骨骼定量超声检测关键技术及其声学效应研究

发布时间：2017-08-11 10:28

  本文关键词：骨骼定量超声检测关键技术及其声学效应研究

  更多相关文章： 骨骼超声 背散射 编码激励 经验模态分解 各向异性 超声诱导应力

【摘要】：超声作为骨密度测量的一种无损无放射性技术,目前常用的方法包括声传导和声透射技术。但骨强度的下降除了与骨密度密切相关外,还受骨的微观结构的影响。超声背散射技术能够对松质骨微观结构做出一定程度的估计,且检测灵活方便,更适合用于远程医疗。但该技术在骨组织检测中仅具有有限的灵敏度和准确性,同时松质骨网状基体结构的各向异性对声参量的测量产生影响,需要基于准确的模型对该影响进行研究。此外为了提高测量深度,确保在充分增强超声入射功率的同时保证超声能量集中不对骨组织造成损伤也具有重要意义。本文以超声背散射检测技术为主要应用背景,在等效散射子模型和μCT模型的基础上,对提高检测精度的技术方法、影响超声测量的因素以及超声检测对骨组织的影响方面开展研究。主要内容包括:研究了基于编码增强的改进的等效散射子间距测量方法。松质骨在声学上呈现规律散射结构特征且具有一定的周期性,在此基础上,以散射子结构为假设,针对低空间分辨率和超声衰减对散射子间距测量造成的影响,通过编码增强在不增加发射信号功率的情况下提高入射信号的能量,提高接收信号的信噪比,改善散射子间距的测量结果。同时,针对不同强度噪声,研究编码增强测量方法对散射子间距测量结果的影响。背散射信号的仿真以粒子振动理论为基础,散射子采用圆柱等效模型,传播介质为均匀弹性介质,具有线性声学传播特性。结果表明,背散射信号经增强后在相同的散射子介质测量深度下,能改善散射子间距的谱测量结果,抗噪声干扰能力增强。针对背散射信号中的多种组分可能对散射子测量造成的影响,研究了基于本征模态函数的等效散射子间距测量技术,通过对背散射信号进行分解,对不同时间尺度上的背散射信号分别进行散射子间距的测量,获得更有意义的测量结果。背散射信号除包含噪声外,还包含多种不同结构信息的背散射成分。利用经验模态分解方法(EMD)获取背散射信号具有不同频带信息的本征波动模式,其本质是对不同本征时间尺度上的能量进行分割,以模态函数的形式对原始数据进行延拓。对获取得到的三阶模态函数分别进行独立的谱测量。为解决EMD分解中的模态混叠问题,引入聚合经验模态分解(EEMD),通过施加低能量随机噪声,改变信号极点生成新的模态函数集合,在新的本征模态函数基础上进行散射子谱测量。基于本征模态函数的散射子间距测量方法能实现通过一次测量获得多个测量结果。考虑到超声技术在松质骨微观结构检测中存在诸多不确定性因素,可靠性低,检测结果可重复性差,除噪声和衰减外,松质骨微观结构的声学特性也对超声测量产生重要影响,本文对此进行深入研究。本文中提出一种基于μFE的骨小梁声学各向异性与非均匀性的分析方法,与表观(结构)弹性模量对超声测量的影响不同,本文重点基于骨小梁组织弹性模量针对结构各向异性和非均匀性对超声测量的影响进行了研究。由于结构弹性模量同时受骨组织模量和结构因素的影响,仅对骨小梁组织模量的分析又不足以反映骨微观结构对声传导的真实影响。本文中利用无损高分辨率骨小梁结构影像,对微观结构进行三维重建,利用显微有限元技术(μFE),在一定骨小梁组织模量范围内,对骨微观结构的各向异性与非均匀性进行分析,对局部结构机械特性与声学特性的相关性进行度量,特别针对声学参量与结构弹性模量、组织弹性模量的相关性进行研究。针对增加入射超声功率引发骨组织一系列机械、非机械效应的问题,本文对骨中超声诱导的应力分布问题进行了研究。超声检测要充分避免声辐射应力引起的骨组织变化,特别是应力集中现象。本文提出了基于优化平均等效模型的超声诱导应力FEM分析方法,通过建立不同组织之间的耦合关系,利用FEM技术引入能量驱动函数求解声波弹性波动方程,并基于von-Mises应力,对不同声辐射强度下的骨的应力场进行研究,对有限体积的骨中的导波模态进行分析。
【关键词】：骨骼超声 背散射 编码激励 经验模态分解 各向异性 超声诱导应力
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R445.1;R68
