骨骼系统超声测试与分析的理论研究及实验仪器研制

The development of the ultrasonic measurement and auto-analysis device for the complicated media － skeletal systems are of great significance to know the ultrasonic propagation theory in skeletal systems and its mictro-structure assessment. This project focuses on develop a systematically ultrasonic skeletal system evaluation and auto-analysis device, which was excited by coded signal, then, using this novel device to research ultrasonic propagation theory. It will provide novel methodologies and original device for ultrasonic skeletal system measurement and analysis with flexible, cheap and invasive advantages.. Compensation signal processing methods will be proposed basing on the investigation of the influences of cortical bone, soft tissue, signal start point and valid signal region of interest on the ultrasonic measurement of the skeletal system. And achieve the detection algorithms of both ultrasonic backscatter and transmission methods for the skeletal system. Research the code source for excite ultrasonic signal. The project will develop the ultrasonic measurement and auto-analysis device of skeletal systems, and diverse ultrasonic parameters will be yielded for assessment of skeletal status. The developed device will be used to measure skeletal systems, which consists of soft tissue, cortical bone, cancellous bone, and marrow. Finally, the project will research theoretically derivates, numerically simulates and experimentally analyzes the ultrasound propagation in the complicated media. This project will be not only helpful for the development of ultrasound propagation theory in the complicated media, but also for skeletal system disease diagnosis and damage evaluation in practice.

研制复杂介质-骨骼系统的超声测试与分析仪器对于骨骼中超声传播规律的认识和骨微结构的评价具有十分重要的意义。本项目拟研制具有自主知识产权的、采用编码激励的骨骼系统超声实验测试与自动分析系统，并将其用于研究骨骼系统中超声的传播规律。. 本项目研究皮质骨、软组织、选取信号的位置及有效信号长度对骨骼系统超声测量结果的影响及其减小影响和补偿的方法；研究并实现超声背散射法和超声透射法同时检测骨骼系统的算法；研究超声信号编码激励的码源；然后研制成骨骼系统超声实验测试与分析系统，该系统能够测量与分析十多种超声参量；最后将该系统用于实验研究由软组织、皮质骨、松质骨及骨髓组成的复杂形状和复杂介质中超声的传播规律，并与理论和数值仿真实验进行比较研究。本项目不仅在丰富各种复杂介质中超声的传播理论方面具有重要的科学意义，而且在骨骼系统的各种病变和损伤评价方面具有极其重要的实际意义。

骨质的超声检测与评价在医学上有重要意义，已受到国内外学术界和医学界的日益重视，成为国际上研究的热点和前沿课题之一。但对超声通过骨骼时与其相互作用的机理还没有了解清楚，在实验上也没有相应的测试分析仪器，使骨质的超声评价应用进展较慢。.本项目主要研制骨骼系统的超声测试与分析仪器，其研究目标是研制采用编码方式激励的骨骼系统超声实验测试与自动分析系统, 并将其用于研究超声在软组织、皮质骨、松质骨及骨髓组成的复杂介质-骨骼系统中的传播。以上目标都已完成，获得的主要成果有：(1) 基于时域有限差分法建立了二维/三维超声仿真系统，研究超声在骨骼系统中的传播规律，完善了松质骨超声传播理论模型；(2) 超声导波检测长骨的研究，包括编码激发超声导波、振动声产生超声导波的激励技术、超声导波信号处理方法以及皮质骨厚度评价；(3) 在高衰减的骨骼系统中激励超声信号的编码选择、优化及应用；(4) 实现了超声背散射信号、超声透射信号和轴向传播信号同时检测骨骼系统的算法；(5) 明确了软组织和皮质骨对超声信号的影响与补偿方法，建立了骨骼超声信号选取准则与骨质评价标准；(6) 研制出骨骼系统的超声实验测试与自动分析仪器，可以测量和分析近20个超声参量；(7) 研制的仪器已在加拿大Alberta大学及复旦大学附属中山医院等7家单位试用，效果良好；(8) 超声传播特性与骨材料特性、骨微结构和各向异性之间的关系。.本项目成果对于超声在复杂介质骨骼系统中传播规律的认识非常重要，在超声学及生物医学工程中有重要的科学价值；本项目研制的仪器在骨骼系统的各种病变和损伤评价方面具有极其重要的实际意义，对推动其它各种复杂介质的超声评价有重要作用。