3= h i/Eg+Qiib-Iii)/Ei+(h t_hib)/Eg+(h3_ht)/E b。
[0147] 利用ht> h 4> h lb的第四個(gè)PEF，可得到下列式子：
[0148] 夾雜物之上：h4/E4= h i/Eg+Qiib-Iii)/EdQi4-Ii ib)/Eg。
[0149] 利用這6個(gè)式子，可得到6個(gè)未知數(shù)：Eg，E1, Eb，Ii1, hlb，ht?？梢宰C明PEF4的同一 性，因?yàn)閷?duì)于PEF4,離開(kāi)夾雜物的E 4= E1= E2。在夾雜物之上的E4可小于或大于E2，但必 需比^小。同時(shí)，離開(kāi)夾雜物的E 3> E E 2= E 4和在夾雜物之上的E 3> E 4。
[0150] 可看出，在進(jìn)行下列處理，例如活組織檢查、外科處置、早期胸部腫瘤X射線測(cè)定 法、磁共振成像、超聲波成像或其它輻射或電磁篩選測(cè)試前或與其一起，PEFS系統(tǒng)100可幫 助內(nèi)科醫(yī)生篩選腫瘤和各種形式的癌，包括但不限于乳房癌、前列腺癌、皮膚癌或肝癌。本 發(fā)明的PEFS系統(tǒng)100可用于獨(dú)立地或與傳統(tǒng)的篩選方法一起，幫助早期發(fā)現(xiàn)腫瘤或診斷/ 確認(rèn)癌。還可看出，因?yàn)樾碌姆椒ê蚉EFS系統(tǒng)100可用于檢測(cè)一般被傳統(tǒng)的篩選方法忽略 的毫米尺寸的腫瘤，因此對(duì)早發(fā)現(xiàn)癌特別有利。另外，由于本方法不依賴(lài)組織密度，因此，對(duì) 于由于組織密度問(wèn)題傳統(tǒng)的篩選方法無(wú)效的婦女特別有用。它還可用于癌/腫瘤監(jiān)視以便 進(jìn)行治療評(píng)估。它還可在外科手術(shù)前使用，確定癌/腫瘤位置，幫助引導(dǎo)外科醫(yī)生。
[0151] 另外，PEFS系統(tǒng)100還可在皮膚學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用，以測(cè)試皮膚的彈性，細(xì)胞彈性/塑 性或其它與組織有關(guān)的性質(zhì)。當(dāng)然，PEFS系統(tǒng)100可有效地在通常的方法中使用，以在任 何種類(lèi)的易彎的材料上進(jìn)行壓縮和剪切測(cè)量。應(yīng)當(dāng)理解，PEFS系統(tǒng)100不限于包括組織測(cè) 量的應(yīng)用。
[0152] 實(shí)施例
[0153] M 1
[0154] 進(jìn)行研究，以確定本發(fā)明的PEFS精確估計(jì)模仿各種形式的腫瘤的物理性質(zhì)的一 組人造組織的有效性。使用PEFS通過(guò)測(cè)量人造組織的彈性模量（E)、剪切模量（G)和確定 G/E比，確定嵌入人造組織樣件中的人造腫瘤是否具有粗糙或多枝的界面，侵入的惡性癌， 例如惡性乳房癌的潛在指標(biāo)?？墒褂脧椥阅Ａ炕蚣羟心Ａ胯b別人造腫瘤的尺寸，并且還可 使用剪切模量表示腫瘤和周?chē)M織的界面的紋理的特征。另外，當(dāng)使用基本上與組織界面 上的縐紋方向垂直的掃描路徑測(cè)量剪切模量時(shí)，在探測(cè)惡性組織時(shí)得出大于約0. 7的G/E 比。
[0155] 在研究中使用的如圖4(a)示意性地所示的壓電懸臂作成具有長(zhǎng)為22±0. 2mm的 鉛鋯酸鹽鈦酸鹽（PZT)的頂層（T105-H4E-602, Piezo Systems Inc.，劍橋，馬薩諸塞州）和 長(zhǎng)為11 ±0. 2_的與50-μ m厚的不銹鋼層粘接的（阿爾法埃莎，沃德希爾，馬薩諸塞州）， 位于使用不導(dǎo)電的環(huán)氧樹(shù)脂（漢高樂(lè)特公司，工業(yè)，加利福尼亞州），在室溫下硬化一天的 PZT層之間的PZT底層。懸臂寬為3. 8±0. 2mm。頂和底PZT層的厚度均為127 μm。頂部 PZT層用于加力。