长骨疲劳评价的编码超声导波方法研究

研究长骨疲劳程度的准确评价方法对于早期诊断骨疲劳损伤和预防疲劳性骨折的发生具有十分重要的意义。本项目拟研究编码超声导波在疲劳长骨中的频散特性、传播规律及其高次谐波的发生效应，为评价长骨疲劳状况提供一种新思路、新方法和理论依据。.本项目将研究长骨中激发超声导波的编码方法；从理论、数值仿真和实验(离体和在体)上深入分析编码超声导波的频散特性参量和高次谐波的发生效应与长骨疲劳程度之间的相关性；研究编码超声导波的频散反演与补偿算法以及时频分析方法，并将其用于分离和提取疲劳长骨中的导波模式；从导波的群速度、衰减及能量等参量中计算出长骨的疲劳变量(如弹性模量及骨强度等)。根据理论、仿真和实验结果，研究采用编码超声导波的特性参量评价骨疲劳的途径，并综合提出评价长骨疲劳的一般性建议。本项目不仅在丰富超声导波理论方面具有重要的科学意义，而且在监测与评价运动性长骨疲劳损伤方面具有极其重要的实际意义。

研究长骨疲劳程度的准确评价方法是近年来骨质诊断方面的研究热点和难点之一，早期诊断骨疲劳损伤和预防疲劳性骨折的发生具有十分重要的科学意义和实际应用价值。本项目在理论、数值仿真和实验上研究了超声导波的编码激发方法、超声导波在疲劳长骨中的频散特性、在骨裂处发生的模式转换规律、导波的频散补偿以及导波非线性的发生效应，为评价长骨的疲劳状况提供了一种新思路、新方法和理论依据。.本项目的主要创新性研究内容和成果有：(1) 研究了长骨中编码超声导波的码源及导波特性；(2) 长骨中编码超声导波的测量与分析；(3) 从理论、时域有限差分(FDTD)数值仿真和实验上研究了长骨疲劳的线性和非线性超声导波评价方法及参数提取和计算；(4) 超声导波二次谐波参量与骨疲劳程度的关系；(5) 长骨中超声导波的频散补偿及时间反转参量计算；(6) 骨裂长骨中超声导波的传播特性及骨裂评价研究；(7) 松质骨中超声的传播及评价参量选取和分析；(8) 根据理论、数值仿真和实验结果，探讨了采用编码超声导波的特性参量评价骨疲劳的实现途径，建立了多参量综合评价长骨疲劳的导波方法。.以上研究结果表明：(1) 利用编码激励产生超声导波信号是可行的。与单脉冲的激励方式相比，编码激励方式明显提高了接收导波信号的幅度、信噪比和传播距离；(2) 提出的超声导波的频散补偿及时间反转的方法能够有效的分离、识别和提取出各导波模式；(3) 长骨的弹性模量与超声导波的传播特性参数密切相关，各个导波模式的相速度、群速度、中心频率和能量均随弹性模量的减小而减小。说明超声导波的传播特性参量能够反映出长骨疲劳的程度，进而为长骨早期疲劳诊断提供了一种可能的方法；(4) 在长骨疲劳损伤早期，超声导波非线性系数随长骨疲劳程度的增加显著增强。以上成果不仅在丰富超声导波理论方面具有重要的科学意义，而且在监测与评价长骨疲劳损伤方面具有极其重要的实际意义。