超声背散射信号与松质骨特性参数关系的研究

摘要

骨质疏松症是一种全身性的骨骼疾病，通常体现为骨量流失和骨微结构的退化，导致发生骨折的风险增大。现代社会的老龄化加剧使骨质疏松症得到越来越多的重视，全球目前约有2亿人受骨质疏松症的困扰。骨质疏松症严重影响公众生活质量，骨质疏松性骨折也对社会产生了很大的经济负担。因此，骨质疏松症的早期诊断和及时治疗具有重要意义。目前，X射线、定量CT及双能X射线法(DXA)已被应用于临床评价骨质量及预测骨折风险。DXA测定的骨矿密度(BMD)是临床上评价骨质疏松的金标准。然而，BMD只能预测骨折风险的60％。超声因其无损、无电离辐射、价廉、便携及能提供骨弹性信息等优势，被认为是骨质评价的新工具。超声评价松质骨状况通常有两种方法:透射法和背散射法。背散射法用单一探头发射接收松质骨背向散射信号，能更便捷地测量对骨质疏松更明显的骨骼，如髋骨、椎骨等部位。背散射能提供BMD、散射子（骨小梁）大小和数目、弹性模量及松质骨微细结构等信息。应用超声背散射法评价松质骨骨质状况已成为骨超声领域极具前景的研究方向。
　　本文的研究工作旨在完善松质骨超声背散射理论，促进超声背散射法用于松质骨骨质的临床诊断，主要工作如下:
　　1.建立松质骨超声背散射仿真系统
　　基于时域有限差分法(FDTD)分别建立了二维和三维的仿真系统，可以模拟超声波在松质骨内传播时的散射、透射、衍射及吸收等现象。松质骨微结构信息由微CT提供，完全匹配吸收层(PML)用作仿真的边界条件，通过仿真得到松质骨的超声背散射信号，有助于理解超声波在骨小梁复杂结构中背散射的机制。
　　2.研究超声背散射信号与骨小梁材料特性的关系
　　基于松质骨超声背散射仿真系统，分析骨小梁材料特性（密度、拉梅常数、粘度系数及声阻抗系数等）对背散射系数(BSC)和积分背散射系数(IBC)的影响。结果表明，背散射系数随骨小梁密度的增加而增加;BSC和IBC随拉梅常数的增加而增加、随第一粘度系数的增加而近似线性地减小，第二粘度的变化对背散射信号的影响较小;背散射参数随阻抗系数的增加而减小。说明松质骨超声背散射信号不仅受BMD和骨微结构的影响，还与骨小梁的材料参数密切相关。
　　3.研究超声背散射信号与骨小梁排列方向的关系
　　松质骨微结构具有很强的各向异性，骨小梁通常沿一个特定的方向排列，即骨小梁主要排列方向(MTA)。通过离体实验研究了超声背散射信号与MTA关系。结果表明，背散射信号对骨小梁排列方向很敏感，当超声波与骨小梁方向垂直时，背散射信号最强;通过背散射信号能量的极值、背散射参数与骨样本角度拟合椭圆的短轴方向可以准确估计MTA方向。拟合椭圆的离心率与骨样本的各向异性度(DA)强相关(R=0.92～0.94，p＜0.05)。研究证明，通过超声背散射法可以估计松质骨的MTA方向和DA，为评价松质骨骨质状况提供新的思路和方法。
　　4.研究松质骨超声背散射信号选取标准
　　当前研究中，超声背散射有效信号(SOI)没有明确的选取标准，研究者也经常观察到完全相反的结果（正或负相关性）。通过离体实验证明，(1)避开长度(T1)和选取长度(T2)直接影响表观积分背散射系数(AIB): AIB随T1的增大而减小，T2较小时(＜2μs)，AIB波动增加，之后保持稳定;(2) SOI也影响AIB与骨体积比(BV/TV)的相关性:当T1较小时，AIB与BV/TV为正相关;当T1较长（约3～8μs）时，AIB与BV/TV主要表现为负相关性。T2的影响较小，只在T2较小时(＜2μs)，引起相关性的波动。(3)在不同的超声信号频率(0.5～10MHz)下，AIB与BV/TV的相关性也不同:当频率较低时(＜2.25MHz)，更容易得到正相关性;当频率较高时，更适宜观察负相关性。据此，本文提出了各个感兴趣频率段(0.5～10MHz)下，明确而统一的SOI选取标准和相应的超声背散射骨质评价标准。
　　5.研究皮质骨对超声背散射信号的影响及补偿方法
　　在体测量时，皮质骨对松质骨超声背散射准确的评价产生不可避免的干扰。通过仿真研究了皮质骨厚度(CTh)与超声背散射信号的关系。在较宽的频带(1～3.5MHz)内，AIB随CTh的增加而波动下降（R=-0.72～-0.90，p＜0.001），且CTh＜2.18mm时，AIB波动较大;减掉皮质骨的多次反射波干扰后，AIB-c显著地降低(p＜0.05)，且波动较小;采用本文提出的补偿算法后，补偿后的AIB与CTh显著不相关（R=-0.02～0.01，p＞0.05），且波动得到明显抑制。结果表明，本文提出的补偿算法能有效地补偿皮质骨对超声背散射测量的影响。
　　超声背散射与骨小梁材料和排列方向的研究完善了松质骨超声背散射理论，超声背散射信号选取标准和皮质骨干扰的研究解决了在体测量中的关键问题，本文研究工作推动了超声背散射应用于松质骨骨质评价，对超声背散射法应用于临床诊断骨质疏松症有较大促进作用。

