骨骼定量超聲檢測關(guān)鍵技術(shù)及其聲學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、超聲作為骨密度測量的一種無損無放射性技術(shù)，目前常用的方法包括聲傳導(dǎo)和聲透射技術(shù)。但骨強度的下降除了與骨密度密切相關(guān)外，還受骨的微觀結(jié)構(gòu)的影響。超聲背散射技術(shù)能夠?qū)λ少|(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)做出一定程度的估計，且檢測靈活方便，更適合用于遠(yuǎn)程醫(yī)療。但該技術(shù)在骨組織檢測中僅具有有限的靈敏度和準(zhǔn)確性，同時松質(zhì)骨網(wǎng)狀基體結(jié)構(gòu)的各向異性對聲參量的測量產(chǎn)生影響，需要基于準(zhǔn)確的模型對該影響進(jìn)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(shù)為主要應(yīng)用背景，在等效散射子模型和μCT模型的基礎(chǔ)上，對提高檢測精度的技術(shù)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(nèi)容包括：
　　研究了基于編碼增強的改進(jìn)的等效散射子間距測量方法。松質(zhì)骨在聲學(xué)上呈現(xiàn)規(guī)律散射結(jié)構(gòu)特征且具有一定的周期性，在此基礎(chǔ)上，以散射子結(jié)構(gòu)為假設(shè)，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(jié)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(jié)果的影響。背散射信號的仿真以粒子振動理論為基礎(chǔ)，散射子采用圓柱等效模型，傳播介質(zhì)為均勻彈性介質(zhì)，具有線性聲學(xué)傳播特性。結(jié)果表明，背散射信號經(jīng)增強后在相同的散射子介質(zhì)測量深度下，能改善散射子間距的譜測量結(jié)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(shù)，通過對背散射信號進(jìn)行分解，對不同時間尺度上的背散射信號分別進(jìn)行散射子間距的測量，獲得更有意義的測量結(jié)果。背散射信號除包含噪聲外，還包含多種不同結(jié)構(gòu)信息的背散射成分。利用經(jīng)驗?zāi)B(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(zhì)是對不同本征時間尺度上的能量進(jìn)行分割，以模態(tài)函數(shù)的形式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行延拓。對獲取得到的三階模態(tài)函數(shù)分別進(jìn)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?zāi)B(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(chǔ)上進(jìn)行散射子譜測量。基于本征模態(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(jié)果。
　　考慮到超聲技術(shù)在松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)檢測中存在諸多不確定性因素，可靠性低，檢測結(jié)果可重復(fù)性差，除噪聲和衰減外，松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性也對超聲測量產(chǎn)生重要影響，本文對此進(jìn)行深入研究。本文中提出一種基于μFE的骨

6、小梁聲學(xué)各向異性與非均勻性的分析方法，與表觀(結(jié)構(gòu))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(jié)構(gòu)各向異性和非均勻性對超聲測量的影響進(jìn)行了研究。由于結(jié)構(gòu)彈性模量同時受骨組織模量和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對聲傳導(dǎo)的真實影響。本文中利用無損高分辨率骨小梁結(jié)構(gòu)影像，對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，利用顯微有限元技術(shù)(μFE)，在一定骨小梁組織模量范圍內(nèi)，對骨微觀結(jié)構(gòu)的各向異性與非均勻性進(jìn)行分

7、析，對局部結(jié)構(gòu)機械特性與聲學(xué)特性的相關(guān)性進(jìn)行度量，特別針對聲學(xué)參量與結(jié)構(gòu)彈性模量、組織彈性模量的相關(guān)性進(jìn)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(yīng)的問題，本文對骨中超聲誘導(dǎo)的應(yīng)力分布問題進(jìn)行了研究。超聲檢測要充分避免聲輻射應(yīng)力引起的骨組織變化，特別是應(yīng)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(dǎo)應(yīng)力FEM分析方法，通過建立不同組織之間的耦合關(guān)系，利用FEM技術(shù)引入能量驅(qū)動函數(shù)求解聲波彈性波動方程，并