应用于手持振动弹性成像探针的积极动态振动减振器

应用于手持振动弹性成像探针的积极动态振动减振器

Hassan Rivaz

e-mail: rivaz@jhu.edu Robert Rohling1

e-mail: rohling@ece.ubc.ca

Department of Electrical and Computer Engineering,

University of British Columbia, 2332 Main Mall,

Vancouver, BC, Canada, V6T1Z4

振动弹力图是一个新的医学成像方法，该方法通过测量身体对多频率的外部振动源的反应成像。以往关于振动弹力图的研究总是使用超声测量身体组织识别能力的方法来确定身体机能。本文介绍了一种由组合振动源和超声传感器组成手持式探头的新实用装置。该设备使用了具有电磁驱动器的比例积分主动动力吸振器来平衡身体组织联系。实验表明，5-20赫兹的工作频率范围内，至少15分贝振动吸收，每0.4s会产生一个单频激励。变量频率和幅度励磁实验也显示提高振动吸收。_DOI: 10.1115/1.2424982_ 1引言

1.1问题声明和振动吸收的需要。身体的弹性模量变化像素显示弹力图是一个新兴的医疗成像方法。根据弹性模型的复杂性，可实时或脱机获得弹性造影。研究弹性图的一个动机是身体异常往往是由于力学性能局部变化。例如，在美国大约有一半的乳腺癌检测首先是发现病人的乳腺有硬肿块的感觉。目前，手动触诊被广泛用于检查乳房异常【1】。不幸的是，这种技术是主观的，且受限于病变皮肤表面【2】。而弹性成像可帮助检测和量化肿瘤，从而克服这个问题。特别是，医学超声成像设备是用来衡量身体运动对压迫的响应（图1展示了一个简单的例子）。把超声图像弹性造影可以确定和显现身体局部机能(即弹性造影)。 。

图1硬和软包裹体受到外部压迫（F）

图2（a）显示了一个早期提出的手持装置

由外部的一定范围的低频振动引起身体振动而产生的振动弹性图（VE）是弹性图最近的一个发展。在VE中，当身体振动时捕获多张超声图，而且每张图会和以往图像比较以产生局部位移测量网格。把每一个网格的位移用来确定组织的粘

弹性性质。计算出的粘弹性性能网格可以显示为图像。使VE不同于其他弹力图技术的是，获取了不同频率及不同时间的身体反应实例，和从这些测量组合套装计算出身体机能。VE方法通常只有获得组织弹性，但也可以提取组织动态响应的粘度和密度。

目前，VE方法已被证明应用中顶尖的方法【4】。包括有成像装置（超声探头）和激励源振动组织的手持探头的发展有助于临床接受振动弹力图。执行机构由振动组织和成像组织运动的附加超声探头组成

对于手持探头，身体组织和振子之间的相互作用力会是探针组件的外部干扰，将引起不必要的振动。振动应该保证VE计算的精度和操作的舒适。因此，探针设计应使用某种振动吸收形式。由于对VE的理想扫描速度基本上仍然不清楚，所以尽可能的最快响应和大范围变化的系统是可取的。为了在我们现在的VE系统中代替组织响应的合理带宽，设备应该在5-25Hz范围内运行。当振动组织激励频率范围为5-25Hz时，VE能在最小为3s的时间间隔内完整运行。然而，为了合理的振动吸收，我们在一个较长的时期时间执行扫描，即10 s。

手动探头可以在所有6个自由度。操作者的手也是一个质量分布系统，振动绕着非线性粘弹性的手腕，肘，和肩。由于组织激励振幅很小，所以是作用于施加装置的反应力和振动振幅。做最大运动的是轴。所以单自由度（DOF）线性质量和弹簧-阻尼系统可以作为手持设备(图2（b）)。

1.2减振方法可能的五种不同的手持装置如图（3）所示: 隔振器，半主动隔振器，被动动力减振器，半主动动力吸振器，主动吸振器。参考【6】提供振动分离方法的鉴定法，参考【7】有一个DVA变更类型的相当完整的列表。参考【8】概述了DVA和半主动DVA的使用方法。参考【9】评论半主动隔振器与半主动吸振器及其应用。振动隔振器由于需要合适的刚性连接的驱动器，只能对高频激励隔振【10】。被动吸振器通过一个额外的吸振器提供吸振，但只能在单一或窄波段频率下工作。为了克服这个问题，采用多DVA【11】和梁结构【12】来消除多频率。

另一类减振器是非线性DVA。钟摆连接到主系统就被认为是一个非线性减震器。比如汽车发动机作为旋转主系统，钟摆可以作为一种宽频振动吸收器【10】。对于线性系统，单摆振动减震器【13】有一个窄的工作频率范围。建议多摆扩大工作频率【14】。然而多摆的适应力是垂直方向上的激振力。虽然这些力很小，探针平行（或旋转）于皮肤的运动会对弹性图应用造成困难。具有振动吸振器的手持设备的工作频率范围是罕见的。例如在参考【15】中，隔振与吸振器相结合为手持冲击器的操作为振动提供保护。在这项工作里，该隔振器减小操作者产生的高频加速度成分，而DVA抑制特定谐波的加速度。由于组织必须在低频范围内被激发，必须采用VE，半主动，主动或者多DVA方法。由于半主动吸振器和多DAV的阻尼构件，它们只提供部分减振。综合考虑高水平减振，约束重量，尺寸和成本，手持VE装置采用主动DVA。

1.3主动吸振器控制。主动吸振器控制算法分为2大类。第一类算法需要全面的系统分析，包括最优控制H? 【16】，最优动力吸振器H2【17】，带通减振器【18】，

延迟反馈振动吸收器【19】，和线性二次高斯（LQT）振动主动控制【20】。这种设计方法不能用于手持设备，因为操作者持有具有不同的惯性，阻尼，和刚度性能的探头。系统性能由此可以