低频超声导波轴向透射反演法精准评估仿生骨圆柱体力学与几何特性

本研究针对骨质疏松早期诊断中皮质骨特性评估的难题，创新性地采用低频（<500 kHz）超声导波轴向透射技术，结合半解析等几何分析（SAIGA）反演算法，实现了仿生骨圆柱体力学参数（纵/横波速、密度）与几何参数（厚度、半径）的精准反演，误差<5%。该技术通过激发性参数优化和模式振幅分析，突破了低频信息量不足的限制，为活体骨全局表征提供了新思路。

　　

骨质疏松作为全球性健康威胁，其早期诊断长期依赖双能X线吸收法（DEXA）测量的骨密度（BMD），但BMD仅能反映骨强度的60%，无法全面评估皮质骨厚度、弹性模量等关键参数。传统高频超声（>1 MHz）虽能检测皮质骨局部特性，却因高衰减和复杂模态难以实现整体几何评估。这一技术瓶颈促使研究人员探索低频超声导波的突破性应用。

加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）资助的联合研究团队，在《Ultrasonics》发表的研究中，设计了一种基于350 kHz中心频率的定制超声换能器系统，通过轴向透射采集仿生骨圆柱体（模拟健康/骨质疏松状态）的导波信号。采用2D快速傅里叶变换（2D-FFT）提取实验频散曲线，结合半解析等几何分析（SAIGA）建立的准圆柱体模型（含橄榄油浸没条件），创新性地将模式激发性参数纳入反演算法，实现了皮质骨5大核心参数的同时反演。

关键技术包括：1）低频超声导波轴向透射实验系统（含健康/骨质疏松仿生骨样本）；2）SAIGA法模拟浸没/非浸没条件下的频散特性；3）激发性加权多目标反演算法；4）体波脉冲回波法验证基准值。

【Models and simulations models】
SAIGA模型将仿生骨简化为横观各向同性准圆柱体，通过等几何分析精确描述几何形状与力学场。研究发现：高频模态（>100 kHz）主要反映材料特性，而<100 kHz的低波数模态对整体几何敏感。

【Bone phantom cylinder properties】
脉冲回波测量显示，健康与骨质疏松仿生骨的纵波速度分别为2913±24 m/s与2751±33 m/s，反演结果与基准值误差<5%，验证了方法的准确性。

【Discussion】
低频策略显著降低模式复杂度（仅需分析3-4个高激发性模态），而激发性参数有效弥补低频信息量不足。计算耗时虽长（9216种场景需8天），但生成数据库后可快速反演。

【Conclusion】
该研究首次证明50-500 kHz低频导波可同步反演皮质骨力学/几何参数，误差<5%。通过激发性参数优化，克服了传统低频方法参数获取不足的缺陷，为活体骨全局特性评估开辟新途径。特别值得注意的是，低频模态对骨髓腔变化的敏感性，为骨质疏松早期（松质骨先受累阶段）诊断提供了独特优势。

研究获得NVIDIA Quadro P6000显卡算力支持，成果对开发低成本、无辐射的骨质疏松床旁监测设备具有重要转化价值。法加超声研究实验室（LAFCUS）的跨学科合作模式，为超声骨诊断技术发展提供了新范式。