Digital image correlation and finite element modelling as a method to determine mechanical properties of human soft tissue in vivo
人体软组织的力学特性是冲击生物力学、康复工程和手术模拟的关键。使用人体数据验证这些本构模型仍然具有挑战性，通常需要使用非侵入性成像和逆有限元（FE）分析。来自诸如标记磁共振成像（MRI）的成像方法的后处理数据可能是具有挑战性的。然而，数字图像相关（DIC）是一种相对简单的成像方法，因此本研究的目标是评估DIC与FE建模相结合的使用，以确定人体软组织的散装材料特性。在硅凝胶软组织体模上进行压痕实验。然后使用双相机DIC设置来记录3D表面变形。然后使用FE模型模拟实验。
2016-04-22 physics.med-ph
Validation of SPAMM Tagged MRI Based Measurement of 3D Soft Tissue Deformation
本研究提出并验证了一种基于磁化空间调制（SPAMM）的新型（非ECG触发）MRI序列，仅使用六次采集（三次静态和三次压痕）无创测量3D（准静态）软组织变形。在当前的SPAMM标记的MRI方法中，数据通常是从许多重复的运动周期构建的。到目前为止，这限制了其应用于测量高度可重复和周期性的运动（例如心脏变形）。在人工诱导软组织变形的生物力学应用中，通常通过压痕，存在显著的可重复性约束，并且对于临床应用，不适和健康问题通常排除大量重复。
2016-04-22 physics.med-ph
In-vivo measurement of the human soft tissues constitutive laws. Applications to Computer Aided Surgery
在80年代，生物力学被要求从事计算机辅助手术应用，因为骨科医生正在寻找能够预测骨折风险的数字工具。最近，生物力学开始解决软组织问题，认为人体的大部分是由这样的组织组成的，这些组织可以在手术手势中移动和变形[1]。给定组织的连续有限元（FE）模型的术中使用主要面临两个问题：（1）数值模拟必须是“交互式的”，即足够快以在手术期间提供结果（这在例如超弹性模型的背景下可能是一个强问题）和（2）在干预期间，外科医生需要一种能够用于向模型提供对软组织的患者特异性组成行为的估计的装置。这项工作提出了第二点的答案，设计了一种新的抽吸装置，旨在表征人体软组织的体内本构关系。该器械旨在允许灭菌以及易于术中使用。
2007-08-30 physics.med-ph
Contactless Remote Induction of Shear Waves in Soft Tissues Using a Transcranial Magnetic Stimulation Device
本研究首次观察到在软组织内远程诱发的剪切波。通过经颅磁刺激装置和永磁体的组合进行。建立了基于麦克斯韦方程和纳维尔方程的物理模型。在冷冻凝胶体模和鸡胸肉样品上进行实验。使用超快超声扫描仪，观察到振幅分别为5和0.5微米的剪切波。实验和数值计算结果吻合良好。这项研究构成了一个替代的剪切波弹性成像方法的框架。
2016-05-10 physics.med-ph
Comparison of linear and non-linear soft tissue models with post-operative CT scan in maxillofacial surgery
提出了一种模拟颌面外科手术形态学结果的面部软组织有限元模型。三个建模选项的实施：小和大变形假设的线性弹性模型，和超弹性Mooney-Rivlin模型。详细描述了基于模拟与术后CT扫描的定性和定量比较的评价程序。然后将其应用于一个临床病例，以评估三种模型之间的差异，并与实际患者的形态。第一个结果特别显示，对于应力小于20%的“简单”临床程序，线性模型足以正确建模。
2006-06-26 physics.med-ph
Acoustic and Ultrasonographic Characterization of Neoprene, Beeswax, and Carbomer-Gel to Mimic Soft-tissue for Ultrasound
声学量与软组织相似的材料作为诊断超声（美国）的组织模拟材料是必不可少的。声学量由声速（cus）、声阻抗（AI）和衰减系数组成。在这项工作中，氯丁橡胶，蜂蜡，和卡波姆凝胶的声学量进行了测定。使用脉冲回波技术估计cus和衰减系数。根据密度和cus的乘积计算AI。结果与基于国际辐射单位和测量委员会报告-61，组织替代品，医疗超声的测量和计算建模的基准进行了比较。验收标准为1.043 g/cm 3（密度）、1561 m/s（cus）、1.63 MRayls（AI），衰减系数在0.5-0.7 dB/cm/MHz范围内。获得标本的计算机断层扫描（CT）和US图像，与人体肝脏（临床软组织）的相应图像进行比较，以评价图像对比度和回声的相似性。氯丁橡胶和蜂蜡的声学性能不理想，而卡波姆凝胶（密度1.03g/cm ~ 3，cus 1567 m/s，AI 1.61MRayls，衰减系数0.6dB/cm/MHz）的声学性能在2%以内。卡波姆凝胶图像可以有效地模拟肝脏图像的对比度和回声。氯丁橡胶-50、蜂蜡和C-凝胶的cus测量不确定度分别为0.36%、0.11%和0.28%。在这些样品中，衰减系数的不确定度分别为4.2%、1.9%和2.6%。卡波姆凝胶的结果可能类似于US的软组织。它含有95%的水，易于制备，可支持开发用于US扫描仪定期性能评估的低成本体模，并有助于患者护理。
2020-04-11 physics.med-ph
Ultrasound Characterization of Oral Soft Tissues in vivo Using the Burr Speckle Model
本研究首次将定量超声（QUS）结合双参数Burr散斑模型应用于体内猪口腔软组织表征，发现Burr参数能有效区分附着龈与牙槽黏膜，且与组织学胶原染色结果一致，为牙周组织非侵入性临床评估提供了新方法。
2024-09-24 physics.med-ph
Nonlinear Characterization of Tissue Viscoelasticity with Acoustoelastic Attenuation of Shear-Waves
剪切波弹性成像（SWE）测量剪切波速（SWS），其与软组织的潜在剪切模量相关。SWE方法通常假设软组织粘弹性与机械载荷无关，然而，已知软组织具有随着预压缩而非线性变化的粘弹性。因此，仅通过SWS进行表征是不够的，其中非线性特性可被视为混杂因素，但也可用作额外的生物标记物。介质的粘弹性性质完全由其存储和损耗模量表征，这与SWS和剪切波衰减（SWA）有关。在这项工作中，我们研究SWA特性作为施加应变的函数来测量软组织中的非线性粘弹性参数。为了这个目的，我们施加增量准静态压缩的样品，同时测量SWS和SWA，从中我们获得存储和损耗模量估计非线性粘弹性参数作为应用应变的函数，使用声弹性（AE）理论。不同含油率的仿组织模型和离体猪肝实验结果表明了该方法的可行性。在这两个实验中，观察到SWA随着施加的应变而降低。对于离体肝脏中的10%压缩，剪切波衰减平均降低28%（93 Np/m），而SWS平均增加20%（0.26 m/s）。
