超声导波定量评价长骨骨折状况.pdf

中国科学: 物理学 力学 天文学 2014 年 第44 卷 第7 期: 682–690 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 超声导波定量评价长骨骨折状况 ① ① ② ①* ① 刘丹 , 许凯亮 , 李大为 , 他得安 , 王威琪 ① 复旦大学电子工程系, 上海 200433; ② 上海爱申科技发展股份有限公司, 上海 201201 *联系人, E-mail: tda@ 收稿日期: 2013-09-17; 接受日期: 2014-04-01; 网络出版日期: 2014-05-26 国家自然科学基金(批准号: 、上海市科技支撑计划(编号: 和教育部博士点基金(编号: 20110071130004, 20130071110020)资助项目 摘要 采用超声导波评价长骨骨折已成为近年来的研究热点之一, 为了定量地评价长骨骨折状况, 本 文采用二维时域有限差分仿真方法定量分析了超声导波在部分断裂和完全断裂的长骨中的传播情况. 结 果表明, 采用低频窄带高斯包络正弦信号可成功激励出两个低阶导波模式S0 和A0, 其中A0 模式对长骨 骨折状况较为敏感. S0 和A0 模式幅度的比值S0/A0 被用于评价长骨骨折程度, S0/A0 随裂纹宽度、裂纹 深度的增加显著上升. 因此超声导波模式转换现象可用于定量表征骨折长骨的裂纹深度和裂纹宽度的变 化, 对长骨骨折愈合的监测也具有一定意义. 关键词 长骨骨折, 超声导波, 时域有限差分, 幅度比值 PACS: 43.35.Cg, 43.40.Le, 43.80.Qf doi: 10.1360/SSPMA2013-00063 定量超声(QUS)方法具有费用低、便携和无辐射等 均会导致 FAS 幅度损失和速度下降. Machado 等人[10] [1,2] 优点, 且对X 射线无法检测的骨弹性变化较为敏感 . 建立二维长骨模型采用时域有限差分法仿真愈合的 近年来的研究结果表明, QUS 在骨质疏松[3] 、骨强度 长骨, 其结果表明 FAS 的速度能鉴别骨折后的愈合. 评价[4] [5] 然而, 该研究发现 FAS 仅对传播路径长骨外膜区域 、骨折愈合监测 等方面具有极大的潜力. 评价长骨骨折愈合的方法主要为超声轴向传播 的变化较为敏感. 羊胫骨的实验也表明 FAS 的速度 技术, 其原理为将一对超声换能器沿轴向放置于长 和幅度能反映骨折愈合的不同阶段[11]. 骨同一侧, 从而获得沿轴向传播的超声信号[1,6]. 轴 近年来, 将超声导波应用于长骨评价引起了研 向传播技术根据测量波形的不同, 又分为两种方法: 究者的极大兴趣[2,11–15]. 与FAS 相比, 超声导波对长 第一到达波(FAS)法和超声导波法. FAS 是指在时域 骨皮质骨材料特性和骨内膜区域等更为敏感, 为评 上第一个到达的信号, 轴向传播法通常和 FAS 联系 价长骨特性提供了新途径. 在一起[7,8] [9]