CN117030083B - 一种冲击波治疗仪冲击强度测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,涉及冲击波力学参数测量领域,包括:软组织弹性成像体模、均匀分布在软组织弹性成像体模内部的散射子、设置在软组织弹性成像体模表面上的超声探头、与超声探头连接的超声成像模块、与超声成像模块连接的超声图像处理模块以及与超声图像处理模块连接的冲击波力学参数计算模块;其中,超声探头设置在软组织弹性成像体模表面上的方向与目标冲击波的入射方向垂直设置;目标冲击波为冲击波治疗仪发射的冲击波;本发明利用超声成像技术,通过测算散射子的位移特征,实现了冲击波在软组织弹性成像体模内部传播过程中冲击波力学参数的计算,实现了冲击波在软组织弹性成像体模内部传播过程的定量描述。
Description
技术领域
本发明涉及冲击波力学参数测量领域,特别是涉及一种冲击波治疗仪冲击强度测试***。
背景技术
医用冲击波通过力学冲击作用,可在组织内引发多种生物学效应,被广泛应用于肌肉骨骼疾病临床治疗中。冲击波治疗的关键是将适宜的能量作用于准确的部位,采用的能量和选择的部位直接决定治疗效果,能量过低达不到治疗效果,而能量过高则产生不良反应。因此精确描述冲击波应力场在不同组织内的传播规律,定量获取治疗靶点部位组织受到的力学载荷作用方式和能量大小,并且评价传递路径上的能量密度水平和损伤风险具有重要意义。
现有针对冲击波的力学参数测量,大都采用测力传感器获取冲击波穿透模拟负载后的剩余压力,计算冲击波的剩余冲击强度,或进而根据此剩余压力及冲击波治疗头与负载物的接触面积,测算能量密度的方法。此种方法属于接触式测量,由于传感器的存在,不可避免会对负载的力学特性造成干扰,无法获取实际的力学参数。此外,冲击波在软组织中的传播特性与声波类似,处在波峰或波谷位置的测量结果差异巨大,因此有限数量的传感器无法重建冲击波在软组织内部的完整力场分布和传播规律,进而无法准确评估组织内部加载的能量水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,以解决上述问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案。
一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,包括:软组织弹性成像体模、均匀分布在所述软组织弹性成像体模内部的散射子、设置在所述软组织弹性成像体模表面上的超声探头、与所述超声探头连接的超声成像模块、与所述超声成像模块连接的超声图像处理模块以及与所述超声图像处理模块连接的冲击波力学参数计算模块。
其中,所述超声探头设置在所述软组织弹性成像体模表面上的方向与目标冲击波的入射方向垂直设置;所述目标冲击波为冲击波治疗仪发射的冲击波。
所述超声探头用于产生超声激励并作用于所述软组织弹性成像体模以及获取在冲击波治疗仪冲击过程中的超声回波信号。
所述超声成像模块用于接收所述超声探头获取的超声回波信号,并根据所述超声回波信号的强度值生成连续的超声图像序列。
所述超声图像处理模块用于对所述超声图像序列进行预处理,得到切面声像图序列,并在所述切面声像图序列中,对相邻两幅切面声像图进行互相关运算,得到图像互相关系数随时间变化的曲线。
所述冲击波力学参数计算模块用于根据图像互相关系数随时间变化的曲线以及软组织弹性成像体模的参数,计算确定软组织弹性成像体模内部不同位置处的冲击波力学参数。
通过均匀分布于软组织弹性成像体模内部的反射子,对软组织弹性成像体模内部冲击波的力场分布实现全面检测,实现了冲击波在软组织弹性成像体模内部传播过程的定量描述,能够进行更准确的力学效应评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***的部分结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***的结构框图。
图3为本发明实施例提供的传播时间计算原理图。
图4为本发明实施例提供的冲击波力学参数计算原理图。
图5为本发明实施例提供的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示,本实施例提供的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***包括:软组织弹性成像体模2、均匀分布在所述软组织弹性成像体模2内部的散射子、设置在所述软组织弹性成像体模2表面上的超声探头3、与所述超声探头3连接的超声成像模块、与所述超声成像模块连接的超声图像处理模块以及与所述超声图像处理模块连接的冲击波力学参数计算模块。
所述散射子用于将软组织弹性成像体模的形变进行超声可视化。