2020-02-28 physics.med-ph
In vivo quantification of 3D displacement in sacral soft tissues under compression: Relevance of 2D US-based measurements for pressure ulcer risk assessment
目的：2D超声（US）成像最近已被研究为3D磁共振成像（MRI）的更易获得的替代方案，用于估计外部机械负载下的软组织运动。在压疮预防的背景下，本初步MRI研究的目的是设计一项实验，以表征骶骨软组织在受控机械负荷下的运动。这样的实验针对使用2D成像模式（回波描记术）评估的组织运动与使用（参考）3D成像模式（MRI）评估的组织运动之间的差异的估计。设计了一个MRI兼容的定制设置，并用于将3D打印的US换能器副本加载到骶骨的顶部区域。采集了5张MR图像，1张为未加载配置，4张为不同加载配置（400-1200 [g]）。然后，基于数字体积相关的结果，提取每个加载配置的三维位移场。组织运动被分离到MRI坐标系的X、Y、Z方向，并且针对所选感兴趣区域的每个体素评估平面外分量和平面内分量之间的比率。平面外和平面内的比率对于所有载荷情况，感兴趣区域中超过一半的体素的平面位移分量高于0.6，并且至少对于结论：超声平面外的组织位移不可忽略，因此在评价骶骨区组织运动时应谨慎使用二维超声成像。对于该应用，应进一步研究3D US模式。
2022-10-05 physics.med-ph
Silicone phantoms fabricated with multi-material extrusion 3D printing technology mimicking imaging properties of soft tissues in CT
最近，3D打印已被广泛用于制造医学成像模型。到目前为止，已经研究了各种刚性3D打印材料的放射学特性和成像体模制造的效率。然而，柔性软组织材料也需要用于成像体模，其用于各种场景，例如解剖变形以改善动态治疗和各种基于针的手术和训练。最近，各种硅树脂增材制造技术已被用于生产基于挤出技术的解剖模型，该技术允许制造软组织材料。到目前为止，文献中还没有系统的研究，研究使用3D打印技术直接挤出制造的成像体模用硅橡胶材料/液体的放射学性能。本研究的目的是研究由硅胶制成的3D打印体模在CT成像中的放射学特性。通过改变填充物密度以调整其放射学特性，评价了由三种不同硅胶印刷材料组成的几种测试体模的放射密度（Hounsfield单位（HU））。将HU值与Gammex组织定征体模进行比较。一个按比例缩小的解剖模型，从腹部CT也制作和所得的HU值进行了评价。对于三种不同的硅胶材料，在120 kVp的扫描设置下，在CT上获得的光谱范围为-639至+780 HU。在腹部CT中的HU目标值与所有组织中3D打印解剖体模的HU值之间观察到良好的一致性。此外，使用不同的填充密度，打印材料能够达到与Gammex体模中不同组织等效插入物相似的放射密度范围（238 HU至-673 HU）。
2022-12-06 physics.med-ph
Imaging of Shear Waves Induced by Lorentz Force in Soft Tissues
这项研究提出了第一次观察到的弹性剪切波产生的软固体使用动态电磁场。本研究的第一项和第二项实验表明，洛伦兹力可在软体模中引起位移，并且该位移可通过超声扫描仪使用斑点跟踪算法检测到。对于100 mT磁场和10 ms、100 mA峰-峰电脉冲串，位移达到1 μ m的量级。在第三个实验中，我们证明了洛伦兹力可以在体模中产生剪切波。提出了使用电磁和弹性方程的物理模型10。计算机模拟结果与实验结果吻合较好。在最后一个实验中，使用由洛伦兹力诱导的剪切波来估计猪肝样品的弹性。
2014-07-30 physics.med-ph
MR-based quantitative measurement of human soft tissue internal strains for pressure ulcer prevention
压疮是一种严重的疾病，影响卧床不起或长期坐轮椅的患者。这些伤口可以在身体特定部位的皮肤深层发展，主要是在脚跟或骶骨，使它们在早期阶段难以发现。应变水平已被确定为触发压疮的直接危险指标。通过实施特定于受试者的有限元（FE）模型，可以进行预防。然而，这种有限元模型的生成和验证是一项复杂的任务，目前实施的技术只考虑外部位移和压力，或尸体样本，只提供了整个问题的部分解决方案。在本文中，我们提出了一种基于两个磁共振（MR）图像之间的3D非刚性配准的体内解决方案，其中一个处于未加载配置，另一个通过板或压头变形。根据图像配准的结果，计算软组织的位移场和随后的应变图。一项广泛的研究，考虑到不同的情况下（脚跟垫和骶骨区域）进行了评估与此方法获得的结果的再现性和准确性。实施的技术可以给几个应用程序的见解。它增加了一个有用的工具，更好地了解传播变形的脚跟软组织，可能产生压力溃疡。该方法可用于获得软组织材料特性的数据，以定义有限元模拟的本构关系，并最终为验证有限元模型提供了一种很有前途的技术。
2022-09-21 physics.med-ph
Feasibility study of clinical target volume definition for soft-tissue sarcoma using muscle fiber orientations derived from diffusion tensor imaging
目的：软组织肉瘤优先沿肌纤维扩散。我们探讨了从扩散张量MRI（DT-MRI）中推导肌纤维方向的效用，用于定义肌肉组织中临床靶体积的边界。方法：我们招募了8名健康志愿者，采集左大腿和右大腿的MR图像。成像会话包括（a）两次基于MRI自旋回波的扫描，T1和T2加权;（b）使用回波平面采集和脂肪抑制的弥散加权（DW）自旋回波扫描。使用CNN自动分割大腿肌肉。以DT-MRI数据作为几何编码输入，采用Hamilton快速推进法求解各向异性Eikonal方程。解的等值面模拟了CTV边界。主要结果：自动分割的大腿肌肉与手动划定的一致，不同肌肉的Dice评分范围为0.8 - 0.94。各向异性的等值面进行了比较，在不同的解剖取向的肌肉内的大腿，肌肉之间的左，右大腿的每个主题，和不同的主题。分析表明，所有比较的一致性很高。从GTV到等值面的距离和特征值比是控制CTV的范围和形状的两个参数。重要性：我们对健康志愿者的可行性研究表明，使用来自扩散加权MRI数据的肌纤维方向自动生成软组织肉瘤各向异性CTV边界的承诺。我们的贡献是显着的，因为它有望导致接受放疗的软组织肉瘤患者的治疗结果的改善，并降低截肢率的一个子集的患者。我们期望这样的改善对肉瘤患者数量较少的癌症中心产生强烈的积极影响。
