評價長骨的超聲激發振動聲導波方法研究

《評價長骨的超聲激發振動聲導波方法研究》是依託復旦大學，由許凱亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：評價長骨的超聲激發振動聲導波方法研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：許凱亮

項目摘要

超聲導波已被用於骨質狀況檢測與骨質疏鬆評價，但傳統激勵方式下的長骨導波信號模式較多且相互混迭。若能從源頭上改進激勵機制，對促進長骨超聲評價具有重要科學意義與潛在套用價值。 本項目旨在將超聲激發聲發射技術與超聲導波理論相結合評價長骨強度狀況。本研究將綜合理論、仿真與實驗，研究長骨中超聲輻射力激發機制與振動聲導波傳播特性；分析長骨皮質骨頻散特性與骨強度對超聲輻射力激勵與振動聲導波傳播的影響；研究長骨中低頻振動聲導波模式的選擇性激勵技術；研究低測量通道數條件下陣列導波信號的壓縮感知算法，獲取皮質骨強度參數，進而評價骨質狀況、預測骨折風險。主要創新點是長骨中超聲激發振動聲導波方法的研究，該方法主要優點為可確保只激發數個低階導波模態，使測量信號模式簡單易分析。本研究在豐富超聲導波研究的同時，可為長骨強度的超聲導波評價提供新方法與新技術，對促進骨質疏鬆診斷技術發展與骨折風險預測的研究具有重要意義。

結題摘要

超聲導波已被用於骨折癒合與骨質疏鬆評價，但傳統單探頭脈衝激勵方式難於實現長骨導波信號模式分離,給後續數據分析與參數估計帶來挑戰。改進激勵機制並提出與之相適應的信號處理技術，對促進長骨超聲評價具有重要科學意義與套用前景。 本研究提出將超聲激發聲發射技術（USAE）與超聲導波理論相結合評價長骨狀況。綜合理論、仿真與實驗，研究了長骨中超聲輻射力激發機制與振動聲導波傳播特性；分析長骨皮質骨頻散特性與骨強度對超聲輻射力激勵與振動聲導波傳播的影響；研究長骨中低頻振動聲導波模式的選擇性激勵技術；提出一種寬頻頻散反轉（WDR）技術可用於在板中激發自補償的單一模式脈衝信號，從而有助於導波模式的識別與分離。結果表明，寬頻導波模式的WDR信號可在前向傳播過程中自我補償。脈衝的持續時間參數能反映信號的自我補償情況，並可用於檢測材料特性與厚度評價。以上兩項創新可在長骨中選擇性激發數個低階導波模態，使測量信號模式簡單易分析。 多通道測量及相關信號處理技術，如經典的二維傅氏變換法，已被用於改善多模式導波信號頻散提取與模式分離。在實踐中，因所記錄信號的持續時間通常較長，能夠確保較高的頻率解析度；然而對空間位置的採樣往往受限於探頭設計與採樣空間等，導致波數解析度較低。本研究將波數稀疏懲罰運算元與奇異值分解（SVD）相結合，提出了一種基於稀疏SVD分解的超聲導波頻散曲線提取方法。該算法能克服波數域的有限光圈局限，增強信噪比並實現高解析度的頻散曲線提取。 在上述工作基礎上，以高解析度導波頻散曲線提取為基礎，提出基於頻散曲線提取的估計厚度的信號處理方法，將WDR編碼激勵技術用於長骨皮質骨中導波模式選擇與厚度估計，將導波模型轉換理論用於骨折癒合評價。 以上研究結果有助於長骨中超聲導波頻散特性的測量與分析，並可促進基於超聲導波技術的長骨評價。本文研究方法對超聲導波工業無損檢測與評價也有一定的借鑑意義。