关节软骨生物力学特性的超声测量方法研究

摘要

关节软骨是一种高度特异性的组织，耐受不同载荷且磨损极小，能维持几十年的磨损寿命。同时，关节软骨又因自身修复能力极弱，成为人体最容易发生病变的部位之一。骨关节炎是最常见的关节退行性疾病，病变软骨在厚度、弹性、表面摩擦系数等方面都有显著变化。检测和发现这些生物力学参数的变化对于骨关节炎等关节疾病的诊断与治疗有着重大的意义。另外，利用组织工程培养的体外软骨进行关节软骨修复已经成为关节疾病治疗的一个重要手段。但体外培养的软骨组织需要具有一定的机械完整性以承受植入过程中的冲击载荷。因此，为组织培养过程的质量控制提供生物力学性能的无损检测手段成为医学工程人员孜孜以求的目标。
　　超声检测技术因其无害性成为组织检测的重要手段之一。面向软骨组织检测的超声弹性成像和超声印压技术已经有诸多文献报道;对于软骨组织物理模型的研究也由单一固相模型发展到固、液、离子等三相模型。超声检测与软骨物理模型间的内在联系却鲜见报道。无论是用于疾病早期诊断，还是面向组织培养质量评估，超声组织定征技术对力学性能改变的识别能力都依赖于声场在软骨组织中传播模型的精确程度。以简单的超声回波为例，软骨组织上表面回波的畸变和混叠则是单一固相模型和三相模型都无法解释的。本文从分析关节软骨的分层结构和生物力学特性入手，通过构建关节软骨的分层力学模型，解决了软骨分层结构中的声场分布与超声传播的仿真问题，进而研发了基于超声反射波的非接触式测量技术，提出了基于水冲印压技术的软骨粘弹性定征方法。论文的相关工作为评估关节软骨的病理学变化以及软骨组织工程过程监控提供了一种有价值的技术手段。
　　论文的主要内容如下：
　　第一章首先介绍了关节软骨疾病的临床诊断以及软骨组织培养过程中的质量评估等现实需求，进而简要介绍了科研人员对于软骨物理模型的认知过程;从有害性和破坏性的角度，分离体、微创和无创三个方面介绍了关节软骨组织力学特性测量技术的研究现状;介绍了超声组织定征领域几个代表性技术的研究进展与发展趋势;最后，对本文的主要工作和研究意义进行了概述。
　　第二章分析了关节软骨的结构与组成，并以此为基础建立了关节软骨的分层力学模型。模型将一块微小区域的关节软骨映射到一个球表面，以球坐标系为基础构建浅表层、过渡层和辐射层的劲度系数矩阵与粘弹性模型。通过围限压缩实验和有限元仿真分析，证实了分层力学模型解释软骨应力松弛现象的适用性。
　　第三章研究了分层力学模型与声学参量之间的关系，并通过关节软骨映射球的坐标体系建立了基于多元高斯叠加法的声场仿真数学模型。提出了分层力学模型下的关节软骨中的超声信号仿真方法。通过使用25MHz和50MHz的点聚焦探头对软骨回波信号的实际测量，证实了浅表层与过渡层力学特性的不连续性，也解释了关节软骨超声回波信号的混叠现象。
　　第四章提供了一种通过脉冲V(z，t)数据测量软骨声速和评估组织力学特性的新思路，并通过模拟软骨退化过程与测量实验证实了该方法的有效性。利用小角度点聚焦超声换能器测量关节软骨第一回波的脉冲V(z，t)数据，通过一个已知材料特性的参考信号消去了超声测量系统的传递函数，从而获得了软骨上表面的二维反射系数谱;提出一种面向软骨分层结构的混叠回波分离方法，通过较低频率的超声换能器得到了浅表层的独立回波，进而获得了浅表层和过渡层的声速参量和超声整体弹性模量(US-Ha: Ultrasound DerivedAggregate Modulus)。设计并开展了非接触式超声测量实验，利用胰蛋白酶-EDTA消化液浸泡模拟软骨退化过程。实验发现，本文方法测得的超声整体弹性模量与对比印压试验测得的杨氏模量有较强的相关性（n=16，r＞0.895，p＜0.003，对每次测量结果实施Pearson相关性检验）;实验结果表明，本文方法所测得的声速及超声整体弹性模量有潜力成为一项指标表征关节软骨的病理学变化。
　　第五章详细介绍了本文所研发的超声水冲印压系统的结构组成与关键功能。通过流-固单向耦合有限元仿真实验，分析了水柱半径、水压、软骨厚度、软骨杨氏模量以及泊松比对于透明软骨形变的影响，确立了基于水压和整体受力的杨氏模量测算模型;研发了一种适用于软骨分层力学模型的超声形变估计方法，通过变长计算和相关判据分析，求取混叠信号间的渡越时间和获取水-浅表层界面回波的准确延时时间，解决了由于软骨浅表层回波混叠造成的传统互相关算法形变估计不准确的问题。尝试了一种利用有限元迭代分析测算软骨粘弹性参数的新方法，将形变与时间的关系曲线作为有限元分析的目标曲线，通过APDL实现迭代仿真分析过程，实验证实迭代计算后的杨氏模量值比超声水冲印压直接测算值更加接近传统力学印压实验的测算值。
　　第六章总结了论文的主要工作，介绍了课题研究的不足之处以及对进一步研究的相关设想和展望。

