了更详细地说明本发明所设计平台的具体结构，在这一部分加入了待测小尺寸生物硬组织样本(如牙本质等)105。
脉冲发生电路模块101用于可产生特定频率范围和功率的扫频信号；
第一超声探头102与脉冲发生电路模块101连接，探头表面向上放置，用于激励生物硬组织样本共振；
第二超声探头103表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。
信号处理电路模块104与第二超声探头连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织样本共振频谱的存储；
测试参数设置模块包括：
激励参数设置模块201和接收参数设置模块202。
激励参数设置模块201对激励参数进行设置如下：超声激励频率设置为100-700kHz，扫频频率增加模式设置为线性；为了避免生物硬组织样本的粘弹性对超声共振谱产生较大影响，频率分辨率设置为50-100Hz；
接收参数设置模块202根据样本的不同将接收带宽设置为30Hz或100Hz。
应用本发明进行的生物硬组织材料样本的超声共振谱测量的实施例得到的共振频谱图的例子如图2所示。
本发明的该实例选用的牙本质样品105尺寸是5.696×3.620×2.704mm3，质量为111mg。
根据本发明的一个实施例的工作过程如下：
如图3所示，首先放置待测的小尺寸生物硬组织样本105(如牙本质等)于第一超声探头102和第二超声探头103间，尽可能保证该样本105处于自由表面边界条件状态；由激励参数设置模块设置201设置激励强度、频率范围、频率分辨率等激励参数；经脉冲发生电路模块101产生特定频率范围的扫频信号，经由第一超声探头102激励待测牙本质样本105产生共振；待测牙本质样本105的共振频谱输出信号由第二超声探头104接收，并经由接收参数设置模块202设置接收带宽等参数后将共振频谱信号输入信号处理模块105，由信号处理模块104完成对信号放大，进行模拟-数字转换，实现待测牙本质样本105的共振频谱存储。
需要指出的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，其特征在于包括：
超声激励与接收模块，用于激励生物硬组织样本产生共振，并实现共振频谱接收；
测试参数设置模块，用于设置超声共振谱实验参数；
所述超声激励与接收模块包括：脉冲发生电路模块、超声探头及信号处理电路模块；
所述参数设置模块包括：激励参数设置模块及接收参数设置模块，
其中：
所述脉冲发生电路模块用于可产生特定频率范围和功率的扫频信号；
所述超声探头包括两个轻质剪切波超声探头，即：
第一超声探头，与脉冲发生电路模块电连接，第一超声探头的表面向上放置，用于激励生物硬组织共振，作用于待测生物硬组织材料；
第二超声探头，其表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。
2.根据权利要求1所述的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，其特征在于：
所述生物硬组织样本包括但不限于人体牙釉质、牙本质、皮质骨、松质骨等材料样本，对角放置于两个超声探头间。
3.根据权利要求1所述的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，其特征在于：
所述信号处理电路模块与第二超声探头电连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织材料样本共振频谱的存储。
4.根据权利要求1所述的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，其特征在于：
所述激励参数设置模块用于设置激励强度、频率范围、频率分辨率。
5.根据权利要求1所述的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，其特征在于：
所述接收参数设置模块用于设置接收带宽。
6.基于根据权利要求1－5之一所述的超声共振谱测试平台的超声共振谱测试方法，其特征在于包括：
把待测的小尺寸生物硬组织样本放置于第一超声探头(102)和第二超声探头(103)之间，
用激励参数设置模块设置包括激励强度、频率范围、频率分辨率的激励参数，
用脉冲发生电路模块(101)产生特定频率范围的扫频信号，
使扫频信号经由第一超声探头(102)激励待测的小尺寸生物硬组织样本(105)产生共振，
用第二超声探头(104)接收待测的小尺寸生物硬组织样本(105)的共振频谱输出信号，
通过接收参数设置模块(202)设置包括接收带宽的参数并将共振频谱输出信号输入到信号处理模块(104)，
用信号处理模块(104)对共振频谱输出信号进行放大和进行模拟-数字转换，从而实现待测的小尺寸生物硬组织样本(105)的共振频谱测试。
7.基于根据权利要求6所述的超声共振谱测试方法，其特征在于进一步包括：
使待测的小尺寸生物硬组织样本(105)处于自由表面边界条件状态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110921557.9A CN113655127A (zh) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | 一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110921557.9A CN113655127A (zh) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | 一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113655127A true CN113655127A (zh) | 2021-11-16 |
Family
ID=78480201
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110921557.9A Pending CN113655127A (zh) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | 一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113655127A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8043217B1 (en) * | 2007-07-10 | 2011-10-25 | Bioquantetics, Inc. | Method and apparatus to quantify specific material properties of objects using real-time ultrasound burst spectrography technique |
| CN102813533A (zh) * | 2012-08-16 | 2012-12-12 | 深圳大学 | 基于声辐射力的超声波骨评价装置及剪切波参数检测方法 |
| CN109875608A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-06-14 | 清华大学 | 弹性成像方法 |
| CN111407316A (zh) * | 2019-01-08 | 2020-07-14 | 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 | 使用超声估计组织的衰减特性的方法和系统 |