所述超声探头3设置在所述软组织弹性成像体模表面上的方向与目标冲击波的入射方向垂直设置;所述目标冲击波为冲击波治疗仪1发射的冲击波;所述超声探头3用于产生超声激励并作用于所述软组织弹性成像体模以及获取在冲击波治疗仪冲击过程中的超声回波信号。
所述超声成像模块用于接收所述超声探头获取的超声回波信号,并根据所述超声回波信号的强度值生成连续的超声图像序列(即二维图像序列);其中,在超声图像序列中,成像深度10cm,且保证5cm处横向分辨率大于2mm时,帧率大于30帧。另外,软组织弹性成像体模和散射子在超声图像中区别显示为亮度不同的像素点;此外,所述超声成像模块还用于激励超声探头产生超声激励。
所述超声图像处理模块用于对所述超声图像序列进行预处理,得到切面声像图序列,并在所述切面声像图序列中,对相邻两幅切面声像图进行互相关运算,得到图像互相关系数随时间变化的曲线。
所述冲击波力学参数计算模块用于根据图像互相关系数随时间变化的曲线以及软组织弹性成像体模的参数,计算确定软组织弹性成像体模内部不同位置处的冲击波力学参数。
在本实施例中,该软组织弹性成像体模2为弹性模量恒定的立方体水凝胶体模,即该软组织弹性成像体模2由水凝胶和纯化水按照一定比例混合制成,具有恒定的弹性模量,其弹性模量近似于肌肉或脂肪组织(弹性模量约 2 kPa),散射子约为100微米粒径的固体颗粒,散射子的声阻抗特性与软组织弹性成像体模2的声阻抗特性存在明显差异。
进一步地,软组织弹性成像体模2采用如下步骤制作:(1)取适量水凝胶干粉按照预定比例,溶解于纯化水中,加热煮沸至完全溶解,搅拌均匀成混合溶液;(2)取适量的散射子颗粒,将其加入混合溶液,并搅拌均匀;(3)在仿体完全凝固后,切割成预定尺寸的块体,得到用于超声成像的软组织弹性成像体模。
进一步地,软组织弹性成像体模2的密度的确定过程为:首先在空气中称量一块软组织弹性成像体模的重量W,然后测量该软组织弹性成像体模的长a、宽b、高c,最后按照公式/>计算软组织弹性成像体模的密度。
在本实施例中,冲击波治疗仪1的治疗头所发出的冲击波的发射方向与入射表面相垂直,并与超声探头3所发出的超声激励方向相垂直。
在本实施例中,在对所述超声图像序列进行预处理,得到切面声像图序列方面,所述超声图像处理模块用于:获取所述超声图像序列,并对所述超声图像序列中的超声图像进行线性插补和图像增强处理,得到目标冲击波在软组织弹性成像体模内部传播过程的切面声像图序列。
其中,线性插补具体为获取连续的形变信号,从每秒30帧的图像插补到每秒100帧,有利于图像互相关系数计算的准确性。图像增强包括线性直方图拉伸、对比度增强,用于提高特征点的亮度信息。
在本实施例中,在所述切面声像图序列中,利用numpy包中corrcoef函数,环境是python3,对相邻两幅切面声像图进行互相关运算,得到图像互相关系数x随时间变化的曲线x(t);其中,图像互相关系数x表示相邻两幅切面声像图的相似程度,是一个相对的比例值。x值越大,说明在此时刻软组织弹性成像体模受到冲击力作用后压缩程度越大,当软组织弹性成像体模的弹性模量固定时,压缩形变与冲击力成正比,即。式中/>为软组织弹性成像体模的弹性形变量,k为待确定的比例系数,x为图像互相关系数。
比例系数k可以通过材料试验机对软组织弹性成像体模进行压缩实验完成标定。具体操作方法为:a.在不受力状态下,对软组织弹性成像体模进行超声弹性成像,得到初始状态的声像图A;b.将软组织弹性成像体模压缩到最大的弹性形变量,通过超声成像模块得到此时的声像图B;c.声像图A和声像图B进行互相关运算,得到相关系数x;并根据公式得到比例系数k。
在本实施例中,所述冲击波力学参数包括冲击力、传播速度和冲击波能流密度,其计算过程如图4所示。
进一步地,在计算冲击力方面,所述冲击波力学参数计算模块用于:根据公式计算冲击力。
其中,F(t)为随时间变化的冲击力曲线,E为软组织弹性成像体模的弹性模量,利用材料试验机进行压缩实验测得;x(t)为图像互相关系数x随时间变化的曲线,也是用于表征软组织弹性成像体模形变量;L为软组织弹性成像体模的尺寸,在一个实施例中为10cm;S为能量的作用面积。
进一步地,在计算传播速度方面,所述冲击波力学参数计算模块用于:根据公式计算传播速度。
x(t)为图像互相关系数x随时间变化的曲线,也是软组织弹性成像体模形变量随时间的变化曲线,根据x(t)可得出冲击波开始加载到软组织弹性成像体模的时刻t1,软组织弹性成像体模形变到达最大的时刻t2,即为冲击波在软组织弹性成像体模中的传播时间,结合软组织弹性成像体模的长度d即可求得冲击波在软组织弹性成像体模中的传播速度/>,详细如图3所示。
在计算冲击波能量密度方面,所述冲击波力学参数计算模块用于:根据公式计算冲击波能量密度。
