軟組織超聲輻射力彈性成像力學分析與實驗

《軟組織超聲輻射力彈性成像力學分析與實驗》是依託清華大學，由曹艷平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：軟組織超聲輻射力彈性成像力學分析與實驗
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：曹艷平
• 項目類別：面上項目

項目摘要

彈性成像(包括超聲彈性成像和核磁彈性成像等)可對一些生物軟組織的力學特性進行非介入性檢測。臨床研究表明，組織病變（如腦積水、肝纖維化和腫瘤的發生）通常會導致生物組織力學特性發生改變。因此通過彈性成像方法在體測量生物軟組織力學特性對某些重大疾病的診斷，發展、監控以及相關藥物的療效評價具有重要意義。超聲輻射力彈性成像是近年來受到廣泛關注並在臨床獲得套用的瞬態彈性成像方法。本研究著眼於超聲輻射力彈性成像方法在臨床套用中所面臨的幾個基本力學問題。基於聲輻射力激發的剪下波在非線性黏彈性和各向異性彈性軟物質材料中傳播的力學理論，探究軟組織對激勵的回響與其力學特性參數之間的關係。進一步依託此關係建立反方法從實驗回響(如剪下波傳播速度)提取軟組織的力學特性參數。擬利用理論分析,數值實驗和體外實驗驗證反問題解的存在性、唯一和穩定性。進而通過對乳腺、肌肉等軟組織進行在體實驗,探究新方法的臨床套用價值。

結題摘要

在體定量表征生物軟組織力學性質對一些臨床重大疾病的診療，如腫瘤良惡 性區分，肝臟纖維化進程監控等具有重要意義。動態超聲彈性成像作為一種定量 表征生物軟組織力學性質的醫學影像方法，近年來受到力學、聲學、生物醫學及 臨床醫學等研究領域的廣泛關注。本研究基於連續介質力學理論，研究了動態超聲 彈性成像中涉及的一些關鍵力學問題。 首先，研究了各向異性軟介質中的彈性切倫科夫效應，進而發展了完全表征 各向異性軟組織的剪下波彈性成像方法。利用 Green 函式解得到了 SH 波彈性切倫 科夫效應的解析解。給出了 qSV 波彈性切倫科夫效應產生的臨界條件及馬赫錐錐 角計算公式，並通過理論分析和數值模擬揭示了 qSV 波產生向後馬赫錐的條件。 基於理論分析結果，提出了完整表征橫觀各向同性軟組織（如骨骼肌）三個獨立 彈性參數的彈性成像方法。通過離體和在體實驗驗證了方法的有效性和臨床套用 價值。 其次，針對薄壁軟組織（如血管、膀胱壁等），建立了考慮預應力影響的導波 彈性成像方法。理論推導了在液體環境中承受雙軸預應力的彈性薄層的導波頻散 關係，並通過仿體實驗驗證了該理論解。通過探究曲率對環向和軸嚮導波頻散關 系的影響，給出了曲率影響可忽略時的臨界條件，進而發展了相應的導波彈性成 像方法。將考慮預應力影響的理論頻散關係推廣到了薄層力學性質為各向異性的 情況，並建立了表征各向異性薄壁軟組織本構參數的反方法。 再次，發展了實時、連續測量血壓和動脈力學性質的彈性成像方法，並開展 了在體實驗研究。通過理論分析和數值計算揭示了血壓和群速度平方之間的線性 關係，從而利用群速度實現了血壓的連續、實時監測。結合血壓測量結果，分別 採用軸嚮導波頻散關係和心動周期內血管直徑變化在體表征了頸總動脈的彈性。建立了梯度彈性軟組織、層狀軟組織和腫瘤等典型非均勻軟組織的彈 性成像方法。針對梯度彈性軟介質，研究了 Rayleigh 表面波的頻散關係，並基於 理論分析發展了表征其力學性質的彈性成像方法。基於層狀軟介質的彈性波理論， 發展了表征層狀軟組織本構參數的彈性成像方法，利用該方法在體測量了皮膚真 皮層的本徵彈性性質。在本項目資助下，在國內外相關領域知名期刊發表SCI論文31篇，申請專利26項，授權或公開19項，合作發表專著一部。項目執行期間獲教育部自然科學一等獎和國家自然科學二等獎各1項。