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1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文基于剪切波加載的光學(xué)相干彈性成像實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究StudyonOpticalCoherenceElastographyTechniqueBasedonShearWaveLoading學(xué)科專業(yè)：生物力學(xué)研究生：張小藝指導(dǎo)教師：孫翠茹副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2017年12月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已
2、在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日摘要生物組織的病理變化通常與其力學(xué)性能的改變相關(guān)，組織發(fā)生病變往往伴隨著楊氏模量的增加。因此生物組織楊氏模量的定量測(cè)試對(duì)于疾病發(fā)生
3、和發(fā)展的研究及診治非常重要。然而實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)技術(shù)依然主要依賴于傳統(tǒng)的拉壓測(cè)試，無法滿足結(jié)構(gòu)、成分及力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的生物組織高準(zhǔn)確度定量測(cè)試的需求。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，剪切波光學(xué)相干彈性成像(OpticalCoherenceElastography,OCE)應(yīng)運(yùn)而生。剪切波OCE具有納米級(jí)變形分辨率、毫米級(jí)穿透深度以及高成像速度等潛在優(yōu)勢(shì)。但是剪切波OCE作為一種新興的技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)方法、力學(xué)特性提取算法和結(jié)果驗(yàn)證等方面都需要提高或完善。本文旨在提出生物力學(xué)測(cè)試的新方法，研究一種方便易用且能對(duì)生物組織彈性進(jìn)行高準(zhǔn)確度定量測(cè)試的剪切波OCE技術(shù)。首先，搭建了
4、剪切波OCE的硬件系統(tǒng)，包括激振壓電堆棧從而引發(fā)脈沖剪切波的加載系統(tǒng)和掃頻光學(xué)相干層析成像(OpticalCoherenceTomography,OCT)系統(tǒng)；并設(shè)計(jì)編寫了Labview和Matlab程序在軟件層面完成了剪切波加載與OCT掃描的同步控制及其數(shù)據(jù)采集和處理。其次，基于剪切波傳播理論和OCT相位分析，提出了對(duì)剪切波的傳播時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)的方法，然后結(jié)合傳播距離計(jì)算出剪切波的傳播速度，從而獲得了組織的楊氏模量，并與拉伸實(shí)驗(yàn)比較，驗(yàn)證了其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度約為98.5%。最后，利用該剪切波OCE技術(shù)在體測(cè)得了皮膚的楊氏模量，而且進(jìn)一步提出了四維（三維和
5、時(shí)間）數(shù)據(jù)采集模式及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非均質(zhì)生物組織仿體的彈性成像以及剪切波的可視化。脈沖剪切波OCE技術(shù)通過OCT相位的變化來識(shí)別波的傳播，但是并不需要對(duì)相位進(jìn)行精確計(jì)算，從而降低了對(duì)OCT系統(tǒng)本身相位穩(wěn)定性及測(cè)試環(huán)境的要求。該技術(shù)的加載和測(cè)試方法簡(jiǎn)單易行，不需要對(duì)生物組織進(jìn)行切割或夾持，為生物組織的彈性測(cè)試提供了新的技術(shù)手段。結(jié)合相應(yīng)的生物力學(xué)理論，該技術(shù)有望進(jìn)一步發(fā)展為非線彈性生物組織力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)，并有潛力轉(zhuǎn)化到皮膚等疾病診治的臨床應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光學(xué)相干層析成像，光學(xué)相干彈性成像，剪切波，壓電堆棧，生物組織IABSTRACTHist
6、opathologicalchangesofbiologicaltissueareoftenassociatedwithchangesinmechanicalproperties.LesionsusuallyhavehigherYoung'smodulusthannormaltissue.Therefore,biomechanicalpropertiesmeasurementisessentialforthedevelopment,progression,diagnosisandtreatmentofvariousdiseases.However,bio
7、mechanicaltestingtechniquesmainlyrelyontraditionaltensile-compressiontests,whichcannotmeettherequirementforhighlyaccuratemeasurementofbiomechanicalpropertiesofcomplextissue.Withthedevelopmentofmedicalimagingtechnology,opticalcoherenceelastography(OCE)hasemerged.ShearwaveOCEhasthe
8、potentialadvantagesofnano-scaledeformati
