空间频率域超声背散射参量用于骨质状况的评价*

在超声背散射骨质评价中,不同测量感兴趣区域(ROI)的超声背散射信号会有波动,致使诊断准确度降低。该文目的是研究超声背散射信号随测量区域的变化规律。采用空间扫描方法离体测量了35块骨样本,将超声背散射参数从空间域变换到空间频率域。结果表明,超声背散射参数的主要空间频率成分集中于低频部分;空间频率域超声背散射参量最大值(MASF)与骨矿密度等参数具有中高度显著相关性(R2=0.45~0.83,p0.001);空间频率域超声背散射参量衰减系数(AC)也与松质骨密度及结构特征有显著相关性(R2=0.41~0.72,p0.001)。研究表明空间频率域变换方法有助于明确超声背散射信号随测量ROI的变化规律,空间频率域的超声背散射相关新参量评价松质骨状况具有可行性。     

超声背散射法评价松质骨状况的研究

超声背散射法评价松质骨状况及诊断骨质疏松症是近年来医学超声领域内的研究热点之一,现已取得了显著的进展。本文将介绍近年来超声背散射法及其参量评价松质骨状况的研究进展,并分析超声背散射相关参量频谱质心偏移量（SCS）和平均骨小梁间距（TbSp）与骨矿密度（BMD）的相关性。研究结果表明,超声背散射参量与BMD有较高的相关性。最后提出了将来研究中需要努力的方向。     

基于单向测量超声背散射系数的晶粒尺寸评价高效方法

镍基高温合金GH4742具有优异的机械性能,而晶粒尺寸是影响其性能的关键因素.基于物理模型的超声背散射法可以实现晶粒尺寸高效和准确的评价,但受限于复杂模型或多角度声束测量.因此,本文提出了一种只需单向测量的背散射系数法,且无需考虑测量系统等无关因素的影响.基于独立散射模型,推导了只与材料相关的背散射系数;利用空间相关函数描述了晶粒尺寸与背散射系数的关系;采用参考信号剔除干扰因素的影响,实现实验背散射系数的快速提取.制备三组不同晶粒尺寸的GH4742试块进行相控阵超声实验和平均晶粒尺寸评价,并与金相法结果进行对比.结果表明本文方法得到的晶粒度与金相法结果最大相对误差为–22.7%,最小相对误差为–3.7%.     

骨小梁材料特性对超声背散射信号的影响

基于时域有限差分法(FDTD)建立了松质骨的超声背散射仿真系统,研究了骨小梁材料特性对超声背散射信号的影响。首次得到松质骨中的超声背散射系数(BSC)和积分背散射系数(IBC)随骨小梁材料参数(密度、拉梅常数、黏度系数及声阻抗系数)的变化关系。研究结果表明,IBC随骨小梁密度的增加而增加;BSC和IBC随拉梅常数的增加而增加、随第一黏度系数的增加而近似线性地减小,第二黏度的变化对背散射信号的影响很小;背散射参数随阻抗系数的增加而减小。说明松质骨中的超声背散射特性不仅受骨矿密度(BMD)和骨微结构的影响,还与骨小梁的材料参数密切相关。研究结果有利于理解松质骨中超声的背散射特性,对松质骨骨质状况的评价有一定帮助。      

基于深度学习的材料超声回波衰减预测方法

材料超声回波衰减是评价材料均匀一致性的常用方法, 针对具有复杂结构的航空发动机盘件难以进行材料底面超声回波衰减评价的问题, 本文提出了利用超声背散射波信号直接预测底面回波衰减的方法。采用10MHz聚焦探头进行超声背散射波数据的采集, 利用深度学习技术构建和训练模型,建立了基于深度学习的材料底面回波衰减预测方法, 同时讨论了采用不同信号形式的超声波信号分类识别模型的准确率差异。研究发现：基于深度学习技术可实现通过超声背散射波预测材料的底面回波衰减, 预测结果和实际底面回波衰减试验结果具有良好的一致性。     

表面粗糙度对固体内部超声背散射的影响

超声背散射法可通过多晶体金属内部的空间方差信号,实现微观结构参数的无损评价,但表面粗糙度对评价模型的精度及实用性存在显著影响.基于高斯声束理论推导垂直入射粗糙界面的纵波声场,以此研究声能的Wigner分布规律;在超声的波长远大于粗糙度的前提下,构造表面粗糙度修正系数,并建立粗糙界面的单次散射响应模型,揭示粗糙度对超声波背向散射的影响规律.用304不锈钢制备轮廓均方根值为0.159μm的光滑试块和25.722μm的粗糙试块开展超声背散射实验,结果表明模型在粗糙度修正前后均可实现光滑试块的晶粒尺寸有效评价,但未经修正的传统模型对粗糙试块的晶粒尺寸评价结果与金相法结果的相对误差高达-21.35%,而本模型的评价结果与金相法结果符合得很好,相对误差仅为1.35%.可见,本模型能有效补偿粗糙度引起的超声背散射信号衰减,从而提高晶粒尺寸无损评价的精度.     

骨小梁中超声背散射信号的频率分析及其微结构的估计

骨质疏松症是一种骨强度下降的全身性骨骼疾病,骨强度的下降是骨量减少和骨微结构退化的共同结果。相比于传统的超声透射方法,超声背散射法可提供更多的骨微结构信息,而对于松质骨结构的建模能有助于结构信息的获取。本文将骨小梁简化为单圆柱模型(圆柱状的单根骨小梁浸于骨髓中),并基于此模型对超声背散射与频率的关系进行分析。用铝线代替骨小梁做仿体实验,通过实验与理论结果的比较来验证单圆柱模型的可行性。     

Monte Carlo方法计算背散射电子在固体中的空间分布

应用Monte Carlo方法,对不同能量低能电子作用下背散射电子在固体中的空间分布作了计算,电子的弹性散射用Mott截面描述、非弹性散射按文献[3]的方法由Streitwolf、Quinn及Gryrinski的公式计算,大量计算得出一些规律,为低能电子显微学研究提供一定依据。     

有监督主成分回归法在近红外光谱定量分析中的应用研究

介绍了运用有监督主成分回归法建立近红外光谱定量分析模型的原理和方法.利用该方法先进行近红外光谱定量分析建模的波长信息选择,达到降低光谱数据维数的目的,然后建立数学模型,并用其分析预测集样品.文中以66个小麦样品为实验材料,随机选择其中40个样品建立小麦样品中蛋白质含量的近红外光谱定量分析模型,首先优选出4个波长点:4 632,4 636,5 994,5 997 cm-1,利用这4个波长点处光谱信息建立主成分回归模型预测26个样品的蛋白质含量,其结果与凯氏定氮法分析结果的相关系数为0.991,平均相对误差为1.5%.该方法从大量光谱数据中筛选出最重要的部分波长信息,实现了"少而精"的波长点选择,对建立抗共线性信息干扰的光谱定量分析模型,同时对指导专用近红外分析仪器设计中波长点的选择等方面都有一定的意义.     

混合模拟方法模拟电子在固体表面的背散射

将电子输运的直接模拟方法和压缩历史方法相结合,建立能量为50 eV~1 GeV范围的电子在介质中输运的混合模拟蒙特卡罗方法.通过调整散射角参数和损失能量参数控制单次碰撞发生的次数,输运过程中单次碰撞采用直接模拟,在两次直接碰撞之间使用压缩历史方法模拟发生的多次小碰撞过程.利用该方法模拟电子在固体表面的背散射过程,探讨不同计算参数对计算效率和结果的影响,计算不同能量电子在固体表面的背散射系数和出射电子能量分布,计算结果与实验数据符合较好.     

