測量生物組織等效楊氏模量的毫米壓痕儀

楊紅穗，高琦，劉逍逸，周紅生

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測量生物組織等效楊氏模量的毫米壓痕儀

楊紅穗1，高琦2，劉逍逸1，周紅生1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海200032；2. 長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春130022)

生物組織的彈性是診斷其是否發(fā)生病變的重要依據(jù)，楊氏模量是反映組織彈性的重要參數(shù)。以Labview為軟件平臺(tái)結(jié)合數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制等硬件設(shè)備，研制了一套測量彈性模量的毫米壓痕彈性儀。以市購冷鮮牛肉、豬肉、豬肝和豬腎為試樣，測量了球形壓頭向試樣施加的負(fù)載力和對(duì)應(yīng)的試樣壓痕深度，在對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，利用基于赫茲接觸力學(xué)模型的壓頭半徑、作用力、壓痕深度與試樣等效楊氏模量E間的解析關(guān)系，得到各試樣的等效楊氏模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測得的組織試樣等效楊氏模量數(shù)值與文獻(xiàn)基本相符，所設(shè)計(jì)的毫米級(jí)壓痕法測試裝置可用于生物組織等效楊氏模量的檢測。

生物組織；等效楊氏模量；壓痕法；毫米壓痕彈性儀

0 引言

生物軟組織包括皮膚、血管、肌肉、肌腱、韌帶及各種器官(如肝、腎等)，是非線性黏彈性的、各向異性的非均質(zhì)材料[1]，病變通常會(huì)導(dǎo)致其彈性的變化，如癌癥通常表現(xiàn)為組織硬塊，囊腫呈現(xiàn)為柔軟的結(jié)構(gòu)，而類似肝硬化、纖維化肝之類的疾病也會(huì)使肝的彈性系數(shù)發(fā)生明顯的變化[2-3]。測量生物組織的彈性，可以輔助疾病情況的準(zhǔn)確診斷及確定針對(duì)性的治療方案，并可對(duì)治療方案的效果進(jìn)行評(píng)估[4]。楊氏模量反映物體本身的彈性性質(zhì)，是生物組織的重要本征彈性參數(shù)，對(duì)它的定量檢測，是國內(nèi)外研究人員關(guān)注的生物力學(xué)研究方向之一[5-15]，利用生物組織的彈性而發(fā)展形成的各種彈性成像技術(shù)，如磁共振彈性成像、超聲成像、聲幅射力沖擊成像等[16-25]，已成為臨床診斷的重要手段。

對(duì)組織楊氏模量的測量，可以離體或活體方式進(jìn)行。由于活體測量受到樣本、醫(yī)學(xué)倫理等方面的限制，因此，目前多以離體方式進(jìn)行組織的楊氏模量的測量。具體的測量方法有基于傳統(tǒng)力學(xué)測試的方法如靜態(tài)拉伸法[6,11]或壓縮法[4-8]、壓痕法[11-15]及基于超聲技術(shù)的方法[5-6, 8-10]等。盡管壓痕法測試類似于壓縮測試，但是對(duì)測試邊界條件的要求降低了，其作用也接近于過去一直用來進(jìn)行組織病情判斷的手指觸診，因此，利用壓痕法測試離體組織楊氏模量的研究，具有較高的實(shí)用意義，特別是在掃描探針顯微技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的納米壓痕技術(shù)已成功地實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞和軟組織微區(qū)等效楊氏模量檢測[11-13]，進(jìn)一步證實(shí)了壓痕法具有定量和操作簡便的特點(diǎn)，對(duì)利用壓痕技術(shù)測量生物軟組織彈性的研究有極大的促進(jìn)作用。

結(jié)合正在開展研究的微創(chuàng)超聲手術(shù)刀系統(tǒng)，本文利用原子力顯微鏡技術(shù)中的力曲線測量方法和原理，設(shè)計(jì)和建立了一套毫米級(jí)壓痕法測量裝置(毫米壓痕彈性儀)，以離體豬肝、豬腎和豬肉塊體為樣本，實(shí)測半徑為的球形壓頭向試樣加載正壓力時(shí)試樣上產(chǎn)生的壓痕深度，并對(duì)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)作出力-位移(-)曲線，從而推導(dǎo)出被測生物軟組織試樣的等效楊氏模量*。

1 理論基礎(chǔ)

選取合適的球型壓頭直徑與試樣大小，可以認(rèn)為是球形壓頭在軸向力作用下與半無限試樣界面相接觸，壓痕深度等于針尖處的試樣位移，其數(shù)值等于壓頭與試樣表面之間的距離，從而，在接觸區(qū)的試樣的力-位移關(guān)系曲線可用接觸力學(xué)的赫茲模型估算。若不考慮所使用剛性壓頭的彈性，在微小壓痕下，則壓頭半徑、作用力、壓痕深度與試樣等效楊氏模量*之間存在著如式(1)的關(guān)系[7]：