目录

声明

致谢

摘要

符号清单及术语表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 关节软骨物理模型的研究进展

1．3 关节软骨组织力学特性测量技术

1．3．1 离体软骨弹性测量技术

1．3．2 在体软骨微创检测技术

1．3．3 关节软骨无创检测技术

1．4 超声组织定征技术的研究现状

1．4．1 超声弹性成像技术

1．4．2 超声印压组织定征技术

1．4．3 非线性超声参量测量技术

1．4．4 生物组织中超声传播理论的研究

1．5 论文的主要工作及意义

2 关节软骨的分层力学模型与实验分析

2．1 关节软骨的结构与组成

2．2 关节软骨的分层结构建模

2．2．1 关节软骨各层中的劲度矩阵

2．2．2 关节软骨各层中的粘弹性模型

2．3 力学实验与分层模型下的仿真分析

2．3．1 实验材料制备

2．3．2 围限压缩实验及数据分析

2．3．3 有限元仿真分析

2．4 本章小结

3 软骨分层结构中的超声传播分析与仿真

3．1 单层结构模型存在的问题

3．2 分层模型下的声场分布仿真

3．3 软骨中的超声信号仿真方法

3．4 本章小结

4 基于超声反射波的非接触式组织定征方法

4．1 超声聚集技术测量软骨声速

4．1．1 声聚焦测量声速的理论基础

4．1．2 声速测量实验与结果

4．2 基于V(z，t)数据的软骨弹性定征技术

4．2．1 二维反射系数谱理论及应用

4．2．2 参考样品的选择与使用

4．3 基于反卷积的混叠回波分离方法

4．3．1 浅表层声参数分布函数的反卷积求解

4．3．2 软骨分层结构中的混叠回波分离方法

4．4 非接触式测量实验研究

4．4．1 实验过程

4．4．2 材料准备

4．4．3 对比实验

4．4．4 结果与讨论

4．5 本章小结

5 基于超声水冲印压的软骨组织定征方法

5．1 超声印压技术测量组织力学特性

5．2 基于水冲印压技术的软骨力学特性的测量

5．2．1 水冲印压系统的搭建

5．2．2 水冲印压实验的有限元仿真

5．2．3 水冲印压实验中形交的计算方法

5．3 超声水冲印压实验研究

5．3．1 材料制备

5．3．2 实验过程

5．3．3 结果与讨论

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结与创新

6．2 不足与展望

参考文献

作者攻读博士学位期间的成果