| CN113180736A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-30 | 西安交通大学 | 基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置及方法 |
-
2021
- 2021-08-11 CN CN202110921557.9A patent/CN113655127A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8043217B1 (en) * | 2007-07-10 | 2011-10-25 | Bioquantetics, Inc. | Method and apparatus to quantify specific material properties of objects using real-time ultrasound burst spectrography technique |
| CN102813533A (zh) * | 2012-08-16 | 2012-12-12 | 深圳大学 | 基于声辐射力的超声波骨评价装置及剪切波参数检测方法 |
| CN111407316A (zh) * | 2019-01-08 | 2020-07-14 | 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 | 使用超声估计组织的衰减特性的方法和系统 |
| CN109875608A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-06-14 | 清华大学 | 弹性成像方法 |
| CN113180736A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-30 | 西安交通大学 | 基于低频气动激励获得经颅超声脑组织黏弹流性测量装置及方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 冯丹丹等: ""基于超声共振谱方法的人牙釉质材料力学特性研究"", 《医用生物力学》 * |
| 刘松平等编著: "《先进复合材料无损检测技术》", 30 September 2017, ，航空工业出版社 * |
| 张强等: ""一种基于超声共振谱的低Q值材料共振频率提取方法"", 《力学学报》 * |
| 沈飞等: ""基于粒子群优化的超声共振谱法测量材料弹性常数"", 《无损检测》 * |
| 魏书柳: ""面向材料弹性常数测量的通用型超声共振谱仪器研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7601120B2 (en) | Method and device for the non-invasive assessment of bones | |
| CN103529128A (zh) | 一种疲劳裂纹在线检测系统及检测方法 | |
| CN109387564B (zh) | 一种基于锂枝晶生长的锂离子电池在线检测方法及装置 | |
| CN203572806U (zh) | 一种疲劳裂纹在线检测系统 | |
| Kohles et al. | Ultrasonic wave velocity measurement in small polymeric and cortical bone specimens | |
| KR101055475B1 (ko) | 초음파 프로브의 음향 특성을 측정하는 시스템 및 방법 | |
| CN101469978B (zh) | 超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法及电路 | |
| CN102961162A (zh) | 一种可拆装式多部位超声骨强度仪 | |
| CN113655127A (zh) | 一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 | |
| KR100612378B1 (ko) | 침수식 초음파 음향 특성 측정 시스템 및 방법 | |
| Lyu et al. | A simplified integration of multi-channel ultrasonic guided wave system for phased array detection and total focusing imaging | |
| Martinez et al. | Ultrasonic attenuation in pure water: Comparison between through-transmission and pulse-echo techniques | |
| CN104749082A (zh) | 孔隙含量超声多功能评价方法及装置 | |
| CN104116522A (zh) | 一种基于超声波衰减测量肌肉疲劳程度的装置和方法 | |
| Preston et al. | Interlaboratory comparison of hydrophone calibrations | |
| Cai et al. | Photoacoustic Imaging Based on Broadened Bandwidth Aluminum Nitride Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers | |
| Irie et al. | Transmission of 100-MHz-range ultrasound through a fused quartz fiber | |
| CN112945771B (zh) | 一种超声疲劳试验试样应力应变校准方法 | |
| CN107515250B (zh) | 一种用于牙体的声显微成像装置 | |
| CN110231217B (zh) | 一种坦克扭力轴力学性能退化的共线混频超声检测方法 | |
| RU103002U1 (ru) | Высокочувствительный широкополосный датчик ультразвуковых колебаний | |
| Lai et al. | Ultrasonic resonance spectroscopic analysis of microliters of liquids | |
| Cai et al. | Photoacoustic Imaging Based on AlN MF-PMUT with Broadened Bandwidth | |
| Ono | Receiving Sensitivities of Acoustic Emission Sensors: A data compilation. | |
| RU2362487C2 (ru) | Способ неинвазивного измерения скорости распространения акустических колебаний в эластичной ткани |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211116 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |