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超声振动测量的模型分析

发布日期:2015-06-18 09:24    浏览次数:

 陈科1 ,林江莉l尹光福1 ,郑翔2

(1.四川大学生物医学工理系,四川成都610065;2. 圣克劳德州立大学电气与计算机工程系,明尼苏达圣克劳德56301)
摘要:基于Zener 模型的超声振动检测方法可无损地定量测出材料或组织的剪切力学性质。其克服r Voigt 模型不能描述应力松弛过程的局限性,能够准确地表达薪弹性介质的动态响应。基于Zener 模型的本构关系和波动方程,推导出了基于此模型的剪切波传播速度公式,该公式将剪切波的相速度和介质的剪切力学性质关联了起来。在获得剪切波在多个频率上速度的前提下通过数学方法估计出介质的剪切模量。将凝胶模型和橡胶管作为实验对象,获得剪切波在两者中的传播速度,分别用Voigt 模型和Zener 模型对速度值进行拟合,结果均显示Zener 模型更加适合于二者的描述,为材料检测和组织定征提供了更为准确的方法。
关键词:超声振动测量;教弹性;Zener 模型
中图分类号:0426.9; R3 18.6
非侵人式测量材料和生物组织的力学属性对于材料科学,无损探伤和医学诊断[1] 有着极其重要的意义。常规的非侵人式测量方法就是通过对材料在外力作用下的响应进行定量检测,常用的检测技术有核磁共振[2] 和超声[3] 等。SDUV[3] (Shear wave Dispersion Ultrasound Vibrometrγ) 方法利用剪切波速度的频散特性定量地测量出了组织的剪切弹性和剪切蒙古性,该方法使用超声脉冲辐射力在组织中产生剪切波,然后通过周期性的超声脉冲回波探测出剪切波传播的相速度。SDUV 方法使用的基础是将茹弹性介质假设为均匀的,不可压缩的并且符合Voigt力学模型。Voigt 模型由两个并联的分支组成,分别是一个弹簧单元E 1 和→个蒙古壶单元η ,如图1 (a) 。基于此模型,剪切波传播的相速度公式可以通过波动方程推导而来[4] 
其中μl 和的分别是介质的剪切弹性和剪切茹4性。SDUV 方法通过在介质中多个谐振频率上的相速度可以计算出μ1 和的。Voigt 模型能够准确地描述组织的应变蠕变和恢复过程,但是对于应力松弛的过程却不能准确描述[5] 。在有些实际应用中, Voigt 模型并不能对某些不符合飞Toigt 模型的组织或材料的教弹性响应提供准确的描述,比如动脉血管的等[6-8]。
在本文中,一种更为通用的模型-Zener 模型用于描述更为复杂的均匀的,不可压缩的敬弹性介质的带弹性特性描述。Zener 模型不仅可以准确地描述应变蠕变和恢复过程,也可以准确地描述应力松弛过程[5-9] ,如图2
根据Zener 模型的本构关系和波动方程,推导出了基于Zener 模型的剪切波传播速度公式,因此,通过剪切波速度的频散特性可以计算出符合Zener模型的材料或者组织的勃弹性参数。作者介绍了一种基于Zener 模型的超声振动测量方法,并通过实验证明,相比Voi♂模型而言,某些黠弹性材料更符合Zener 模型。
1 方法
在连续介质中,描述介质微小变形的一般偏微分方程如下[10-11]
其中, x , y 和z 为筒卡尔积坐标,孔, Xy 和凡是外力成分, s=(s. 冉, Sz) 是位移向量, σxx , uxy 和σ.z是x , y和z 方向在y -z 平面上的应力分量,ρ 是介质的密度。如同牛顿第二定律的描述,这个方程说明了介质随时间变化的动量变化率等于介质所受的外力。基于飞Toigt 模型的本构关系和式(2) ,可以得到在均匀介质中传播的剪切波的相速度,见式(1 )。从胡克定律出发,并基于Zener 模型的本构关系,建立了3 维的应力应变关系,联合波动方程推导出了符合Zener 模型的介质中剪切波传播的相速度公式,在此基础上可以估计出介质的剪切黠弹性参数。
1.1 Zener 模型