其中,为冲击波能流密度,P为一次冲击过程中加载的能量,该能量代表冲击波治疗仪产生的冲击波经过生物组织,即软组织弹性成像体模衰减后传递到深层患处的有效治疗能量,是评价冲击波治疗仪的能量穿透性能的指标,S为能量P的作用面积,F(t)为随时间变化的的压力值,即计算得到的冲击力,/>为软组织弹性成像体模的密度,c为介质中波的传播速度,/>即为介质声阻抗。
本实施例还提供了一种冲击波治疗仪冲击强度测试***的工作流程,如图5所示,具体包括如下步骤。
第一,启动冲击波治疗仪。
第二,用软组织弹性成像体模接收冲击波治疗仪的治疗头发出的冲击波,使冲击波从入射表面进入软组织弹性成像体模的内部并引起软组织弹性成像体模内部形变,该形变使内嵌的超声散射子相对位置发生变化。
第三,用超声探头发出并获取超声反射信号。
第四,超声成像模块根据超声反射信号得到超声图像序列。
第五,超声图像处理模块对超声图像进行增强处理,并按照固定的时间间隔∆t对超声图像进行线性插补,并将前后相邻的两幅图像进行互相关运算,得到随时间变化的位移信号x(t)。
第六,冲击波强度计算模块根据获取到的位移信号,计算冲击力、冲击波传播速度、冲击波能流密度参数。
本发明可以实现冲击波在软组织弹性成像体模中传播过程的定量描述,用于冲击波治疗仪器性能的精确评估。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,包括:软组织弹性成像体模、均匀分布在所述软组织弹性成像体模内部的散射子、设置在所述软组织弹性成像体模表面上的超声探头、与所述超声探头连接的超声成像模块、与所述超声成像模块连接的超声图像处理模块以及与所述超声图像处理模块连接的冲击波力学参数计算模块;
其中,所述超声探头设置在所述软组织弹性成像体模表面上的方向与目标冲击波的入射方向垂直设置;所述目标冲击波为冲击波治疗仪发射的冲击波;
所述超声探头用于产生超声激励并作用于所述软组织弹性成像体模以及获取在冲击波治疗仪冲击过程中的超声回波信号;
所述超声成像模块用于接收所述超声探头获取的超声回波信号,并根据所述超声回波信号的强度值生成连续的超声图像序列;
所述超声图像处理模块用于对所述超声图像序列进行预处理,得到切面声像图序列,并在所述切面声像图序列中,对相邻两幅切面声像图进行互相关运算,得到图像互相关系数随时间变化的曲线;
所述冲击波力学参数计算模块用于根据图像互相关系数随时间变化的曲线以及软组织弹性成像体模的参数,计算确定软组织弹性成像体模内部不同位置处的冲击波力学参数;
所述冲击波力学参数包括冲击力、传播速度和冲击波能流密度。
2.根据权利要求1所述的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,所述软组织弹性成像体模为弹性模量恒定的立方体水凝胶体模。
3.根据权利要求1所述的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,所述散射子的声阻抗特性与所述软组织弹性成像体模的声阻抗特性不同。
4.根据权利要求1所述的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,在对所述超声图像序列进行预处理,得到切面声像图序列方面,所述超声图像处理模块用于:
获取所述超声图像序列,并对所述超声图像序列中的超声图像进行线性插补和图像增强处理,得到目标冲击波在软组织弹性成像体模内部传播过程的切面声像图序列。
5.根据权利要求1所述的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,在计算冲击力方面,所述冲击波力学参数计算模块用于:
根据公式计算冲击力;
其中,F(t)为随时间变化的冲击力曲线,E为软组织弹性成像体模的弹性模量,x(t)为图像互相关系数x随时间变化的曲线,k为比例系数,L为软组织弹性成像体模的尺寸,S为能量的作用面积。
6.根据权利要求1所述的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,在计算传播速度方面,所述冲击波力学参数计算模块用于:
根据公式计算传播速度;
其中,c为冲击波在软组织弹性成像体模中的传播速度,d为软组织弹性成像体模的长度,为冲击波在软组织弹性成像体模中的传播时间,/>,t1为冲击波开始加载到软组织弹性成像体模的时刻,t2为软组织弹性成像体模形变到达最大的时刻。
7.根据权利要求5所述的一种冲击波治疗仪冲击强度测试***,其特征在于,在计算冲击波能量密度方面,所述冲击波力学参数计算模块用于:
根据公式计算冲击波能量密度;
其中,为冲击波能流密度,P为一次冲击过程中加载的能量,/>为软组织弹性成像体模的密度,c为介质中波的传播速度。
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