《Journal of Biomechanics》：Multilayered soft material characterization using surface wave elastography and laser Doppler vibrometry
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基于表面波弹性成像技术，通过激光多普勒测振仪（LDV）和压电换能器，研究团队成功实现了对三层介质中嵌入刚性异物（模拟皮肤病变）的剪切波速度反演，误差仅1.5%。实验验证了方法在活体人 forearm皮肤测试中的可行性，为临床监测皮肤癌治疗反应提供新手段。
Nasser Ghaderi | Ali Golmohammadi | Simon Verspeek | Joris Dirckx | Steve Vanlanduit
安特卫普大学，InViLab研究小组，应用工程学院，Groenenborgerlaan 171，安特卫普，2020，比利时
摘要
为了表征层状介质的力学性能，我们提出了一种宽带表面波弹性成像方法，该方法使用扫描激光多普勒振动仪（LDV）来估计三层软样品中的剪切波速度。表面波是通过压电换能器产生的，并在一个模拟皮肤的层状模型上测量的，该模型包含一个代表皮肤异常的嵌入式刚性夹杂物。通过将单层半空间中瑞利波的轴向位移剖面扩展到多层介质中，我们实现了前向建模和反演，以估计每层的剪切波速度。反演假设各层为弹性层，其估计速度与单层波弹性成像的参考值进行了比较。虽然整体层特性表征的误差较大，主要是由于模型未考虑粘弹性效应，但夹杂物的识别非常准确。该嵌入式夹杂物的剪切波速度约为周围材料的1.7倍，其误差仅为1.5％，而周围层的误差约为10％。此外，还在人类前臂皮肤上进行了体内测量，证明了所提出方法在真实生理条件下的可行性，增强了研究的临床相关性。该方法适用于其他激励和测量方法，并具有高灵敏度，这一点通过LDV检测低幅度位移的能力得到了证明。这种方法适用于皮肤组织，并有望用于诊断异常和监测治疗反应。
引言
许多癌症，包括起源于皮肤的癌症，其力学性能与健康组织不同（Park等人，2023年）。例如，恶性黑色素瘤是一种高度侵袭性的皮肤癌，它发生在皮肤的最外层之下（Saginala等人，2021年；Cancer Research UK）。非侵入性地评估力学特性并将其与周围正常组织进行比较，为评估和优化新兴治疗策略提供了宝贵的机会。一种有前景的方法是冷大气等离子体疗法，这种新型癌症治疗方法近年来取得了令人鼓舞的结果（Vermeylen等人，2016年；Limanowski等人，2022年）。监测治疗过程中组织硬度的变化可以提供有关治疗反应的宝贵见解，从而有助于标准化和优化基于等离子体的癌症疗法。鉴于皮肤自然由表皮、真皮和皮下组织等层状结构组成，有效的生物力学表征需要既具有深度敏感性又具有空间分辨率的技术。
表面声波（SAW）弹性成像是一种基于表面波色散行为的非接触式、深度分辨的软组织力学探测方法。与传统的超声弹性成像（Bercoff等人，2004年；Li等人，2019年；Ma等人，2024年）和磁共振弹性成像（Manduca等人，2021年；Wang等人，2025年）不同，后者通常缺乏分辨薄层皮肤所需的分辨率，基于SAW的技术可以提取与深度变化的弹性特性相关的频率依赖性波速。
对于高分辨率、非接触式的薄组织表面测量，光学相干弹性成像（OCE）已在软材料的力学表征中实现了微米级的精度（Feng等人，2022年；2023年）。最近有两种利用表面波色散来估计深度依赖性弹性的方法被展示出来。例如，Feng等人（Feng等人，2022年）采用了一种双双层反演方法，在0.1–10 Hz的频率范围内分离并量化了表皮、真皮和皮下组织的硬度。在后续研究中，他们将该方法扩展到超宽带激励，并提出了一个简化的扰动模型来重建随深度变化的连续剪切模量剖面（Feng等人，2023年）。