2022-06-20 physics.med-ph
Estimation of the surface mechanical properties of soft tissues mimicking phantoms using impact analyses: a comparative study
CNRS, Univ Paris Est Créteil, Univ Gustave Eiffel, UMR 8208, MSME（法国国家科学研究中心，巴黎东克雷泰伊大学，古斯塔夫埃菲尔大学）；Université de technologie de Compiègne, CNRS, BMBI (Biomechanics and Bioengineering)（贡比涅技术大学，法国国家科学研究中心）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Diploma Hochschule（迪普拉玛高等学校）；Ulm University（乌尔姆大学）；Hôpital Henri Mondor AP-HP, CHU Paris 12, Université Paris-Est（亨利·蒙德医院，巴黎十二区大学医院，巴黎东大学）；INSERM U955, IMRB Université Paris-Est（法国国立健康与医学研究院，巴黎东大学）
本研究比较了基于冲击分析的IBAM方法与其他机械表征技术，发现IBAM在评估软组织仿生材料的机械性能方面表现优异，尤其在刚性和厚度变化检测上具有显著优势。
2026-02-09 physics.med-ph
Quantitative Ultrasound for Periodontal Soft Tissue Characterization
本研究首次将定量超声（QUS）应用于牙周软组织表征，通过Burr和Nakagami模型分析牙龈与牙槽黏膜的散斑统计特性，实现93.51%和90.91%的组织分割准确率，证明QUS有潜力成为牙周病诊断的增强工具。
2024-09-28 physics.med-ph
Nonlinear Acoustics FDTD method including Frequency Power Law Attenuation for Soft Tissue Modeling
本文提出了一种非线性声波在弱色散吸收介质中传播的模型，并利用时域有限差分法（FDTD）对该模型进行了数值求解。衰减是基于多个松弛过程，并提供频率相关的吸收和色散，而不使用计算昂贵的卷积算子。以这种方式，通过使用优化算法，可以获得弛豫过程的系数，以便拟合频率幂律，该频率幂律与超声医学应用的典型频率范围上的非均匀介质的实验测量的衰减数据一致。我们的研究结果表明，两个弛豫过程是足够的，以适应衰减数据的大多数软组织在这个频率范围内，包括基本的和前十个谐波。此外，该模型可以拟合在感兴趣的频率范围内不完全遵循频率幂律的实验衰减数据。所提出的方法的主要优点是，每个松弛过程只需要一个辅助字段，这意味着与基于卷积算子的时域分数阶导数求解器相比，计算资源更少。
2014-01-26 physics.med-ph
Real-time Prediction of Soft Tissue Deformations Using Data-driven Nonlinear Presurgical Simulations
成像模式为临床医生提供了感兴趣解剖区域（ROI）的实时可视化，用于微创手术。在手术过程中，采集低分辨率图像数据，并与高分辨率术前3D重建进行配准，以指导手术预案的执行。不幸的是，由于软生物组织的变形中的潜在大应变和非线性，在术前和术中成像阶段期间可能观察到ROI形状之间的显著失配，使得手术预先计划易于失败。为了弥补这两个成像阶段之间的差距，本文提出了一种基于人工神经网络的数据驱动方法，用于利用稀疏配准的基准标记实时预测ROI变形。对于平均最大位移为30 mm的头颈部肿瘤模型，使用所提出的方法对98%的测试用例进行的基准和预测之间的最大表面偏移小于1.0 mm，这是高质量介入超声的典型分辨率。每个预测过程都需要不到0.5 s。与由此产生的预测精度和计算效率，所提出的方法表明其潜在的临床相关。
2020-11-09 physics.med-ph
A Multiparametric Volumetric Quantitative Ultrasound Imaging Technique for Soft Tissue Characterization
定量超声（QUS）提供了一种非侵入性和客观的方法来量化组织健康。最近，我们提出了一种空间自适应正则化方法重建一个单一的QUS参数，仅限于一个二维区域。该概念验证研究表明，使用均匀性先验的正则化改进了QUS估计中的基本精度-分辨率权衡。基于加权正则化方法，我们提出了一种多参数三维加权QUS（3D QUS）成像系统，包括重建三个QUS参数：衰减系数估计（ACE）、后向散射积分系数（IBC）和有效散射体直径（ESD）。与幻影的研究，我们表明，我们提出的方法准确地重建QUS参数，导致高的重建对比度，因此提高了诊断效用。此外，所提出的方法提供了在3D中分析QUS参数的空间分布的能力，这允许优越的组织表征。我们应用三维全变分正则化方法的体积QUS重建。涉及N个平面的3D正则化导致高的QUS估计精度，其中标准偏差比通过复合N个独立实现可实现的理论速率有所改善。在体内肝脏研究中，我们证明了采用多参数方法优于单参数方法的优势，其中使用三个QUS参数的特征组合的简单二次判别分类器能够获得完美的分类性能，以区分正常和脂肪肝病例。
2021-04-01 physics.med-ph
Proton therapy range uncertainty reduction using vendor-agnostic tissue characterization on a virtual photon-counting CT head scan
Vinaver Medical（维纳弗医学）；Faculty of Medicine, University of Novi Sad（诺维萨德大学医学院）；Carl E. Ravin Advanced Imaging Laboratories and Center for Virtual Imaging Trials, Duke University（杜克大学卡尔·E·拉文先进成像实验室与虚拟成像试验中心）；Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO)（国家肿瘤质子治疗中心）；Department of Radiology, Duke University（杜克大学放射系）
本文提出使用虚拟成像模拟器和TissueXplorer软件，通过计算模型和光子计数CT扫描，提高质子治疗射程不确定性的预测精度。
2026-01-02 physics.med-ph
Dual-Input Dynamic Convolution for Positron Range Correction in PET Image Reconstruction
Univ. Brest, LaTIM, Inserm, U1101（布雷斯特大学，LaTIM，Inserm，U1101）；GE HealthCare GmbH（GE医疗有限公司）；Diagnostic Imaging Centre, Kuopio University Hospital（库奥皮奥大学医院诊断影像中心）
DDConv通过动态卷积技术实现PET图像中正电子范围校正，提高异质区域的分辨率和细节恢复能力。
2025-12-28 physics.med-ph
Lower leg compression and its biomechanical effects on the soft tissues of the leg
下肢弹性压迫是预防和治疗静脉功能不全的传统方法。在介绍了与压缩疗法相关的医疗策略后，本章发展了临床和工程方面的最新进展，并概述了从这次审查中产生的更重要的知识。压缩袜通过向腿部提供压力来起作用。使用袜子产生的压力主要取决于袜子的刚度和大小，腿部的大小，也取决于腿部的形态。在绷带的情况下，必须概述摩擦的作用，因为摩擦是保持绷带缠绕在腿上的主要因素，但也是压力产生的影响因素。除了产生的压力，浅静脉对压缩的响应还取决于静脉大小和脂肪硬度。但机械评估不应掩盖其他因素的重要性，如肌肉收缩或护士形成。这些结果的一个重要影响将是朝向改进的个性化压迫治疗。
2020-09-07 physics.med-ph
Influence of Diode Laser Intensity Modulation on Photoacoustic Image Quality for Oral Soft Tissue Imaging
成像技术已经被开发来帮助医生和牙医检测各种疾病。光声成像技术是一种新兴的成像技术，在软组织成像方面具有广阔的应用前景。本研究中的PAI系统原型利用非电离532nm连续波二极管激光照明来对口腔软组织进行成像。本研究旨在探讨半导体雷射强度调变对光声影像品质之影响。本研究中的样品是通过使用PAI系统成像的来自六只Sprague Dawley大鼠的口腔软组织。为了确定激光强度调制的最佳占空比，将用于口腔软组织成像的激光曝光设置在各种占空比下。
2017-12-05 physics.bio-ph physics.med-ph
Ultrasonic Estimation of Soft Tissue Visco Elastic Properties
诊断超声的常规成像被广泛使用。虽然它使软组织回声的差异变得明显和清晰，但它不能描述和估计软组织的力学特性。它不能描述它们的机械性能，如弹性和刚度。估计机械性能增加了识别病变或任何病理变化的机会。医生们现在将组织的机械特性作为诊断指标。通过在组织上施加声辐射力脉冲（ARFI）并计算所得到的剪切波速度来实现对组织的机械特性的估计。由于难以精确计算组织内的剪切波速度，因此通过以非常高的帧速率分析组织的超声图像来估计。在这项研究中，剪切波速度估计使用有限元分析。构造二维模型来模拟组织的机械特性。对于广义的软组织模型，使用琼脂-明胶模型，因为它具有与软组织相似的特性。点力施加在所提出的模型的中心。由于这个力，导致变形。沿模型的横向尺寸跟踪峰值位移，以使用时间峰值位移（TTP）方法来估计传播波的剪切波速。
2022-10-05 physics.bio-ph physics.med-ph
Current poisson's ratio values of finite element models are too low to consider soft tissues nearly-incompressible: illustration on the human heel region
本研究结合在体足跟压痕测量、数字体积相关与有限元模拟，发现脂肪垫近不可压缩行为需要约0.4900（高法向载荷下为0.4999）的泊松比。
2023-12-07 physics.med-ph
Understanding Soft-Tissue Behavior for Application to Microlaparoscopic Surface Scan
Université Pierre et Marie Curie (UPMC)（皮埃尔和玛丽·居里大学（UPMC））
本文提出了一种方法来了解软组织的行为与表面接触的探头扫描组织。应用领域是共焦显微腹腔镜，主要用于腹腔内器官的外表面成像。探头扫过组织以收集连续图像，从而获得具有镶嵌的大视场。我们解决的问题是，由于组织的柔软性，组织也随着探针移动;因此，所得的马赛克与探针穿过的形状和尺寸不同。我们的方法的灵感来自手指滑动的研究，并适应负载滑动现象的想法，解释了手指的软部分在硬表面上拖动时的运动。提出了加载距离的概念，并对牛肝和鸡胸肉组织进行了测量。我们提出了一个协议，以确定加载距离之前，自动扫描，并介绍了一种方法来补偿光栅扫描中的组织运动。我们的实施和实验表明，我们可以有一个图像镶嵌的组织表面在所需的矩形形状与这种方法。
2018-04-13 cs.RO physics.med-ph
A reduced viscoelastic FDTD formulation for ultrasound-driven shear wave propagation in soft tissue
Lampe Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina at Chapel Hill and North Carolina State University（北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学联合生物医学工程系）
该研究推导了简化粘弹性FDTD格式，用于高效建模软组织中超声驱动剪切波传播，经多类验证其精度高、成本低，可适配异质性组织并与声学模拟器集成。
2026-07-31 physics.med-ph
Gradient-enhanced continuum models of healing in damaged soft tissues
生物软组织的愈合是指损伤或受损的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）自我恢复或修复的过程。愈合被认为是应力驱动的，其目的是在用新的未受损ECM替换受损ECM后，恢复组织中的稳态应力度量。然而，基于软组织内在尺度的存在，人们认为愈合的计算模型应该是非局部的。在本研究中，我们首次介绍了两个梯度增强的软组织构成愈合模型，包括非局部变量。第一种模型结合了连续损伤模型和时间均匀化生长模型，其中生长方向根据局部主应力方向确定。第二个是基于梯度增强愈合模型与连续可恢复的损害变量。这两个模型都是通过用户子例程UEL在有限元软件包Abaqus中实现的。这两种模型的数值模拟软组织的愈合过程中的三个二维的情况下，和它们的应用程序模拟球囊血管成形术提供了说明整个愈合过程中的介质层的损伤场和几何形状的变化。
