基于定量超聲的皮質骨和松質骨骨強度評價方法研究.pdf

1、骨質疏松癥是一種常見的退行性疾病。隨著中國社會老齡化的加劇，骨質疏松性人口數(shù)量逐年增加。當發(fā)生骨質疏松性骨折時，患者及其家庭將背負沉重的生活壓力和經濟負擔，嚴重影響國民的生活質量和幸福指數(shù)。同時，骨質疏松性骨折治療，大大增加了社會福利負擔和醫(yī)療負擔。世界衛(wèi)生組織(WHO)指出，對骨質疏松癥的篩查是預防骨質疏松性骨折最有效和最經濟可行的措施。目前，雙能X射線(DEXA)被認為是骨質狀況評價和骨質疏松診斷的金標準，可以用來檢測骨骼中的礦物質

2、密度(BMD)。然而，骨質疏松性骨折的發(fā)生是由于骨強度的下降導致骨的脆性骨折，而骨強度不僅與骨量BMD有關，還與骨的微觀結構有關。當前我國正大力推廣社區(qū)醫(yī)療建設，構建更加合理的社保體系。但DEXA因其設備昂貴、檢測時間長、存在一定量的輻射，孕婦和幼兒不宜長期使用檢測等因素，而難以在社區(qū)醫(yī)院和中小型醫(yī)院普及使用，因而不適合骨質疏松癥的篩查。定量超聲法(QUS)不僅可以檢測骨質“量”的信息(BMD)，還能反應骨骼“質”的信息（骨微觀結構），

3、而且QUS具有費用低、速度快、便攜、無電離輻射等優(yōu)點，被WHO認為是替代DEXA最經濟有效的診斷方法。根據(jù)測量方法和測量部位的不同，QUS用于骨質狀態(tài)的診斷分為皮質骨骨強度和松質骨骨強度評價方法的研究。然而，目前針對皮質骨骨強度和松質骨骨強度的研究還存在一些難點，如臨床上對皮質骨骨強度評價方法存在超聲特征參量(SOSFAS)識別率低、SOSAS與DEXA測量結果的相關性不高等問題。同樣，對松質骨孔隙率（影響松質骨骨強度大小重要指標之一）

4、的診斷和評價，也缺乏有效的手段和評價模型。本研究針對皮質骨骨強度評價參量(SOSFAS)識別率低等問題，提出了改進算法以提高SOSFAS與DEXA測量結果的相關性。同時，基于超聲功率譜，提出用于評價松質骨孔隙率大小的超聲特征參數(shù)APF，并開展了多參量融合評價松質骨骨強度模型的研究，通過臨床試驗驗證新模型的有效性。主要研究內容如下:
　　針對皮質骨骨強度評價研究，主要集中在以下兩點:
　　1.基于雙發(fā)雙收探頭結構的皮質骨骨強度

5、測試平臺的構建
　　鑒于骨質健康篩查和普查的適用性和低成本，本研究設計了一款基于雙發(fā)雙收探頭結構的便攜式皮質骨（橈骨、脛骨部位）骨密度測試儀。該儀器設計的硬件成本低，重量小于1.5千克，測量重復性好(CVRMS=0.18)，測量精度到達同類產品的水平，滿足骨質疏松癥普查和篩查需求。
　　2.皮質骨骨強度評價參量SOSFAS識別算法研究
　　針對皮質骨特征參量SOSFAS誤判率較高的問題，本研究在靜態(tài)時間窗的基礎上提出動

6、態(tài)時間窗算法，結合雙發(fā)雙收探頭結構，提出一種簡便有效的SOSFAS識別算法。該算法有效的消除了較厚軟組織對SOSFAS測量結果的影響，并對系統(tǒng)延時干擾具有較好的屏蔽效果。臨床試驗證明，橈骨遠端1/3處SOSFAS與同部位橈骨遠端33％處位置的DEXA測量結果顯著相關(r=0.81，P＜0.05)，比傳統(tǒng)的SOSFAS測量算法提高了測量精度。
　　針對松質骨骨強度評價研究，主要集中在以下兩點:
　　3.松質骨骨微觀結構超聲評價

7、參量研究
　　松質骨骨小梁微觀結構對松質骨骨強度影響至關重要。理論研究證明:超聲特征參量可以反映骨小梁的方向、厚度、間距和數(shù)量等微觀信息。然而，對影響骨小梁結構至關重要的骨小梁孔隙率的研究卻并不多。在體外(in vitro)實驗中，部分研究人員發(fā)現(xiàn)超聲被散射系數(shù)與松質骨孔隙率有較高的相關性，但在體內(invivo)實驗中缺乏有效的臨床實驗數(shù)據(jù)支持。鑒于超聲功率譜參數(shù)在檢測復合材料孔隙率中的應用，本研究提出采用超聲透射波信號的超聲功

8、率譜，研究超聲功率譜特征參量與松質骨孔隙率的關系。通過對50人臨床超聲透射波信號采集和分析發(fā)現(xiàn)，超聲功率譜特征參數(shù)APF，PF，F(xiàn)B，與腰椎L1-L4段DEXA測量結果BMD呈現(xiàn)不同的相關性，其中，APF與腰椎BMD顯著相關(r=-0.71，P＜0.05)。除此之外，APF與BMD呈現(xiàn)出非線性關系（特別是指數(shù)關系），這表明APF比SOS和BUA對骨質少孔和骨質疏松類人群的區(qū)分度更好、分辨率更高，因此可以作為新的評價松質骨骨強度的特征參量

9、。
　　4.松質骨骨強度評價模型的研究
　　近幾年對松質骨骨小梁結構的研究越來越受到重視，研究人員提出了各種新的超聲評價參數(shù)，然而更多的是單一參量的理論模型研究。因此，本研究通過采集50例臨床實驗數(shù)據(jù)，采用多參量線性回歸方法，初步構建了基于APF、BUA和SOS多參量評價骨強度的模型，并通過52例臨床實驗驗證模型的有效性。結果顯示:采用APF、BUA、SOS單一參量或BUA+SOS組合評價BMD時，與DEXA的相關性最大只有

10、0.89，RMSE最小為8.2％;當采用APF+BUA+SOS多參量融合BMD時，相關性最高達0.91，且RMSE為7.8％。同時，52例臨床驗證實驗結果表明:APF+BUA+SOS評價模型可以用于提高臨床對松質骨骨強度的評價精度。
　　總之，綜合皮質骨骨強度評價方法和松質骨骨強度評價方法，可以實現(xiàn)對外周骨（指骨、橈骨、脛骨和跟骨）的綜合評價，為構建骨質健康評價和健康促進小閉環(huán)系統(tǒng)提供理論和技術支持，從而實現(xiàn)對人體骨質健康狀態(tài)綜合