一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台
阅读说明：本技术 一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台 (Ultrasonic resonance spectrum testing platform suitable for biological hard tissue material ) 是由 樊璠 牛海军 徐连胜 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：超声共振谱方法因其单次测量可获得样本全部独立的弹性常数,测量不受尺寸限制且测量精度高等优势,近年来被拓展应用于小尺寸生物硬组织材料弹性性质测量中。本发明设计了一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台,主要用于准确检测小尺寸生物硬组织材料的超声共振频率,具体涉及生物医学电子技术领域,包括：第一部分,超声激励与接收模块；第二部分：测试参数设置模块。本发明可实现生物硬组织材料的超声共振频率精确测量,对生物硬组织材料力学性能评价有重要意义。(The ultrasonic resonance spectrum method has the advantages that all independent elastic constants of samples can be obtained through single measurement, the measurement is not limited by size, the measurement precision is high, and the like, and the method is expanded to be applied to the measurement of the elastic properties of small-size biological hard tissue materials in recent years. The invention designs an ultrasonic resonance spectrum testing platform suitable for biological hard tissue materials, which is mainly used for accurately detecting the ultrasonic resonance frequency of small-size biological hard tissue materials, and particularly relates to the technical field of biomedical electronics, and comprises the following steps: a first part, an ultrasonic excitation and receiving module; a second part: and a test parameter setting module. The invention can realize the accurate measurement of the ultrasonic resonance frequency of the biological hard tissue material and has important significance for the evaluation of the mechanical property of the biological hard tissue material.)
技术领域
本发明涉及一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台。
背景技术
骨骼、牙齿等生物硬组织力学特性的精确测量对于理解功能、揭示机理和植入式假体设计、制备与评价有重要意义。
由于生物硬组织材料硬度高、脆性大、尺寸小及取样困难，现有力学测试方法测试结果一致性差、重复性差、多为有损测量且对于小尺寸样本无法夹持。相较于现有的力学测试方法，超声共振谱因可实现无损测量、不受样本尺寸限制、单次测量就能获得全部弹性常数且结果高度可重复等优点，被广泛应用于金属或晶体材料的力学特性测试中。
但是，该方法在生物硬组织力学特性的测量中仍存在一定局限，其中一个重要的原因是缺乏适用于生物硬组织的超声共振谱测试平台。相较于晶体材料而言，由于生物硬组织材料并非标准弹性体，在超声共振测量过程中表现出较强的粘弹性，具体表现是共振谱平缓，相邻两个共振峰有较多重叠。并且，生物硬组织材料测量过程中对超声能量衰减较大。此外，生物硬组织样本通常尺寸较小，对应其更高的共振频率。故适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试系统对测试精度、分辨率及激励源、激励频率等参数均有较高要求。
发明内容
本发明提出了一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台，可为生物硬组织力学特性的准确描述提供更为先进的技术手段。
针对小尺寸生物硬组织样本超声共振谱测试中对测试精度、分辨率及激励源、激励频率等参数的要求，本发明旨在提供一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量平台，实现小尺寸生物硬组织样本的共振频率精确测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量平台，包括：超声激励与接收模块和测试参数设置模块；所述超声激励与接收模块用于激励生物硬组织样本产生共振，并实现共振频谱接收；所述测试参数设置模块用于设置超声共振谱实验参数；