2019-12-16 physics.med-ph q-bio.TO
Air, bone and soft-tissue Segmentation on 3D brain MRI Using Semantic Classification Random Forest with Auto-Context Model
由于骨和空气在常规MR序列中产生弱信号，因此在MRI中分割这些组织特别困难。我们建议将基于块的解剖签名和自动上下文模型集成到机器学习框架中，以迭代地将MRI分割为空气、骨骼和软组织。所提出的语义分类随机森林（SCRF）方法包括一个训练阶段和一个分割阶段。在训练阶段，从配准的MRI-CT训练图像中提取基于块的解剖特征，并识别出信息量最大的特征，利用自动上下文模型训练一系列分类森林。在分割阶段，我们从MRI中提取了选定的特征，并将其输入到经过良好训练的森林中进行MRI分割。使用申报SCRF获得的空气、骨和软组织的DSC分别为0.976、0.819和0.932，而RF为0.916、0.673和0.830，U-Net为0.942、0.791和0.917。对于所有三种结构类型，SCRF还表现出优于RF和U-Net的灵敏度和特异性分割性能。该分割技术可用于骨、空气和软组织的分割，并有望应用于PET/MRI系统的衰减校正、MRI引导下的放射治疗计划和MRI引导下的聚焦超声手术。
2019-11-22 eess.IV physics.med-ph
A thermodynamic framework for unified continuum models for the healing of damaged soft biological tissue
当它们被损坏或受伤时，软生物组织能够自我修复和愈合。力学在愈合过程中是至关重要的，因为受损的细胞外基质（ECM）往往被新的未受损的ECM取代，支持稳态应力。计算建模通常用于模拟愈合过程。然而，迫切需要有一个统一的热力学理论的愈合。从连续介质损伤力学的观点来看，与愈合过程相关的一些关键参数，如新生软组织的体积分数和生长变形，可以看作是内变量，并具有相应的演化方程。本文的目的是建立这个统一的框架，从热力学的启发连续损伤模型的软生物组织的愈合。所提出的模型的显着优点是，没有\textit{ad hoc}方程是描述愈合过程所必需的。因此，这种新的模型更简洁，并提供了一种通用的方法来模拟愈合过程。三个数值例子来证明所提出的模型的有效性，这是在很好的协议与现有的工作，包括在动脉球囊血管成形术与纤维帽的应用。
2021-03-29 cs.CE physics.med-ph
Model selection and sensitivity analysis in the biomechanics of soft tissues: a case study on the human knee meniscus
软组织-如韧带和肌腱-主要由固相（主要是胶原）和液相组成。了解这些组件之间的相互作用以及它们在生理负荷下如何变化，为阐明其内部结构和机械行为之间的重要联系奠定了基础。事实上，这种组织的内部异质结构导致了广泛的力学行为，然后决定了它们自己的功能。表征这些行为意味着在组织采集、样品制备和测试方案的实施方面需要进行重要的实验工作，这些工作通常没有标准化。这些问题导致在收集和提供可比和可靠的信息方面存在若干困难。为了对异质组织的行为进行建模并识别材料参数，需要大量可重复的实验数据;不幸的是，这样的信息量通常是不可用的。实际上，大多数研究都集中在材料参数的识别上，主要是基于小的实验数据集，这些数据存在很大的可变性。如文献中所报道的，这样大的可变性导致材料参数估计的不确定性。因此，使用严格的概率框架，这是能够解决由于缺乏数据的不确定性，在生物力学领域是至关重要的，在这个角度来看，贝叶斯推断代表了一个有前途的方法。这项研究的重点是分析膝关节半月板作为一个典型的例子，人类软组织。
2021-12-26 physics.bio-ph physics.med-ph
Constitutive parameter identification of transtibial residual limb soft tissue using ultrasound indentation and shear wave elastography
有限元分析（FEA）可用于评估所施加的界面压力和内部组织应变，用于计算假肢接受腔设计。这种类型的框架需要现实的患者特定的肢体几何形状和本构特性。在最近的研究中，压痕和逆有限元分析与MRI衍生的三维患者的几何形状被用于本构参数识别。然而，长的计算时间和专用设备的使用对临床部署提出了挑战。在这项研究中，我们提出了一种新的方法，使用有限元分析，超声压痕，剪切波弹性成像相结合的本构参数识别。局部剪切模量测量使用弹性成像在超声压痕实验中具有特殊意义的残肢的生物力学建模，因为有已知的软组织特性，如不同程度的疤痕和萎缩的区域依赖性。除了假体设计，这项工作对肌肉健康和疾病进展监测领域具有更广泛的影响。
2022-11-23 physics.bio-ph physics.med-ph
Efficient, high-speed ablation of soft tissue with few-microjoule, femtosecond pulse bursts
飞秒脉冲在高精度组织切除方面具有很大的前景。然而，由于需要保持平均激光功率较低以避免由于热积累而造成的附带损害，烧蚀速率受到严重限制。此外，先前报道的脉冲能量妨碍了柔性纤维中的递送，阻碍了体内操作。这两个问题都可以通过使用高重复率脉冲组或突发来解决。在这里，我们报告了一种新型的光纤激光器，并证明了超快突发模式消融脑组织的速度接近1毫米$^3$ /分钟，一个数量级的改善比以前的报告。突发模式操作被证明是优越的，在所需的能量和避免热效应方面，均匀的重复率相比。这些结果可以为以医学相关速度进行体内操作铺平道路，通过柔性纤维输送到外科手术难以到达的目标，或同时进行磁共振成像。
2014-10-24 physics.med-ph physics.optics
Ionomeric extracellular matrices for dynamic soft robotic tissue engineering devices through protein sulfonation
针对现有电活性聚合物缺乏生化信号限制再生能力的问题，提出完全源自细胞外基质蛋白的离子型细胞外基质新型聚合物，通过蛋白质磺化偶联实现机电驱动，为动态软机器人组织工程提供新平台。
2025-04-07 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph q-bio.CB
High angular sensitivity X-ray phase-contrast microtomography of soft-tissue through a two-directional beam-tracking synchrotron set-up
