CN107250720B - 一种评估材料的力学性能的装置和方法 - Google Patents

一种评估材料的力学性能的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于评估材料的力学性能的装置，具体地，杨式模量或弹性模量。所述装置包括传感层，所述传感层具有用于与所述材料的表面区域接触的接触表面。所述传感层具有压力敏感的特性或尺寸。所述装置还包括检测器，其被布置成检测至少通过传感层传播的电磁辐射。所述装置被布置成，当传感层的接触表面与材料的表面区域接触且在材料的表面区域的至少一部分上施加负载时，所检测到的电磁辐射可以用来确定所述传感层的一部分内的应力，所确定的应力指示该材料的力学性能。

Description

一种评估材料的力学性能的装置和方法
发明领域
本发明大体上涉及一种用于评估材料的力学性能的装置和方法，特别是，而不是仅涉及用于评价生物组织的弹性的医学装置和方法。
发明背景
生物组织的力学性能与其结构和功能有关，且可能会因疾病而改变。例如，癌组织通常比周围的软组织“更硬”，并且通常的做法是医生通过用手指施加压力来手触诊患者的软组织以识别癌组织。
然而，触觉是主观的，使用手触诊难以准确识别癌组织的程度。为了以更可重复、客观的方式给出组织的力学性能对比，成像技术已被开发，例如超声弹性成像，光学相干弹性成像和磁共振弹性成像。
尽管出现了这些成像技术，医生在许多临床情况下仍然常常采取手触诊。
发明简述
本发明的第一方面提供了一种用于评估材料的力学性能的装置，所述装置包括传感组件，所述传感组件包括：
具有压力敏感的特性或尺寸的传感层；和
用于接收与传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射的电磁辐射接收器；
其中所述传感组件被布置成当所述传感层位于所述材料的表面区域并且施加负载到所述材料的表面区域的至少一部分和所述传感层的至少一部分时，所接收到的与传感层相互作用的电磁辐射可用于确定传感层的所述至少一部分内的应变，所确定的应变指示所述材料的力学性能。
如本文所用，术语“材料”意指包含具有力学性能(如弹性或粘弹性)的任何物质，包括，例如，生物材料(如生物组织)，有机材料(如食品)，和非生物性材料(如硅材料)等。
所述传感层可以具有已知的硬度，然后可以利用电磁辐射由所确定的应变来确定应力。
所述装置可布置成在传感层的至少一部分内的应变可以利用在传感层的界面或内部反射的反射电磁辐射来确定，例如顶部和底部界面或内部界面，如果所述传感层包括分层结构。
所述传感层可布置成与材料的表面区域直接或间接接触。
所述装置还可以被布置成，确定材料的一部分内的应变，从使得可以利用材料的一部分内确定的应变和传感层的一部分内确定的应力来评估所述材料的力学性能。例如，所述材料的一部分可以包括材料的外层部分或另一适当部分。
本发明的实施例具有显著的优点。例如，由于了解传感层的材料性质，通过确定传感层处的应力，可以确定与材料的力学性能相关的定性信息，如材料一区域的力学性能的相对变化。在医学领域中，所述装置可以提供一种手触诊的触觉被复制的光学触诊技术。除了触觉之外，该装置可以具有对材料的力学性能变化的客观性、高空间分辨率和高灵敏度。以这种方式，例如，可以改善定位病变组织的程度的准确性，并且该装置可以用于引导外科医生。
在一具体实施例中，所述元件是手套或套管。所述传感组件可以位于或连接到手套的一个或多个手指部分的尖端处或在套管的尖端处。这在医学领域具有优势。例如，通过将传感组件并入或连接到手套的一个或多个手指部分或套管上，当用户穿戴手套或套管时，手触诊可以与由设备执行的光触诊同时执行，并且沿材料移动指尖，所述材料可以是生物组织。
或者，所述元件可以例如是夹子或类似物。
在另一实施例中，所述装置包括探针，例如细长探针。在本实施例中，所述传感组件可以并入或连接到探针的远端部分。例如，探针可以至少是以下之一：手持式探针、细长探针、内窥镜探针、血管内探针、机械臂和针探针，例如活检针探针。在这方面，可以远程控制该装置。例如，传感组件可以连接到远程控制的机械臂上。在医学领域中，传感组件可以是可定位的，使得在使用手触诊不成功的位置可以评估生物组织的力学性能的相对变化。例如，该装置可用于微创手术。
在本发明的一具体实施例中，传感组件被布置成手动施加负载。传感组件可以被布置成，当用户戴上传感组件和元件时，用户可以通过传感层手动施加负载(例如用手指按压)到材料的表面区域。
在本发明的另一实施例中，传感组件可包括用于施加负载的执行器。所述执行器可被布置成产生均匀或交变的负载。
所述负载通常是压缩负载。然而，也可以是其它类型的负载，如压缩、吸力、剪切、光热、空气射流、声辐射力、扭转和扩展。负载可以是静态的或动态的。
