本发明涉及声辐射力的生物医学应用，特别是一种组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置及测量方法。
背景技术：
1、声学操纵最近成为一种多功能工具，可用于在微流控设备中移动、分离和组织液滴、气泡或细胞等小物体。事实上，当受到声波的作用时，两种具有声学对比度的材料之间的界面会受到称为声辐射力frad的力的影响，这是由非线性声学效应引起的。根据声学对比度的符号，可以使用行波将物体推动或拉动在流体中，或者诱导粒子沿着驻波的节点或反节点迁移。
2、因此，frad使得可以精确地移动小物体，从而为自下而上的方法在微流控设计结构化材料方面开辟了新途径。
3、然而，虽然简单无黏滞流体中的固定粒子所受声辐射力已经得到了很好的表征，但粘度对frad的影响仍存在争议，并且只有少数几项研究致力于粘弹性介质中自由粒子的一般情况。这使得声辐射力在实际应用中受到了限制。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置及测量方法，用于实现组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力的测量。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、本发明提供的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，包括容器、支架、声辐射力发生装置、自由粒子、粘弹性体模、振动位移测量装置和处理器；
4、所述自由粒子设置于粘弹性体模中；所述粘弹性体模设置于容器中；
5、所述声辐射力发生装置设置于容器中，用于向自由粒子发射声辐射力脉冲；
6、所述振动位移测量装置用于测量自由粒子的振动位移信号，并将振动位移信号传输到处理器中；
7、所述声辐射力发生装置、粘弹性体模设置于机械臂的一端，所述机械臂另一端设置于支架上。
8、进一步，所述支架设置于容器上方，用于支撑机械臂及机械臂上的声辐射力发生装置、粘弹性体模。
9、进一步，还包括隔振平台，所述容器、振动位移测量装置设置于隔振平台上，所述隔振平台用于减少环境振动扰动影响。
10、进一步，所述声辐射力发生装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器、示波器、脉冲回波接收器；
11、所述信号发生器发出的信号经由功率放大器放大后输入至超声换能器；所述超声换能器向容器中的粘弹性体模中的自由粒子发射声辐射力脉冲，所述自由粒子受到超声换能器的激励从而在声辐射力的作用下开始振动；
12、所述脉冲回波接收器用于接收从自由粒子上反射回来的回波信号，并将所述回波信号传输到示波器中；通过脉冲回波接收器与示波器将自由粒子的位置确定于超声换能器的焦点上。
13、进一步，所述机械臂采用六轴机械臂；通过调节所述六轴机械臂来调节粘弹性体模的位置。
14、进一步，所述振动位移测量装置包括三维运动系统、激光测振仪、处理器数据采集系统、透光窗；
15、所述激光测振仪设置于三维运动系统上，通过三维运动系统调节激光测振仪的位置；所述激光测振仪通过设置于容器上的透光窗向自由粒子发射激光；并从自由粒子上反射回来的激光通过数据采集系统上传到处理器中；
16、进一步，所述激光测振仪包括激光探头、激光控制器；所述激光探头通过透光窗向自由粒子发射激光，所述激光探头与激光控制器连接，所述激光探头在激光控制器的作用下发射激光；
17、本发明提供的利用上述测量装置来进行组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力的测量方法，包括以下步骤：
18、s1：信号发生器由功率放大器与超声换能器相连，信号发生器发出的信号经由功率放大器放大后输出至超声换能器；超声换能器对水槽内粘弹性体模中的自由粒子作用，受到换能器激励的自由粒子在声辐射力的作用下开始振动；
19、s2：施加声辐射力后自由粒子将逐渐从原点偏移，当自由粒子的位移达到最大值时，刚性球将围绕其平衡位置振荡，使用激光测振仪对自由粒子进行跟踪，测量自由粒子的振动速度与振动位移；
20、s3：处理激光测振仪记录自由粒子的运动信号，通过解调滤波器获得的自由粒子的振动速度信号，经过积分变换记录得到长脉冲作用下粒子的稳态振动位移信号，根据以下公式计算得到自由粒子所受声辐射力大小：
21、
22、其中，能够表示为施加在自由粒子表面上声辐射力，为粘弹性体模的剪切模量，a为自由粒子的半径，为长脉冲作用下粒子的稳态位移。
