衍射效應修正骨密度模體聲衰減測量方法

摘 要： 針對超聲骨密度模體的聲衰減系數測量不夠精確的問題，研究基于衍射效應修正的骨密度模體聲衰減測量方法，建立一套基于插入取代法的超聲骨密度模體聲衰減實驗系統。在研究骨密度模體插入前后的衍射效應的基礎上，分析骨模樣品界面的聲透射情況對衍射效應進行補償，改進衍射效應理論模型以實現聲衰減系數的精確測量。在此基礎上，對不同水溫下的骨模樣品開展聲衰減測量研究并做不確定度評定，聲衰減系數測量的相對不確定度為3.89%（k=2），結果表明該理論模型對聲衰減有較好的補償作用，且測量系統具有可靠性，研究成果可為后續開展超聲骨密度模體檢測研究提供經驗。

關鍵詞： 計量學; 聲衰減; 衍射效應; 不確定度

中圖分類號： TB9; TB551 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0093–06

0 引 言

近年我國人口老齡化逐漸嚴峻，提前診斷和預防骨質疏松尤為重要。骨密度（BMD）反映骨質疏松程度，目前骨密度檢查與診斷檢測方式已有多種，如雙能X 射線骨密度檢測、定量CT 檢測、超聲骨密度檢測等。相較于其余檢測方式，超聲骨密度檢測具有安全無損傷，較為精確，操作簡單等優勢，使得超聲骨密度儀廣泛應用于臨床醫學檢測[1]，儀器測得結果是否準確對后期診斷治療尤為關鍵。針對超聲骨密度儀校準，我國已制定JJF 1649—2017《超聲骨密度儀校準規范》[2]，該校準規范規定使用骨密度模體進行超聲骨密度儀校正檢測，通過對照骨密度儀的模體檢測值與標準值，判定超聲骨密度儀是否準確，故準確評價骨密度模體各項參數是研究的重點。

精確測量骨模材料的聲衰減是判斷骨模是否達標的關鍵[3-4]。聲衰減是指聲波在介質中傳播時，其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現象[5]。諸多學者已對超聲衰減進行相關研究，國內尹昌等[6] 基于脈沖透射插入取代法將測得信號做傅氏變換得到幅度譜，使幅度譜成為頻率的函數，從而計算得到聲衰減系數；程明等[7] 基于脈沖回波法分析反射回波幅值和頻譜變化，分析不同距離下反射脈沖回波傅氏變換結果，證實超聲波在水中的傳播衰減隨距離呈指數規律，且頻率越高衰減越大。國外學者對聲衰減測量中存在的衍射效應進行了綜合分析[8-9]。XU W 和KAUFMAN J J [10] 基于參考介質經驗譜提出適用于單樣品插入取代的衍射修正，聲衰減系數精度顯著提高，但其忽略了樣品界面損失。SEKI H等[3] 在研究中將衍射損失描述為頻率和距離的函數，結果表明，衍射效應可造成聲衰減測量較大誤差。FAY B[11] 進行了超聲換能器聲場衍射損耗的數值計算，衍射效應模型引入的不確定度為2%。

目前，國內對超聲骨密度模體校準的研究多集中于收發換能器的硬件設計與換能器接收信號的抓取，但在實驗中仍不能得到準確的聲衰減系數。原因之一為忽略了衍射效應的影響，國內尚未見相關實驗研究的報道。由于實際測量過程中采用的超聲探頭尺寸有限，衍射效應令實際的聲場特性與平面波之間存在較大差異，且隨著探頭尺寸，頻率及傳播距離的變化而變化。當超聲在未知介質和參考介質中聲速近似時，衍射效應對超聲衰減影響不顯著，通常將其忽略。但在骨骼中，超聲傳播速度幾乎是水中的兩倍，衍射效應造成的影響不可忽略。因此有必要在實際應用中進行衍射效應修正。

本文的研究目標是在補償超聲衍射效應對聲衰減影響的情況下進行骨密度模體檢測與分析。基于插入取代法建立了超聲骨密度模體檢測系統，分析了樣品的界面損失，并對檢測中存在的衍射效應進行修正，對不同水溫下的聲衰減進行實驗并做不確定度分析。