动脉血管的非线性剪切模量的研究

作     者：周洁 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张新宇

授予年度：2020年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1002[医学-临床医学] 08[工学] 10[医学] 

主      题：超声剪切波弹性成像 动脉血管 声弹性 初始剪切模量 非线性剪切模量 

摘      要：心血管疾病是中国居民死亡的首位原因,并且心血管疾病的患病和死亡人数仍处于上升阶段。这导致我国心血管疾病的负担日益增重。其已成为我国重大的社会公共卫生问题。动脉粥样硬化是许多心血管疾病的主要诱发原因。动脉粥样硬化已被证明会改变血管组织的力学参数。因此,非侵入性地方法来表征血管的力学特性是非常重要的,其可以帮助心血管疾病的诊断和治疗。超声剪切波弹性成像是一种利用声辐射力在组织中诱发并检测剪切波传播的无创成像技术,对生物软组织的弹性性能的测定具有较高的效率。然而,到目前为止,该领域的先进技术主要集中在二阶弹性模量的估计上。引入非线性生物力学参数,有助于更好地理解和描述组织的病理变化,同时也能够排除应力对超声剪切波弹性成像造成的混杂效应,更直接地反映血管本身的力学特性。本研究主要研究利用超声剪切波弹性成像技术估算血管的初始剪切模量μ和非线性剪切模量A,通过多角度的对比研究来验证非线性剪切模量评估血管力学特性的可行性。本论文尝试在应力已知和应力未知两种情况下分别根据以应力与剪切模量之间及应变与剪切模量之间的关系,估计估算初始剪切模量μ和非线性剪切模量A。本研究中不仅考虑血管的腔内压,也考虑血管横切方向的周向应力。本研究基于Verasonics Vantage256超声系统搭建实验平台,按照一定的时序进行数据采集与处理。控制超声探头聚焦产生声辐射力并作用在血管壁上引起剪切波的产生与传播,发射高帧率平面波获取剪切波的传播数据。通过探头的旋转获取到血管纵向和横切两个方向上的剪切波的传播数据,从而计算出剪切波的群速度以及血管的厚度半径。利用群速度估算出二阶剪切模量,利用应力与剪切模量之间的函数关系估算出初始剪切模量μ和非线性剪切模量A。另一方面,基于血管厚度变化算出应变,再利用应变与剪切模量之间的函数关系估算初始剪切模量μ和非线性剪切模量A。本研究利用PVA材料血管仿体,冻融循环次数(F/T)控制血管的硬度,分别为3F/T、4F/T和5F/T组。利用水柱加压的方式模拟人体血压环境,变化范围分为60～90mmHg和90～120mmHg两段。基于应力和基于应变估计初始剪切模量μ和非线性剪切模量A,结果发现各组血管仿体的初始剪切模量μ和非线性剪切模量A两两之间均有着显著性差异。结果表明:非线性剪切模量的测量可以区分不同硬度的血管组织。对径向方向与腔内压、横切方向与腔内压,径向方向与周向应力三种情况下结果进行对比研究。结果发现三种情况下的结果有着显著性差异。非线性剪切模量的测量在一定程度上也反映了血管组织的各向异性。最后,对比应力与应变两种角度的结果发现:应力与应变两种角度的结果是有着显著差异的,并对其原因进行了探究。厚度半径的准确测量至关重要,也是下一阶段的一个研究方向。本研究结果显示利用非线性剪切模量评估血管的力学特性可排除血压对血管力学特性测量的干扰,可有效地反映血管自身力学特性的差异。非线性剪切模量的测量也可以在一定程上反应血管的各向异性。非线性剪切模量可以补充剪切模量的测量,未来有望成为评估血管生物力学特性的诊断指标。