因此，實(shí)測接觸區(qū)中球形壓頭與試樣間的作用力和壓痕深度(見圖1)，利用式(1)，即可推導(dǎo)得到生物組織的等效楊氏模量*。

圖1 -曲線測量示意圖

Fig.1 The schematic diagram of -curve measurement

2 裝置

基于曲線的生物組織等效楊氏模量的壓痕法測量中，最主要是獲取試樣所受到的由半徑的球形壓頭向試樣施加的作用力，以及在力作用下試樣所凹陷的深度即壓痕深度D(“-”表示方向，為壓頭與試樣表面之間的距離)。由此，設(shè)計(jì)了如圖2所示的檢測裝置——毫米壓痕彈性儀。

2.1 硬 件

圖2所示裝置的硬件，主要由作用力加載系統(tǒng)(激光位移傳感器、力傳感器和伺服電機(jī)系統(tǒng))、二維調(diào)節(jié)臺(tái)以及工控機(jī)(信號(hào)采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡)組成，各配置部分的型號(hào)和主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件配置

裝置中，壓頭作用于試樣的示意圖如圖3所示。由于壓頭的進(jìn)退運(yùn)行緩慢，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力保持平衡狀態(tài)，試樣受力與壓頭受試樣組織應(yīng)力，力傳感器受彈簧力與力傳感器施予彈簧的力，壓頭受彈簧力與彈簧受壓頭的力，為三對(duì)相互作用力。壓頭受試樣組織應(yīng)力和彈簧力，見圖4。彈簧受壓頭施予的力和力傳感器施予的力，見圖5。

圖4 壓頭受力的示意圖

圖5 彈簧受力的示意圖

壓痕深度與伺服電機(jī)滑臺(tái)的總位移、壓頭的位移之間存在關(guān)系，因此測得伺服電機(jī)滑臺(tái)總位移與壓頭的位移就可以計(jì)算得到壓痕深度。

故而，裝置的實(shí)際測量過程為：工控機(jī)通過控制運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)滑臺(tái)(滑臺(tái)的總位移可由運(yùn)動(dòng)控制卡獲得)，帶動(dòng)探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測軟組織試樣的應(yīng)力加載或卸載。同時(shí)，由信號(hào)采集卡和激光位移傳感器組成的信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣所受作用力以及壓頭位移的實(shí)時(shí)采集和檢測。

2.2 軟 件

測量裝置的軟件裝配于上位機(jī)中，以Labview為開發(fā)平臺(tái)，主要完成伺服電機(jī)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)采集分析與顯示功能，其工作流程如圖6所示。

(1) 運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制卡從工控機(jī)中接收控制命令，完成發(fā)脈沖/方向、檢測限位/原點(diǎn)等信號(hào)，帶動(dòng)伺服滑臺(tái)移動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖頻率決定。

(2) 信號(hào)采集、分析與顯示

完成對(duì)由激光位移傳感器提供的探針位移和由力傳感器提供的試樣所受作用力的信號(hào)采集后，對(duì)兩者進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和處理，轉(zhuǎn)化為反映軟組織試樣楊氏模量的曲線。

2.3 校 準(zhǔn)

(1) 壓痕深度

本裝置測得的壓痕深度數(shù)據(jù)來自于電機(jī)滑臺(tái)總位移和壓頭位移的推算，因而數(shù)據(jù)的精確度依賴于電機(jī)滑臺(tái)和壓頭的位移精度，為減小誤差，需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

由于不銹鋼板的硬度很高，壓頭對(duì)其進(jìn)行加載后不會(huì)產(chǎn)生壓痕深度，故將其作為參考對(duì)象。分別對(duì)不銹鋼板和試樣進(jìn)行壓頭加載和卸載，在壓頭與測量對(duì)象接觸后，相同的電機(jī)滑臺(tái)位移下(不銹鋼板電機(jī)滑臺(tái)位移為，試樣的電機(jī)滑臺(tái)位移，即)，不銹鋼板的壓頭位移即為試樣的壓頭位移與壓痕深度之和，，于是。

以豬肉為例進(jìn)行壓痕深度校正，如圖7所示。首先將不銹鋼板作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測量，將獲得的電機(jī)滑臺(tái)位移和壓頭位移線性擬合，作為校正壓痕深度的參考曲線。再以豬肉為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將獲得的電機(jī)滑臺(tái)位移和壓頭位移線性擬合，得到試樣的壓痕深度實(shí)測曲線。壓頭前進(jìn)和后退時(shí)，參考曲線與實(shí)測曲線在相同橫坐標(biāo)下所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的差值，即為校正后的壓痕深度。