當(dāng)加電壓在頂部PZT層的厚度上時(shí)，由于頂部PZT層的反壓電效應(yīng)，在頂 部PZT層中產(chǎn)生橫向應(yīng)變。產(chǎn)生的應(yīng)變使該懸臂彎曲。標(biāo)定由懸臂彎曲產(chǎn)生的力，用于加 力[14]。使用底部PZT層作為位移計(jì)。當(dāng)彎曲懸臂時(shí)，由于直接的壓電效應(yīng)，在底部PZT 層的厚度上形成電壓差，并利用在底部PZT層上的感應(yīng)電壓標(biāo)定懸臂的軸向位移[15]。這 樣，利用頂部和底部的PZT層，旋臂可用簡(jiǎn)單電器裝置，在一個(gè)裝置中加力和形成位移傳感 器[15]。為了便于使用同一懸臂測(cè)量壓縮和剪切，將不銹鋼尖端的自由端作成方的環(huán)，方形 的每一側(cè)等于該懸臂的寬度。該懸臂用7. 5mm厚的丙烯酸鹽（麥克馬斯特-卡爾，新不倫 瑞克省，新澤西州）制的夾具夾緊。PZT層的壓電系數(shù)由賣(mài)主規(guī)定d31 = -320PC/N。根據(jù) 賣(mài)主的要求，不銹鋼的彈性模量和PZT層的彈性模量分別為200Gpa和62Gpa。利用安捷倫 4294A阻抗分析器（安捷倫，帕洛阿爾托，加利福尼亞州）測(cè)量PZT層的電容和損失因子。 方形不銹鋼環(huán)的接觸面積為3. 8_X 3. 8_。如利用已知方法確定的那樣，該懸臂的有效彈 簧常數(shù)為143N/m[15]。利用直流電源HPE3631A(惠普公司，帕洛阿爾托，加利福尼亞州） 作為可編程的直流電壓源。利用紐波特光學(xué)臺(tái)（RS1000,紐波特公司，歐文，加利福尼亞州） 減小低頻背景振動(dòng)得到測(cè)量。在驅(qū)動(dòng)PZT層上加的電壓和在檢測(cè)PZT上感應(yīng)的電壓記錄在 安捷倫Infiniium S4832D數(shù)字示波器（安捷倫，帕洛阿爾托，加利福尼亞州）上。直流電 源和示波器與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC)連接。所有測(cè)量，實(shí)時(shí)彈性模量計(jì)算和數(shù)據(jù)采集由PC通過(guò) LabView (國(guó)家儀器，奧斯汀，德克薩斯州）編程控制。
[0156] 研究中測(cè)試的人造組織通過(guò)將作模型的粘土嵌入明膠（飛世爾科技，匹茲堡，賓 夕法尼亞州）中構(gòu)成。使用三種形式的作模型粘土 ：作模型粘土 C54(Play_Doh，Hasbro Ltd.，紐波特，英國(guó)），其彈性模量為54±12kPa，作模型粘土 C92 (Model Magic，克雷奧拉， 伊斯頓，賓夕法尼亞州），其彈性模量為92±9kPa和作模型粘土 C145 (Modeling Clay，克雷 奧拉，伊斯頓，賓夕法尼亞州），其彈性模量為145± 10kPa。為了評(píng)估不同腫瘤的界面性質(zhì)， 做出每一形式的做模型粘土的模型形成相同尺寸的，約22mm長(zhǎng)、12mm寬和14mm高，具有不 同的表面紋理的二種形式的夾雜物8。如圖5(a)所示，作成具有光滑的頂面S的第一夾雜 物8代表良性腫瘤，而如圖5 (b)所示，帶有縐紋的頂面R的第二夾雜物8代表惡性腫瘤。有 縐紋的表面模仿惡性腫瘤的多枝或粗糙的界面區(qū)域的物理性質(zhì)。所有R夾雜物具有2-4mm 寬和7mm深沿著夾雜物寬度的矩形槽。在形成后，作模型的粘土夾雜物嵌入如明膠一類(lèi)的 基塊9中。夾雜物表面的頂離明膠頂面3_。將57. 75g的明膠（飛世爾科技，匹茲堡，賓 夕法尼亞州）與80°C的275ml的水混合，在熱板上放置5min制成的明膠基塊9的濃度為 0. 21g/ml。在將每一個(gè)樣件放在盤(pán)中后，把明膠混合物倒在樣件上至希望的高度，在5°C下 冷卻一小時(shí)至凝固，然后在測(cè)量前在室溫下平衡一小時(shí)。
[0157] 利用人造組織樣件的彈性模量（E)確定腫瘤的尺寸。在壓印模式下，利用PEFS測(cè) 量樣件的彈性模量，如圖5(a)的相片所示，使懸臂的指向與人造組織的表面平行[16,17]。 當(dāng)加電壓Va在懸臂的驅(qū)動(dòng)PZT層上時(shí)，形成力產(chǎn)生進(jìn)入組織的垂直位移d (壓痕），從而在 檢測(cè)PZT層上感應(yīng)出電壓Vin。組織的彈性模量E與所加的力F，接觸面積A，和組織的垂直 位移d有關(guān)，BP
[0159] 式中V為組織的泊松比。因?yàn)闇y(cè)量懸臂的尖端位移d與Vin成線性比例，因此彈性 模量E可方便地用V in表示，即
[0161] 式中K為測(cè)量懸臂的彈簧常數(shù)，Vin,。為沒(méi)有組織的測(cè)量懸臂的檢測(cè)PZT層上 的感應(yīng)電壓。這樣，事先知道V in,。和通過(guò)測(cè)量各種Vp時(shí)的Vin，通過(guò)作出對(duì)Vin的圖形
可推導(dǎo)組織的彈性模量E。這可方便地通過(guò)LabView來(lái) 作。測(cè)量的細(xì)節(jié)可在參考文獻(xiàn)18中找到。
[0162] 沿著X和y方向掃描得到的每一個(gè)夾雜物的彈性模量分別稱(chēng)為E, E y。注意，所 有S夾雜物和R夾雜物的長(zhǎng)度，寬度和高度相同，不同的只是S夾雜物具有光滑的頂部表 面，而R夾雜物具有縐紋表面。每一個(gè)夾雜物的掃描區(qū)域及其附近為44_X68mm，間隔為 4mm 〇
[0163] 作為一個(gè)例子，在圖6(a)和（b)中表示在C145作模型粘土的S和R夾雜物的X 方向和y方向的彈性模量輪廓。如圖6(a)的插頁(yè)中示意性地所示，Ex,s和Ex, R分別為沿著 夾雜物的中心線在X方向的S和R夾雜物的彈性模量。如圖6(b)的插頁(yè)中示意性地所示， Ey,5和Ey,汾別為沿著夾雜物的中心線在y方向的S和R夾雜物的彈性模量。顯然，在夾雜 物之上的所有E x,s，EX,R，Ey,s，E y,R都為約52±3kPa，而離開(kāi)夾雜物則降為固定值約9± lkPa， 這表示彈性模量測(cè)量與表面粗糙度和掃描方向無(wú)關(guān)。離開(kāi)夾雜物的明膠基塊的彈性模量約 為9± lkPa。模型腫瘤的長(zhǎng)度和寬度根據(jù)在峰值高度一半處的寬度估計(jì)，該峰值高度分別 表示對(duì)于S和R夾雜物，其長(zhǎng)度約為19 ± Imm和約20 ± 1mm，寬度約為9 ± Imm和9. 4± Imm0 這些數(shù)字與S和R夾雜物已知的長(zhǎng)度和寬度一致。
[0164] 與人造組織樣件的縐紋方向垂直測(cè)量的剪切模量可用于鑒別人造腫瘤的界面區(qū) 域的紋理。該紋理可表示惡性?？衫脡汉奂羟袑?shí)驗(yàn)方法測(cè)量組織的剪切模量，這時(shí)如圖 5(b)所示，懸臂與組織表面垂直。在這種幾何形狀下，當(dāng)加電壓V a在測(cè)量懸臂的驅(qū)動(dòng)PZT 層上時(shí)，與組織表面平行的力F作用在組織上，產(chǎn)生組織的水平位移d和檢測(cè)PZT層的感應(yīng) 電壓Vin。組織的剪切模量G可按經(jīng)驗(yàn)用水平力F、水平位移d和接觸面積A表示為：
[0166] 式中α為經(jīng)驗(yàn)確定的常數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，α為1±0. 2。因?yàn)闄z測(cè)PZT層的感應(yīng)電壓 與組織的水平位移成比例，同樣，剪切模量G可利用感應(yīng)電壓推導(dǎo)為：
[0168] 這可利用LabView通過(guò)測(cè)量Vin和作出對(duì)Vin的圖形
：得到。
[0169] 對(duì)于剪切測(cè)量，PEFS如圖7(a)示意性地所示，與縐紋平行移動(dòng)（即在X方向移 動(dòng)），和如圖7(b)示意性地所示，與縐紋垂直移動(dòng)（即在y方向移動(dòng)）。剪切模量利用如圖 7(a)所示，與縐紋平行運(yùn)動(dòng)和如圖7(b)所示，與縐紋垂直運(yùn)動(dòng)的接觸面積測(cè)量。由于縐紋 在圖7 (a)和7 (b)的X方向，因此接觸面積與縐紋平行運(yùn)動(dòng)測(cè)量的剪切模量為Gx，接觸面積 與縐紋垂直運(yùn)動(dòng)測(cè)量的剪切模量為G y。同樣，可在S夾雜物上測(cè)量Gx，Gy。