超声诊断骨质疏松症中松质骨的模型

骨质疏松症(OP)是老龄化社会中影响健康的一个重要问题，超声技术已成为诊断骨质疏松症的一种常用方法。文中综述了近年来用超声诊断骨质疏松症中松质骨模型研究的进展，对棒状模型、流体多孔介质模型(Biot理论)和层状模型(schoenberg理论)进行了分析和讨论，指出了各理论模型存在的缺陷，对下一步的研究工作提出了建议。     

Ultrasonic backscattering in polycrystals with elongated single phase and duplex microstructures

An analytical solution for a three dimensional integral representation of the backscattering (BS) coefficient in polycrystals with elongated (generally ellipsoidal) grains is obtained; it is a natural generalization of the known explicit result for the BS coefficient in polycrystals with spherical grains. New insights into the dependence of the BS signal on frequency and averaged ellipsoidal grain radii are obtained. In particular it has been shown that the dominant factor for the backscattering is the averaged interaction length of the ellipsoidal grain in the direction of wave propagation, instead of the ellipsoidal cross-section. The theory was applied to a simplified model of Ti alloy duplex microstructure and was compared with experiment. For the experimental data analysis directional backscattering ratios are introduced and shown to be advantageous for characterization of duplex elongated microstructures/microtextures. In addition to the geometrical parameters of the elongated microtextures, the BS directional ratios depend on the newly introduced nondimensional material parameter q. The parameter q exhibits the relative contribution of the second phase (crystallites) to the backscattering signal, the effect of which is measurable and important. Comparison of the model with experiment shows there is a significant advantage in using the directional ratios of backscattering coefficients for data analysis.     

An investigation of the measurement of broadband ultrasonic attenuation in trabecular bone

Commercial devices for the ultrasonic characterisation of bone normally report the broadband ultrasonic attenuation (BUA). This is the slope of the attenuation against frequency in some part of the frequency range 200–1000 kHz. The assumption is that the relationship is linear and hence independent of the frequency range selected. In this study the ultrasonic attenuation in the frequency range 200 to 800 kHz was measured with a variety of transducers in ten trabecular heel bone samples from elderly cadavers, assumed to be osteoporotic.

The results indicate that the attenuation fits better to a second order polynomial function of frequency, than to the linear fit. The use of a straight line fit is only satisfactory in the higher frequency ranges (above 400 kHz). The use of lower frequencies results in a significant measurement error caused by the combination of a poor signal to noise ratio and the departure from linearity and this is greatest for samples with low attenuation. In the worst cases this can amount to a 30% discrepancy between the BUA values measured over different frequency ranges.     

虚拟仪器技术及其在超声测量中的应用

虚拟仪器是电子技术,测量技术和计算机技术共同发展的产物。本文介绍了虚拟仪器的基本概念、虚拟仪器的一般结构,虚拟仪器的优点和特点。文中还了作者应用虚拟仪器思想在超声测量上所做的工作一岩土工程质量检测分析仪,最后探讨了它的应用前景。     

Application of a supervised machine learning algorithm in bone evaluation using ultrasonic backscatter signal

Improving the diagnosis accuracy is essential for the clinical application of osteoporosis evaluation using ultrasonic backscatter signal.In vitro ultrasonic backscatter signals were measured on bone specimens and backscatter parameters were calculated.Using the measured backscatter parameters,the involved cancellous bone specimens were evaluated and classified using support vector machine and adaptive boosting algorithms.Results showed that the accuracy of classification was 80.00%-82.86% and t...     

用超声背向散射谱定征柱状固体的弹性常数

根据流体中圆柱固体对超声波的背向散射谱与固体弹性参数的密切关系,本提出了材料弹性参数测量的一种新方法－超声背向散射谱法;测量了铜合金杆和铝合金杆的超声背向散射谱,并反演得到了它们的杨氏模量和泊松比。和传统的静力学方法相比,超声背向散射法测得的数据较精确,且对被测材料不会造成任何损伤。     

Uncertainty of the beam energy measurement in the e~+e~- collision using Compton backscattering

The beam energy is measured in the e+e-collision by using Compton backscattering. The uncertainty of this measurement process is studied by virtue of analytical formulas, and the special effects of variant energy spread and energy drift on the systematic uncertainty estimation are also studied with the Monte Carlo sampling technique. These quantitative conclusions are especially important for understanding the uncertainty of the beam energy measurement system.