通过声速与声衰减对生物组织的节间距离进行成像的方法技术

通过声速与声衰减对生物组织的节间距离进行成像的方法，基于纳米力学模型，生物组织材料用一系列节点来表示，这些节点之间间隔一个有限的距离称为节间距离；当节点发生位移时，每个节点的位移增量能由泰勒公式展开，泰勒级数的阶数决定了近似的程度，在生物组织中取M＝2；当组织病变时，节间距离、密度、弹性模量也发生变化，从而引起超声波的声速和声衰减的变化；当组织刚发生病变或病变不明显时，在纳米力学模型中，两者间的声速差值会随声波频率的增加而增大；在病变初期，弹性常数变化很小，但两者的节间距离不同，在某一频率下所表现的声速会存在差值。而且随着频率的增加，随之增加。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，基于纳米力学模型，生物组织材料用一系列节点来表示，这些节点之间间隔一个有限的距离称为节间距离；当节点发生位移时，每个节点的位移增量能由泰勒公式展开，泰勒级数的阶数决定了近似的程度，在生物组织中取M=2；当组织病变时，节间距离、密度、弹性模量也发生变化，从而引起超声波的声速和声衰减的变化；当组织刚发生病变或病变不明显时，在纳米力学模型中，两者间的声速差值会随声波频率的增加而增大；在病变初期，弹性常数变化很小，但两者的节间距离不同，在某一频率下所表现的声速会存在差值。而且随着频率的增加，随之增加。【专利说明】 一、
本专利技术利用纳米力学的理论，通过组织声速和声衰减实现生物组织病变的检测和 对组织微观参量节间距离的进行成像。 二、
技术介绍
生物组织病变初期，各种物理参数改变较小，此时利用连续介质模型很难将病变 组织与正常组织区分开来。而利用纳米力学模型（DM)引入组织的微观参量节间距离，可 通过增大探测频率来扩大病变组织与正常组织间的声速和声衰减的差别，增加检测的准确 性，有利于对组织病变的早期发现与治疗。 三、
技术实现思路
本专利技术的目的：采用纳米力学理论，通过声速与声衰减对组织节间距离的变化的 检测实现对组织病变初期的检测。 本专利技术的技术方案：， 基于纳米力学模型，将生物组织看成是一系列的纳米节点组成，这些节点之间间隔一个有 限的距离称为节间距离；当节点发生位移时，每个节点的位移增量能由泰勒公式展开，泰勒 级数的阶数决定了近似的程度，泰勒级数多于一项时就是多尺度理论；在生物组织中取Μ =2 ;当组织病变时，节间距离、密度、弹性模量也发生变化，从而引起超声波的声速和声衰 减的变化；当组织刚发生病变或病变不明显时，在连续模型中，病变组织的声速相对于正常 组织的声速变化不大；但在纳米力学模型中，两者间的声速差值会随声波频率的增加而增 大；通过超声波对组织的扫描，由声速和声衰减得到组织的节间距离变化；声速与节间距 离的变化成正比例关系，声衰减与节间距离的变化成负比例关系；通过正常组织与病变组 织的声速、声衰减的差值图能重现病变体的节间距离的结构变化。 对于病变组织和正常组织，在病变初期，弹性常数变化很小，但两者的节间距离不 同，在某一频率下所表现的声速会存在差值；而且随着声频率的增加，随之增加。 本专利技术所使用的计算参数如下： 正常组织： 组织密度P = 1020kg/m3，组织杨氏模量Ε = 1. 43GPa,泊松比〇 = 〇. 43，节点 距离 η = 10 μ m ; 病变组织： 组织密度 P = 1020-1070kg/m3,组织杨氏模量 E = 1.43-1. 50GPa，泊松比 σ = 0.43-0.44，节点距离 η = 10-15 μ m。 toon]固体力学模型根据媒质分布情况分为连续模型和离散模型。经典连续介质力学 (classical continuum mechanics, CCM)假定媒质是均勻的连续模型。许多生物材料，例 如软组织，在细胞量级上具有离散结构特性，当超声频率在相对较低的频段（如1-lOMHz)， 超声声波的波长为毫米量级远大于细胞结构的大小，此时CCM得到的声波方程与实验结果 较吻合。随着医疗超声频率越来越高，声波波长趋于细胞大小尺度，生物组织的离散性不能 被忽略。根据DM模型，声衰减也是一个与节间距离和频率有关的函数，在单一频率下，组织 的节间距离越大，声波衰减量越小，并且高频的衰减量要比低频衰减的更大。因此，在对组 织定征的过程中，节间距离增大，衰减量减小，所以可以通过扫描得到组织声衰减的空间分 布，来对节间距离进行成像。 对于病变组织和正常组织，假定在病变初期，弹性常数变化很小，但两者的节间距 离不同，在某一频率下所表现的声速会存在差值；而且随着频率的增加，随之增加。