23、进一步，所述步骤s1中还包括以下步骤：
24、使用脉冲回波接收器实现换能器焦点精准定位于自由粒子，
25、确定超声换能器焦点的位置；
26、通过调节机械臂使得粘弹性体模达到预设位置；
27、将信号发生器与脉冲回波接收器与示波器连接用于显示发射超声波信号与接收超声波信号；
28、调整机械臂使得接收的超声波信号的y轴值达到最大值，此时，超声波换能器的焦点正好在自由粒子上。
29、本发明的有益效果在于：
30、本发明提供的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置及测量方法，换能器由功率放大器驱动，功率放大器由函数发生器控制，换能器产生聚焦声源。使用脉冲回波反射法将换能器焦点精确定位于嵌入组织状凝胶粘弹性体模中的自由粒子。自由粒子受到声辐射力的作用开始振动。最初，施加声辐射力后自由粒子将逐渐从原点偏移，若声辐射力脉冲的持续时间足够长，那么自由粒子的位移将达到其最大值。一旦自由粒子达到位移的最大值，并且当声辐射力仍然作用在自由粒子上时，刚性球将围绕其平衡位置振荡，使用激光测振仪对自由粒子进行跟踪，测量了自由粒子的振动速度与振动位移。此阶段粒子受力平衡，假设凝胶的流变学是已知的，通过暴露于更长时间声作用下粒子球的稳态位移来实现对粒子球声辐射力的测量。
31、本发明能够实现任意粘弹性透明/半透明凝胶粘弹性体模中弹性自由粒子的振动速度、位移、声辐射力的定量测量，实验上研究了粘弹性介质中刚性自由粒子在短持续时间辐射力下的动力学行为。有助于使用自由粒子作为声目标来评估组织的机械性能，为表征复杂软材料中声辐射力的实验设备的设计与优化提供了依据。
32、本发明中提供的方法能够实现对任意粘弹性体模内自由自由粒子的声辐射力的定量测量，更深入揭示辐射力在生物医学中的应用及其变化规律，能够对表征在微流体粒子操控以及超声成像和治疗相关的情况下复杂材料中的声辐射力提供依据。
33、本发明提供的方法通过在隔振平台上采用超声换能器对粘弹性软固体中自由自由粒子施加声辐射力的作用，并通过激光测振仪观察测量记录粒子的运动情况，测量得到粒子所受声辐射力。
34、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
1.组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：包括容器、支架、声辐射力发生装置、自由粒子、粘弹性体模、振动位移测量装置和处理器；
2.如权利要求1所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：所述支架设置于容器上方，用于支撑机械臂及机械臂上的声辐射力发生装置、粘弹性体模。
3.如权利要求1所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：还包括隔振平台，所述容器、振动位移测量装置设置于隔振平台上，所述隔振平台用于减少环境振动扰动影响。
4.如权利要求1所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：所述声辐射力发生装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器、示波器和脉冲回波接收器；
5.如权利要求1所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：所述机械臂采用六轴机械臂；通过调节所述六轴机械臂来调节粘弹性体模的位置。
6.如权利要求1所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：所述振动位移测量装置包括三维运动系统、激光测振仪、处理器、数据采集系统和透光窗；
7.如权利要求6所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量装置，其特征在于：所述激光测振仪包括激光探头和激光控制器；所述激光探头通过透光窗向自由粒子发射激光，所述激光探头与激光控制器连接，所述激光探头在激光控制器的作用下发射激光。
8.利用上述权利要求1至7中任一项的测量装置来进行组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的组织状凝胶粘弹性体模中自由粒子所受声辐射力测量方法，其特征在于：所述步骤s1中还包括以下步骤：
