通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法
【專利摘要】通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法，基于納米力學模型，生物組織材料用一系列節點來表示，這些節點之間間隔一個有限的距離稱為節間距離；當節點發生位移時，每個節點的位移增量能由泰勒公式展開，泰勒級數的階數決定了近似的程度，在生物組織中取M=2；當組織病變時，節間距離、密度、彈性模量也發生變化，從而引起超聲波的聲速和聲衰減的變化；當組織剛發生病變或病變不明顯時，在納米力學模型中，兩者間的聲速差值會隨聲波頻率的增加而增大；在病變初期，彈性常數變化很小，但兩者的節間距離不同，在某一頻率下所表現的聲速會存在差值。而且隨著頻率的增加，隨之增加。
【專利說明】通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法 一、
【技術領域】
[0001] 本發明利用納米力學的理論，通過組織聲速和聲衰減實現生物組織病變的檢測和 對組織微觀參量節間距離的進行成像。 二、
【背景技術】
[0002] 生物組織病變初期，各種物理參數改變較小，此時利用連續介質模型很難將病變 組織與正常組織區分開來。而利用納米力學模型（DM)引入組織的微觀參量節間距離，可 通過增大探測頻率來擴大病變組織與正常組織間的聲速和聲衰減的差別，增加檢測的準確 性，有利于對組織病變的早期發現與治療。 三、
【發明內容】
[0003] 本發明的目的：采用納米力學理論，通過聲速與聲衰減對組織節間距離的變化的 檢測實現對組織病變初期的檢測。
[0004] 本發明的技術方案：通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法， 基于納米力學模型，將生物組織看成是一系列的納米節點組成，這些節點之間間隔一個有 限的距離稱為節間距離；當節點發生位移時，每個節點的位移增量能由泰勒公式展開，泰勒 級數的階數決定了近似的程度，泰勒級數多于一項時就是多尺度理論；在生物組織中取Μ =2 ;當組織病變時，節間距離、密度、彈性模量也發生變化，從而引起超聲波的聲速和聲衰 減的變化；當組織剛發生病變或病變不明顯時，在連續模型中，病變組織的聲速相對于正常 組織的聲速變化不大；但在納米力學模型中，兩者間的聲速差值會隨聲波頻率的增加而增 大；通過超聲波對組織的掃描，由聲速和聲衰減得到組織的節間距離變化；聲速與節間距 離的變化成正比例關系，聲衰減與節間距離的變化成負比例關系；通過正常組織與病變組 織的聲速、聲衰減的差值圖能重現病變體的節間距離的結構變化。
[0005] 對于病變組織和正常組織，在病變初期，彈性常數變化很小，但兩者的節間距離不 同，在某一頻率下所表現的聲速會存在差值；而且隨著聲頻率的增加，隨之增加。
[0006] 本發明所使用的計算參數如下：
[0007] 正常組織：
[0008] 組織密度P = 1020kg/m3，組織楊氏模量Ε = 1. 43GPa,泊松比〇 = 〇. 43，節點 距離 η = 10 μ m ;
[0009] 病變組織：
[0010] 組織密度 P = 1020-1070kg/m3,組織楊氏模量 E = 1.43-1. 50GPa，泊松比 σ = 0.43-0.44，節點距離 η = 10-15 μ m。 toon]固體力學模型根據媒質分布情況分為連續模型和離散模型。經典連續介質力學 (classical continuum mechanics, CCM)假定媒質是均勻的連續模型。許多生物材料，例 如軟組織，在細胞量級上具有離散結構特性，當超聲頻率在相對較低的頻段（如1-lOMHz)， 超聲聲波的波長為毫米量級遠大于細胞結構的大小，此時CCM得到的聲波方程與實驗結果 較吻合。隨著醫療超聲頻率越來越高，聲波波長趨于細胞大小尺度，生物組織的離散性不能 被忽略。根據DM模型，聲衰減也是一個與節間距離和頻率有關的函數，在單一頻率下，組織 的節間距離越大，聲波衰減量越小，并且高頻的衰減量要比低頻衰減的更大。因此，在對組 織定征的過程中，節間距離增大，衰減量減小，所以可以通過掃描得到組織聲衰減的空間分 布，來對節間距離進行成像。
