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超声导波评价长骨状况的研究

许凯亮  
【摘要】:随着人口老龄化的加剧,骨质疏松症已成为影响人类健康的重要疾病之一,其临床表现主要为松质骨骨小梁变细缺失,皮质骨微孔率增大并逐渐变薄,最终导致骨力学特性的改变并极大增加患者骨折的风险。 目前,人体长骨皮质骨评价的主要方法仍为X线技术,其中双能X线吸收法(DXA)是骨质评价的金标准。但X线检查只能提供包括骨矿密度(BMD)与二维骨几何形状等在内的有限信息,无法反映骨微结构以及生物力学特性。基于超声导波的诊断技术除具备传统超声技术的费用低、无电离辐射、简便、速度快、可携带以及适合于普查应用等优点外,还可反映长骨皮质骨几何形状(包括厚度、截面形状)以及材料特性(包括骨密度、微孔率和杨氏模量)等信息。因此,应用超声导波评价长骨状况已成为当前骨超声研究中极具前景的课题。 本文针对超声导波评价长骨皮质骨这一课题,从仿真与实验出发,重点围绕长骨皮质骨厚度与裂纹诊断两大研究方向,主要开展了下述工作。 1.长骨中超声导波信号处理方法与仿真 结合导波理论,用信号处理方法分析导波频散作用对激励信号的影响;建立时域有限差分(FDTD)模型,探讨导波激发与裂纹评价方法。(1)提出导波频散信号的合成算法,在已知导波频散曲线的情况下,可合成求解任意激励与传播距离下,多模式导波频散信号。(2)应用时域有限差分法于长骨皮质骨超声导波仿真,探讨宽带与窄带激励下导波信号对长骨皮质骨裂纹的敏感性。结果表明,虽然宽带激励能在宽频带内获得较多的群速度信息;但窄带激励可减少频散效应,使得裂纹处产生的导波转换模式波包清晰,便于参数提取以实现长骨皮质骨裂纹评价。(3)提出应用Zhao-Atlas-Marks分布(ZAMD)于导波信号分析,结果表明与重排平滑伪维格纳维利分布(RSPWVD)方法相比,ZAMD可较好地去除交叉项干扰。(4)提出应用图像骨架求取算法与导波时频分布分析,实现导波时频表征脊提取,并求取平均慢度曲线,以定量分析各模式导波传播群速度频散特性。(5)提出基于Crazy-Climber算法的时频脊分离方法,并应用于多模式导波分析。仿真与牛胫骨实验表明,该算法可从一路多模式导波信号中分离各模式所对应的时频表征脊,便于各模式群速度定量分析。进一步提出基于分离时频脊的导波模式重建算法,实现多模式导波分离。此算法可用于定量多模式参数,便于长骨皮质骨状况评价反问题的研究。(6)提出一种适用于宽带多模式超声导波信号的频散补偿算法。目前,传统频散补偿方法仅限于补偿已知导波频散曲线与传播距离下的单一导波模式窄带信号。本文算法可实现多模式宽带超声导波信号的频散补偿,在此基础上可实现宽带多模式导波分离。 2.长骨皮质骨厚度评价 在信号处理与数值仿真分析研究基础上,讨论长骨皮质骨厚度评价方法。(1)提出频散能量补偿函数。在频散补偿算法的基础上,利用补偿能量函数,若已知波导材料特性与探头间距,可估计波导厚度值;此外,若已知波导材料特性与厚度,可估计探头间距值。长骨皮质骨仿真与仿体(钢板)实验证明,该算法可应用于长骨皮质骨厚度估计与评价。 3.长骨皮质骨骨裂诊断 在信号处理与数值仿真分析研究基础上,研究模式转换现象,建立不同骨裂程度下的FDTD模型,分离导波S0、A0模式与转换模式波包,比较各波包传播速度、能量与骨裂深度的关系,实现长骨皮质骨裂纹诊断。(1)提出转换模式群速度与骨裂位置关系公式,并用仿体(钢板)与离体羊胫骨实验验证了上述转换模式群速度公式。(2)提出应用转换模式能量参数评价长骨骨裂状况。长骨皮质骨仿真、仿体(钢板)以及羊胫骨实验信号分析表明,随骨裂程度增加,透射能量总体呈现下降趋势;透射信号中原始模式S0、A0所占能量比逐渐下降,转换模式能量比例逐渐上升。能量转换有着近似线性的规律,当骨裂深度超过60%时,转换模式开始居于主导地位,当骨裂深度超过80%时,转换模式能量比例可达60%以上。 以上研究结果不仅在长骨中超声导波频散特性的认识十分重要,而且为超声导波技术的长骨评价提供了重要的理论依据。本文研究方法也可应用于超声导波工业无损检测与评价。


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