力学性能可能与材料的弹性有关，如生物组织的弹性。例如，力学性能可能与材料的杨氏模量或其他模量有关。或者，力学性能可能与粘弹性或任何其他力学性能有关。
在一实施例中，传感层是柔性的。具体地，传感层可被布置成符合材料的表面区域。特别是，传感层可以至少沿着传感层的厚度变形。此外，传感层通常具有至少沿着传感层厚度的弹性。如果通过传感层将负载施加到表面区域的一部分，柔性传感层有助于将负载基本均匀地传递到材料上。因此，可以减小传感层和材料的表面区域之间的空气间隙。
所述装置可以布置成使得传感层至少沿着传感层的厚度变形，以响应于施加到材料的表面区域的至少一部分的负载。在这方面，所接收到的电磁辐射可用于确定传感层的变形，例如确定在施加负载期间传感层的厚度。在这方面，所述电磁辐射可以在传感层的界面区域被偏转或反射。例如，所述装置可被布置成采用干涉测量，诸如低相干干涉测量法，来确定传感层的顶部和底部界面的相对位置。
所述传感层可以至少透射所检测到的电磁辐射。
所述传感层可以至少部分地由硅材料构成。然而，也可以是其他材料和材料的组合。
在一实施例中，所述装置包括光源，所述光源被布置成向至少一个传感层发射电磁辐射。特别是，所述光源可以被布置成通过传感层将电磁辐射导入材料。
接收器可以是电磁辐射的检测器。或者，该装置可以包括与接收器分开的检测器。接收器还可以被布置成从光源发射电磁辐射并进入传感层。
在一实施例中，所述装置被布置成使用以下至少一种：光学相干断层扫描、共焦荧光显微镜、光学相干弹性成像。
在一特定的例子中，所发射的电磁辐射是红外光，例如近红外光。
在一具体实施例中，所述装置被布置成确定所述材料的力学性能。例如，可以确定材料的杨氏模量或任何其它合适的模量。在这方面，所述装置或相应的进一步的装置可以被布置成确定材料内的应变，例如利用光学相干弹性成像(OCE)。可以计算所确定的应变与所述传感层的该部分的应力之间的关系，从而定量确定所述材料的力学性能。
在一实施例中，所述装置被布置成传感层是可移除的。
在一实施例中，所述装置包括检测器阵列，从而使得可以确定在接触表面的某一区域的横向位置上的应力。例如，所述装置可包括一束光纤，所述一束光纤包括具有分布在与上述横向位置相关联的区域上的端部的纤维。
在另一实施例中，所述装置被布置成跨所述传感层的区域横向扫描，从而使得可以确定跨所述传感层的区域的横向位置上的应力。例如，所述装置可包括扫描镜，例如检流计镜。
利用上述实施例，可以产生2D或3D应变图或2D或3D应力图，其指示材料的一区域上的力学性能的变化。
在一具体实施例中，所述装置是医学装置，且所述材料是生物组织，如人或动物的软组织。软组织可伴有或可包括病变组织，如癌组织。软组织的具体例子可能是***、肌腱、脂肪和肌肉组织。
为了便于理解，术语“病变”在整个专利说明书中被用作组织异常的同义词，包括例如，可能是良性的、前恶性的、恶性的或任何其他病变或异常状态的病变或肿瘤。
或者，所述材料可以是非生物材料，例如，硅材料或任何其他合适的材料。
所述装置还可以被布置成使用与力学性能有关的信息，如力学性能在一区域上的相对变化，以确定两种不同类型材料部分之间的界面位置。例如，在医学领域中，所述装置可被布置成确定是否存在病变的生物组织。通过这种方法，可以识别病变组织的程度。
本发明的第二方面提供了一种评价材料力学性能的方法，该方法包括：
提供材料；
在材料的表面区域定位传感层，从而使得负载可被施加到材料的
至少一部分和在材料表面区域上的传感层的至少一部分，所述传感层
具有压力敏感的特性或尺寸；
将负载施加到所述材料的表面区域的至少一部分上和在材料表面
区域上的传感层的至少一部分上；
当施加负载时，将电磁辐射发射到传感层的至少一部分中；
接收与所述传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射；和
利用所接收到的电磁辐射确定所述传感层的一部分上的应变，所确定的应变指示材料的力学性能。
所述方法可以包括使用用于连接传感组件的元件将传感组件连接到一构件，从而使得所述传感组件的移动或定位可以经由该构件控制，所述传感组件包括传感层和用于电磁辐射的接收器。所述构件可以是用户的身体部分，从而使得用户穿戴该构件和传感组件。例如，所述传感层可以并入或连接到手套的手指部分或套管上。在该例子中，至少将负载施加到材料的表面区域的步骤可包括使用用户的一个或多个手指经由传感层施加压力。或者，用于连接传感组件的元件可以例如是夹子。
将传感组件连接到身体部分的步骤可以包括至少部分地围绕身体部分。
所述传感层可以具有已知的硬度，且所述方法可包括由确定的应变确定应力。
接收电磁辐射的步骤可包括检测电磁辐射。
