超聲背散射信號(hào)與松質(zhì)骨特性參數(shù)關(guān)系的研究.pdf

1、骨質(zhì)疏松癥是一種全身性的骨骼疾病，通常體現(xiàn)為骨量流失和骨微結(jié)構(gòu)的退化，導(dǎo)致發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)增大?，F(xiàn)代社會(huì)的老齡化加劇使骨質(zhì)疏松癥得到越來越多的重視，全球目前約有2億人受骨質(zhì)疏松癥的困擾。骨質(zhì)疏松癥嚴(yán)重影響公眾生活質(zhì)量，骨質(zhì)疏松性骨折也對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，骨質(zhì)疏松癥的早期診斷和及時(shí)治療具有重要意義。目前，X射線、定量CT及雙能X射線法(DXA)已被應(yīng)用于臨床評(píng)價(jià)骨質(zhì)量及預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)。DXA測(cè)定的骨礦密度(BMD)是臨床上評(píng)價(jià)骨

2、質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，BMD只能預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)的60％。超聲因其無損、無電離輻射、價(jià)廉、便攜及能提供骨彈性信息等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是骨質(zhì)評(píng)價(jià)的新工具。超聲評(píng)價(jià)松質(zhì)骨狀況通常有兩種方法:透射法和背散射法。背散射法用單一探頭發(fā)射接收松質(zhì)骨背向散射信號(hào)，能更便捷地測(cè)量對(duì)骨質(zhì)疏松更明顯的骨骼，如髖骨、椎骨等部位。背散射能提供BMD、散射子（骨小梁）大小和數(shù)目、彈性模量及松質(zhì)骨微細(xì)結(jié)構(gòu)等信息。應(yīng)用超聲背散射法評(píng)價(jià)松質(zhì)骨骨質(zhì)狀況已成為骨超聲領(lǐng)域極具前景的研

3、究方向。
　　本文的研究工作旨在完善松質(zhì)骨超聲背散射理論，促進(jìn)超聲背散射法用于松質(zhì)骨骨質(zhì)的臨床診斷，主要工作如下:
　　1.建立松質(zhì)骨超聲背散射仿真系統(tǒng)
　　基于時(shí)域有限差分法(FDTD)分別建立了二維和三維的仿真系統(tǒng)，可以模擬超聲波在松質(zhì)骨內(nèi)傳播時(shí)的散射、透射、衍射及吸收等現(xiàn)象。松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)信息由微CT提供，完全匹配吸收層(PML)用作仿真的邊界條件，通過仿真得到松質(zhì)骨的超聲背散射信號(hào)，有助于理解超聲波在骨小梁復(fù)雜結(jié)

4、構(gòu)中背散射的機(jī)制。
　　2.研究超聲背散射信號(hào)與骨小梁材料特性的關(guān)系
　　基于松質(zhì)骨超聲背散射仿真系統(tǒng)，分析骨小梁材料特性（密度、拉梅常數(shù)、粘度系數(shù)及聲阻抗系數(shù)等）對(duì)背散射系數(shù)(BSC)和積分背散射系數(shù)(IBC)的影響。結(jié)果表明，背散射系數(shù)隨骨小梁密度的增加而增加;BSC和IBC隨拉梅常數(shù)的增加而增加、隨第一粘度系數(shù)的增加而近似線性地減小，第二粘度的變化對(duì)背散射信號(hào)的影響較小;背散射參數(shù)隨阻抗系數(shù)的增加而減小。說明松質(zhì)骨超聲

5、背散射信號(hào)不僅受BMD和骨微結(jié)構(gòu)的影響，還與骨小梁的材料參數(shù)密切相關(guān)。
　　3.研究超聲背散射信號(hào)與骨小梁排列方向的關(guān)系
　　松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的各向異性，骨小梁通常沿一個(gè)特定的方向排列，即骨小梁主要排列方向(MTA)。通過離體實(shí)驗(yàn)研究了超聲背散射信號(hào)與MTA關(guān)系。結(jié)果表明，背散射信號(hào)對(duì)骨小梁排列方向很敏感，當(dāng)超聲波與骨小梁方向垂直時(shí)，背散射信號(hào)最強(qiáng);通過背散射信號(hào)能量的極值、背散射參數(shù)與骨樣本角度擬合橢圓的短軸方向可以準(zhǔn)

6、確估計(jì)MTA方向。擬合橢圓的離心率與骨樣本的各向異性度(DA)強(qiáng)相關(guān)(R=0.92～0.94，p＜0.05)。研究證明，通過超聲背散射法可以估計(jì)松質(zhì)骨的MTA方向和DA，為評(píng)價(jià)松質(zhì)骨骨質(zhì)狀況提供新的思路和方法。
　　4.研究松質(zhì)骨超聲背散射信號(hào)選取標(biāo)準(zhǔn)
　　當(dāng)前研究中，超聲背散射有效信號(hào)(SOI)沒有明確的選取標(biāo)準(zhǔn)，研究者也經(jīng)常觀察到完全相反的結(jié)果（正或負(fù)相關(guān)性）。通過離體實(shí)驗(yàn)證明，(1)避開長(zhǎng)度(T1)和選取長(zhǎng)度(T2)直

7、接影響表觀積分背散射系數(shù)(AIB): AIB隨T1的增大而減小，T2較小時(shí)(＜2μs)，AIB波動(dòng)增加，之后保持穩(wěn)定;(2) SOI也影響AIB與骨體積比(BV/TV)的相關(guān)性:當(dāng)T1較小時(shí)，AIB與BV/TV為正相關(guān);當(dāng)T1較長(zhǎng)（約3～8μs）時(shí)，AIB與BV/TV主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性。T2的影響較小，只在T2較小時(shí)(＜2μs)，引起相關(guān)性的波動(dòng)。(3)在不同的超聲信號(hào)頻率(0.5～10MHz)下，AIB與BV/TV的相關(guān)性也不同:當(dāng)頻

8、率較低時(shí)(＜2.25MHz)，更容易得到正相關(guān)性;當(dāng)頻率較高時(shí)，更適宜觀察負(fù)相關(guān)性。據(jù)此，本文提出了各個(gè)感興趣頻率段(0.5～10MHz)下，明確而統(tǒng)一的SOI選取標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的超聲背散射骨質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
　　5.研究皮質(zhì)骨對(duì)超聲背散射信號(hào)的影響及補(bǔ)償方法
　　在體測(cè)量時(shí)，皮質(zhì)骨對(duì)松質(zhì)骨超聲背散射準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)產(chǎn)生不可避免的干擾。通過仿真研究了皮質(zhì)骨厚度(CTh)與超聲背散射信號(hào)的關(guān)系。在較寬的頻帶(1～3.5MHz)內(nèi)，AIB隨C

9、Th的增加而波動(dòng)下降（R=-0.72～-0.90，p＜0.001），且CTh＜2.18mm時(shí)，AIB波動(dòng)較大;減掉皮質(zhì)骨的多次反射波干擾后，AIB-c顯著地降低(p＜0.05)，且波動(dòng)較小;采用本文提出的補(bǔ)償算法后，補(bǔ)償后的AIB與CTh顯著不相關(guān)（R=-0.02～0.01，p＞0.05），且波動(dòng)得到明顯抑制。結(jié)果表明，本文提出的補(bǔ)償算法能有效地補(bǔ)償皮質(zhì)骨對(duì)超聲背散射測(cè)量的影響。
　　超聲背散射與骨小梁材料和排列方向的研究完善了松