激光声表面波检测脊髓张力的研究
发布时间：2020-10-22 12:23
脊髓拴系综合症已经成为了最为常见的脊髓疾病之一,针对此类患者,最有效的方式是通过脊髓栓系松解术来切除底部重物或与周围组织的粘结,从而缓解脊髓的过度牵拉状态。目前,在此类手术过程中,医生往往是凭借自己的临床经验去判断切除量才能使脊髓恢复正常拉伸状态,没有可靠的依据作为支持。作为医工交叉的项目,本课题聚焦于给出脊髓表面张力的定量信息,这将有助于脊髓张力检测医疗仪器的开发,从而帮助医生更精准的实行手术,避免患者受到损伤以及减少二次手术的风险。在充分分析课题的背景和目的后,提出了基于激光声表面波法的新型无创检测系统。当激光照射脊髓表面后,激发出声表面波,其特性很大程度上取决于脊髓的弹性参数和几何特征,通过分析声表面波的传播特性即可得到脊髓表面张力值。本文研究内容及工作如下:1、论文通过分析脊髓的组织结构和物理性能建立了脊髓的粘弹性模型。探索了多种应力检测方案并选取激光声表面波技术来进行方案的设计。详细阐述了声表面波的激发原理,传播理论。2、利用COMSOL进行有限元分析。建立了脉冲激光激发声表面波的仿真模型,对声表面波在脊髓表面的衰减特性进行了研究;根据声弹性理论,利用相关分析法,建立了声表面波信号的传播时间差与拉应力之间的关系,进行了曲线拟合,实现定量检测;对声表面波信号的影响因素进行了仿真分析,为实验提供理论指导,同时与实验结果相互验证。3、设计并搭建了基于PVDF压电薄膜的声表面波检测系统,并在猪脊髓样品上进行实验。通过所采集到的声表面波信号,进行了衰减特性的分析;通过不同拉伸状态下,检测点处采集到的声表面波信号,建立了声表面波的传播时间差与拉应力的关系,并与仿真结果进行比较,证明了系统的可行性;通过在同等条件下进行多次数据的采集,对系统的重复性以及初始状态的稳定性进行验证。结果表明,通过激光声表面技术检测脊髓张力是可行有效的,本文建立了声表面波信号与脊髓表面张力的关系式,实现了脊髓张力的定量检测,有助于脊髓拴系综合症的精准诊疗。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN247;R744
【部分图文】：
脊髓拴系综合症已经成为了最为常见的脊髓疾病之一。图1-1 展示了正常人和脊髓栓系患者的脊髓 MRI 图像。(a) 正常 (b) 粘连 (c) 腰骶部内脂肪瘤(a) Normal (b) Bond (c) Lumbosacral lipoma图 1- 1 脊髓 MRI 图像Fig.1-1MRI image of spinal cord引起脊髓拴系综合征的病因可以分为原发性病因和继发性病因[2]。原发性TCS 是指先天发育异常的情况，在胚胎发育初期，脊髓的长度与和椎管长度大致相等，但是随着人的成长发育，脊柱管的生长速度快于脊髓，脊髓头侧连于脑部而呈固定状态，因此脊髓下端相对于椎管下端逐渐升高。在婴儿胚胎时期时，脊髓末端所处的位置大概是在3 4L 、L 椎体水平；刚出生后，脊髓末端处在1 2L 、L 椎体
并且声表面波还会继续沿着介质的侧面传播；若表面波的传播方向缘不垂直而是存在倾斜角时，声表面波会在同个平面产生反射波，并面产生折射波；若介质边缘是曲率半径大于五个波长的圆角时，将不成声表面波的能量损失，而是继续沿着介质表面传播；5. 在声波传递的几种形式中，纵波的传播速度大于横波的传递速度大表面波的传递速度；激光声表面波技术的发展包括了激光激发技术、检测技术以及传播特性表面波的激发以及传播理论将会在第二章中做具体的介绍，这里主要介表面波的检测方法。本文根据传感物理量分为电学法和光学法。电学检测法电学法是通过压电换能器将材料表面的声表面波信号转化为电信号，这从压电材料被发现后逐步兴起的，由于检测方便简单，在超声探测领域多的实际应用。根据耦合方式的不同分为接触式、非接触式两种。1、接触式