施加负载的步骤可包括手动施加负载或使用可施加静态或动态负载的执行器。在一具体实施例中，施加负载的步骤包括由穿戴传感组件和元件的用户手动施加负载。
如果传感层包括分层结构，检测已经与传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射的步骤可以包括检测在传感层的界面处或在传感层内反射的电磁辐射，例如顶部和底部界面或内部界面。
在材料的表面区域上定位传感层的步骤可包括定位传感层，从而使得传感层与材料的表面区域直接或间接接触。
施加负载的步骤可包括通过传感层施加负载。
在一实施例中，传感层被并入或连接到探针的远端，并且定位传感层的步骤包括将包括传感层的探针远端***体腔或血管内以进行血管内分析。例如，探针的远端可以通过切口或微创手术***。在本实施例中，至少探针远端的移动可以被远程控制。在另一例子中，传感层可以被并入或连接到针探针的远端。例如，传感层可定位在内针的钝的远端，该内针容纳在外针内，以将针探针***生物组织中。在其他的例子中，探针的远端***肌腱和软骨中以进行骨科分析，或***耳道以进行耳镜分析。其他适当的例子也可为本领域技术人员采用。
在一实施例中，所述方法可在体内进行，例如在患者的手术过程中进行。
在一实施例中，所述方法还可以包括便于引导以使传感层的接触表面与材料的表面区域接触。例如，所述方法可包括至少捕获材料的表面区域的图像的步骤。
在一实施例中，在传感层的接触表面的一部分上确定应力的步骤包括根据施加的负载来确定传感层的变形。具体而言，该步骤可包括确定传感层的厚度。在这方面，进行将电磁辐射至少发射到传感层的步骤，从而使得电磁辐射在传感层的边缘被偏转或反射。
确定传感层厚度的步骤可以在负载施加到材料的表面区域的至少一部分之前和/或之后进行。
在一实施例中，发射电磁辐射的步骤包括通过传感层将电磁辐射引导到材料中。
在一具体实施例中，所述方法包括确定材料的力学性能的步骤，例如杨氏模量。在这方面，所述方法可包括在材料中确定应变的步骤，例如通过使用光学相干弹性成像(OCE)。可以计算所确定的应变与传感层部分上确定的应力之间的关系，从而定量地确定所述材料的力学性能。
在一实施例中，接收通过至少一个传感层传播的电磁辐射的步骤包括通过横向扫描传感层的一个区域来检测来自多个横向位置的电磁辐射。
所述方法还可包括生成2D或3D应变图，或2D或3D应力图的步骤，以说明材料的力学性能的跨区域变化。
所述方法还可以包括使用与力学性能有关的信息来识别是否存在病变的生物组织的步骤。
在一实施例中，根据本发明的第一方面所述的医学装置进行该方法。
本发明的第三方面提供了一种使用光学相干层析成像(OCT)或任何其它成像技术来评估材料的力学性能的方法，该方法包括步骤：
在材料的表面部分上定位材料层，所述材料层对于用于OCT或任何其它成像技术的辐射是透射性的；
通过该层向材料的表面部分施加负载；和
当在材料表面部分施加负载时，利用OCT或任何其他成像技术从材料中接收辐射以评估性能；
其中，该层具有使得所述负载基本均匀分布于材料的表面部分的力学性能。
从以下描述本发明的具体实施例将更全面地理解本发明。该描述参照附图提供。
附图说明
图1a和b是本发明一实施例的用于评估材料的力学性能的医学装置的示意图；
图2显示了用于确定图1a和b的医学装置的传感层的一部分处的应力的应力-应变曲线；
图3示出了使用图1a和b的医学装置获得的示例性应力图；
图4a是用于执行OCE测量方法的示例性设置的摘录；
图4b和c显示了使用图4a的示例性设置获得的数据；
图5a是图1a和b的医学装置的摘录；
图5b和c显示了使用图5a的示例性设置获得的数据；
图6a和b是本发明一实施例的用于评估材料的力学性能的医学装置的示意图；
图7a和b显示了使用图6a的示意图的医学装置获得的数据；及
图8是说明据本发明一实施例的评估材料的力学性能的方法的流程图。
具体实施例的详细描述
本发明的实施例涉及一种用于评估材料的力学性能的装置和方法。例如，所述装置可以是医学装置。在这种情况下，材料可以是生物材料，例如生物组织。然而，也可以是非生物材料，例如硅材料，其通常用于复制医学领域中生物软组织的形式和结构。
本领域技术人员将理解该装置不仅应用在医学领域，而且在包括例如机器人和食品工业在内的其他领域中也有应用。力学性能可被用于评价任何合适的柔性材料。例如，在食品工业中，这种装置可以用来决定食物的成熟程度。此外，该装置可用于质量控制和材料加工。
力学性能通常与材料的弹性有关。具体来说，弹性可能与材料的杨氏模量有关。杨氏模量代表材料的硬度。在医学领域，人们已经知道如病变组织等异常可能会改变生物组织的弹性。例如，癌组织通常比周围的健康软组织更“硬”。这种生物组织弹性的差异通常被用来通过使用手触诊来确定是否存在癌组织。然而，这种技术对从事手触诊的医生来说是主观的。此外，仅仅通过使用手触诊，癌组织的确切程度可能难以识别。