本研究针对软组织X射线相衬成像需求，基于同步辐射实现双向光束追踪（2DBT）方法，测得约20纳弧度角灵敏度与至少6.25微米空间分辨率，并验证了其在小鼠肝脏等软组织三维成像中的应用潜力。
2023-12-15 physics.ins-det physics.med-ph
A pseudo active kinematic constraint for a biological living soft tissue: an effect of the collagen network
最近在哺乳动物心脏中的研究表明，左心室壁增厚是收缩期射血的重要机制，并且在收缩期间，心肌在肌纤维交叉方向上产生显著的应力。我们认为，胶原网络周围的肌肉纤维可以解释这些力学行为。为了验证这一假设，我们开发了一个模型的大变形响应的主动，不可压缩，非线性弹性和横观各向同性的活软组织（如心脏或动脉组织），其中我们包括结缔组织和肌肉纤维之间的耦合效应。然后，一个三维的有限元制定包括这个内部的伪主动运动约束。解析解和有限元解吻合得很好。数值结果表明，这种壁厚增厚效应与实验观测值一致，其数量级为数量级。
2008-12-03 math.AP physics.class-ph physics.med-ph
Comparison of mechanical conditions in a lower leg model with 5 or 6 tissue types while exposed to prosthetic sockets applying finite element analysis
下肢截肢者经常遭受皮肤和组织问题，从使用他们的假肢，这是一个具有挑战性的生物力学问题。有限元法（FEM）先前已被应用于分析假肢使用时腿部的内部力学条件。然而，软组织的表示被简化为较少的层和组织类型。这种人体组织简化的影响仍然不清楚，简化模型的结果可能会产生误导。因此，在暴露于三种不同髋臼杯设计的经胫骨截面模型上比较了使用五种与六种组织类型的效果。皮肤、脂肪、血管和骨骼分别定义，而肌肉和筋膜组织分别或合并。在模拟中考虑了非线性行为和插座与皮肤之间的摩擦。接触力以及内部应力和应变的每种组织类型的不同幅度和最大值的网站为每种材料设置内和之间的不同的假肢接受腔条件。百分之几百的应力和应变的相对变化被发现时，筋膜和肌肉材料的属性合并相比，当他们分别建模。因此，在创建肢体模型和解释相关FEM模拟的结果时，需要考虑组织细节的水平。关键词：力学条件，有限元，软组织，材料性能，接触，假体
2019-07-31 cs.CE physics.med-ph
Validation of Continuously Tagged MRI for the Measurement of Dynamic 3D Skeletal Muscle Tissue Deformation
一个SPAMM标记的MRI方法，允许连续（3.3-3.6 Hz）采样的3D动态软组织变形使用非分段的3D采集。通过3个相互正交的标记方向的组合来重建3D变形，因此仅需要3个重复的运动周期。此外，一个全自动的后处理框架，采用Gabor尺度空间和滤波器组分析的标签极值分割和三角化的表面拟合辅助Gabor滤波器组导出的表面法线。跟踪标记表面三重三角形交叉点之后导出变形。在硅凝胶软组织体模上使用压痕测试（约20 mm深，12 mm/s）确认动态变形测量值，该体模含有对比标记，可提供变形的参考测量值。此外，该技术进行了评价，在体内动态骨骼肌组织变形测量过程中的肱二头肌区域的志愿者的压痕。
2016-04-20 physics.bio-ph physics.med-ph
Experimental Demonstration of Soft-Tissue Muon Scattering Tomography
CERN, European Organization for Nuclear Research（欧洲核子研究中心）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Instituto de Física Corpuscular (CSIC/Universitat de València)（粒子物理研究所（西班牙科学理事会/瓦伦西亚大学））
该研究首次实验验证缪子散射层析成像可应用于生物软组织，利用CERN质子同步加速器的2 GeV/c缪子束对拟人化胸部体模成像，重建的散射密度与模拟结果偏差达百分位水平，为医学成像提供了新的互补探针。
2026-10-14 hep-ex physics.ins-det physics.med-ph
Enhanced Instantaneous Elastography in Tissues and Hard Materials Using Bulk Modulus and Density Determined without Externally Applied Material Deformation
超声波是一种不断发展的技术，广泛用于从制造到生物医学等应用中的硬材料和软材料的快速，非破坏性机械性能检测。在这项研究中，一种新的单基地纵向超声脉冲弹性成像方法。现有的弹性成像方法需要声辐射或动态压缩外部施加的力来确定有效的体积模量或密度。这种新的被动M模式成像技术不需要外部应力，并且可以有效地用于软材料和硬材料。应变图成像和剪切波弹性成像是显示相对和绝对弹性信息的两个当前类别的M模式成像。新技术应用于硬材料和软材料组织模型，以证明有效体积模量和有效密度映射。与标准技术相比，对于硬材料和软材料，有效参数均在标准表征方法的10%以内。由于标准的A-模式成像技术，也不需要一个外部施加的力，该技术被应用到复合异质结构和研究结果进行比较。所提出的被动M模式技术被发现具有增强的分辨率超过标准的A模式模态。
2019-10-16 cond-mat.other physics.med-ph
A Bayesian constitutive model selection framework for biaxial mechanical testing of planar soft tissues: application to porcine aortic valves
软组织力学的本构模型有很多种。然而，没有既定的标准来为特定应用选择合适的模型。虽然最适合实验数据的模型可以被认为是最合适的模型，但考虑到实验观察结果的样本间变异性，这种做法往往是不够的。在这里，我们提出了一个贝叶斯方法来计算相对概率的本构模型的基础上双轴力学测试的组织样品。使用双轴拉伸装置测试了46个猪主动脉瓣组织样本。对于每个样品，施加沿纤维方向和垂直于纤维方向的七个比例的应力。基于实验数据，使用所提出的模型选择框架，计算了8个基于不变量的本构模型的概率。计算的概率表明，在所考虑的模型中，基于通过所用实验数据集获得的信息，May-Newman模型是猪主动脉瓣数据的最可能模型。当样本被分组为不同的尖瓣类型，5月-纽曼模型仍然是最有可能的左，右冠状动脉尖瓣，而非冠状动脉尖瓣两个模型被发现是同样可能的：李-萨克斯模型和5月-纽曼模型。发现瓣尖类型之间的这种差异与第一主成分分析（PCA）模式相关，其中发现非冠状动脉和右冠状动脉瓣尖的该模式振幅显著不同。我们的研究结果表明，PCA为基础的统计模型可以捕捉软组织的力学性能的显着变化。所提出的框架适用于任何组织类型，并有可能提供一个结构化和合理的方式，使模拟人口为基础。
