超聲背散射法評價松質(zhì)骨狀況的參數(shù)估計及其成像研究.pdf

1、骨質(zhì)疏松癥是影響公眾健康的重要問題之一?；加泄琴|(zhì)疏松時,松質(zhì)骨的骨礦密度(BMD)下降、骨微結(jié)構(gòu)退化。相比于雙能X線吸收法(DXA)、定量CT(OCT)等診斷方法,超聲診斷具有無電離輻射、便捷、速度快、價格低廉等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的超聲透射法使用雙探頭獲得人體跟骨處的超聲透射信號,以參數(shù)寬帶超聲衰減(BUA)和超聲傳導(dǎo)速度(SOS)反映BMD信息。而超聲背散射方法使用單探頭,易于探測跟骨以外的骨組織(例如脊骨、腕骨等),且超聲背散射信號中含有全

2、部的骨微結(jié)構(gòu)信息,因而超聲背散射法診斷骨質(zhì)疏松的技術(shù)越來越受到研究者的重視。本文以松質(zhì)骨中的超聲背散射信號分析、松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)估計、超聲背散射參數(shù)成像為主線,主要研究了以下內(nèi)容:1.在介紹松質(zhì)骨超聲背散射模型的基礎(chǔ)上,實驗分析了單圓柱仿體的超聲背散射頻率特性,從而驗證單圓柱模型解釋松質(zhì)骨中超聲背散射的可行性,為超聲背散射信號中含有松質(zhì)骨的微結(jié)構(gòu)信息提供理論依據(jù)。2.在松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)中,主要的散射元為骨小梁,平均骨小梁間距(MTBS)是松

3、質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一,患有骨質(zhì)疏松時MTBS會增大。因此,在以上研究的基礎(chǔ)上,本文對直接從超聲背散射信號中估計MTBS的算法進(jìn)行研究。(1)提出適合松質(zhì)骨超聲背散射的仿真系統(tǒng),在系統(tǒng)中將影響MTBS估計的組織特性具體為四個主要參數(shù):MTBS、間距的標(biāo)準(zhǔn)差、彌散散射與規(guī)則散射的回波能量比、以及所有散射回波與噪聲的能量比。(2)提出兩種從超聲背散射信號中估計MTBS的算法:頻率域的改進(jìn)的倒譜算法和時間域的簡易反向濾波跟蹤(SIFT)算法

4、。通過仿真、仿體、離體牛脛骨、在體人體跟骨實驗將提出的算法與已有的常用算法進(jìn)行比較。其中,仿真信號由本文提出的適合松質(zhì)骨超聲背散射的仿真系統(tǒng)獲得;仿體、離體牛脛骨、在體人體跟骨信號由本文搭建的背散射系統(tǒng)獲得。實驗結(jié)果表明,改進(jìn)的倒譜方法比傳統(tǒng)倒譜方法有更大的有效MTBS估計范圍,并對骨小梁間距的變化、彌散散射和噪聲有更強的魯棒性;而提出的時間域的SIFT算法不僅比基于頻率域的方法(倒譜法和二次變換法)魯棒性更強,而且穩(wěn)定性更好。3.由于

5、松質(zhì)骨的各向異性,松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)中各點的聲特性并不一致,而超聲背散射參數(shù)成像可直觀給出一個區(qū)域的松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)信息。因此,本文對松質(zhì)骨超聲背散射參數(shù)成像進(jìn)行了研究。(1)提出基于超聲背散射法的超聲參數(shù)成像方法,對四個超聲參數(shù)(聲特性阻抗(Z_b)、表觀背散射系數(shù)(BC)、表觀積分背散射系數(shù)(AIB)、和頻譜偏移量(SMS))進(jìn)行估計,以離體牛脛骨為樣本實現(xiàn)了這四個參數(shù)成像;(2)對四個超聲參數(shù)與微CT獲得的松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)(平均骨小梁厚度(

6、Tb.Th)、平均骨小梁間距(Tb.Sp,微CT使用的MTBS術(shù)語)、骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、骨表面積體積比(BS/BV)和骨材料密度(BD))作了相關(guān)性分析。結(jié)果表明,Zb、BC、AIB、SMS參數(shù)圖像從不同角度給出了松質(zhì)骨物理特性的分布結(jié)果:①Z_b參數(shù)與骨微結(jié)構(gòu)無較強相關(guān)性(Tb.Th,r=-0.233;Tb.Sp,r=0.257),但與骨材料密度(BD)的相關(guān)性較強(r=0.448,p<0.05)。Z_b參數(shù)圖像表征的是不同位

7、置處松質(zhì)骨表面的物理特性。②BC和AIB參數(shù)與Tb.Sp有較強的負(fù)相關(guān)關(guān)系r=-0.513～0.596,p<0.01),而與Tb.Th呈現(xiàn)正相關(guān)(r=0.265～0.339),但相關(guān)性并不顯著,與BV/TV和BS/BV的相關(guān)性也并不明顯。BC和AIB參數(shù)圖像表征的是不同位置處松質(zhì)骨內(nèi)部骨小梁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的散射強度。③SMS參數(shù)與Tb.Th、Tb.Sp、BV/TV、BS/BV和BD均有較強相關(guān)性(Tb.Th,r=-0.699,p<0.01;T

8、b.Sp,r=0.477,p<0.05;BV/TV,r=-0.675,p<0.01;BS/BV,r=0.663,p<0.01;BD,r=0.663,p<0.01)。SMS參數(shù)圖像表征的是不同位置處松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)引起超聲能量損失的程度。④BC、AIB參數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差與骨結(jié)構(gòu)信息有較為顯著(p<0.01)的相關(guān)性(Tb.Th,r=-0.550～-0.645;Tb.Sp,r=0.405～0.627;BV/TV,r=-0.572～-0.668;BS/