如下，将描述该装置和该方法在医学领域中的示例性实施例。然而，如上所述，也可以应用在其他技术领域中。
本发明的实施例的医学装置被设置为通过确定在使用中与生物组织的表面区域接触的医学装置的传感层的一部分处的应力来评估生物组织的弹性。通过这种方式，可以对生物组织的弹性在一个区域上的变化进行定性测定，从而确定癌组织的位置。
关于材料的力学性能，我们将理解也可以是其他力学性能，如材料的粘弹性。
本发明的实施例的医学装置包括传感组件，所述传感组件包括传感层和检测器。检测器被布置成检测通过传感层传播的电磁辐射。在该实施例中所述医学装置也包括可用于将传感组件连接到用户的身体部分的元件。例如，所述身体部分可以是用户的手指或手，并且所述元件可以是用户可与传感组件一起穿戴的套管或手套。
电磁辐射可以通过传感层发射到材料中，从而使得电磁辐射在传感层的顶部和底部边缘被偏转或反射。所检测到的电磁辐射用于确定上述传感层的一部分处所经受的应力。
所述传感层具有压力敏感的特性或尺寸，并且具有用于接触材料表面区域的接触表面，例如生物组织的皮肤表面区域。当负载被施加到材料和传感层与材料的表面区域接触时，可以用在传感层的一部分处确定的应力来评估材料的力学性能。通过这种方式，可以定性地测定材料在材料表面区域以下的区域处的力学性能的变化。为了定量测定材料的力学性能，还需要与所确定的应力相结合的进一步测量。例如，所述医学装置可以被布置成使用OCE来确定分布在材料中的应变。通过计算材料的应变与传感层的应力之间的关系，可以定量地测定材料的杨氏模量。
该医学装置可用于确定病变组织的存在和程度。在一些实施例中，传感层形成一部分或连接在手套的一个或多个手指部分或连接到套管上。这样，由医生进行的手触诊可以与使用医学装置的光学触诊同时进行。
在进一步的实施例中，所述医学装置包括探针，例如内窥镜探针、针探针或血管内探针。在这样的实施例中，传感层可以是一部分或连接到探针的远端，以便传感层可以***体腔中。这样，医学装置就可以用于微创手术。
参考图1a和b，显示了本发明一实施例的用于评估材料102的力学性能的医学装置100的示意图。
在这个特定的例子中，材料102的力学性能与弹性有关。材料102是柔性的硅材料102，通常用于复制生物软组织的结构和形式。硅材料102包含比周围硅材料106更硬的内含物104。在这方面，内含物104可表示肿瘤，周围硅材料106可表示周围软组织。
在本例中，内含物104具有1.5兆帕的杨氏模量E，并且嵌入在材料表面区域以下约1毫米处。周围硅材料106具有20千帕的杨氏模量E。杨氏模量代表硅材料102的硬度。
医学装置100可用于体内确定如肿瘤的病变组织在健康软组织中的存在和程度。在这个特定的例子中，通过评估硅材料102在表面下的区域的弹性变化，可能可以识别在周围硅材料106内的内含物104的位置和程度。
医学装置100包括传感层108和光学***110。
在本实施例中，光学***110包括用于发射电磁辐射的光源和用于检测与传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射的检测器。例如，电磁辐射可以从传感层的边界反射、偏转或散射。然而，本领域的技术人员将理解到光源可以不是医学装置100的一部分。
本实施例中的光学***110是光学相干层析成像(“OCT”)***110的形式。具体地，使用便携式扫频OCT***110，其中心波长为1325纳米(近红外)和光谱带宽100纳米。OCT***110的轴向和横向分辨率(全宽和半数最大值)分别为17微米(空气中)和16微米。关于OCT***，将理解任何合适的OCT***可用于医学装置100。例如，OCT***可以是中心波长为840纳米和光谱带宽为50纳米的光谱域OCT***。该示例性***的轴向和横向分辨率分别为8微米和11微米。此外，OCT***可以是相敏感的扫频OCT***。
从OCT***110发射的电磁辐射通过透镜112以25毫米的工作距离照亮硅材料102的表面区域。电磁辐射通过透镜112和传感层108被定向到硅材料102的一部分中。然而，应理解，电磁辐射可在通过传感层108传播之前通过材料进行交替传播。
传感层108具有在本实施例中与硅材料102的表面区域接触的接触表面，如图1a和b中所示，在本实施例中，传感层108由硅材料构成。然而，也可以是其他合适的材料或材料组合物。在硅材料的例子中，应注意硅材料的性能可以通过改变硅催化剂、交联剂和非交联硅油的比例来控制。