超声频 率越高，病变与正常组织间的声速差越明显。因而可以通过提高超声频率来提高检测的精 度，此方法是CCM模型所无法实现的。 纳米力学（doublet mechanics,DM)是适用于具有离散特性材料的新的弹性理论。 在纳米力学理论中，材料可由具有有限间距（节点距离）的球状点表示，每一对点称作一对 节点，这些节点之间间隔的有限的距离称为节间距离。每对节点可以发生平移和旋转，节点 间的形变可以展开成节点距离的Μ阶泰勒级数。Μ并不与数学意义上的精度相关，而是代表 着材料的离散程度，Μ越大，系统具有更高的离散程度。例如，Μ = 1，此时节点形变只展开 成了一阶级数，则节点应变与节点距离无关，DM退化为CCM;若Μ为无穷大，材料为具有周期 性的布拉维点阵结构。根据有关发现，在生物组织中，Μ = 2的多尺度声波波动方程所计算 出的色散关系和实验结果最接近。 本专利技术的有益效果：通过提高声波的探测频率使病变组织与正常组织的声速和声 衰减差异增大，进而提高检测的准确度；并利用组织的声速与声衰减和节间距离的关系，通 过声速和声衰减测量来对组织的节间距离进行成像，从而反映组织的早期病变程度，为生 物组织超声定征提供一条新的途径，并且获得了有关参数，可以对生物组织定征参考标准。 四、 【专利附图】【附图说明】 图1不同频率下组织的声速随节间距离的变化； 图2不同节间距离下组织的声速差随频率的变化；分别表示节间距离为11 μ m， 15 μ m，20 μ m的病变组织与10 μ m的正常组织的声差。 图3中，（a)CCM模型下正常组织与病变组织的声速差成像图；(b)，（c)分别是DM 模型下频率为10MHz和30MHz时正常组织与病变组织的声速差成像图； 图4不同频率下组织的声衰减随节间距离的变化； 图5中，（a)点状病变结构图，（b)、（c)点状病变结构的声速和声衰减差成像图 (d)线状病变结构图，（e)、（f)线状病变结构的声速和声衰减差成像图。 五、 【具体实施方式】 本专利技术基于纳米力学对组织的病变进行超声测量定征的方法，将生物组织看成是 一系列的节点组成，由此获得声波在生物组织中的传播模型。根据此模型，组织发生病变 时，节间距离、弹性模量发生变化，从而引起超声波的声速与声衰减的变化，可通过声速和 声衰减的变化来判断组织病变的状态。 将纳米力学理论应用到超声在离散介质中的传播，对于生物组织，根据大量的实 验，计算所使用的参数如下： 正常组织：组织密度P = 1020kg/m3，组织杨氏模量E = 1. 43GPa,泊松比σ = 0. 43,节点距离η = 10 μ m。 不正常的病变组织：组织密度P = 1020_1070kg/m3,组织杨氏模量E = 1. 43-1. 50GPa,泊松比 〇 = 0.43-0.44,节点距离 η = 10-15 μ m。 DM理论中，当材料的离散度M>1时，声速将是一个关于材料的弹性常数，微观参量 节间距离和入射声波频率的函数。生物组织中，取Μ = 2,在弹性常数一定的情况下，此时在 不同频率下组织中的声速与节间距离关系如图1所示。对于某一特定频率，声速与节间距 离具有单调关系，即随着节间距离的增大而增大。而对于固定的节间距离，声本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过声速与声衰减对生物组织的节间距离进行成像的方法，其特征是基于纳米力学模型，将生物组织看成是一系列的纳米节点组成，这些节点之间间隔一个有限的距离称为节间距离；当节点发生位移时，每个节点的位移增量能由泰勒公式展开，泰勒级数的阶数决定了近似的程度，泰勒级数多于一项时就是多尺度理论；在生物组织中取M＝2；当组织病变时，节间距离、密度、弹性模量也发生变化，从而引起超声波的声速和声衰减的变化；当组织刚发生病变或病变不明显时，在连续模型中，病变组织的声速相对于正常组织的声速变化不大；但在纳米力学模型中，两者间的声速差值会随声波频率的增加而增大；通过超声波对组织的扫描，由声速和声衰减得到组织的节间距离变化；声速与节间距离的变化成正比例关系，声衰减与节间距离的变化成负比例关系；通过正常组织与病变组织的声速、声衰减的差值图能重现病变体的节间距离的结构变化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程凯旋，刘晓宙，龚秀芬，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32