“骨-肌腱-肌肉”耦合结构的声效应及其劳损检测

The tendon fatigue is a major factor tormenting the human exercise function, its detection and monitoring technique is one of the hard problems for the sports medicine. The main function of the tendon is the force links between the muscle and the bone, regardless the boundary conditions of the side effects of the tendon to study the problem of the tendon fatigue, it would be a difficulty to get the clear and accurate tendon characteristic information. We would establish a force conduction model for the "bone-tendon-muscle" coupled system; study the acoustic wave effect and its transmission performances on this coupled system in the applying project. We would discuss the best detection methods on the modulated waves which are generated by using the excited ultrasound to modulate the tendon sound, and estimate the parameters of the "coupled system" (such as the stress, hardness and elastic modulus etc.) from the echo signal. Through analyzing the acoustic effect difference of the "coupled system" between the normal and the fatigue condition for the static and the dynamic state of the tendon,we would study the correlations properties between the physical parameters and the tendon fatigue, between the repair capacity and the irreversible damage of the tendon,.. The research results of the project would provide an assessment approach on the tendon damage detection, at the same time, and the coupled system model would provide a reference to study the force transmission model on the different organization structure.

肌腱组织劳损是影响人体运动机能的主要因素，对其检测与监控是运动医学亟待解决的难题之一。肌腱作为肌肉与骨组织之间的力传导纽带，在研究其结构特性时，必须考虑其两端不同结构组织的力学影响条件。本项目拟从基本的声传输理论及波动方程出发，首先建立"骨-肌腱-肌肉"耦合结构的力学连接模型，针对"耦合结构"，研究声波与肌腱组织作用机理及在其传输特性，探索激励声波与耦合结构自主发声的相互调制原理。其次，探讨散射回波的最优检测技术，根据建立的肌腱耦合结构模型，探寻利用散射波反演估计其相关特征参量(如极限应力、硬度、弹性模量、共振模态等)的最佳估计方法。最后，通过分析耦合结构在静态和动态时的正常与劳损状况下的声效应差异，研究这些物理参量与肌腱受损后自恢复能力以及其不可逆损伤的相关性。为肌腱组织劳损修复能力及损害阈值评估提供较为理想的技术途径，同时为不同组织结构间的力传导模式研究提供借鉴。

本项目研究骨骼肌的超声传输特征与人体各类运动障碍、运动功能失调、肌肉疲劳等现象的相关性，探寻骨骼肌疲劳过程的评估方法，为肌肉组织疲劳评估及肌肉疾病诊疗提供技术实现途径，同时进行生物力有效传导模式的基础理论研究。. 针对骨骼肌持续运动的疲劳过程，研究超声衰减、频率偏移、超声图像熵、肌肉组织自发声等声参量的变化规律，进行肌肉组织疲劳过程的超声评估研究。超声波在肌肉组织中传输，幅度随疲劳时间近似指数形式的衰减；中心频率随疲劳时间增加向低频逐渐偏移；肌肉组织的超声图像熵值随时间呈下降的趋势；腓肠肌自发声的固有频率、最大振型参与系数对应各阶振型随频率的变化与肌肉属性有关联。同时，对人体深部组织的超声检测，研究了利用编码激励和脉冲压缩技术的提高其分辨率的方法。这些研究结果为肌肉组织疲劳过程的检测与评价提供了技术支持。. 研究了骨骼肌肉疲劳损伤的低强度脉冲超声恢复作用及机制。超声处理后大鼠腓肠肌肌纤维横截面的平均面积普遍增大，对骨骼肌损伤修复有促进作用。为下一步筛选超声或运动多因素改善肌萎缩、肌损伤等肌病方面提供新的评价体系和临床治疗新思路。. 为研究超声检测以及肌肉疲劳恢复需要，本项目对聚焦声场的调控进行了研究。包括圆环形超声聚焦声场、相控阵换能器的声场、具有圆环形限位夹持力超声悬浮换能器的声场调控。为一些特殊类型的声场扫描、特殊类型的肌肉组织疲劳恢复、超声检测等需要提供了技术方案。 . 由于人体肌肉组织的复杂性，本项目进行复杂介质中超声传输特征研究，发现了许多新的有研究价值的现象：声子晶体禁带边缘处透射声波的频谱分布随着谐振腔腔长的增加呈周期性振荡变化,在禁带边缘处的隧穿过程更容易实现；从二维声子晶体中声波的自准直效应的出发，构建了正方形对角线缺陷的二维晶体，从声传输领域首先提出并实现了声传输过程的逻辑门功能。