本文關(guān)鍵詞：骨骼定量超聲檢測關(guān)鍵技術(shù)及其聲學(xué)效應(yīng)研究

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【摘要】：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�；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(jié)果�？紤]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,并基于von-Mises應(yīng)力,對不同聲輻射強度下的骨的應(yīng)力場進(jìn)行研究,對有限體積的骨中的導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行分析。
【關(guān)鍵詞】：骨骼超聲 背散射 編碼激勵 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 各向異性 超聲誘導(dǎo)應(yīng)力
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R445.1;R68
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-26
• 1.1 骨骼定量超聲的研究意義及應(yīng)用背景14
• 1.2 骨骼定量超聲評價方法基礎(chǔ)14-23
• 1.2.1 皮質(zhì)骨超聲測量技術(shù)及其參數(shù)評價15-16
• 1.2.2 松質(zhì)骨透射超聲測量技術(shù)及其參數(shù)評價16-19
• 1.2.3 松質(zhì)骨背散射超聲測量技術(shù)及其參數(shù)評價19-22
• 1.2.4 骨骼定量超聲參數(shù)化成像技術(shù)22-23
• 1.3 骨骼定量超聲數(shù)值計算研究23-24
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容24-26
• 第2章 骨骼超聲檢測聲學(xué)原理及聲學(xué)特性分析26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 超聲在組織中的傳播特性26-32
• 2.2.1 超聲在組織中傳播的基本模態(tài)26-29
• 2.2.2 超聲在組織多重結(jié)構(gòu)中的反射與折射29-30
• 2.2.3 超聲在組織中傳播的吸收與衰減30-32
• 2.3 超聲在松質(zhì)骨散射子結(jié)構(gòu)中的散射機理32-34
• 2.4 超聲在組織中傳播的輻射能量分布34-39
• 2.5 超聲在組織中傳播的生物效應(yīng)39-40
• 2.6 本章小結(jié)40-42
• 第3章 基于編碼增強的松質(zhì)骨等效散射子間距超聲測量方法42-55
• 3.1 引言42
• 3.2 基于編碼增強的等效散射子間距超聲測量方法42-46
• 3.2.1 等效散射子間距譜分析方法回顧43-45
• 3.2.2 基于編碼增強的等效散射子間距測量方法45-46
• 3.3 基于線性聲學(xué)傳播的背散射信號獲取方法46-50
• 3.3.1 等效散射子超聲背散射信號的仿真46-49
• 3.3.2 背散射信號的編碼序列調(diào)制49-50
• 3.4 仿真結(jié)果與討論50-54
• 3.5 本章小結(jié)54-55
• 第4章 基于本征模態(tài)函數(shù)的松質(zhì)骨等效散射子間距超聲測量方法55-66
• 4.1 引言55
• 4.2 基于本征模態(tài)函數(shù)的等效散射子間距超聲測量方法55-58
• 4.2.1 基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的等效散射子間距測量方法55-57
• 4.2.2 基于聚合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的等效散射子間距測量方法57-58
• 4.3 散射子超聲背散射信號的仿真58-60
• 4.4 仿真結(jié)果與討論60-65
• 4.5 本章小結(jié)65-66
• 第5章 骨小梁微觀結(jié)構(gòu)的各向異性對松質(zhì)骨超聲測量的影響研究66-77
• 5.1 引言66-67
• 5.2 松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu) μFE分析方法67-70
• 5.2.1 松質(zhì)骨樣本獲取及其微觀形貌 μCT掃描方法67-68
• 5.2.2 松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)圖像去噪與圖像分割68-69
• 5.2.3 松質(zhì)骨局部結(jié)構(gòu) μFE計算方法69-70
• 5.3 骨小梁表觀模量對超聲測量的影響研究70
• 5.4 骨小梁組織模量對超聲測量的影響研究70-71
• 5.5 骨小梁結(jié)構(gòu)各向異性及非均勻性對超聲測量的影響研究71-76
• 5.6 本章小結(jié)76-77
• 第6章 骨組織中超聲誘導(dǎo)能量分布研究77-95
• 6.1 引言77
• 6.2 超聲的組織聲學(xué)效應(yīng)分析77-79
• 6.3 骨組織中超聲輻射誘導(dǎo)應(yīng)力有限元數(shù)值計算方法79-81
• 6.4 骨組織中超聲傳播彈性波動方程計算與求解方法81-83
• 6.5 骨組織的優(yōu)化平均模型與分析83-84
• 6.6 結(jié)果與討論84-94
• 6.6.1 骨組織中超聲誘導(dǎo)應(yīng)力場研究86-92
• 6.6.2 骨組織中超聲速度頻散現(xiàn)象研究92-93
• 6.6.3 問題分析93-94
• 6.7 本章小結(jié)94-95
• 結(jié)論95-97
• 參考文獻(xiàn)97-115
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果115-118
• 致謝118-119
• 個人簡歷119

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