超声背散射法评价松质骨各向异性微结构的方法研究

As the aged population continues to grow in modern society, osteoporosis and its diagnosis techniques are attracting more and more attention. Ultrasonic backscatter has shown great potential in cancellous bone evaluation, as the backscatter can provide information about the bone mass and the trabecular microstructure which cannot be provided by the X-ray based methods. However, the backscattering mechanism of ultrasound in the anisotropic trabecular microstructure has not been fully understood and the cortical bone significantly influenced the in-vivo backscatter measurements. These key issues obstruct the clinical application of ultrasonic backscatter for osteoporosis diagnosis. . This proposal is carried out with theoretical analysis, numerical simulation and in-vitro/ in-vivo experiments. Our focus is on the relationship between the ultrasonic backscatter and the anisotropic trabecular microstructure. We will investigate the feasibility of using the backscatter method to estimate the anisotropic microstructure information. The influence of the cortical bone on the backscatter measurement will be analyzed and the compensation method will be also proposed.. The research achievements of this proposal will enrich the theory for ultrasound propagation in the anisotropic complex medium, and provide new approach and method for cancellous bone evaluation (scientific significance). This proposal also furthers the clinical application of ultrasonic backscatter for osteoporosis diagnosis, with important significance for preventing fragile fracture and improving the health level and the quality of life (application value).

随着现代社会老龄化加剧，骨质疏松症及其诊断技术得到越来越多的关注。超声背散射法可以反映骨量状况和X射线无法提供的微结构信息，在骨质评价方面极具潜力。但是目前超声在松质骨各向异性微结构中的背散射机制仍未被充分理解，皮质骨对在体背散射测量也存在严重地干扰。这些关键问题阻碍了超声背散射法诊断骨质疏松症的临床应用。. 本项目通过理论分析，数值仿真结合离体、在体实验等方法，重点研究超声背散射与松质骨各向异性微结构的关系，分析背散射法估计松质骨各向异性微结构信息的可行性；研究皮质骨对背散射测量的影响，并提出影响补偿方案。. 本项目研究成果不仅能丰富超声在各向异性复杂介质中传播规律的理论研究，为骨质评价提供新的思路和方法（科学意义），而且还能促进超声背散射法诊断骨质疏松症的临床应用，对预防脆性骨折以及提高人民健康水平与生活质量具有极其重要的意义（应用价值）。

超声因其特有的无损、无电离辐射、价廉、便携及快速等优点，在骨质评价方面逐渐获得关注。理论上，超声不仅能反映骨矿物质含量，还能反映骨微结构及弹性模量信息。然而，骨骼系统是具有强烈各向异性的复杂错层结构，其中的超声传播规律和散射机理仍未被充分理解，使得超声背散射应用于骨质评价受到严重限制。.本项目旨在研究超声背散射评价松质骨各向异性微结构与病变情况，研究内容主要包括各向异性松质骨中超声传播与散射机理（理论规律）、各向异性松质骨超声评价方法（算法研究）和超声骨质评价的临床应用测试与可行性研究（测试验证）。研究计划和内容已经充分达成，主要获得研究成果为：（1）项目通过理论分析、数值仿真结合离体实验研究，建立板状和棒状骨小梁超声背散射的理论模型，揭示了超声在各向异性复杂松质骨中的传播规律与背散射机理；（2）项目通过数值仿真和离体实验，明确了超声背散射信号与松质骨各向异性微结构及骨密度的关系，提出了各向异性松质骨的超声背散射评价的关键方法与技术（包括统计分布特性评估、各向异性评价方法、背散射多参数融合技术以及骨小梁间距估计算法等）；（3）项目通过开展一系列超声背散射在体测量实验，验证了超声背散射评价成人及新生儿等人群骨质健康状况具有可行性，并提出了在体测量时背散射有效信号选取规则及骨质评价标准，有助于促进超声背散射法诊断骨质状况的临床应用。.本项目的研究成果不仅有助于促进超声在骨骼系统中传播规律的理论研究，丰富和发展各向异性复杂多孔介质中的超声测量理论，提出一些骨质超声评价的关键技术与测量方法，有助于推动超声背散射法临床应用于骨质评价和骨质疏松症的诊断，具有较好的临床应用价值和成果转化前景。