软组织超声辐射力弹性成像力学分析与实验

Elastography,e.g. ultrosound elastography or magnetic resonance elastography, permits us to probe the in vivo mechanical properties of biological soft tissues. It has been demonstrated that some diseases including cirrhosis, hydrocephalus and tumor usually lead to the variation in the mechanical properties of soft tissues. Therefore, measuring the elastic properties of biological soft tissues using elastography is useful for the diagnosis of these diseases, monitoring their development and evaluating the effectiveness of relevant drugs. Supersonic shear imaging (SSI) technique has received considerable attention in recent years which has been used in clinical diagnosis. This study is concerned with a number of mechanics issues encountered in the clinical use of the SSI thenique. Based on the theory of the propogation of elastic shear waves in nonlinear viscoelastic and anisotropic elastic soft materials,we investigate the correlations between the experimental responses soft tissus and their mechanical properties. These relations will be adopted to develop inverse methods to extract the hyperelastic and anisotropic elastic properties of soft tissues. Theoretical analysis, numerical and ex vivo experiments will be carried out to explore the existence, uniqueness, and stability of the solutions to the inverese methods. In vivo experiments will be conducted on the human muscle and breast tissues to demonstrate the clinical applicability of the novel methods.

弹性成像(包括超声弹性成像和核磁弹性成像等)可对一些生物软组织的力学特性进行非介入性检测。临床研究表明，组织病变（如脑积水、肝纤维化和肿瘤的发生）通常会导致生物组织力学特性发生改变。因此通过弹性成像方法在体测量生物软组织力学特性对某些重大疾病的诊断，发展、监控以及相关药物的疗效评价具有重要意义。超声辐射力弹性成像是近年来受到广泛关注并在临床获得应用的瞬态弹性成像方法。本研究着眼于超声辐射力弹性成像方法在临床应用中所面临的几个基本力学问题。基于声辐射力激发的剪切波在非线性黏弹性和各向异性弹性软物质材料中传播的力学理论，探究软组织对激励的响应与其力学特性参数之间的关系。进一步依托此关系建立反方法从实验响应(如剪切波传播速度)提取软组织的力学特性参数。拟利用理论分析,数值实验和体外实验验证反问题解的存在性、唯一和稳定性。进而通过对乳腺、肌肉等软组织进行在体实验,探究新方法的临床应用价值。

在体定量表征生物软组织力学性质对一些临床重大疾病的诊疗，如肿瘤良恶 性区分，肝脏纤维化进程监控等具有重要意义。动态超声弹性成像作为一种定量 表征生物软组织力学性质的医学影像方法，近年来受到力学、声学、生物医学及 临床医学等研究领域的广泛关注。本研究基于连续介质力学理论，研究了动态超声 弹性成像中涉及的一些关键力学问题。 首先，研究了各向异性软介质中的弹性切伦科夫效应，进而发展了完全表征 各向异性软组织的剪切波弹性成像方法。利用 Green 函数解得到了 SH 波弹性切伦 科夫效应的解析解。给出了 qSV 波弹性切伦科夫效应产生的临界条件及马赫锥锥 角计算公式，并通过理论分析和数值模拟揭示了 qSV 波产生向后马赫锥的条件。 基于理论分析结果，提出了完整表征横观各向同性软组织（如骨骼肌）三个独立 弹性参数的弹性成像方法。通过离体和在体实验验证了方法的有效性和临床应用 价值。 其次，针对薄壁软组织（如血管、膀胱壁等），建立了考虑预应力影响的导波 弹性成像方法。理论推导了在液体环境中承受双轴预应力的弹性薄层的导波频散 关系，并通过仿体实验验证了该理论解。通过探究曲率对环向和轴向导波频散关 系的影响，给出了曲率影响可忽略时的临界条件，进而发展了相应的导波弹性成 像方法。将考虑预应力影响的理论频散关系推广到了薄层力学性质为各向异性的 情况，并建立了表征各向异性薄壁软组织本构参数的反方法。 再次，发展了实时、连续测量血压和动脉力学性质的弹性成像方法，并开展 了在体实验研究。通过理论分析和数值计算揭示了血压和群速度平方之间的线性 关系，从而利用群速度实现了血压的连续、实时监测。结合血压测量结果，分别 采用轴向导波频散关系和心动周期内血管直径变化在体表征了颈总动脉的弹性。建立了梯度弹性软组织、层状软组织和肿瘤等典型非均匀软组织的弹 性成像方法。针对梯度弹性软介质，研究了 Rayleigh 表面波的频散关系，并基于 理论分析发展了表征其力学性质的弹性成像方法。基于层状软介质的弹性波理论， 发展了表征层状软组织本构参数的弹性成像方法，利用该方法在体测量了皮肤真 皮层的本征弹性性质。在本项目资助下，在国内外相关领域知名期刊发表SCI论文31篇，申请专利26项，授权或公开19项，合作发表专著一部。项目执行期间获教育部自然科学一等奖和国家自然科学二等奖各1项。