众多研究表明,人体骨质疏松不仅会表现为骨矿物质密度(BMD)的减少,也会体现在松质骨微结构的退化上。当前,市面上用于临床早期检测人体骨质疏松的仪器多以测量骨矿物质密度(BMD)为主,较少能反映松质骨微结构的变化情况,这不利于骨质疏松症的全面诊断。近年来,随着超声背散射技术的发展,人们发现,使用超声背散射法可以获得人体松质骨微结构方面的信息。但由于松质骨背散射信号微弱、信号处理算法不完善、缺乏有效的仿真验证环境等原因,目前该技术还尚未达到临床应用的要求。本文以有限元分析法和多物理场仿真技术为支撑,根据人体跟骨结构、人体跟骨各组织的声学及固体力学特征,构建了人体跟骨部位的声固耦合模型。为松质骨超声背散射领域的研究提供了更接近真实场景的仿真验证环境,降低了算法预研的成本,提高了研究效率。在上述仿真模型的基础上,本文以松质骨微结构的重要评价参数——骨小梁平均间距(MTBS)为切入点,对已有的MTBS测量算法(匹配滤波-基频估计法和二次变换法)进行了仿真分析。并针对这两种算法分别存在的二次谐波过大问题与低频泄漏现象,本文提出了一种将两种算法频谱相乘的优化方案。经仿真分析与实测验证,得出结论:经本文优化后的方案能够在保持测量精度的情况下提高现有算法的测量范围,满足人体实测的需求。基于以上算法优化方案,本文对现有的超声背散射式骨密度测量系统进行了改进,并以改进后的系统为基础进行了大量的实物模型验证与人体实测研究。依据实测结果,得出结论:本文优化后算法所测得的MTBS参数,能够在一定程度上反映出人体的骨质情况,且与其他设备测得的结果无明显相关性,具有一定的临床诊断意义和开展进一步研究的价值。