基于超声共振方法的生物硬组织材料弹性模量测试系统研发

For a depth understanding of the mechanical properties of human hard tissues and biomaterials, the methods and instruments of the mechanical measurement are put higher requirements forward. Resonant ultrasound spectroscopy (RUS), regarded as the gold standard of elastic constant measurement of solid materials, is a non-destructive detecting method for accurately measuring the mechanical properties of small-sized materials. Almost all independent elastic constants can be obtained in a single experiment of RUS, and the mechanical parameters, such as elastic moduli and Poisson's ratios, can be calculated next. In any case, due to the special quality factor (Q value) and shape requirements of the sample, the existing RUS instrument is difficult to meet the needs of the study of mechanical properties of biological hard tissue materials. In order to overcome the above defects and improve the efficiency of the elastic constant extraction of irregular materials, the resonance frequency extraction method of the low Q materials will be improved, the resonant frequency extraction algorithm of the irregular samples will be optimized and the complexity of these extractions will be decreased in this program. Moreover, the key hardware circuit and control software of the system will be designed, a novel RUS system for accurate measurement of the mechanical properties of biological hard tissue materials will be developed and verified. This new technology and instruments formed in this program are expected to achieve a great breakthrough in the application of the mechanical properties measurements of human hard tissue and artificial biological materials, and provide new and reliable research methods as well.

深入理解人体硬组织力学特性和生物材料基础研究对力学测量方法与仪器提出了更高要求。超声共振谱分析是一种可以精确测量小尺寸材料力学特性的无损检测方法，一次测试就能获取几乎所有独立弹性常量，并可计算弹性模量、泊松比等多个力学参数，被认为是测量固体材料弹性常量的最准确方法。无论如何，由于对测试样本品质因数（Q值）和形状有特殊要求，现有超声共振谱分析仪器难以满足生物硬组织材料力学特性研究的需要。本项目拟通过完善低Q值材料实验共振频率提取方法、优化不规则样本的理论共振频率求取算法和降低共振频率提取的复杂度，以提高不规则材料弹性常数提取效率，同时设计系统核心硬件电路和控制软件，研发适用于生物硬组织材料力学特性精确测量的超声共振谱测试系统，并对系统进行实验验证与评价。本项目在研究过程中所形成的新技术及仪器有望在人体硬组织力学特性精准测量和人工生物材料基础研究方面有突破性的应用，提供全新而可靠的研究手段。

本项目从RUS测量方法改进和测量设备研发两个方面开展了深入的研究工作，按计划完成了项目立项时的研究内容，达到了研究目标，并在论文、专利、仪器、人才等多方面取得了研究成果。在整个研究过程中，研究目标与研究内容无调整。.从方法研究角度，本项目通过完善低Q值材料实验共振频率提取方法、优化不规则样本的理论共振频率算法和降低共振频率提取的复杂度等工作，提高了不规则材料弹性常数与力学特性测量效率。主要创新成果包括：提出了与有限元相结合的非规则材料弹性系数RUS测量方法，优化了基于有限元的超声共振谱方法中弹性系数的反演算法，提出了基于经验模态分解的高衰减材料共振频率提取方法，提出了新的理论与实验共振频率配对方法，提出了虚假共振频率识别方法，阐明了初始弹性系数设置对弹性系数估计的影响，提出了基于粒子群优化和贝叶斯模型的弹性常数求解方案和一种基于差分进化算法的高效反演算法.从设备研制角度，本项目完成了超声共振谱测试系统样机设计与仪器研制工作。整个系统采用了虚拟仪器的设计理念，开展了系统核心硬件电路设计和试控制软件研发工作，实现了适用于生物硬组织小样本的超声共振谱测量原理样机，并进一步实现整套系统的小型化和仪器化，并对系统进行验证与评价。.基于本项目，课题组共发表论文18篇，其中SCI论文9篇、核心期刊3篇、会议6篇，国家发明专利2项。研究成果分别发表于包括、《JAP》、《Ultrasonics》、《IEEE Trans UFFC》、《JMBBM》《力学学报》、《中国科学》等领域内著名期刊和顶尖国际会议IEEE IUS（英国IUS2019、中国IUS2021）和法国ISUCB2019上。共培养博士研究生5名，毕业3名，硕士研究生2名，毕业2名，先后十余人次分别赴法国、英国等地参加了学术交流与会议，后因疫情影响，部分国际会议转到了线上参加。