骨骼定量超聲檢測關鍵技術及其聲學效應研究.pdf

1、超聲作為骨密度測量的一種無損無放射性技術，目前常用的方法包括聲傳導和聲透射技術。但骨強度的下降除了與骨密度密切相關外，還受骨的微觀結構的影響。超聲背散射技術能夠對松質骨微觀結構做出一定程度的估計，且檢測靈活方便，更適合用于遠程醫(yī)療。但該技術在骨組織檢測中僅具有有限的靈敏度和準確性，同時松質骨網(wǎng)狀基體結構的各向異性對聲參量的測量產(chǎn)生影響，需要基于準確的模型對該影響進行研究。此外為了提高測量深度，確保在充分增強超聲入射功率的同時保證超聲能量

2、集中不對骨組織造成損傷也具有重要意義。
　　本文以超聲背散射檢測技術為主要應用背景，在等效散射子模型和μCT模型的基礎上，對提高檢測精度的技術方法、影響超聲測量的因素以及超聲檢測對骨組織的影響方面開展研究。主要內容包括：
　　研究了基于編碼增強的改進的等效散射子間距測量方法。松質骨在聲學上呈現(xiàn)規(guī)律散射結構特征且具有一定的周期性，在此基礎上，以散射子結構為假設，針對低空間分辨率和超聲衰減對散射子間距測量造成的影響，通過編碼增強

3、在不增加發(fā)射信號功率的情況下提高入射信號的能量，提高接收信號的信噪比，改善散射子間距的測量結果。同時，針對不同強度噪聲，研究編碼增強測量方法對散射子間距測量結果的影響。背散射信號的仿真以粒子振動理論為基礎，散射子采用圓柱等效模型，傳播介質為均勻彈性介質，具有線性聲學傳播特性。結果表明，背散射信號經(jīng)增強后在相同的散射子介質測量深度下，能改善散射子間距的譜測量結果，抗噪聲干擾能力增強。
　　針對背散射信號中的多種組分可能對散射子測量造

4、成的影響，研究了基于本征模態(tài)函數(shù)的等效散射子間距測量技術，通過對背散射信號進行分解，對不同時間尺度上的背散射信號分別進行散射子間距的測量，獲得更有意義的測量結果。背散射信號除包含噪聲外，還包含多種不同結構信息的背散射成分。利用經(jīng)驗模態(tài)分解方法(EMD)獲取背散射信號具有不同頻帶信息的本征波動模式，其本質是對不同本征時間尺度上的能量進行分割，以模態(tài)函數(shù)的形式對原始數(shù)據(jù)進行延拓。對獲取得到的三階模態(tài)函數(shù)分別進行獨立的譜測量。為解決EMD分解

5、中的模態(tài)混疊問題，引入聚合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)，通過施加低能量隨機噪聲，改變信號極點生成新的模態(tài)函數(shù)集合，在新的本征模態(tài)函數(shù)基礎上進行散射子譜測量?；诒菊髂B(tài)函數(shù)的散射子間距測量方法能實現(xiàn)通過一次測量獲得多個測量結果。
　　考慮到超聲技術在松質骨微觀結構檢測中存在諸多不確定性因素，可靠性低，檢測結果可重復性差，除噪聲和衰減外，松質骨微觀結構的聲學特性也對超聲測量產(chǎn)生重要影響，本文對此進行深入研究。本文中提出一種基于μFE的骨

6、小梁聲學各向異性與非均勻性的分析方法，與表觀(結構)彈性模量對超聲測量的影響不同，本文重點基于骨小梁組織彈性模量針對結構各向異性和非均勻性對超聲測量的影響進行了研究。由于結構彈性模量同時受骨組織模量和結構因素的影響，僅對骨小梁組織模量的分析又不足以反映骨微觀結構對聲傳導的真實影響。本文中利用無損高分辨率骨小梁結構影像，對微觀結構進行三維重建，利用顯微有限元技術(μFE)，在一定骨小梁組織模量范圍內，對骨微觀結構的各向異性與非均勻性進行分

7、析，對局部結構機械特性與聲學特性的相關性進行度量，特別針對聲學參量與結構彈性模量、組織彈性模量的相關性進行研究。
　　針對增加入射超聲功率引發(fā)骨組織一系列機械、非機械效應的問題，本文對骨中超聲誘導的應力分布問題進行了研究。超聲檢測要充分避免聲輻射應力引起的骨組織變化，特別是應力集中現(xiàn)象。本文提出了基于優(yōu)化平均等效模型的超聲誘導應力FEM分析方法，通過建立不同組織之間的耦合關系，利用FEM技術引入能量驅動函數(shù)求解聲波彈性波動方程，并