长骨皮质骨中导波频散，激发强度和衰减特性研究

发布时间：2017-04-13 00:07

  本文关键词：长骨皮质骨中导波频散，激发强度和衰减特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文利用圆柱壳模型,模拟导波在长骨皮质骨中的传播特性。主要分为三部分,第一部分把长骨皮质骨看作是横向各向同性弹性圆柱壳。首先建立了内外真空弹性长骨壳(V/B/V)模型,计算分析了其频散特征,考察了各向异性参数和长骨厚度对频散特征的影响。各向异性参数主要影响轴对称模式,e增加或γ减小,轴对称模式的相速度增大。然后结合临床实践,采用可压缩粘滞流体来模拟骨髓,建立了内充骨髓骨外覆盖水层弹性长骨(M/B/W)模型。对比V/B/V模型,我们分析了其频散特征,并考察各向异性特性对频散特征的影响。环状声源置于长骨外水层当中,研究导波的激发强度和衰减特性。在考察M/B/W模型中发现,在低频区域单独激发轴对称模式,即可以反映长骨各向异性特征(利用第二阶轴对称模式),又可以反映长骨厚度变化(利用最低阶轴对称模式)。骨骼是由多成分组成的、天然的、孔隙各向异性材料。为强调孔隙度对于导波传播特性的影响,第二部分我们先忽略其各向异性特性,假想长骨为各向同性孔隙介质,建立了内外真空孔隙长骨(V/B/V)模型和内充水外覆盖水层的(W/B/W)模型,考察孔隙度和渗透率对频散特性和衰减的影响。针对长骨我们构建了一个骨架模量与基质模量的关系根据3aron等(2012)实验数据进行拟合。结果表明孔隙度增大,导波相速度和群速度都减小,并且导波频散曲线都向低频移动。渗透率增大,衰减增大。在考察W/B/W模型中发现,孔隙度增大,在低频区域,最低阶和第二阶轴对称模式的相速度略微减小。孔隙度增大,最低阶轴对称模式的激发强度略微增加,而第二阶轴对称模式的激发强度在高频区域明显减小,并且向低频移动。第三部分基于Biot流体饱和孔隙介质理论,详细推导了横向各向同性长骨模型中声场在柱坐标系下的理论表达式。横向各向同性孔隙介质看作是基质是各向异性的,而孔隙度的排列方式是各向同性的。建立了两种物理模型,第一种是内外真空长骨(V/B/V)模型,研究了各向异性对频散特性、激发强度和衰减的影响。结果发现,在高频区域,径向渗透率增大,各阶导波的衰减明显增大。第二种是内充水外覆水层长骨(W/B/W)模型,研究了各向异性对频散特性和激发强度的影响。当介质的弹性参数从各向同性换到横向各向同性时,导波的激发强度降低,并向低频移动。本文进一步改善了长骨理论模型,顾及长骨中的微观机制,分析了各向异性参数、孔隙度和渗透率对长骨中导波频散、激发强度和衰减的影响,有助于提高实验测量精度和现象的物理机制的解释,为开发和发展导波在骨临床中的应用潜力提供理论帮助。
【关键词】：长骨 皮质骨 频散特性 激发强度 衰减
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q62
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 长骨特性12-13
• 1.2 长骨皮质骨疾病13
• 1.3 导波的简介13-14
• 1.4 利用薄板结构兰姆波(lamb)导波研究长骨特性及临床潜力14-17
• 1.4.1 轴对称Lamb波S_014-16
• 1.4.2 反轴对称兰姆波lamb模式A_016
• 1.4.3 临床潜力16-17
• 1.5 利用管状结构导波研究长骨特性及临床潜力17-19
• 1.6 本文的主要工作19-22
• 第二章 横向各向同性弹性长骨皮质骨中导波特征22-54
• 2.1 建立物理模型23
• 2.2 横向各向同性弹性长骨壳中的声场23-29
• 2.2.1 位移势方程23-25
• 2.2.2 SH波解25-26
• 2.2.3 P-SV波解26-29
• 2.3 长骨内骨髓中声场29-31
• 2.4 长骨外流体层中声场31-32
• 2.5 声源32
• 2.6 边界条件32-33
• 2.7 数值计算33-49
• 2.7.1 数值模拟正确性验证34-35
• 2.7.2 横向各向同性内外真空长骨壳模型(V/B/V)中导波频散特征及参数影响35-41
• 2.7.2.1 导波频散特征35-36
• 2.7.2.2 各向异性对导波模式频散的影响36-40
• 2.7.2.3 厚度对导波频散曲线的影响40-41
• 2.7.3 横向各向同性,壳内充骨髓壳外覆水层横向各向同性长骨(M/B/W)模型中导波频散特征,激发强度,衰减(2p/Q)41-49
• 2.7.3.1 导波频散特征41-43
• 2.7.3.2 导波激发强度和衰减(2p/Q)43-46
• 2.7.3.3 厚度对频散曲线、激发强度和全波的影响46-49
• 2.7.3.4 各向异性参数对导波模式频散特性的影响49
• 2.8 小结49-54
• 第三章 各向同性孔隙长骨皮质骨中导波特征54-70
• 3.1 各向同性孔隙长骨壳内的声场54-58
• 3.1.1 流体饱和孔隙介质基本理论54-55
• 3.1.2 孔隙长骨壳内透射和反射位移55-56
• 3.1.3 孔隙长骨壳中应力场56-58
• 3.2 孔隙长骨壳内流体中声场58-59
• 3.3 利用边界条件确定长骨壳内外待定常数59-60
• 3.4 各向同性孔隙长骨中导波特性数值考察60-67
• 3.4.1 孔隙度对各向同性内外真空孔隙长骨壳模型(V/B/V)频散及衰减(2p/Q)影响61-65
• 3.4.2 各向同性内外真空孔隙长骨壳模型(V/B/V),渗透率对衰减(2p/Q)影响65-67
• 3.4.3 各向同性(W/B/W)模型,孔隙度对导波频散和激发强度的影响67
• 3.5 小结67-70
• 第四章 横向各向同性孔隙长骨中导波特征70-90
• 4.1 横向各向同性孔隙长骨壳中的声场70-79
• 4.1.1 位移势方程70-73
• 4.1.2 SH波解73-74
• 4.1.3 P-SV波解74-79
• 4.2 边界条件79-80
• 4.3 数值模拟80-88
• 4.3.1 孔隙长骨各向异性弹性系数的确定80-82
• 4.3.2 各向异性对内外真空孔隙长骨壳(V/B/V)中导波特征的影响82-86
• 4.3.3 各向异性对内充水外覆水层孔隙长骨壳(W/B/W)中导波特征的影响86-88
• 4.4 小结88-90
• 第五章 总结90-94
• 1. 横向各向同性弹性长骨中导波特征90-91
• 2. 各向同性孔隙长骨中导波特征91
• 3. 横向各向同性孔隙长骨中导波特征91-92
• 4. 本文工作的不足和未来展望92-94
• 附录A94-100
• 附录B100-108
• 附录C108-114
• 参考文献114-126
• 在学期间的科研成果126-128
• 致谢128

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本文编号：302346