(2) 生物組織黏彈性的影響

利用本裝置在進(jìn)行測量時(shí)，基于生物組織實(shí)際上為組分復(fù)雜的各向異性粘彈體，其表面可能存在的黏液或筋膜等，以及在檢測過程中可能產(chǎn)生的蠕變，將會(huì)使得利用測得數(shù)據(jù)線性擬合得到的-呈現(xiàn)出非線性，推算出的楊氏模量會(huì)有較大誤差。為減小生物組織的粘彈性對(duì)測量的影響，文中對(duì)不同壓痕深度分別計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的等效楊氏模量*，并將每一組與*進(jìn)行作圖。選取其中等效楊氏模量值*比較穩(wěn)定的一段，以紅色虛線標(biāo)識(shí)，即該段壓痕深度下，試樣與探針接觸良好，試樣組織的應(yīng)力正常，故測得等效楊氏模量值較穩(wěn)定。將該值作為上述擬合所得等效楊氏模量的參考值(見圖8)。

3 結(jié)果

測量中，力曲線可以從加載過程中測量，也可以從卸載過程中得到?？紤]組織的粘彈特性，通常取卸載的力曲線估算等效楊氏模量。

利用圖4的彈性測試儀，市場采購冷鮮肉，對(duì)牛肉(后腿肉，60 mm×60 mm×20 mm)、豬肉(后腿肉，60 mm×60 mm×20 mm)、豬肝(去筋膜，60 mm×60 mm×20 mm)、豬腎(去筋膜，60 mm×60 mm×20 mm)等的彈性進(jìn)行測量。壓頭半徑2.5 mm。壓頭的前進(jìn)加載速度和后退的卸載速度是0.1 mm/s。由卸載過程中測得的力曲線如圖9所示。

然后，利用式(1)可得到各組織的*-曲線(圖10)。由于生物組織只是在某一個(gè)應(yīng)變區(qū)域內(nèi)可以近似為一個(gè)彈性體，它的彈性常數(shù)不隨壓痕深度而變化，這樣，由圖10可以確定所測牛肉、豬肉、豬肝和豬腎試樣的等效楊氏模量分別為

上述測量結(jié)果與文獻(xiàn)[14,10,19]的結(jié)果基本相符，且不同生物組織的等效楊氏模量數(shù)值有一定差異，肝和腎的器官比牛肉和肌肉組織明顯要更加柔軟。

4 結(jié)論

對(duì)牛肉、豬肉、豬肝和豬腎的等效楊氏模量的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，本文研發(fā)的毫米壓痕彈性測量儀可以成功地應(yīng)用于軟組織的彈性測量。但因?yàn)樵撗b置利用彈簧作為力的加載元件，限制了儀器在mN量級(jí)上力曲線的測量精度，因此有必要對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)以提高精度。今后還可以在以下方面做進(jìn)一步的深入研究：如采用超聲或光聲等方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；從理論層面對(duì)測試條件如壓頭形狀和半徑、試樣大小、最大壓痕深度等進(jìn)行分析,以支撐具體的實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)的選擇；對(duì)因生物組織粘彈性導(dǎo)致的進(jìn)退針測量結(jié)果差異進(jìn)行對(duì)比分析。

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Measurement of the reduced elastic modulus of biological soft tissues with mm-indentation elastometer

YANG Hong-sui1, GAO Qi2, LIU Xiao-yi1, ZHOU Hong-sheng1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Science, Shanghai 200032, China2. Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China)

The elasticity of biological tissue is the major basis to determine if any disease occurs within the tissue. Young’s modulus is a key parameter that represents the elasticity of the tissue. This paper mainly deals with the set-up of an mm-indention elastometer using Labview software platform and some hardware like data acquisition card and motion control card etc. And by using the mm-indention elastometer, the experiments are conducted for purchased cold-fresh beef, pork, pig liver & kidney samples from the market. During the experiments the data of load force and indentation depth on tissue samples acted by a spherical indenter are directly obtained by the system itself. Then the reduced elastic modulus of tested samples can be deducted according to the analytic relationship between indenter radius R, load force F, indentation depth and sample’s equivalent Young’s modulus E* after the measured data are calibrated. The experimental results are coincident with that in reported papers. It shows that that the designed indentation device in millimeter scale can be adapted to measure the equivalent Young’s modulus of biological tissue.

biological tissues; equivalent Young’s modulus; indentation; mm-indentation elastometer

TB551

A

1000-3630(2016)-04-0336-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.010

2015-09-20;

2015-12-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11274342、11474042、11304353、11574348)

楊紅穗(1974－), 女, 河南南陽人, 碩士, 研究方向?yàn)槌晳?yīng)用。

周紅生, E-mail: zhs999@126.com