其中：
所述脉冲发生电路模块用于可产生特定频率范围和功率的电信号(扫频信号)；所述超声探头为一组(2个)轻质剪切波超声探头，第一超声探头，与脉冲发生电路模块电连接，探头表面向上放置，用于激励生物硬组织共振；作用于待测生物硬组织材料；第二超声探头表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。所述信号处理电路模块与第二超声探头电连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织样本共振频谱的存储；
所述激励参数设置模块用于设置激励强度、频率范围、频率分辨率等参数；所述接收参数设置模块用于设置接收带宽等参数设置。
本发明的有益效果包括：
本发明实现了生物硬组织材料的共振频率精确测量，对生物硬组织力学特性的准确描述提供更为先进的技术手段，为基于超声共振谱的生物硬组织材料测试设备的产品化设计奠定了基础。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测试平台示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量结果图；
图3是根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料的超声共振谱的使用流程图。
附图标记：
101-脉冲发生电路模块；102-第一超声探头；103-第二超声探头；104-信号处理电路模块；105-待测生物硬组织样本；201-激励参数设置模块；202-接收参数设置模块。
具体实施方式
本发明的目的在于设计了一种适用于生物硬组织材料的超声共振谱测量平台，能够实现生物硬组织材料样本的共振频率准确两，具体包括：超声激励与接收模块和测试参数设置模块；所述超声激励与接收模块用于激励生物硬组织样本产生共振，并实现共振频谱接收；所述测试参数设置模块用于设置超声共振谱实验参数；
其中：
所述脉冲发生电路模块用于可产生特定频率范围和功率的电信号(扫频信号)；所述超声探头为一组(2个)轻质剪切波超声探头，第一超声探头，与脉冲发生电路模块电连接，探头表面向上放置，用于激励生物硬组织共振；作用于待测生物硬组织材料；第二超声探头表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。所述信号处理电路模块与第二超声探头电连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织样本共振频谱的存储；
所述激励参数设置模块用于设置激励强度、频率范围、频率分辨率等参数；所述接收参数设置模块用于设置接收带宽等参数设置。
本发明的优点包括：
本发明实现了生物硬组织材料的共振频率精确测量，对生物硬组织力学特性的准确描述提供更为先进的技术手段。
以下结合附图和实施例对本发明的具体结构和工作过程进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的一个实施例的适用于生物硬组织材料样本超声共振谱的测量平台包括超声激励与接收模块和测试参数设置模块。
超声激励与接收模块主要包括：
脉冲发生电路模块101，第一超声探头102，第二超声探头103，信号处理模块104。为了更详细地说明本发明所设计平台的具体结构，在这一部分加入了待测小尺寸生物硬组织样本(如牙本质等)105。
脉冲发生电路模块101用于可产生特定频率范围和功率的扫频信号；
第一超声探头102与脉冲发生电路模块101连接，探头表面向上放置，用于激励生物硬组织样本共振；
第二超声探头103表面向下放置，用于接收生物硬组织材料样本共振频谱。
信号处理电路模块104与第二超声探头连接，对输出信号进行放大，并进行模拟-数字转换，并实现生物硬组织样本共振频谱的存储；
测试参数设置模块包括：
激励参数设置模块201和接收参数设置模块202。
激励参数设置模块201对激励参数进行设置如下：超声激励频率设置为100-700kHz，扫频频率增加模式设置为线性；为了避免生物硬组织样本的粘弹性对超声共振谱产生较大影响，频率分辨率设置为50-100Hz；
接收参数设置模块202根据样本的不同将接收带宽设置为30Hz或100Hz。
应用本发明进行的生物硬组织材料样本的超声共振谱测量的实施例得到的共振频谱图的例子如图2所示。
本发明的该实例选用的牙本质样品105尺寸是5.696×3.620×2.704mm3，质量为111mg。
根据本发明的一个实施例的工作过程如下：
如图3所示，首先放置待测的小尺寸生物硬组织样本105(如牙本质等)于第一超声探头102和第二超声探头103间，尽可能保证该样本105处于自由表面边界条件状态；由激励参数设置模块设置201设置激励强度、频率范围、频率分辨率等激励参数；经脉冲发生电路模块101产生特定频率范围的扫频信号，经由第一超声探头102激励待测牙本质样本105产生共振；待测牙本质样本105的共振频谱输出信号由第二超声探头104接收，并经由接收参数设置模块202设置接收带宽等参数后将共振频谱信号输入信号处理模块105，由信号处理模块104完成对信号放大，进行模拟-数字转换，实现待测牙本质样本105的共振频谱存储。
需要指出的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。