所述医学装置的传感层108具有压力敏感的特性或尺寸。在该特定实施例中，传感层108可随着传感层108的厚度变形并且具有弹性。传感层108具有硅材料102的周围硅材料106周围范围内的杨氏模量，即约20千帕。这使得传感层108符合材料的表面区域的结构并且当负载施加于材料的表面区域时变形，如图1b所示。
本实施例中的负载是使用医学装置100施加的压缩负载。特别是，医学装置100具有圆柱形头114，其具有抗反射涂覆成像窗116。成像窗口116作为压缩板以通过传感层108向生物组织102的表面区域施加负载，如图1b中的箭头118所示。
圆柱形头114的长度设置为使医学装置100的可测量位移范围最大化，从而压缩生物组织102。最大限度地扩大位移范围对于病变组织位于组织表面相对较下面位置的定位尤其重要，例如，在生物组织具有相对较厚的皮下脂肪的情况下。在这种情况下，需要更大的位移以充分压缩生物组织102，以便可以评估在表面区域下面的生物组织的弹性。
关于施加负载，应理解所述负载可以是任何合适的负载，如压缩、吸力、剪切、光热、声辐射力、空气射流、扭转或伸展。此外，可只施加负载于材料的表面区域的部分，从而使得传感层能符合材料的表面区域的轮廓。
当施加负载于硅材料102的表面区域的部分，如图1b所示，传感层108至少部分在传感层108的接触表面变形。换句话说，传感层108的厚度随施加到硅材料102表面区域的那部分的负载而改变。
在这实施例中，使用OCT***110确定传感层108的上边缘和下边缘的轴向位置之间的距离。具体地，向传感层发射的电磁辐射被传感层108的顶部和底部边缘反射。在本例中，采用低相干干涉法确定传感层108的顶部和底部边缘之间的距离。
如图1b所示，由于传感层108的变形，传感层108的厚度随施加的负载而变化。由于示例性OCT***110的配置，传感层108的厚度的最小可测量变化约为4微米。本领域技术人员应理解其他OCT***可用于测量较小的变化。例如，在1纳米量级的厚度变化，可以用OCT***的相敏感的能力。
然后，使用经确定的传感层108的变形来确定在传感层108的一部分上所经受的应力。在这个实施例中，为了确定在传感层108的该部分所经受的应力，按如下所示确定应变ε：
Figure BDA0001363764620000151
其中ε是指硅材料的应变，I0是指施加负载之前传感层108的厚度，I是指施加负载之后传感层108的厚度，和(x，y)是指穿越传感层108区域的横向位置。
在这个实施例中，传感层108的厚度在施加负载之前被确定。然而，应理解，可在施加负载之后确定厚度，或由于传感层108的常规厚度可以是已知的根本不用确定厚度。
为了确定应力，用传感层108的材料的应力-应变曲线作为例子，如图2所示。用传感层108的特定材料的应力-应变曲线，可以确定诸如传感层108的一区域中所经受的应力。
传感层108的那部分处的应力说明材料的弹性。通过评估跨硅材料102的一区域的弹性，可以生成2D应力图。一个2D应力图的例子示例性如图3所示。还可以通过随渐增的负载所获得的一系列2D应力图或将2D应力并入计算机械模型中来创建3D应力图。
应力图对应于使用医学装置100所确定的应力所在区域。在这方面，OCT***110被布置成扫描一区域，例如，在箭头120所指示的方向上一行一行地扫描。这可以通过扫描镜来实现。然而，在其它实施例中，医学装置100可包括用于检测电磁辐射的检测器阵列，以响应指向多个相应位置的电磁辐射，例如，使用光纤束。
应力图的横向分辨率约为160至390微米，在亚毫米范围内。可达分辨率的上限是由OCT***分辨率决定的。分辨率取决于OCT***110的分辨率，并且受生物组织内的结构和机械异质性的影响。然而，应注意，图3所示的应力图所代表的机械对比度与如硅材料或生物组织等材料的光学性质无关。例如，材料的弹性变化可以在例如血液存在的情况下进行评估。
本发明的本实施例的医学装置100可能能够在超过常规OCT成像技术的最大深度的深度内评估材料102的弹性。OCT的成像深度通常在表面以下1-2毫米。然而，医学装置可以在距离表面2毫米以下更深的深度评估材料的弹性。在一实验中，医学装置100被用来定位一个嵌入在硅材料中在表面以下4毫米深度的内含物。当施加负载时，内含物位于表面以下约3.7毫米处。
在一特定的实施例中，医学装置100还包括手套或套管，从而使得传感层被并入或连接到手套的一个或多个手指部分或连接到套管上。在这种情况下，可以通过用一个或多个手指施加压力来施加负载。
所述医学装置100还可以包括光学光导，例如连接传感层108和OCT***110的光纤。对于医用手套的例子，传感层可以被并入或连接到手指帽，例如塑料或金属套管。可以在套管内设置凹槽，从而使得光纤维束可以被引导到一个或多个手指部分的尖端以建立光耦合。以这种方式，可以生成表示组织弹性的2D图像。
