劉珍黎，徐峰，他得安

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振動聲激發(fā)超聲導(dǎo)波評估皮質(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)

長骨皮質(zhì)骨；超聲導(dǎo)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(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(dǎo)波信號。

2 方法

圖 2 骨板厚度評估的仿真實(shí)驗(yàn)?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(dá)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(shí)線為理論曲線，紅色星形點(diǎn)代表估計所得的厚度?？梢杂^察到估計結(jié)果與理論曲線非常接近，進(jìn)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(dǎo)波的方法可以對骨板的厚度進(jìn)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(dǎo)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(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)，提高了激勵的靈活性。仿真結(jié)果表明，采用振動聲激發(fā)超聲導(dǎo)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。

[1] LI Y, LIU D, XU K, et al. Transverse and oblique long bone fracture evaluation by low order ultrasonic guided waves: a simulation study[J]. BioMed Res Int, 2017, 2017(4): 3083141.

[2] TA D, WANG W, WANG Y Y, et al. Measurement of the dispersion and attenuation of cylindrical ultrasonic guided waves in long bone[J]. Ultrasound med biol, 2009, 35(4): 641-652.

[3] KILAPPA V, XU K, MOILANEN P, et al. Assessment of the fundamental flexural guided wave in cortical bone by an ultrasonic axial-transmission array transducer[J]. Ultrasound in Medicine & Biology, 2013, 39(7): 1223-1232.

[4] MOILANEN P, SALMI A, KILAPPA V, et al. Phased laser diode array permits selective excitation of ultrasonic guided waves in coated bone-mimicking tubes[J]. Journal of Applied Physics, 2017, 122(14): 144901.

[5] FATEMI M, GREENLEAF J F. Ultrasound-stimulated vibro-acoustic spectrography[J]. Science, 1998, 280(5360): 82-85.

[6] ALIZAD A, WHALEY D H, GREENLEAF J F, et al. Potential applications of vibro-acoustography in breast imaging[J]. Technology in Cancer Research & Treatment, 2005, 4(2): 151-158.

[7] MITRI F G, KINNICK R R. Vibroacoustography imaging of kidney stones in vitro[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2012, 59(1): 248-54.

[8] ALIZAD A, URBAN M W, MORRIS J C, et al. In vivo, thyroid vibro-acoustography: a pilot study[J]. Bmc Medical Imaging, 2013, 13(1): 12.

[9] MACCABI A, TAYLOR Z, BAJWA N, et al. An examination of the elastic properties of tissue-mimicking phantoms using vibro-acoustography and a muscle motor system[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(2): 341-350.

[10] MOILANEN P. Ultrasonic guided waves in bone[J]. IEEE trans on UFFC, 2008, 55(6): 1277-1286.

[11] XU K, TA D, MOILANEN P, WANG W. Mode separation of Lamb waves based on dispersion compensation method[J]. J Acoust Soc Am, 2012, 131(4): 2714-2722.

[12] SU Z, YE L, LU Y. Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures: a review[J]. Journal of Sound & Vibration, 2006, 295(3-5): 753-780.

[13] VIKTOROV I A. Rayleigh and Lamb waves: physical theory and applications[M]. New York: Plenum Press, 1967.

[14] LAUGIER P, HA?AT G. Bone quantitative ultrasound[M]. Dordrecht: Springer, 2011.

[15] 劉珍黎, 宋亮華, 白亮, 等. 長骨中振動聲激發(fā)超聲導(dǎo)波的方法[J]. 物理學(xué)報, 2017, 66(15):169-176.

LIU Zhenli, SONG Lianghua, BAI Liang, et al. Vibro-acoustic stimulating ultrasonic guided waves in long bone[J]. Acta Phys Sin, 2017, 66(15): 169-176.

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(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)超聲及超聲信號處理。

他得安,E-mail: tda@fudan.edu.cn