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-26
• 1.1 骨骼定量超声的研究意义及应用背景14
• 1.2 骨骼定量超声评价方法基础14-23
• 1.2.1 皮质骨超声测量技术及其参数评价15-16
• 1.2.2 松质骨透射超声测量技术及其参数评价16-19
• 1.2.3 松质骨背散射超声测量技术及其参数评价19-22
• 1.2.4 骨骼定量超声参数化成像技术22-23
• 1.3 骨骼定量超声数值计算研究23-24
• 1.4 本文主要研究内容24-26
• 第2章 骨骼超声检测声学原理及声学特性分析26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 超声在组织中的传播特性26-32
• 2.2.1 超声在组织中传播的基本模态26-29
• 2.2.2 超声在组织多重结构中的反射与折射29-30
• 2.2.3 超声在组织中传播的吸收与衰减30-32
• 2.3 超声在松质骨散射子结构中的散射机理32-34
• 2.4 超声在组织中传播的辐射能量分布34-39
• 2.5 超声在组织中传播的生物效应39-40
• 2.6 本章小结40-42
• 第3章 基于编码增强的松质骨等效散射子间距超声测量方法42-55
• 3.1 引言42
• 3.2 基于编码增强的等效散射子间距超声测量方法42-46
• 3.2.1 等效散射子间距谱分析方法回顾43-45
• 3.2.2 基于编码增强的等效散射子间距测量方法45-46
• 3.3 基于线性声学传播的背散射信号获取方法46-50
• 3.3.1 等效散射子超声背散射信号的仿真46-49
• 3.3.2 背散射信号的编码序列调制49-50
• 3.4 仿真结果与讨论50-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 基于本征模态函数的松质骨等效散射子间距超声测量方法55-66
• 4.1 引言55
• 4.2 基于本征模态函数的等效散射子间距超声测量方法55-58
• 4.2.1 基于经验模态分解的等效散射子间距测量方法55-57
• 4.2.2 基于聚合经验模态分解的等效散射子间距测量方法57-58
• 4.3 散射子超声背散射信号的仿真58-60
• 4.4 仿真结果与讨论60-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 骨小梁微观结构的各向异性对松质骨超声测量的影响研究66-77
• 5.1 引言66-67
• 5.2 松质骨微观结构 μFE分析方法67-70
• 5.2.1 松质骨样本获取及其微观形貌 μCT扫描方法67-68
• 5.2.2 松质骨微观结构图像去噪与图像分割68-69
• 5.2.3 松质骨局部结构 μFE计算方法69-70
• 5.3 骨小梁表观模量对超声测量的影响研究70
• 5.4 骨小梁组织模量对超声测量的影响研究70-71
• 5.5 骨小梁结构各向异性及非均匀性对超声测量的影响研究71-76
• 5.6 本章小结76-77
• 第6章 骨组织中超声诱导能量分布研究77-95
• 6.1 引言77
• 6.2 超声的组织声学效应分析77-79
• 6.3 骨组织中超声辐射诱导应力有限元数值计算方法79-81
• 6.4 骨组织中超声传播弹性波动方程计算与求解方法81-83
• 6.5 骨组织的优化平均模型与分析83-84
• 6.6 结果与讨论84-94
• 6.6.1 骨组织中超声诱导应力场研究86-92
• 6.6.2 骨组织中超声速度频散现象研究92-93
• 6.6.3 问题分析93-94
• 6.7 本章小结94-95
• 结论95-97
• 参考文献97-115
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果115-118
• 致谢118-119
• 个人简历119

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