目录

摘要

第一章 综述

1．1 引言

1．2 松质骨概述

1．2．1 松质骨结构

1．2．2 松质骨材料

1．2．3 松质骨疾病

1．3 松质骨的超声评价

1．3．1 超声透射法

1．3．2 超声背散射法

1．4 国内外研究现状

1．4．1 研究现状

1．4．2 存在的问题

1．4．3 研究的意义

1．5 本文的主要工作及创新点

1．5．1 主要工作

1．5．2 创新点

1．6 小结

参考文献

第二章 松质骨超声背散射仿真系统

2．1 引言

2．2 超声波动理论

2．3 时域有限差分法

2．3．1 基本原理

2．3．2 有限差分离散

2．3．3 初始条件

2．3．4 边界条件

2．3．5 激励条件

2．4 仿真系统

2．4．1 松质骨模型

2．4．2 超声探头设置

2．4．3 仿真示例

2．4．4 系统应用评价

2．5 小结

参考文献

第三章 超声背散射实验系统及信号处理

3．1 引言

3．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．4 信号分析

3．5 参数计算

3．6 小结

参考文献

第四章 超声背散射与骨小梁材料特性的关系

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 松质骨模型

4．2．2 仿真设置

4．2．3 仿真信号分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 骨小梁密度对背散射信号的影响

4．3．2 骨小梁拉梅系数对背散射信号的影响

4．3．3 骨小梁粘度系数对背散射信号的影响

4．3．4 骨小梁声阻抗系数对背散射信号的影响

4．4 小结

参考文献

第五章 超声背散射与骨小梁排列方向的关系

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 松质骨样本的制各

5．2．2 骨样本微结构的测量

5．2．3 超声背散射测量

5．2．4 超声背散射信号分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同频率段的背散射信号与骨样本角度的关系

5．3．2 不同感兴趣域的背散射信号与骨样本角度的关系

5．3．3 超声背散射信号与松质骨各向异性度的关系

5．4 小结

参考文献

第六章 超声背散射信号选取标准

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 松质骨样本的制备

6．2．2 松质骨样本的微结构

6．2．3 超声背散射离体实验

6．2．4 超声背散射信号分析

6．3 信号选取与超声背散射参数的关系

6．3．1 信号选取对背散射参数的影响

6．3．2 基于背散射参数的信号选取标准

6．4 信号选取与松质骨超声背散射评价的关系

6．4．1 信号选取对松质骨背散射评价的影响

6．4．2 基于松质骨背散射评价的信号选取标准

6．5 信号选取标准对松质骨超声背散射评价的意义

6．6 小结

参考文献

第七章 皮质骨对超声背散射信号的干扰与补偿

7．1 引言

7．2 材料与方法

7．2．1 骨模型

7．2．2 仿真设置

7．2．3 信号分析

7．3 结果与讨论

7．3．1 皮质骨对超声背散射信号的影响

7．3．2 皮质骨对背散射信号影响的补偿

7．4 小结

参考文献

第八章 总结与展望

8．1 引言

8．2 总结分析

8．2．1 松质骨超声背散射仿真系统

8．2．2 超声背散射与骨小梁材料特性的研究

8．2．3 超声背散射与骨小梁排列方向的研究

8．2．4 超声背散射信号选取标准

8．2．5 皮质骨的干扰与补偿

8．3 工作展望

8．3．1 松质骨超声背散射理论

8．3．2 在体测量及应用的问题

8．3．3 松质骨超声背散射临床数据库

参考文献

附录 博士期间发表的论文

致谢

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