[0170] 在x方向和y方向的剪切模量輪廓分別表示在圖8(a)和8(b)中。Gx, s和Gx, R分 別為如圖8(a)示意性地所示，沿著夾雜物的中心線在X方向（與R夾雜物的縐紋平行）作 剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)量的S和R夾雜物的剪切模量；G y,s和Gy,R分別為如圖8(b)示意性地所示，沿 著夾雜物的中心線作剪切運(yùn)動(dòng)在y方向（與R夾雜物的縐紋垂直）測(cè)量的S和R夾雜物的 剪切模量。對(duì)于S夾雜物，在夾雜物之上的G x,s和Gy,s約為16± lkPa，與剪切方向無(wú)關(guān)，而離 開(kāi)夾雜物的則降至約為3±lkPa。相反，對(duì)于R夾雜物，在夾雜物之上與縐紋垂直測(cè)量的剪 切莫量G y,R為37±2kPa，而與縐紋平行測(cè)量的剪切模量G X,R約為16± lkPa。從在峰值高度 一半處的寬度估計(jì)的S和R夾雜物的長(zhǎng)度和寬度分別為19. 2± Imm和19. 8± 1mm，9. 8± Imm 和9. 6± 1mm，與從剪切模量輪廓得到的值及已知的值一致。離開(kāi)夾雜物的Gy, R和G x, R降至 常數(shù)值，約為3±lkPa。上述結(jié)果表示表面粗糙度在夾雜物之上的剪切模量測(cè)量中起作用。 當(dāng)剪切運(yùn)動(dòng)與縐紋的方向平行時(shí)，有縐紋的夾雜物的測(cè)量的剪切模量與光滑的夾雜物的測(cè) 量的剪切模量相同。另一方面，當(dāng)剪切運(yùn)動(dòng)與縐紋方向垂直時(shí)，測(cè)量的剪切模量大于光滑的 夾雜物的測(cè)量剪切模量的二倍。最后，離開(kāi)夾雜物大約為3±0. 5kPa的Gy,s，Gy,s，Gx, s以及 Gx,R的常數(shù)值相應(yīng)于明膠基塊的剪切模量。
[0171] 利用與縐紋的方向垂直測(cè)量的剪切模量與彈性模量的比（G/E)確定惡性。已知各 向異性的組織或軟材料的泊松比V為0. 5,其給出的G/E比約為0. 3。在圖9(a)中作出S 和R夾雜物的Gx,S/Ex,，G x, R/Ex,R的圖，在圖9 (b)中作出S和R夾雜物的G y,S/Ey, JP G y,R/ Ey,R的圖。注意，圖9(a)和9(b)包括由所有三種不同的作模型粘土 C54、C92、C145制造的 S和R夾雜物的結(jié)果。該結(jié)果也表示在表1中。
[0172] 表1樣件測(cè)量

[0175] 圖9 (a)表示對(duì)所有的S夾雜物，在夾雜物之上或離開(kāi)夾雜物的x方向和y方向的 G/E比都約為0.3。圖9(b)表示，與S夾雜物不同，當(dāng)剪切測(cè)量與縐紋方向垂直時(shí)，在夾雜 物之上的所有R夾雜物的G/E比（G y,R/Ey,R)都大于0. 7,而離開(kāi)夾雜物則降至約為0. 3。相 反，當(dāng)剪切測(cè)量與縐紋方向平行時(shí)，在夾雜物之上或離開(kāi)夾雜物的R夾雜物的G/E比（Gx, R/ Ex,R)為常數(shù)，約為0.3?？煽闯觯?dāng)與縐紋垂直測(cè)量時(shí)，R夾雜物增加的剪切模量轉(zhuǎn)移至增 加 G/E比比各向異性的軟組織希望的0. 3大得多。
[0176] 當(dāng)與縐紋的方向垂直測(cè)量時(shí)，剪切模量比與縐紋平行測(cè)量的或在光滑的夾雜物上 測(cè)量的大二倍多。結(jié)果，與光滑的夾雜物的G/E比或與縐紋平行測(cè)量的G/E比相反，當(dāng)與縐 紋垂直測(cè)量時(shí)，粗糙的夾雜物上的G/E比增加至0. 7以上。不希望受理論