另一种测量表面波的方法是LDV（Kearney等人，2015年；Zhang，2017年；Cai等人，2024年），它可以提供高精度和高灵敏度的表面振动测量。在这项工作中，我们提出了一个实验和建模框架，该框架结合了使用压电执行器的宽带表面波激励和基于LDV的检测来表征一个三层软模型。在中间层嵌入了一个机械上不同的夹杂物，以模拟皮下黑色素瘤。实验设置捕获了跨越正常区域和包含夹杂物的扫描线的波传播，从而实现了空间比较分析。
然后，为了测量深度分辨的弹性，我们采用了受（Zhou等人，2021年）框架启发的反演方法，其模型是基于具有不同层厚度和剪切波速度的层状介质中表面波传播的数值模拟得出的。相比之下，我们采用了基于瑞利表面波的一般轴向剖面的深度敏感加权函数。该模型将测量的色散曲线转换为深度分辨的剪切波速度估计值，同时保持了计算效率和深度敏感性。
我们将该模型应用于一个包含机械上更硬的夹杂物的层状软模型，以模拟皮下皮肤异常。我们方法的新颖之处在于探测包含此类夹杂物的区域，以分辨周围组织和嵌入夹杂物之间的剪切波速度差异。通过比较在宽带表面波激励下（频率范围从0.4到20 Hz）有和没有夹杂物的区域通过LDV测量的色散曲线，我们提取了各层的弹性以及嵌入夹杂物的弹性。此外，我们还在健康志愿者的前臂皮肤上进行了体内测量，证明了所提出方法在真实生理条件下的可行性，并支持其潜在的临床相关性。
该方法展示了在层状介质中分辨皮下力学差异的能力。它在皮肤病学和癌症治疗监测方面具有应用前景，其中跟踪组织硬度的变化可以作为支持治疗评估和优化的诊断指标。
本文的结构如下：第2节描述了实验设置和样品制备。第3节详细解释了表面波弹性成像框架，并概述了四个关键步骤：波生成、传播跟踪、色散分析和弹性反演。第4节展示了实验结果，首先是对正常三层样品的测量，然后是对同时跨越正常区域和包含夹杂物区域的10 Hz扫描线的测量，随后是在人类受试者的前臂皮肤上进行的体内测量。最后，第5节讨论了研究结果并总结了研究。
实验设置
实验设置如图1所示，其中包括扫描区域的特写和样品的示意图。表面波是在模型上使用压电换能器（PA4CEW，Thorlabs）产生的，该换能器专为精确位移应用设计。由集成在LDV系统中的信号发生器产生的连续正弦波输入信号（幅度为0.5 Hz）通过高压放大器（WMA-300，Falco Systems）放大50倍，从而产生25 Hz的激励。
方法论
表面声波（SAW）是沿着材料表面传播的机械波，其能量随深度呈指数衰减。由于这一特性，它们在层状介质中的色散行为使得能够非侵入性地、深度分辨地表征力学性能，这是基于SAW的弹性成像的基础。SAW弹性成像的一般框架包括以下关键步骤：
测量表面波的速度
为了在三层样品的表面实现宽带频率覆盖，使用了频率范围为300 Hz到20 Hz的纯正弦激励。具体频率从300 Hz到1000 Hz，间隔为100 Hz；然后从1 Hz到20 Hz，间隔为1 Hz。通过拟合扫描线上测量的表面速度的未包裹相位数据来确定每个频率下的表面波相速度。
讨论与结论
使用适合测量表面振动的扫描LDV，我们测量了由压电换能器在层状软硅胶样品上产生的表面声波的传播速度。采用了将单层半空间中瑞利波的轴向位移剖面扩展到多层介质中的方法，通过前向建模和反演来估计不同层的剪切波速度。
CRediT作者贡献声明
Nasser Ghaderi：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Ali Golmohammadi：写作——初稿，可视化。Simon Verspeek：写作——初稿，可视化，概念化。Joris Dirckx：写作——初稿，监督，资源获取，资金筹集。Steve Vanlanduit：写作——初稿，验证，监督，软件，资源，项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢安特卫普大学研究基金的支持，特别是编号为46381的Impuls项目。
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，第一作者使用了GPT–4o来提高写作和语法的质量。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