2023-01-03 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Supersonic shear wave imaging in stretched soft strips: modeling for quantitative elastography
本研究针对剪切波弹性成像在粘弹性、导波和静态变形下的局限，提出一种结合超音速扫描与理论模型的方法，可同时表征软组织的粘弹性和超弹性，实现细长组织的定量弹性成像。
2023-12-22 cond-mat.soft physics.med-ph
Refraction corrected specular beamforming applied to cortical bone enhances interface visibility of bone-soft tissues interfaces
本研究将一种考虑波折射和镜面反射物理学的镜面波束成形技术应用于皮质骨成像，通过DAS和自适应算法重建图像，显著提高了骨内膜界面的可见度（1至13 dB），增强了骨内解剖结构的可视化。
2025-07-11 physics.app-ph physics.med-ph
Towards 3D ultrasound image based soft tissue tracking: a transrectal ultrasound prostate image alignment system
实时3D超声（US）的出现使得可以考虑基于图像的皮下软组织目标跟踪，以用于计算机引导的诊断和治疗。我们提出了一种基于3D经直肠超声的跟踪系统，用于精确的前列腺活检样本定位。目的是改善样本分布，使重复活检的未采样区域成为目标，并使介入后质量控制成为可能。由于患者未被固定，由于前列腺是移动的，并且由于在活检采集期间探头移动仅受直肠约束的事实，因此跟踪系统必须能够估计超出常见图像相似性度量的捕获范围的刚性变换。我们提出了一种快速和强大的多分辨率属性向量配准方法，结合全局和局部优化方法来解决这个问题。全局优化是在探头运动模型上进行的，该探头运动模型降低了搜索空间的维数，从而使得优化有效。该方法进行了测试，从14个不同的患者3D到3D和3D到正交2D切片配准237前列腺体积。该算法的3D-3D版本在6.5s内正确收敛于96.7%的所有情况，精度为1.41mm（r.m.s.）3.84mm（最大）。3D到切片法的成功率为88.9%，2.3s，准确度为1.37mm（r.m.s.）。4.3mm（最大）。
2007-12-05 cs.OH physics.med-ph
Acousto-elasticity of Transversely Isotropic Incompressible Soft Tissues: Characterization of Skeletal Striated Muscle
利用剪切波弹性成像技术，我们测量了横纹肌在等长随意收缩过程中随应力变化的波速。为了将单个肌肉的行为与相邻肌肉的互补或拮抗作用分离，我们选择小指屈肌，其唯一功能是伸展小指。为了将波速与刚度联系起来，我们发展了一个剪切波在均匀、横观各向同性、不可压缩固体中受单轴应力作用的声弹性理论。然后，我们提供测量的表观剪切弹性模量沿，横向，纤维轴为6个健康的人类志愿者的不同年龄和性别。结果显示，在六个科目的差异很大。我们发现，沿纤维方向的表观剪切弹性模量的斜率的变化成反比的最大自愿收缩（MVC）所产生的志愿者。我们建议通过引入纤维的S（慢）或F（快）性质来解释我们的结果，这些纤维以不同的方式硬化肌肉，从而产生不同的MVC。这项工作为测量肌肉骨骼疾病或神经退行性疾病患者的肌肉弹性刚度开辟了道路。
2021-03-17 cond-mat.soft physics.med-ph
Poroelasticity as a Model of Soft Tissue Structure: Hydraulic Permeability Inference for Magnetic Resonance Elastography in Silico
磁共振弹性成像通过测量施加应力引起的位移并拟合力学模型，可以无创地可视化组织的力学特性。多孔弹性自然地适合于描述组织--由固体和流体成分组成的两相介质。本文回顾了孔隙弹性理论，并表明，空间分布的水力渗透率，与固体基质允许流体在压力梯度下流动的容易程度，可以忠实地重建在模拟环境中没有空间先验。本文介绍了一个内部MRE计算平台-一个多网格，有限元多孔弹性求解器耦合到一个人工认知代理能够运行贝叶斯推断重建非均匀模型的力学性能图像从测量的位移场。在以前的工作的基础上，推理的收敛域进行了探索，表明在几个数量级的水力渗透率可以重建的真实空间分布的先验知识很少。
2020-12-07 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Simultaneous imaging of hard and soft biological tissues in a low-field dental MRI scanner
硬生物组织的磁共振成像（MRI）由于其对共振刺激的响应的短暂寿命和低强度而具有挑战性，特别是在低磁场下。因此，MRI对某些医疗应用（如牙科）的影响仍然有限。在这里，我们提出了三维重建的离体人类牙齿，以及兔头和牛股骨的一部分，所有获得的场强只有260 mT。这些图像是第一个在亚特斯拉场同时显示软组织和硬组织的图像，并且它们是在自制的专用医疗前MRI扫描仪中获得的，该扫描仪旨在展示低场设置下的牙科成像。我们编码的空间信息与两个变化的零回波时间（中兴通讯）脉冲序列：逐点编码时间减少与径向采集（PETRA）和一个新的序列，我们称之为双径向不停止自旋回波（DRaNSSE），我们发现执行比前者更好。对于图像重建，我们采用代数重建技术（ART）以及标准傅立叶方法。所得图像的噪声分析表明，ART重建表现出更高的信噪比与更均匀的噪声分布。
2020-05-04 eess.IV physics.ins-det physics.med-ph
Crossover Frequency as a Model-Independent Viscoelastic Constant for Soft Tissue Biomechanics
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡大学）；Charité - Universitätsmedizin Berlin（柏林夏里特医科大学）
本文提出穿越频率作为软组织粘弹性特性描述的无模型常数，通过实验验证其在不同组织中的区分能力，提升弹性成像研究的可比性。
2026-02-26 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.med-ph
