基于剪切波加载的光学相干弹性成像实验技术研究

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1、天津大学硕士学位论文基于剪切波加载的光学相干弹性成像实验技术研究StudyonOpticalCoherenceElastographyTechniqueBasedonShearWaveLoading学科专业：生物力学研究生：张小艺指导教师：孙翠茹副教授天津大学机械工程学院2017年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已

2、在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要生物组织的病理变化通常与其力学性能的改变相关，组织发生病变往往伴随着杨氏模量的增加。因此生物组织杨氏模量的定量测试对于疾病发生

3、和发展的研究及诊治非常重要。然而实验生物力学技术依然主要依赖于传统的拉压测试，无法满足结构、成分及力学性质复杂的生物组织高准确度定量测试的需求。随着医学影像技术的发展，剪切波光学相干弹性成像(OpticalCoherenceElastography,OCE)应运而生。剪切波OCE具有纳米级变形分辨率、毫米级穿透深度以及高成像速度等潜在优势。但是剪切波OCE作为一种新兴的技术，在实验方法、力学特性提取算法和结果验证等方面都需要提高或完善。本文旨在提出生物力学测试的新方法，研究一种方便易用且能对生物组织弹性进行高准确度定量测试的剪切波OCE技术。首先，搭建了

4、剪切波OCE的硬件系统，包括激振压电堆栈从而引发脉冲剪切波的加载系统和扫频光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography,OCT)系统；并设计编写了Labview和Matlab程序在软件层面完成了剪切波加载与OCT扫描的同步控制及其数据采集和处理。其次，基于剪切波传播理论和OCT相位分析，提出了对剪切波的传播时间进行检测的方法，然后结合传播距离计算出剪切波的传播速度，从而获得了组织的杨氏模量，并与拉伸实验比较，验证了其测量结果的准确度约为98.5%。最后，利用该剪切波OCE技术在体测得了皮肤的杨氏模量，而且进一步提出了四维（三维和

5、时间）数据采集模式及相应的数据处理方法，实现了对非均质生物组织仿体的弹性成像以及剪切波的可视化。脉冲剪切波OCE技术通过OCT相位的变化来识别波的传播，但是并不需要对相位进行精确计算，从而降低了对OCT系统本身相位稳定性及测试环境的要求。该技术的加载和测试方法简单易行，不需要对生物组织进行切割或夹持，为生物组织的弹性测试提供了新的技术手段。结合相应的生物力学理论，该技术有望进一步发展为非线弹性生物组织力学性能的测试技术，并有潜力转化到皮肤等疾病诊治的临床应用。关键词：光学相干层析成像，光学相干弹性成像，剪切波，压电堆栈，生物组织IABSTRACTHist

6、opathologicalchangesofbiologicaltissueareoftenassociatedwithchangesinmechanicalproperties.LesionsusuallyhavehigherYoung'smodulusthannormaltissue.Therefore,biomechanicalpropertiesmeasurementisessentialforthedevelopment,progression,diagnosisandtreatmentofvariousdiseases.However,bio

7、mechanicaltestingtechniquesmainlyrelyontraditionaltensile-compressiontests,whichcannotmeettherequirementforhighlyaccuratemeasurementofbiomechanicalpropertiesofcomplextissue.Withthedevelopmentofmedicalimagingtechnology,opticalcoherenceelastography(OCE)hasemerged.ShearwaveOCEhasthe

8、potentialadvantagesofnano-scaledeformati