一种生物组织粘弹性的定量检测系统技术方案

一种生物组织粘弹性的定量检测系统，涉及材料的粘弹性检测技术领域，包括：激励子系统、反射式激光散斑成像子系统和信号发生器，激励子系统用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；反射式激光散斑成像子系统用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；信号发生器用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。通过本发明专利技术中的系统，能够同时定量检测生物组织的粘性和弹性，便于实际应用，耗费时间短，不易受边界条件影响。

A system for quantitative determination of viscoelasticity of biological tissue

Quantitative detection system for biological tissue viscoelasticity, including the field of viscoelastic materials: detection technology involves excitation subsystem, reflective laser speckle imaging subsystem and signal generator, excitation subsystem is used to motivate the measured sample surface in the measured samples surface Rayleigh wave; reflection type laser spot imaging subsystem is used to collect the measured samples in the whole process of Rayleigh wave propagation of laser speckle image; signal generator is used to generate two timing signals, a pulse signal, the control of incentive system; another way for the Fang Bo signal, control of reflection type laser speckle imaging subsystem of exposure and collection of the measured samples; the incentive system and the reflection type laser speckle imaging subsystem through synchronized timing control. The system can detect the viscosity and elasticity of biological tissue at the same time, which is convenient for practical application, and has short time consuming and is not easy to be affected by boundary conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种生物组织粘弹性的定量检测系统
本专利技术涉及材料的粘弹性检测
，具体来讲是一种生物组织粘弹性的定量检测系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种生物组织粘弹性的定量检测系统，通过该系统能够同时定量检测生物组织的粘性和弹性，便于实际应用，耗费时间短，不易受边界条件影响。为达到以上目的，本专利技术采取一种生物组织粘弹性的定量检测系统，包括：激励子系统，用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；信号发生器，用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。在上述技术方案的基础上，所述激励子系统包括扬声器驱动装置和扬声器，扬声器的振动膜片与被测样本的上表面相接触，扬声器驱动装置分别连接扬声器和信号发生器，信号发生器输出脉冲信号激励扬声器驱动装置驱动扬声器。在上述技术方案的基础上，反射式激光散斑成像子系统包括激光器、相机和计算机，激光器用于发出照射在被测样本表面的激光光束；所述相机用于多次采集被测样本的激光散斑图像；所述计算机与信号发生器相连，用于设置时序信号的参数；所述信号发生器与相机相连，用于控制相机的曝光和采集；所述计算机还连接相机，用于接收相机采集激光散斑图像并进行处理。在上述技术方案的基础上，所述计算机包括控制模块、激光散斑衬比计算模块、散斑衬比数据集处理模块、数据预处理模块和粘弹性计算模块；控制模块用于设置信号发生器发出时序信号的参数，并控制信号发生器；激光散斑计算模块用于对相机采集到的某一帧激光散斑图像，选取尺寸为W×W的空间窗口，并计算出该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；散斑数据集处理模块用于获取整个激光散斑图像中所有像素对应的衬比值C(x,y)，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；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；还用于将相机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；数据预处理模块用于对散斑衬比数据集处理模块中得到的激光散斑衬比图像在时间上的分布，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)；粘弹性计算模块用于将激光散斑衬比值变化的时空分布经过二维傅里叶变换到波数和频率域，计算瑞利波的频散特性，并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的粘性和弹性。在上述技术方案的基础上，所述控制模块设置信号发生器重复触发两路时序信号20次，首次触发延迟50ms后产生160个方波信号，且后一次比前一次延迟50μs，方波信号的参数为低电平为0V，高电平为5V，频率为1000Hz，占空比为50％；控制相机以曝光时间为0.5ms，帧率为1000帧/秒，采集160张激光散斑图像；控制模块设置脉冲信号幅度为50mV，脉冲宽度为0.5ms。在上述技术方案的基础上，所述激光散斑衬比计算模块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，I为这W2个像素灰度的平均值。在上述技术方案的基础上，数据预处理模块进行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，所述粘弹性计算模块通过公式将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；并通过瑞利波的传播特性得到瑞利波的相速度VR与频率f的关系为VR＝f/k，即瑞利波的频散特性。在上述技术方案的基础上，所述粘弹性计算模块通过粘弹性固体瑞利波的频散方程拟合求解出被测样本的粘性和弹性，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，所述相机为CCD相机或CMOS相机，相机成像区域为40*2048像素。本专利技术的有益效果在于：1、运用反射式激光散斑成像子系统，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、采用反射式激光散斑成像子系统，可以更加方便运用到实际应用中。3、激励子系统受到信号发生器产生的脉冲信号激励，仅需要一个脉冲激励，即可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为本专利技术实施例生物组织粘弹性的定量检测系统的检测示意图；图2为图1中不同子系统间同步的触发时序示意图；图3为300Hz连续波激励下激光散斑衬比值的时空分布图；图4为本专利技术脉冲激励下激光散斑衬比值变化的时空分布图；图5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专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术生物组织粘弹性的定量检测系统，包括激励子系统、反射式激光散斑成像子系统和信号发生器；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。激励子系统用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波。反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像。信号发生器用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集。所述激励子系统包括扬声器驱动装置和扬声器，扬声器通过支架放置在被测样本上面，扬声器的振动膜片与被测样本的上表面轻轻接触，扬声器驱动装置分别连接扬声器和信号发生器，信号发生器输出脉冲信号，用来激励扬声器驱动装置驱动扬声器，进而使被测样本产生振动，在被测样本表面形成瑞利波。反射式激光散斑成像子系统包括激光器、相机和计算机，激光器用于发出照射在被测样本表面的激光光束；相机用于多次采集被测样本的激光散斑图像；计算机与信号发生器相连，用于设置时序信号的参数；信号发生器与相机相连，用于触发相机，并控制相机的曝光和采集；计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于，包括：激励子系统，用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；信号发生器，用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。