因此，医学装置100提供了一种光学触诊***，其中可以组合使用手触诊的评估。
本领域的技术人员应理解在医学装置的其它实施例中，可以包括被布置成产生负载的执行器。负载可以是静态的或动态的。
医学装置100还可包括探针，例如内窥探针、针探针或血管内探针。这样，生物组织的弹性可以在体内某个位置进行评估，这个位置可能无法通过手触诊进行评估。例如，医学装置100可以在机器人外科领域，如微创外科手术中应用。在这方面，至少该医学装置的传感层可连接到细长探针的远端，该细长探针可穿过切口，例如通过患者腹部的壁部。
医学装置100相对于生物组织的表面区域的定位可远程控制。例如，医学装置100可以包括或连接到诸如照相机之类的摄像装置，从而使得传感层的接触表面可以与所讨论的生物组织的表面区域接触。
现在参考图4和5，其示出了使用医学装置200(图4a)的光学相干弹性成像(“OCE”)设置和医学装置100(图5a)之间的比较，医学装置200与图1的医学装置100类似但没有传感层。在这个特定的例子中，使用光谱域***，而不是使用扫频OCT***。然而，可采用任何适当的OCT***进行定量测量。
光学相干弹性成像的基础和技术详见“光学相干弹性成像综述：基础、技术与展望”IEEE量子电子学杂志，2014年3月/4月，20卷，第2期，其通过引用并入本文。
现在具体参考图4a，其示出了用于执行压缩OCE来确定分布在硅样品中的应变的医学装置200的摘录。医学装置200不包括传感层，并且医学装置200的成像窗口与硅样品402的表面直接接触的。为了便于说明，将硅样品402分为硬部404和软部406。
执行OCE测量方法以使用OCT确定硅样品402内的位移。应注意，压缩OCE因为仅确定应变本身不能定量测定硅样品402的力学性能，如硅样品402的杨氏模量。
硅样品的OCT图像(B型扫描)示例性地示出在图4b中，用如图4b所示无传感层的医学装置200。如图4b所示，在这种结构(不含传感层)中，硅样品的软部406的变形受到硅样品402的硬部404的限制。
沿401号线确定的应变被表示为图4c中横向位置的函数。图4c说明了所确定的应变沿着401号线基本上是恒定的，401号线沿着硅样品402的硬部和软部404、406延伸。如图4c所示，使用没有传感层的医学装置200，很难定位在硅样品402的硬部404和软部406之间的界面。
比较和参照图5a，其显示了如图1所示的医学装置100的摘录。如图5a所示的医学装置100用于执行压缩OCE测量方法来确定分布在硅样品中的应变。同时，如图1描述的确定传感层的一部分的应力。当电磁辐射通过传感层108时，可以从相同的OCT图像数据确定传感层108的应力和分布在硅样品402中的应变。
为了定量地测定硅样品402的力学性能，如杨氏模量，计算硅样品402中所确定的应变与在传感层108的一部分中所确定的应力之间的关系。
在这方面，如参考图1、2和3所描述的，医学装置100用于确定跨传感层108的某一区域的在横向位置上的压力。在本实施例中，传感层108的接触表面与图4a的硅样品402的表面区域接触。
在本实施例中，硅样品的杨氏模量E测定如下：
其中E表示硅样品的杨氏模量，σ传感层表示在传感层的某一部分所确定的应力，和ε硅样品表示分布在硅样品中的应变。
通过结合用压缩OCE确定的硅样品402分布的应变和传感层108的这部分的应力，可以定量测定硅样品402的力学性能，如杨氏模量。换句话说，压缩OCE正与使用医学装置100的光学触诊结合。
图5b显示硅样品402的OCT B-扫描，其示出了在刚性和柔软区域上方引入的可变应力。图5c显示了沿着501号线的杨氏模量。图5b和c显示了硅样品402的硬部和软部404、406之间的弹性差异。
现在参考图6，其示出了本发明一实施例所述的医学装置600。本实施例中所述医学装置600包括用于连接到用户的手指603的套管602。套管602将传感组件连接到用户的手指603上。传感组件包括包括光学元件的光纤604，下面将对其进行进一步的讨论。传感组件还包括与图1a和1b中所示的传感层108所对应的传感层606。在该实施例中，医学装置600被布置成使负载被施加到传感层606并且与正在与传感层606一起的材料与用户的手指603接触。
本领域技术人员应理解，在其它实施例中，套管602可以用手套代替并且传感组件可选择性地被并入手套的一个或多个手指部分或手套的其它部分。此外，传感层606可以构成手套的一部分。
现参照图6b，详细示出医学装置600的组成部分。光纤604是单模光纤并且耦合到“无芯”光纤部分608。“无芯”光纤部分608又耦合到GRIN光纤部分610，在使用中从中发射电磁辐射且在使用中通过它接收电磁辐射。传感层606使用光学粘合剂607耦合到套管602。