Control of Tension-Compression Asymmetry in Ogden Hyperelasticity with Application to Soft Tissue Modelling
讨论了Ogden超弹性方程的拉压不对称性。它示出，如果所有的负或所有的正奥格登系数被使用，拉-压不对称发生的程度不能单独控制的非线性程度。因此，提出了一种简单的混合形式，提供单独的控制拉压不对称性。它演示了这种形式如何涉及到一个新引入的广义应变张量类，其中包括拉压不对称Seth-Hill应变类和拉压对称Bažant应变类。当控制参数设为q=0.5时，得到了一个包含Bažant应变的拉压对称形式，其性质为λ（λ_1，λ_2，λ_3）= λ（1/λ_1，1/λ_2，1/λ_3）。对于软组织建模中的基质贡献的定义，对称形式可能是理想的，允许所有与对称性的偏离仅源于纤维增强。这样的应用程序也展示了使用所提出的配方中的非线性弹性和横向各向同性行为的骨骼肌组织在压缩建模（模型的实施和拟合程序已免费提供）。所提出的超弹性公式可以帮助研究人员独立地控制拉伸-压缩不对称的程度，从非线性的程度，并在各向异性材料的情况下，可以帮助确定所发挥的作用，无论是地面矩阵，或纤维增强结构，在产生不对称。
2015-12-11 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Enhanced deep-tissue photoacoustics by using microcomposites made of radiofrequency metamaterials and soft polymers: Double- and triple-resonance phenomena
光声成像系统提供了一个高分辨率的平台，以探索身体组织，食物和艺术品。另一方面，等离子体激元构成共振加热和热膨胀的源以产生声波。然而，它的相关技术严重局限于激光穿透和非特异性热疗的样品。为了解决这个问题，目前的工作采用了光声的范式转变。通过模拟由随机复合材料制成的微粒，可以使计算的压力类似于或优于经由等离子体光声计算的压力。这种改进是由于一种称为双重或三重共振的现象，即在射频范围内激发一种或两种电和磁等离子体，同时激发粒子的声学模式。由于电磁脉冲被限制在纳秒脉冲宽度和MHz频率，所提出的方法克服了在组织中的渗透性差，并减少了热损伤，从而提供了一种非侵入性的治疗诊断技术。此外，获得的共振压力比传统的光声压持续时间更长，提供了增强检测的中心特征。为了充分理解多共振框架，我们开发了一个完整的光声解决方案。该方法可以为敏感材料和组织的热声成像和操作方法铺平道路。
2022-08-26 physics.app-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Towards Fast Biomechanical Modeling of Soft Tissue Using Neural Networks
迄今为止，通过求解弹性动力学方程来计算用于治疗规划或图像引导干预等应用的器官变形的模拟。虽然已经提出了高效的求解器用于快速模拟，但实时和准确的方法仍然是一个开放的挑战。理想的交互式求解器将能够以高帧速率提供物理和数值上精确的结果，这需要有效的力计算和时间积分。为了实现这一目标，我们在本文中首次探讨了使用神经网络直接学习底层生物力学。给定从医学图像分割的软组织的3D网格，我们训练神经网络以基于系统的当前状态来预测大时间步长的顶点方向加速度。该模型使用扭转下杆的变形进行训练，并在不同的运动，几何形状和超弹性材料模型上进行评估。对于10倍于原始时间步长的预测，我们在50 mm x 50 mm x 100 mm的网格尺寸下观察到平均误差为0.017 mm $\pm$ 0.014（0.032）。20 dt时的预测产生2.10 mm $\pm$ 1.73（4.37）的误差，通过进一步增加预测时间步长，由于人为硬化，最大误差上升至38.3 mm。在所有实验中，我们提出的方法保持稳定，而参考求解器未能收敛。我们的实验表明，有可能直接学习机械模拟，并为直接应用机器学习来加速生物物理求解器打开进一步的研究。
2018-12-13 physics.med-ph q-bio.QM q-bio.TO
Physics-informed Neural Network Estimation of Material Properties in Soft Tissue Nonlinear Biomechanical Models
University of Graz（格拉茨大学）；Medical University of Graz（格拉茨医科大学）；Politecnico di Milano（米兰理工大学）；EPFL（洛桑联邦理工学院）
本文提出结合物理信息神经网络与三维软组织非线性生物力学模型，从有限临床数据中重建位移场并估计异质患者特异性材料属性，可检测疤痕组织，助力心脏疾病诊断。
2024-06-17 cs.LG cs.NA math.NA
Translational Motion Compensation for Soft Tissue Velocity Images
The Hamlyn Centre for Robotic Surgery, Imperial College London（帝国理工学院哈姆林机器人外科中心）；Department of Computing, Imperial College London（帝国理工学院计算机系）；Cardiovascular Biomedical Research Unit, Royal Brompton Hospital（皇家布朗普顿医院心血管生物医学研究中心）
目的：MRI组织相位速度标测（TPM）的进步允许采集更高质量的速度心脏图像，从而更好地评估局部心肌变形，以实现准确的疾病诊断、术前计划和术后患者监测。将TPM速度从扫描仪的参考坐标系转换到局部心脏坐标系需要将平移运动和由于心肌变形引起的运动解耦。尽管TPM中存在用于呼吸运动补偿的现有技术，但是由于跳动心脏的全局运动，仍然存在剩余的平移速度分量。为了补偿心脏TPM的平移运动，我们提出了一种图像处理方法，我们已经评估了合成数据和应用在体内TPM数据。方法：平移运动估计从一个合适的区域的速度自动定义在左心室容积。该区域是通过在每个切片中扩张心肌掩模的中轴而产生的，并且平移速度通过在该区域中的积分来估计。该方法进行了评价的合成数据和体内数据损坏的平移速度分量（200%的最大测量速度）。对准确度和耐用性进行了检查，并将该方法应用于10个体内数据集。结果如下：从合成和在体内损坏的数据的结果表明，在这两种情况下，估计误差小于0.3%和高鲁棒性的优良性能。通过对10个数据集的视觉观察，证实了该方法的有效性。结论：该方法准确，适用于左心室速度场的平移运动校正。用于平移运动补偿的当前方法可以应用于任何环形收缩（组织）结构。
2018-08-20 cs.CV eess.IV physics.med-ph
