Page 8 - 《应用声学》2025年第2期

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1.2 超声导波骨检测
超声导波用于皮质骨结构物理性质检测，超声
换能器放置于骨同一侧，超声信号由发射换能器激
发后经软组织到达长骨表面，沿骨横向传播、反射
进入接收换能器。他得安等 [21] 通过分析管中导波
频散与结构性质的关系探索导波 OP 检测机制，发
现管内径与壁厚比对导波模态影响较大，内径与壁
厚之比很大时圆管中导波模态与板中导波近似。一
定频厚积下充黏液管材中导波特性只与内径壁厚
比有关，高阶模态导波的截止频厚积随内径与壁厚
比的增大而减小；各模态的频散曲线随内径与壁厚
比的增大向低频厚积方向移动 [22] 。
研究表明不同频率及模态超声导波对骨质的
敏感性存在差异。低频 A 0 模态导波相速度和群速
度与骨厚度呈正向关系，高频超声信号在骨质厚
度退化到一定程度才出现突变，高频体波信号对皮
质骨孔隙率变化敏感 [23] 。为此，研究人员结合不
同频率超声波提升骨检测精度。Sarvazyan等
用 100 kHz 导波和 1 MHz 体波来提升皮质骨厚度
及孔隙率检测可靠性。Artann 实验室
基于多频率导波的骨质疏松检测仪，采用 60 kHz、
100 kHz、400 kHz、800 kHz和1200 kHz超声导波评
价骨质状况。皮质骨中羟基磷灰石晶体排列形式和
孔隙率影响骨弹性模量，其较骨矿物质密度对超声
波速影响更大。黏弹性管状长骨中500 kHz L(0,1)、
L(0,2)和L(0,3) 模态的群速度与弹性模量呈线性正
向关系，而L(0,4) 和 L(0,5) 模态的群速度与弹性模
量呈非线性正向关系；各模态导波的衰减与弹性模
量呈反向关系 (随增加而减小)。商用轴向传播法超
声波测检测仪通过分析 1 MHz 左右导波信号衰减、
相速度检测皮质骨弹性模量 [24] 。厚度方向上呈各
向异性的皮质骨上测量的波速约为各向同性骨中
的一半；厚度小于 0.5 倍骨中超声波波长的各向异
性骨中超声波波速与厚度相关。弱各向异性长骨
模型中 50∼200 kHz S 0 模态导波的群速度对密度
变化敏感，A 0 和F(1,4)的群速度对骨杨氏模量更敏
感。此外，研究表明液体填充会降低骨结构的各向
异性；不规则骨周向不同位置激励导波信号幅值存
在差异，高阶模态的截止频率受周向激励位置影响
较小。
在体皮质骨周围的软组织层对于超声波如同
一个流体波导。导波模态数随软组织厚度的增加
而增加，但对不同频率及模态导波传播特性的影
响程度不同。软组织降低了管状骨中 50∼300 kHz
2025 年 3 月
F(1,1)、L(0,1) 模态的波速，增加了超声的衰减，但
未改变两模态的衰减趋势；该效应并不明显依赖于
软组织厚度和弹性模量。Vallet等 [25] 采用由检测阵
列两端依次进行信号激励的双向传播法消除软组
织厚度变化对检测结果的影响，实现手臂长骨厚度
测量。Tran 等 [26] 采用半解析有限单元法构建三层
骨模型，分析显式模态 1 泄漏兰姆波对软组织厚度
和骨密度不敏感，而 0∼350 kHz 的模态 1 波对皮质
骨厚度的相对敏感性系数高于50%。
2 光声骨检测技术
2.1 光声体波骨检测
骨骼中不同组织成分的光吸收和散射特性差
异，使得光声体波骨检测综合了超声体波对骨密
度、微结构等物理性质检测和分子代谢相关的光
学性质敏感性的优势。例如，胶原蛋白在近红外 II
区光的吸收系数高于近红外 I 区 [27] ，骨髓内脂质在
[22] 采
930 nm 等波段有特异性吸收峰，羟基磷灰石在近红
外I区范围内，对700∼750 nm激光的吸收系数高于
[24] 开发一种
750∼900 nm [28] 。骨组织内主要成分的光谱特异性
和敏感性奠定了光声骨病检测的基础。光声体波骨
检测综合了超声体波对骨密度、微结构等物理性质
的检测能力和骨组织成分相关光学性质的敏感性。
超声信号能够检测骨下数厘米深度，近红外光声背
散射信号的谱积分变化对人体小梁骨和皮质骨下
几个毫米深度的矿物质及密度的微小变化敏感；OP
对皮质层的影响比小梁骨层约慢 8 倍，但光声技术
的高灵敏度可以提供一种有价值的骨表面 OP的无
创检测，而不需要穿透更深的下层骨小梁结构。光
声信号源主要形成于热敏感有机质区域，Ding [29]
等分析了光声检测信号频率和幅值与骨矿物质成
分之间的关系：光声信号来源于血红蛋白，但是产
生光声信号的频率和幅值依赖于骨密度。宽带超声
频谱斜率能更好地反映 OP 变化，但光声频谱斜率
的变化程度要小于宽带超声频谱斜率，光声频谱法
相比于宽带超声有更好的稳定性。690∼950 nm 光
声频谱密度与骨密度呈正向关系 [3] ，光声频谱斜率
较宽带超声频谱斜率对骨微结构检测更具稳定性。
Lashkari [5] 论证了 800 nm 光声信号对小梁骨和皮
质骨下数毫米深的骨矿物质密度变化敏感。研究表
明，光声信号强度随温度变化的斜率随骨密度减小
而增大，在 37 C∼44 C 测量温度范围内连续波长
◦
◦
在680∼900 nm脉冲激光激励光声信号强度随温度
变化的斜率与鼠胫骨密度呈反向关系。