图7a和7b说明了一个用示意性示于图6a的装置600进行的硬度测量结果的例子。图700显示了硬度作为时间函数，图702显示了所测得的硬度作为预载应变的函数，进而作为传感层606变形的函数。
现在参考图8，其示出了说明本发明一实施例的方法800的流程图。
该方法包括提供材料的第一步骤802。如上所述，该材料可以是生物材料，如生物组织，或非生物材料，如硅材料，其可用于在医学领域或用于复制生物组织的形式和结构。应理解任何适当的柔性的材料都是可以的。
在下一步骤804中，定位传感层从而使得传感层的接触表面与所提供的材料的表面区域接触。所述传感层例如可以是如图1a和b中所示的医学装置100的传感层108。传感层具有压力敏感的特性或尺寸。在优选实施例中，所述传感层被布置成符合材料的表面区域的结构。例如，传感层可以是可变形的。
在进一步的步骤806中，将负载施加到材料的表面区域的一部分。例如可以通过医学装置的传感层施加负载。
当负载被施加到材料的表面区域时，在步骤808中电磁辐射至少被发射到传感层中。电磁辐射通常指向材料的表面区域，通过传感层传播并被传播到材料的一部分。
响应于所发射的电磁辐射，在步骤810中检测已通过传感层传播的电磁辐射。例如，所发射的电磁辐射可以在传感层的顶部和底部边缘被偏转或反射。随后，所检测到的电磁辐射用于确定步骤812中传感层的一部分上的应力。例如，如果传感层因施加负载而变形，则可以确定传感层的厚度。然后使用传感层的厚度来确定传感层内分布的应变。通过了解传感层材料的应力-应变关系，就可以确定传感层的一部分上所经受的应力。
在进一步的步骤中，分析应力以评估所提供的材料的力学性能。例如，可以评估材料的某一区域的横向位置上的力学性能的变化。需要注意的是，通过确定传感层的一部分上的应力，只能对组织的力学性能进行定性评价。
为了定量测定材料的力学性能，例如代表材料硬度的杨氏模量，所确定的应力需要与OCE测量方法结合。OCE通常用来测量采用OCE的材料的位移。这样就可以确定材料内部的应变分布。通过将材料的应变与传感层的应力相结合，可以量化材料的力学性能。
在以下的权利要求和本发明的前述描述中，除上下文另外因为明示语言或必要含义之外，词语“包括”或诸如“包括”或“包含”的变体以包容性意义使用，即，指定所描述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中存在或添加其它特征。

Claims (32)

1.用于评估材料力学性能的装置，所述装置包括：
传感组件，所述传感组件包括：
具有压力敏感的特性或尺寸的传感层；和
用于接收与传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射的电磁辐射接收器；
其中所述传感组件被布置成当所述传感层位于所述材料的表面区域并且施加负载到所述材料的表面区域的至少一部分和通过所述传感层的至少一部分时，所接收到的与传感层相互作用的电磁辐射可用于确定所述传感层的至少一部分内的应变，所确定的应变指示所述材料的力学性能；和
其中，所述装置包括用于将所述传感组件连接到用户的身体部分上的元件，藉此具有传感组件的元件可由用户穿戴，从而使得所述传感组件的移动或定位可以经由所述用户的身体部分控制。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感层硬度已知且所述电磁辐射可用于由所确定的应变来确定应力。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述装置还被布置成确定材料的一部分内的应变，从而使得可利用所确定的材料的一部分内的应变和所确定的传感层的一部分处的应力确定所述材料的力学性能。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置被布置成可以利用所接收到的在传感层界面处或在传感层内反射的电磁辐射来确定所述传感层的至少一部分内的应变。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感层被布置成与材料的表面区域直接接触。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述身体部分是用户的手的至少一部分。
