三维全场生物软材料力学测量光学相干弹性成像技术

目的现有光学相干弹性成像(optical coherence elastography,OCE)技术局限于一维或二维变形的测量。本文旨在开发用于定量测量生物软组织或软材料位移和应变等三维力学性能的OCE技术。方法开发了数字体图像相关(DVC)-OCE技术,采用逆向组合-高斯牛顿(IC-GN)算法,实现生物组织在压缩或拉伸过程中的亚像素级三维位移分布的精确测量,并由此计算出被测区域的应变张量分布。为了应对导管扫描成像中血管壁全场变形测量的挑战,进一步提出了结合相关法和相位分析法的创新方法。这种方法能够有效解决光纤导管不均匀旋转和抖动等问题,从而获得血管壁全场径向应变分布图像。结果根据不同种类试件的测试需求,搭建了适应于压缩和拉伸实验的DVC-OCE系统,以及方便对血管等管状试件测量的液压驱动的循环系统模拟装置和导管扫描OCE系统。通过对用硅胶等材料制作的生物组织体模的压缩实验和血管体模的膨胀实验,验证了方法的准确性。并且测量获得了猪肉、组织工程软骨支架和猪血管等样本受特定载荷时的多维位移和应变图像。结论DVC-OCE和血管OCE方法能够有效地解决三维全场应变分布的精确测量问题,为生物组织或生物材料的力学特性测量和分析提供了一种新的实验技术手段。