[0012] 對于病變組織和正常組織，假定在病變初期，彈性常數變化很小，但兩者的節間距 離不同，在某一頻率下所表現的聲速會存在差值；而且隨著頻率的增加，隨之增加。超聲頻 率越高，病變與正常組織間的聲速差越明顯。因而可以通過提高超聲頻率來提高檢測的精 度，此方法是CCM模型所無法實現的。
[0013] 納米力學（doublet mechanics,DM)是適用于具有離散特性材料的新的彈性理論。 在納米力學理論中，材料可由具有有限間距（節點距離）的球狀點表示，每一對點稱作一對 節點，這些節點之間間隔的有限的距離稱為節間距離。每對節點可以發生平移和旋轉，節點 間的形變可以展開成節點距離的Μ階泰勒級數。Μ并不與數學意義上的精度相關，而是代表 著材料的離散程度，Μ越大，系統具有更高的離散程度。例如，Μ = 1，此時節點形變只展開 成了一階級數，則節點應變與節點距離無關，DM退化為CCM;若Μ為無窮大，材料為具有周期 性的布拉維點陣結構。根據有關發現，在生物組織中，Μ = 2的多尺度聲波波動方程所計算 出的色散關系和實驗結果最接近。
[0014] 本發明的有益效果：通過提高聲波的探測頻率使病變組織與正常組織的聲速和聲 衰減差異增大，進而提高檢測的準確度；并利用組織的聲速與聲衰減和節間距離的關系，通 過聲速和聲衰減測量來對組織的節間距離進行成像，從而反映組織的早期病變程度，為生 物組織超聲定征提供一條新的途徑，并且獲得了有關參數，可以對生物組織定征參考標準。 四、
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1不同頻率下組織的聲速隨節間距離的變化；
[0016] 圖2不同節間距離下組織的聲速差隨頻率的變化；分別表示節間距離為11 μ m， 15 μ m，20 μ m的病變組織與10 μ m的正常組織的聲差。
[0017] 圖3中，（a)CCM模型下正常組織與病變組織的聲速差成像圖；(b)，（c)分別是DM 模型下頻率為10MHz和30MHz時正常組織與病變組織的聲速差成像圖；
[0018] 圖4不同頻率下組織的聲衰減隨節間距離的變化；
[0019] 圖5中，（a)點狀病變結構圖，（b)、（c)點狀病變結構的聲速和聲衰減差成像圖 (d)線狀病變結構圖，（e)、（f)線狀病變結構的聲速和聲衰減差成像圖。 五、
【具體實施方式】
[0020] 本發明基于納米力學對組織的病變進行超聲測量定征的方法，將生物組織看成是 一系列的節點組成，由此獲得聲波在生物組織中的傳播模型。根據此模型，組織發生病變 時，節間距離、彈性模量發生變化，從而引起超聲波的聲速與聲衰減的變化，可通過聲速和 聲衰減的變化來判斷組織病變的狀態。
[0021] 將納米力學理論應用到超聲在離散介質中的傳播，對于生物組織，根據大量的實 驗，計算所使用的參數如下：
[0022] 正常組織：組織密度P = 1020kg/m3，組織楊氏模量E = 1. 43GPa,泊松比σ = 0. 43,節點距離η = 10 μ m。
[0023] 不正常的病變組織：組織密度P = 1020_1070kg/m3,組織楊氏模量E = 1. 43-1. 50GPa,泊松比 〇 = 0.43-0.44,節點距離 η = 10-15 μ m。
[0024] DM理論中，當材料的離散度M>1時，聲速將是一個關于材料的彈性常數，微觀參量 節間距離和入射聲波頻率的函數。生物組織中，取Μ = 2,在彈性常數一定的情況下，此時在 不同頻率下組織中的聲速與節間距離關系如圖1所示。對于某一特定頻率，聲速與節間距 離具有單調關系，即隨著節間距離的增大而增大。而對于固定的節間距離，聲速也會隨著頻 率的增大而增大。因此，對于病變組織和正常組織，假定在病變初期，彈性常數變化很小，但 兩者的節間距離不同，在某一頻率下所表現的聲速會存在差值。而且隨著頻率的增加，隨之 增加。圖2中的曲線分別表示節間距離為11 μ m，15 μ m，20 μ m的病變組織與10 μ m的正常 組織的聲差，由此可見頻率越高，病變與正常組織間的聲速差越明顯。因而可以通過提高超 聲頻率來提高檢測的精度，此方法是CCM模型所無法實現的。