7.如权利要求1所述的装置，其中，使用中的所述元件至少部分地包围所述身体部分。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述元件是套管。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述元件为手套。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感组件被布置成手动施加负载。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述电磁辐射接收器也被布置成从源发射电磁辐射并进入传感层。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感层被布置成与材料的表面区域相符合。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感层至少沿着传感层的厚度变形。
14.如权利要求13所述的装置，其中，当施加负载时，所检测到的电磁辐射被用于确定传感层的厚度。
15.如上述权利要求任一项所述的装置，被布置成采用以下至少一种：光学相干断层扫描、共焦荧光显微镜和光学相干弹性成像。
16.如上述权利要求任一项所述的装置，其中，所述装置是医学装置且所述材料是生物组织，其中，所述医学装置被布置成使用与力学性能有关的信息来识别是否存在病变的生物组织。
17.一种评估材料力学性能的方法，所述方法包括：
提供材料；
使用用于连接传感组件的元件将传感组件连接到一构件上，所述传感组件包括传感层和电磁辐射接收器；
在材料的表面区域定位传感层，从而使得负载可被施加到材料的至少一部分和在材料表面区域上的传感层的至少一部分，所述传感层具有压力敏感的特性或尺寸；
将负载施加到所述材料的表面区域的至少一部分上和在材料表面区域上的传感层的至少一部分上；
当施加负载时，将电磁辐射发射入通过所述传感层的材料中；
接收与所述传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射；和
利用所接收到的电磁辐射确定所述传感层的一部分上和所述材料内的应变，所确定的应变指示材料的力学性能；
其中，所述构件是用户的身体部分，从而使得该用户穿戴该构件和传感组件。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述传感层具有已知的硬度且所述方法包括由所确定的应变来确定应力。
19.如权利要求17所述的方法，其中，将传感组件连接到身体部分包括将传感组件连接到用户的手的至少一部分上。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述元件是手套或套管。
21.如权利要求17所述的方法，其中，施加负载的步骤包括手动施加负载。
22.如权利要求17所述的方法，其中，检测与传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射的步骤包括检测在传感层界面处或传感层内部反射的电磁辐射。
23.如权利要求17所述的方法在体内进行。
24.如权利要求17所述的方法，其中，确定传感层的一部分处的应力的步骤包括确定因施加负载导致的传感层的变形。
25.如权利要求17所述的方法，其中，进行将电磁辐射至少发射入传感层的步骤，从而使得电磁辐射在传感层的边缘被偏转或反射，以确定传感层的厚度。
26.如权利要求17所述的方法，其中，确定传感层厚度的步骤在施加负载到材料的表面区域之前和/或之后进行。
27.如权利要求17所述的方法，其中，发射电磁辐射的步骤包括通过传感层将电磁辐射导入材料。
28.如权利要求17所述的方法，其中，所述方法包括确定材料内的应变的步骤，和确定材料内的所确定的应变和在传感层的一部分处所确定的应力之间的关系的步骤，从而使得可以定量地确定材料的力学性能。
29.如权利要求28所述的方法，其中，利用压缩光学相干弹性成像(OCE)确定材料内的应变。
30.如权利要求17所述的方法，其中，检测与传感层的至少一部分相互作用的电磁辐射的步骤包括通过跨传感层的一区域横向扫描来从多个横向位置上检测电磁辐射。
31.如权利要求17所述的方法，其中，所述方法包括使用与力学性能相关的信息以确定是否存在病变的生物组织的步骤。
32.如权利要求17所述的方法，其中，所述方法采用权利要求1所述的装置进行。
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Optical palpation in vivo: imaging human skin lesions using mechanical contrast;Shaghayegh Es’haghian;《Journal of Biomedical Optics》;20150114;第016013 1-2，9页及附图1 *

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