超聲背散射信號與松質骨特性參數(shù)關系的研究.pdf

1、骨質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構的退化，導致發(fā)生骨折的風險增大?，F(xiàn)代社會的老齡化加劇使骨質疏松癥得到越來越多的重視，全球目前約有2億人受骨質疏松癥的困擾。骨質疏松癥嚴重影響公眾生活質量，骨質疏松性骨折也對社會產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟負擔。因此，骨質疏松癥的早期診斷和及時治療具有重要意義。目前，X射線、定量CT及雙能X射線法(DXA)已被應用于臨床評價骨質量及預測骨折風險。DXA測定的骨礦密度(BMD)是臨床上評價骨

2、質疏松的金標準。然而，BMD只能預測骨折風險的60％。超聲因其無損、無電離輻射、價廉、便攜及能提供骨彈性信息等優(yōu)勢，被認為是骨質評價的新工具。超聲評價松質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)射接收松質骨背向散射信號，能更便捷地測量對骨質疏松更明顯的骨骼，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、彈性模量及松質骨微細結構等信息。應用超聲背散射法評價松質骨骨質狀況已成為骨超聲領域極具前景的研

3、究方向。
　　本文的研究工作旨在完善松質骨超聲背散射理論，促進超聲背散射法用于松質骨骨質的臨床診斷，主要工作如下:
　　1.建立松質骨超聲背散射仿真系統(tǒng)
　　基于時域有限差分法(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骨內傳播時的散射、透射、衍射及吸收等現(xiàn)象。松質骨微結構信息由微CT提供，完全匹配吸收層(PML)用作仿真的邊界條件，通過仿真得到松質骨的超聲背散射信號，有助于理解超聲波在骨小梁復雜結

4、構中背散射的機制。
　　2.研究超聲背散射信號與骨小梁材料特性的關系
　　基于松質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）對背散射系數(shù)(BSC)和積分背散射系數(shù)(IBC)的影響。結果表明，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，第二粘度的變化對背散射信號的影響較小;背散射參數(shù)隨阻抗系數(shù)的增加而減小。說明松質骨超聲

5、背散射信號不僅受BMD和骨微結構的影響，還與骨小梁的材料參數(shù)密切相關。
　　3.研究超聲背散射信號與骨小梁排列方向的關系
　　松質骨微結構具有很強的各向異性，骨小梁通常沿一個特定的方向排列，即骨小梁主要排列方向(MTA)。通過離體實驗研究了超聲背散射信號與MTA關系。結果表明，背散射信號對骨小梁排列方向很敏感，當超聲波與骨小梁方向垂直時，背散射信號最強;通過背散射信號能量的極值、背散射參數(shù)與骨樣本角度擬合橢圓的短軸方向可以準

6、確估計MTA方向。擬合橢圓的離心率與骨樣本的各向異性度(DA)強相關(R=0.92～0.94，p＜0.05)。研究證明，通過超聲背散射法可以估計松質骨的MTA方向和DA，為評價松質骨骨質狀況提供新的思路和方法。
　　4.研究松質骨超聲背散射信號選取標準
　　當前研究中，超聲背散射有效信號(SOI)沒有明確的選取標準，研究者也經(jīng)常觀察到完全相反的結果（正或負相關性）。通過離體實驗證明，(1)避開長度(T1)和選取長度(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(＜2μs)，AIB波動增加，之后保持穩(wěn)定;(2) SOI也影響AIB與骨體積比(BV/TV)的相關性:當T1較小時，AIB與BV/TV為正相關;當T1較長（約3～8μs）時，AIB與BV/TV主要表現(xiàn)為負相關性。T2的影響較小，只在T2較小時(＜2μs)，引起相關性的波動。(3)在不同的超聲信號頻率(0.5～10MHz)下，AIB與BV/TV的相關性也不同:當頻

8、率較低時(＜2.25MHz)，更容易得到正相關性;當頻率較高時，更適宜觀察負相關性。據(jù)此，本文提出了各個感興趣頻率段(0.5～10MHz)下，明確而統(tǒng)一的SOI選取標準和相應的超聲背散射骨質評價標準。
　　5.研究皮質骨對超聲背散射信號的影響及補償方法
　　在體測量時，皮質骨對松質骨超聲背散射準確的評價產(chǎn)生不可避免的干擾。通過仿真研究了皮質骨厚度(CTh)與超聲背散射信號的關系。在較寬的頻帶(1～3.5MHz)內，AIB隨C

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