基于定量超声的皮质骨和松质骨骨强度评价方法研究

发布时间：2017-12-06 17:23

  本文关键词：基于定量超声的皮质骨和松质骨骨强度评价方法研究

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【摘要】：骨质疏松症是一种常见的退行性疾病。随着中国社会老龄化的加剧,骨质疏松性人口数量逐年增加。当发生骨质疏松性骨折时,患者及其家庭将背负沉重的生活压力和经济负担,严重影响国民的生活质量和幸福指数。同时,骨质疏松性骨折治疗,大大增加了社会福利负担和医疗负担。世界卫生组织(WHO)指出,对骨质疏松症的筛查是预防骨质疏松性骨折最有效和最经济可行的措施。目前,双能X射线(DEXA)被认为是骨质状况评价和骨质疏松诊断的金标准,可以用来检测骨骼中的矿物质密度(BMD)。然而,骨质疏松性骨折的发生是由于骨强度的下降导致骨的脆性骨折,而骨强度不仅与骨量BMD有关,还与骨的微观结构有关。当前我国正大力推广社区医疗建设,构建更加合理的社保体系。但DEXA因其设备昂贵、检测时间长、存在一定量的辐射,孕妇和幼儿不宜长期使用检测等因素,而难以在社区医院和中小型医院普及使用,因而不适合骨质疏松症的筛查。定量超声法(QUS)不仅可以检测骨质“量”的信息(BMD),还能反应骨骼“质”的信息(骨微观结构),而且QUS具有费用低、速度快、便携、无电离辐射等优点,被WHO认为是替代DEXA最经济有效的诊断方法。根据测量方法和测量部位的不同,QUS用于骨质状态的诊断分为皮质骨骨强度和松质骨骨强度评价方法的研究。然而,目前针对皮质骨骨强度和松质骨骨强度的研究还存在一些难点,如临床上对皮质骨骨强度评价方法存在超声特征参量(SOSFAS)识别率低、SOSFAS与DEXA测量结果的相关性不高等问题。同样,对松质骨孔隙率(影响松质骨骨强度大小重要指标之一)的诊断和评价,也缺乏有效的手段和评价模型。本研究针对皮质骨骨强度评价参量(SOSFAS)识别率低等问题,提出了改进算法以提高SOSFAS与DEXA测量结果的相关性。同时,基于超声功率谱,提出用于评价松质骨孔隙率大小的超声特征参数APF,并开展了多参量融合评价松质骨骨强度模型的研究,通过临床试验验证新模型的有效性。主要研究内容如下：针对皮质骨骨强度评价研究,主要集中在以下两点：1.基于双发双收探头结构的皮质骨骨强度测试平台的构建鉴于骨质健康筛查和普查的适用性和低成本,本研究设计了一款基于双发双收探头结构的便携式皮质骨(桡骨、胫骨部位)骨密度测试仪。该仪器设计的硬件成本低,重量小于1.5千克,测量重复性好(CVRMS=0.18),测量精度到达同类产品的水平,满足骨质疏松症普查和筛查需求。2.皮质骨骨强度评价参量SOSFAS识别算法研究针对皮质骨特征参量SOSFAS误判率较高的问题,本研究在静态时间窗的基础上提出动态时间窗算法,结合双发双收探头结构,提出一种简便有效的SOSFAS识别算法。该算法有效的消除了较厚软组织对SOSFAS测量结果的影响,并对系统延时干扰具有较好的屏蔽效果。临床试验证明,桡骨远端1/3处SOSFAS与同部位桡骨远端33%处位置的DEXA测量结果显著相关(r=0.81,P0.05),比传统的SOSFAS测量算法提高了测量精度。针对松质骨骨强度评价研究,主要集中在以下两点：3.松质骨骨微观结构超声评价参量研究松质骨骨小梁微观结构对松质骨骨强度影响至关重要。理论研究证明：超声特征参量可以反映骨小梁的方向、厚度、间距和数量等微观信息。然而,对影响骨小梁结构至关重要的骨小梁孔隙率的研究却并不多。在体外(in vitro)实验中,部分研究人员发现超声被散射系数与松质骨孔隙率有较高的相关性,但在体内(invivo)实验中缺乏有效的临床实验数据支持。鉴于超声功率谱参数在检测复合材料孔隙率中的应用,本研究提出采用超声透射波信号的超声功率谱,研究超声功率谱特征参量与松质骨孔隙率的关系。通过对50人临床超声透射波信号采集和分析发现,超声功率谱特征参数APF,PF,FB,与腰椎L1-L4段DEXA测量结果BMD呈现不同的相关性,其中,APF与腰椎BMD显著相关(r=-0.71,P0.05)。除此之外,APF与BMD呈现出非线性关系(特别是指数关系),这表明APF比SOS和BUA对骨质少孔和骨质疏松类人群的区分度更好、分辨率更高,因此可以作为新的评价松质骨骨强度的特征参量。4.松质骨骨强度评价模型的研究近几年对松质骨骨小梁结构的研究越来越受到重视,研究人员提出了各种新的超声评价参数,然而更多的是单一参量的理论模型研究。因此,本研究通过采集50例临床实验数据,采用多参量线性回归方法,初步构建了基于APF、BUA和SOS多参量评价骨强度的模型,并通过52例临床实验验证模型的有效性。结果显示：采用APF、BUA、SOS单一参量或BUA+SOS组合评价BMD时,与DEXA的相关性最大只有0.89,RMSE最小为8.2%；当采用APF+BUA+SOS多参量融合BMD时,相关性最高达0.91,且RMSE为7.8%。同时,52例临床验证实验结果表明：APF+BUA+SOS评价模型可以用于提高临床对松质骨骨强度的评价精度。总之,综合皮质骨骨强度评价方法和松质骨骨强度评价方法,可以实现对外周骨(指骨、桡骨、胫臂和跟骨)的综合评价,为构建骨质健康评价和健康促进小闭环系统提供理论和技术支持,从而实现对人体骨质健康状态综合评价目的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R580;TB559

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本文编号：1259397