[0025] 通過本發明方法對組織進行掃描，一個4cmX4cm的組織中有一個塊區域發生病 變，正常組織的節間距離設為10 μ m，病變部分的節間距離服從高斯分布，中心處的節間距 離為最大值15μπι。圖3(a)是CCM模型下正常組織與病變組織的聲速差成像圖，（b)，（c) 分別是DM模型下頻率為10MHz和30MHz時正常組織與病變組織的聲速差成像圖。從圖中 可以看出：在CCM模型下病變與正常組織的聲速差別很小，但在DM模型中聲速差會隨著頻 率的增大而變大，從圖3(c)可以明顯看出正常組織和病變的差別。
[0026] 根據DM模型，聲衰減也是一個與節間距離和頻率有關的函數，從圖4中可以看出， 在單一頻率下，組織的節間距離越大，聲波衰減量越小，并且高頻的衰減量要比低頻衰減的 更大。因此，在對組織定征的過程中，節間距離增大，衰減量減小，所以也可以通過掃描得到 組織聲衰減的空間分布，來對節間距離進行成像。
[0027] 圖5是針對不同結構的組織進行掃描得到聲速和聲衰減圖。圖5(a)是斑點狀病 變結構的節間距離圖像，圖5(b)，（c)分別是斑點狀病變結構的聲速和聲衰減的差值圖；圖 5(d)是線狀病變結構的節間距離圖像，圖5(e)，（f)分別是線狀病變結構的聲速和聲衰減 的差值圖。從聲速成像圖和聲衰減成像圖可見聲速與聲衰減的變化可以很好的反映出組織 的節間距離的變化。
【權利要求】
1. 通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法，其特征是基于納米力學 模型，將生物組織看成是一系列的納米節點組成，這些節點之間間隔一個有限的距離稱為 節間距離；當節點發生位移時，每個節點的位移增量能由泰勒公式展開，泰勒級數的階數決 定了近似的程度，泰勒級數多于一項時就是多尺度理論；在生物組織中取Μ = 2 ;當組織病 變時，節間距離、密度、彈性模量也發生變化，從而引起超聲波的聲速和聲衰減的變化；當組 織剛發生病變或病變不明顯時，在連續模型中，病變組織的聲速相對于正常組織的聲速變 化不大；但在納米力學模型中，兩者間的聲速差值會隨聲波頻率的增加而增大；通過超聲 波對組織的掃描，由聲速和聲衰減得到組織的節間距離變化；聲速與節間距離的變化成正 比例關系，聲衰減與節間距離的變化成負比例關系；通過正常組織與病變組織的聲速、聲衰 減的差值圖能重現病變體的節間距離的結構變化。
2. 根據權利要求1所述的通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法， 其特征是對于病變組織和正常組織，在組織病變初期，彈性常數變化很小，但正常組織和病 變組織兩者的節間距離不同，在某一頻率下所表現的聲速會存在差值；隨著超聲頻率的增 力口，差值隨之增加。
3. 根據權利要求1所述的通過聲速與聲衰減對生物組織的節間距離進行成像的方法， 其特征是所使用的計算參數如下： 正常組織：組織密度P = 1020kg/m3,組織楊氏模量Ε = 1. 43GPa，泊松比σ = 〇. 43， 節點距離n = l〇ym ; 病變組織：組織密度P = 1020-1070kg/m3,組織楊氏模量Ε = 1. 43-1. 50GPa，泊松比 σ = 〇· 43-0. 44,節點距離 η = 10-15 μ m。
【文檔編號】A61B8/08GK104207804SQ201410502214
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】程凱旋, 劉曉宙, 龔秀芬 申請人:南京大學