劉珍黎，徐峰，他得安

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振動聲激發(fā)超聲導波評估皮質(zhì)骨厚度的研究

劉珍黎，徐峰，他得安

(復旦大學電子工程系，上海 200433)

長骨皮質(zhì)骨；超聲導波；振動聲激發(fā)；厚度估計

0 引言

1 基本原理

1.1 板狀超聲導波理論

表1 牛脛骨的材料參數(shù)[14]

圖 1 牛脛骨板的相速度頻散曲線圖

1.2 振動聲原理

在超聲波的激勵下，組織受到的聲輻射力可表示為[15]

低頻聲波經(jīng)骨板上下表面的反射、折射以及橫縱波耦合后，最終形成可穩(wěn)定傳播的導波信號。

2 方法

圖 2 骨板厚度評估的仿真實驗?zāi)Ｐ?/p>

本文以3 mm為步長，記錄傳播距離為100～121 mm范圍內(nèi)的接收信號。仿真材料選用牛脛骨板，具體的材料參數(shù)如表1所示，骨板厚度設(shè)置為2～6 mm。共聚焦換能器的示意圖如圖2(b)所示，其中、、、分別代表換能器的焦距、內(nèi)圓半徑、圓環(huán)內(nèi)半徑和圓環(huán)外半徑。

兩路高頻超聲激勵信號可表達為

3 結(jié)果與討論

最終的厚度估計結(jié)果如圖6所示，其中黑色實線為理論曲線，紅色星形點代表估計所得的厚度。可以觀察到估計結(jié)果與理論曲線非常接近，進一步的計算表明，估計結(jié)果的平均誤差僅為2.61%，最大誤差為8.45%。因此采用振動聲激發(fā)超聲導波的方法可以對骨板的厚度進行有效的評估。

圖4 A0模式的相速度隨頻率與骨板厚度乘積的變化

圖5 A0模式的波數(shù)隨頻率與骨板厚度乘積的變化

圖6 厚度估計結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用三維有限元仿真的方法，探討在骨板中基于振動聲激發(fā)的超聲導波的傳播特性，并將其應(yīng)用于骨板的厚度估計。本文提出的方法通過采用高頻共聚焦換能器，實現(xiàn)了在一定低頻范圍內(nèi)任意頻率超聲導波的激發(fā)，提高了激勵的靈活性。仿真結(jié)果表明，采用振動聲激發(fā)超聲導波的方法可以有效地評估骨板的厚度。該方法對長骨皮質(zhì)骨的厚度估計具有一定的應(yīng)用價值。下一步的工作將建立長骨的三維管狀模型，并探討將該方法應(yīng)用于在體測量的可行性。

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Estimation of cortical bone thickness by vibro-acoustic excited ultrasonic guided waves

LIU Zhen-li, XU Feng, TA De-an

(Department of Electronic Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China)

long cortical bone; ultrasonic guided wave; vibro-acoustic stimulating; thickness estimation

TB559

A

1000-3630(2018)-05-0442-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.007

2017-09-30;

2017-11-15

國家自然科學基金項目(11525416、11604054)

劉珍黎(1993－), 女, 重慶人, 碩士, 研究方向為醫(yī)學超聲及超聲信號處理。

他得安,E-mail: tda@fudan.edu.cn