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骨骼系统是人体重要的支撑系统,具有为肌肉提供附着和连接,为内脏提供保护的重要功能,同时承载了人在日常生活中大部分的机械负荷。常见的骨疾病有骨质疏松症、骨坏死、骨折和骨关节炎症等。定量超声(QUS)检测技术具有无创、无辐射、廉价、便携和易操作等优点,近年来成为骨检测方法的研究热点之一。该技术不仅可以用于骨密度的检测、还对骨结构、骨强度具有很好的反映能力,因此被认为在骨疾病的诊断和治疗方面有广阔的应用前景。本文在利用定量超声技术进行骨结构的检测方面,着重进行了两方面的研究:即分别实现对松质骨的骨质疏松症和长骨的骨折愈合程度的检测。目前临床上对松质骨中骨质疏松程度的主要检测手段为骨密度检测技术和基于X射线吸收法的影像技术;骨密度(BMD)是反映骨质疏松的一个重要参量,但密度下降并不是骨质疏松的唯一表现,辅以骨微结构的检测将完善对该病症的前期诊断,而背向超声散射信号具有反映材料微结构的能力。
本文将两相混合介质中的超声散射理论应用到松质骨中,将松质骨看作是一种由骨小梁和骨髓组成的混合媒质,并将这种混合媒质中超声散射的主要来源认为是媒质中声阻抗的不均匀分布,其中包含了声速的不均匀和密度的不均匀。骨质疏松症主要表现为骨材料孔隙度的增大,其中包括了骨小梁厚度的减小和小梁间距的增加。我们创新性地同时考虑了声速不均匀性和密度不均匀性对于松质骨中超声散射的影响,并引入了骨小梁尺度分函数布对散射模型进行修正。我们详细研究了超声背散射系数和超声衰减系数随骨质疏松程度的加重所呈现的变化,研究的结果表明:背散射系数对于骨质疏松程度具有很好的反映能力。此外,我们还发现超声背散射系数与入射超声频率成指数增长关系,该现象有助于更加准确地测量超声背散射系数,从而更加准确地判断骨质疏松的具体程度。该部分工作对于骨质疏松症检测方面的贡献在于:⑴完善了生物组织中的弱散射模型,使得该模型对于散射机理的表述更加完善;⑵通过考虑散射子尺寸符合不同的分布函数,对散射模型进行了进一步修正,实现了数学模型与物理过程进一步的统一;⑶研究了背散射系数与入射超声频率的关系,从而能够实现对背散射系数进行更为准确的测量;⑷得出了背散射系数对于松质骨孔隙度的变化关系,为骨质疏松症的临床检测提供了理论依据。
本研究利用超声导波技术实现对长骨骨折后愈合状况进行了定量评价。对于骨折愈合状态的判断,临床上主要依靠影像方法和医生的经验判断为主要依据,缺乏客观和定量的评价手段。我们首先对目前主流的导波信号处理技术(时-频分析方法和二维傅立叶变换方法)进行了研究和讨论。导波信号处理工作中一个重要的方面就是:从多模式的信号中提取出各单模式分量并实现定量化。时-频分析作为一种基于短时信号处理的方法,具有一定的模式识别能力,因而得到了广泛的应用。我们的研究表明该方法在对长骨中的导波信号进行处理时存在一定的局限性,表现为对相近的模式无法进行有效的区分,这主要受限于长骨本身尺度较小;因此,时-频分析必须结合其它方法(如由本征函数展开法进行指导,实现模式的选择性激发)才能更好地表征信号的内在特性,实现对长骨中导波信号较为准确的表征和信息提取。另外一种常用的导波信号处理方法为二维傅里叶变换方法,该方法能够实现对导波信号的准确表征,但给出的结果仍然是定性的;因此我们在其基础上研究了单模式信号的提取。其次,我们将超声导波技术应用于长骨骨折愈合过程的检测。利用有限元方法,长骨被近似模拟为一根圆管,而骨折部位则包含一个愈合组织模型。在愈合的过程中,愈合组织的物理特性(强度、密度等)逐渐恢复。导波的激发利用了一个径向轴对称分布的宽带脉冲信号,这种激发方式抑制了扭曲波模式和弯曲波模式,即仅激发出纵振波模式,从而减小了信号处理的复杂性。利用基于二维傅里叶变换的模式提取方法,多模式的导波信号被分解为数个单模式信号从而便于进行定量研究。对愈合过程中各模式能量的定量比较表明:不同的模式组合适合应用于愈合不同阶段的检测,例如:L(0,1)和L(0,2)模式适合用于愈合的早期评价;L(0,1),L(0,2),L(0,3)和L(0,5)模式对愈合的中期阶段有很好的反映;而对于愈合的后期阶段,只有L(0,1)和L(0,3)显得较为敏感;此外,L(0,2),L(0,5)和L(0,8)模式可用于对愈合组织形状变化的检测。本研究的意义在于：⑴对于长骨中导波信号的处理方法中所存在的一些误区进行了澄清;⑵将骨折愈合的过程划分为数个阶段,进行动态的模拟研究,有助于更好地理解愈合组织与超声信号的相互作用;⑶对于长骨骨折的愈合状况,第一次给出了进行定量评价的方法。⑷提出利用不同的导波模式组合来实现愈合状态的定征,进一步增强了评价结果的可信度。