具有压电常数高、阻抗低、检测信噪比高等优点。压电换能器发展至今已相对成熟了，具有丰富多样的产品，但是该方法缺点就是需要接触物体表面，容易对物体造成污染，并且需要添加耦合剂于远距离的测量，也不能对样品表面的进行快速扫描。2、非接触式非接触式的电学检测法也是将声表面波的波动信号转化为电信号，相比换能器，可以实现非接触测量，避免了对样品的污染，但是换能效率和灵低，且该方法只能适用于近距离测量场景，容易受到周围物体的电磁干扰。1) 电容换能器（ESAT）电容换能器是基于电容效应的一种换能器，它由两个平行板和板间空气，一平板抛光后接地，而另一平板则施加恒定直流电压。当激光激发出声后，由于声波的作用样品表面将产生振荡，引起两平板间的间隙发生变化使得电容发生改变，由于两平板间的电势差为定值，电容的改变将引起感电荷发生变化，再通过电流或者电压的输出。图 1-3 为电容华能器的结构。
【参考文献】
本文编号：2851594
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN247;R744
【部分图文】：
脊髓拴系综合症已经成为了最为常见的脊髓疾病之一。图1-1 展示了正常人和脊髓栓系患者的脊髓 MRI 图像。(a) 正常 (b) 粘连 (c) 腰骶部内脂肪瘤(a) Normal (b) Bond (c) Lumbosacral lipoma图 1- 1 脊髓 MRI 图像Fig.1-1MRI image of spinal cord引起脊髓拴系综合征的病因可以分为原发性病因和继发性病因[2]。原发性TCS 是指先天发育异常的情况，在胚胎发育初期，脊髓的长度与和椎管长度大致相等，但是随着人的成长发育，脊柱管的生长速度快于脊髓，脊髓头侧连于脑部而呈固定状态，因此脊髓下端相对于椎管下端逐渐升高。在婴儿胚胎时期时，脊髓末端所处的位置大概是在3 4L 、L 椎体水平；刚出生后，脊髓末端处在1 2L 、L 椎体
并且声表面波还会继续沿着介质的侧面传播；若表面波的传播方向缘不垂直而是存在倾斜角时，声表面波会在同个平面产生反射波，并面产生折射波；若介质边缘是曲率半径大于五个波长的圆角时，将不成声表面波的能量损失，而是继续沿着介质表面传播；5. 在声波传递的几种形式中，纵波的传播速度大于横波的传递速度大表面波的传递速度；激光声表面波技术的发展包括了激光激发技术、检测技术以及传播特性表面波的激发以及传播理论将会在第二章中做具体的介绍，这里主要介表面波的检测方法。本文根据传感物理量分为电学法和光学法。电学检测法电学法是通过压电换能器将材料表面的声表面波信号转化为电信号，这从压电材料被发现后逐步兴起的，由于检测方便简单，在超声探测领域多的实际应用。根据耦合方式的不同分为接触式、非接触式两种。1、接触式
具有压电常数高、阻抗低、检测信噪比高等优点。压电换能器发展至今已相对成熟了，具有丰富多样的产品，但是该方法缺点就是需要接触物体表面，容易对物体造成污染，并且需要添加耦合剂于远距离的测量，也不能对样品表面的进行快速扫描。2、非接触式非接触式的电学检测法也是将声表面波的波动信号转化为电信号，相比换能器，可以实现非接触测量，避免了对样品的污染，但是换能效率和灵低，且该方法只能适用于近距离测量场景，容易受到周围物体的电磁干扰。1) 电容换能器（ESAT）电容换能器是基于电容效应的一种换能器，它由两个平行板和板间空气，一平板抛光后接地，而另一平板则施加恒定直流电压。当激光激发出声后，由于声波的作用样品表面将产生振荡，引起两平板间的间隙发生变化使得电容发生改变，由于两平板间的电势差为定值，电容的改变将引起感电荷发生变化，再通过电流或者电压的输出。图 1-3 为电容华能器的结构。
【参考文献】
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本文编号：2851594
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