振動(dòng)聲激發(fā)超聲導(dǎo)波評(píng)估皮質(zhì)骨厚度的研究

劉珍黎，徐峰，他得安

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振動(dòng)聲激發(fā)超聲導(dǎo)波評(píng)估皮質(zhì)骨厚度的研究

劉珍黎，徐峰，他得安

(復(fù)旦大學(xué)電子工程系，上海 200433)

長(zhǎng)骨皮質(zhì)骨；超聲導(dǎo)波；振動(dòng)聲激發(fā)；厚度估計(jì)

0 引言

1 基本原理

1.1 板狀超聲導(dǎo)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(dòng)聲原理

在超聲波的激勵(lì)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(dǎo)波信號(hào)。

2 方法

圖 2 骨板厚度評(píng)估的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本文以3 mm為步長(zhǎng)，記錄傳播距離為100～121 mm范圍內(nèi)的接收信號(hào)。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?yè)Q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(lì)信號(hào)可表達(dá)為

3 結(jié)果與討論

最終的厚度估計(jì)結(jié)果如圖6所示，其中黑色實(shí)線為理論曲線，紅色星形點(diǎn)代表估計(jì)所得的厚度。可以觀察到估計(jì)結(jié)果與理論曲線非常接近，進(jìn)一步的計(jì)算表明，估計(jì)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(dòng)聲激發(fā)超聲導(dǎo)波的方法可以對(duì)骨板的厚度進(jìn)行有效的評(píng)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(jì)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(dòng)聲激發(fā)的超聲導(dǎo)波的傳播特性，并將其應(yīng)用于骨板的厚度估計(jì)。本文提出的方法通過(guò)采用高頻共聚焦換能器，實(shí)現(xiàn)了在一定低頻范圍內(nèi)任意頻率超聲導(dǎo)波的激發(fā)，提高了激勵(lì)的靈活性。仿真結(jié)果表明，采用振動(dòng)聲激發(fā)超聲導(dǎo)波的方法可以有效地評(píng)估骨板的厚度。該方法對(duì)長(zhǎng)骨皮質(zhì)骨的厚度估計(jì)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。下一步的工作將建立長(zhǎng)骨的三維管狀模型，并探討將該方法應(yīng)用于在體測(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11525416、11604054)

劉珍黎(1993－), 女, 重慶人, 碩士, 研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)超聲及超聲信號(hào)處理。

他得安,E-mail: tda@fudan.edu.cn