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超声弹性成像仿真的有限元分析

发布于:2016-06-07 21:04
有限元分析

      生物组织的信息对于疾病的诊断过程是一个非常重要的参考,然而,包括超声成像(ultra-sound)、磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)等在内的传统医学成像模态都不能直接提供弹性这一组织的基本力学属性的信息。因此,超声弹性成像(elastography)自1991年被Ophir等人提出来后,迅速得到了发展。弹性成像仿真有限元分析能够获得常规的成像模态无法获取的组织弹性这种基本的信息,而且这些信息具有非常重要的临床价值,可以用于乳腺、前列腺、血管壁等部位的病变和高强度聚焦超声引起的损害(lesions)的检测。
       弹性成像的原理是利用探头或者一个探头-挤压板装置,沿着探头的纵向(轴向)压缩组织,分别采集压缩前和压缩后的射频信号,利用互相关(cross-correlation)方法对信号进行详细分析,得到组织的内部位移分布,从而得到其应变分布及弹性系数分布。
      组织被压缩时,组织内所有的点会产生纵向(压缩方向)的应变,如果组织内部的弹性系数分布不均匀,组织内的应变也会不均匀。在弹性系数大的区域,引起的应变比较小,反之,弹性系数较小的区域,相应的应变比较大。
      在弹性成像中,对组织施加负载的变化时间远大于数据采集时间。因此,数据采集过程中,可以认为负载是不变的。同时,组织的粘性(滞后、松弛和蠕变)也可以被忽略,而把组织假设为线弹性体。此时,组织的状态只依赖于当前的负载,而与以前的负载无关。
      对于线弹性的连续介质,应力-应变关系利用广义虎克定律描述。对于各向同性体,只需要2个独立的弹性常数就可描述其应力-应变关系,即拉梅常数λ和μ,或者由它们导出的杨氏模量E以及泊松比ν。
      为了简化问题,在弹性成像中一般都假设组织是各向同性的。并且,组织的孔弹性(poroelastici-ty)、二相性(biphase)、非线性等复杂的力学特性一般也忽略不计。
      所描述的弹性问题是一个复杂的三维问题,为了简单起见,研究人员大都将软组织的弹性问题简化为平面应变问题。其特点是:设有等截面长柱体形弹性体,其面力和体力都平行于横截面(xy平面),且沿长度方向(Oz轴方向)不变化,支撑情况也沿长度方向不变化。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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