Zener 模型的蒙古弹性特性如图2 ,当应力施加后会产生瞬时的弹性应变,在这个应力持续作用下,应变会逐渐增大趋于极限值,此过程为蠕变;相对应的,当施加瞬时的应变后会产生应力,应力会逐渐减小至趋于零值,此过程为松弛。对于蠕变过程,当移除应力后弹性应变瞬时恢复,非弹性应变会逐渐恢复至趋于零值二Zener 模型由两个并联的分支组成,其一是一个弹簧单元E" 其二为一个弹簧单元E2 和一个茹壶单
元η 串联组成,如图1 (b) 。第二个分支即为熟知的Maxwell 模型。Zener 模型的应力应变关系。
对于线性均匀的材料来说,如果仅受到压缩或者拉伸力,在轴向方向的变形同时会产生其他与轴垂直方向的变形。所以,根据1 维的应力应变关系和泊松比就可以推导出3 维的应力应变关系。将应力应变关系看成施力方向z 上的拉伸和与z 垂直的y 和z 方向上收缩的叠加,那么可以得到:
那么在获得剪切波在多个频率上的传播速度后,通过式(1 6) ,可以估计出Zener 模型的剪切模量参数。在本文中,参数的估计方法为非线性最小二乘法。
2 实验与分析
实验中,将由共聚焦超声探头产生的振动脉冲辐射力分别施加在凝胶模型(9% 凝胶粉末和919毛水合成)和橡胶管(内半径2mm ,外半径3 mm ,壁厚1 mm) 内部。振动脉冲辐射力由10 个脉冲周期组成,每个脉冲周期为10 ms ,即基频为100 Hz ,图3所示为两个周期的振动脉冲,脉冲宽度为200μ ,检测探头发射脉冲的频率为4 kHz 
实验原理如图4 所示,振动探头周期性地发射脉冲,材料内部振动中心点因受辐射力产生周期性的振动,随即在水平方向产生剪切波,在振动点的水平方向设置若干个间隔为1 mm 的检测点,实验中线性移动检测探头记录检测点的位移数据,图5 显示了分别对凝胶模型和橡胶管实验时,振动中心的位移情况,随着与振动fÞ心点的距离增大,各个检测点位移的幅度也越来越小,且高频成分衰减大于低频成分。
对各个检测点的位移数据进行傅里叶变换,从而获得剪切波在不同检测点的在其基频和谐振频率上的相位信息,相位变化如图6 所示,横坐标是检测点与振动中心点的距离。根据公式(17) 可以求得剪切波在基频及其多个谐振频率下的传播速度。凝胶模型实验和橡胶管实验所得的速度分布,以及基于Voigt 和Zener 模型拟合速度分布的结果如图7 所示,估计出的参数如表1 所示。
对于某些材料和组织, Voigt 模型不能为它们的秸弹性动态响应提供很好的定量描述。作者推导了基于Zener 模型的速度公式,该公式将剪切力学属性与速度联系了起来。通过实验得到的速度估计出了Voigt 模型和Zener 模型的剪切参数,估计的结果显示,对于凝胶和橡胶管这两种黠弹性材料, Zener具有更加准确的描述能力,克服了Voigt 模型的局限性,提高了定量描述蒙古弹性材料剪切模量的精度,更加有利于材料剪切力学性质的评价和医学组织的定征。
实验期望得到的速度分布频率范围尽可能的宽,但是受到剪切波高频成分衰减快的限制,因此根据实验实际情况,选择的最高频率为1 ∞o Hz 。表1中同时列出了拟合得到的实验值与模型曲线之间的误差,该误差直接反映了拟合结果的效果,在凝胶模型和橡胶管的实验中,基于Zener 模型拟合的误差均明显小于基于Voigt 模型拟合的距离,由此可以看出, Zener 模型相比Voigt 模型更符合实验中的两种蒙古弹性材料,具有更好的描述其动态响应的能力,同样的实验过程-共重复了10 次,均得出同样的结
论。另一方面,从式(1 6) 可以看出,当E 2 元穷大时,Zener 模型就等效于Voigt 模型,也就是说, Zener 模型其实涵盖了Voigt 模型, Voigt 模型是Zener 模型的一种特殊形式。因此不管材料符合Voigt 模型还
是Zener 模型,用Zener 模型均可以有效地描述,反之则不然。
3 结论
对于某些材料和组织, Voigt 模型不能为它们的教弹性动态响应提供很好的定量描述。推导了基于Zener 模型的速度公式,该公式将剪切力学属性与速度联系了起来。通过实验得到的速度估计出了Voigt 模型和Zener 模型的剪切参数,估计的结果显示,对于凝胶和橡胶管这两种勃弹性材料, Zener 具有更加准确的描述能力,克服了Voigt 模型的局限性,提高了定量描述教弹性材料剪切模量的精度,更加有利于材料剪切力学性质的评价和医学组织的定征。