【技术特征摘要】
1.一种生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于，包括：激励子系统，用于对被测样本表面进行激励，在被测样本表面形成瑞利波；反射式激光散斑成像子系统，用于采集被测样本在瑞利波传播整个过程的所有激光散斑图像；信号发生器，用于产生两路时序信号，一路为脉冲信号，控制激励子系统；另一路为方波信号，控制反射式激光散斑成像子系统对被测样本的曝光及采集；所述激励子系统和反射式激光散斑成像子系统通过时序控制保持同步。2.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述激励子系统包括扬声器驱动装置和扬声器，扬声器的振动膜片与被测样本的上表面相接触，扬声器驱动装置分别连接扬声器和信号发生器，信号发生器输出脉冲信号激励扬声器驱动装置驱动扬声器。3.如权利要求1所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：反射式激光散斑成像子系统包括激光器、相机和计算机，激光器用于发出照射在被测样本表面的激光光束；所述相机用于多次采集被测样本的激光散斑图像；所述计算机与信号发生器相连，用于设置时序信号的参数；所述信号发生器与相机相连，用于控制相机的曝光和采集；所述计算机还连接相机，用于接收相机采集激光散斑图像并进行处理。4.如权利要求3所述的生物组织粘弹性的定量检测系统，其特征在于：所述计算机包括控制模块、激光散斑衬比计算模块、散斑衬比数据集处理模块、数据预处理模块和粘弹性计算模块；控制模块用于设置信号发生器发出时序信号的参数，并控制信号发生器；激光散斑计算模块用于对相机采集到的某一帧激光散斑图像，选取尺寸为W×W的空间窗口，并计算出该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；散斑数据集处理模块用于获取整个激光散斑图像中所有像素对应的衬比值C(x,y)，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；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；还用于将相机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；数据预处理模块用于对散斑衬比数据集处理模块中得到的激光散斑衬比图像在时间上的分布，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)；粘弹性计算模块用于将激光散斑衬比值变化的时空分布经过二维傅里叶变换到波数和频率域，计算瑞利波的频散特性，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏程，陈肖，
申请(专利权)人：华中科技大学鄂州工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42