CN111110190A

CN111110190A - 一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法

Info

Publication number: CN111110190A
Application number: CN201911261084.3A
Authority: CN
Inventors: 封婷; 李子珺; 朱昀浩; 程茜; 袁杰
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明公开了一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法。该方法为：首先调节不同骨小梁材料参数，得到不同骨质弹性模量下的松质骨模型；然后对不同骨质弹性模量下的松质骨模型进行仿真，得到相应的光声时域信号，并对光声时域信号进行预处理，包括降噪和矫正信号；接着对矫正后的光声时域信号进行量化，得到量化参数与骨质弹性模量的关系；最后对待测的松质骨进行光声效应激发，得到相应光声时域信号，根据量化参数与骨质弹性模量的关系进行计算，得出待测的松质骨的骨质弹性模量。本发明具有无损伤、无辐射、检测成本低、操作方便的优点。

Description

一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法

技术领域

本发明涉及骨质评估技术领域，特别是一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法。

背景技术

骨质疏松性骨折具有较高的致残率和死亡率，给家庭和社会带来巨大的经济负担，骨质疏松症已成为世界的重要健康问题，受到人们广泛的关注和研究。目前临床常用的骨质评估方法主要基于X射线及定量超声。现有的诊断“金标准”是双能X射线吸收测定法(Dual X-ray absorptiometry,DXA)，可以提供一定的BMD信息，但这些信息只能表征一部分的骨强度变化，无法表征骨微结构、骨弹性等同样决定骨折发成几率的重要因素；其他的一些三维成像手段能够表征骨结构等信息，但存在辐射剂量大、价格高昂、操作复杂等缺点。因此，光声技术作为一种无损、非入侵式、高灵敏度的技术手段，不仅可以测量BMD等骨量参数，也可以反应出骨微结构、化学成分等骨质量相关信息，在骨质疏松诊断中有着十分广阔的应用前景。

医学研究表明，生物组织的病理变化往往会导致生物组织物理性质(力学性质、光物理性质和热物理性质等)的变化，因此认为生物组织的物理特性参数可以有效的表征生物组织的病理状态，从而有助于分析其病变情况。光声信号的产生是由组织被脉冲激光照射后产生热弹性膨胀后的受迫振动造成的，不仅包含生物组织光学特性的信息，还包含生物组织力学特性的信息。当生物组织的物理特性发生变化时，脉冲激光照射生物组织所产生的光声信号也会发生相应的变化，通过对光声信号的分析可以得到与生物组织物理特性相关的信息。光声成像中接收到的光声信号不仅对生物组织的光吸收系数敏感，同时也极易受到组织其它物理性质的影响，如弹性等。

现有的研究中，光声技术的应用集中在光声成像，其中大都是采用光声信号的强度信息作为成像参数，只考虑了信号强度对生物组织各部分光吸收系数差异的敏感性，而对信号强度与生物组织其他物理参数的关系研究尚少，所得到的图像也仅仅反应了生物组织中各部分光吸收系数的分布情况，并且光声成像被较多的用于对软组织类疾病诊断研究中，如乳腺癌、前列腺癌、皮肤癌等各种肿瘤类疾病、以及血管类疾病研究中，缺乏对硬组织疾病如骨质疏松等的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无损伤、无辐射、检测成本低、操作方便的利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，包括以下步骤：

步骤1、调节不同骨小梁材料参数，得到不同骨质弹性模量下的松质骨模型；

步骤2、对不同骨质弹性模量下的松质骨模型进行仿真，得到相应的光声时域信号；

步骤3、对光声时域信号进行预处理，包括降噪和矫正信号；

步骤4、对矫正后的光声时域信号进行量化，得到量化参数与骨质弹性模量的关系；

步骤5、对待测的松质骨进行光声效应激发，得到相应光声时域信号，根据量化参数与骨质弹性模量的关系进行计算，得出待测的松质骨的骨质弹性模量。

进一步地，步骤1中所述的调节不同骨小梁材料参数，具体如下：

所述的骨小梁材料参数包括骨小梁密度、骨小梁拉梅常数、骨小梁厚度，其中骨小梁密度、骨小梁拉梅常数、骨小梁厚度均与骨质弹性模量成正比。

进一步地，步骤4中所述的量化参数，具体如下：

所述的量化参数包括峰值衰减率Pr和光声信号半高宽FWHM，其中：

峰值衰减率Pr为最高峰峰值和次高峰峰值的比值；

光声信号半高宽FWHM为从最高峰上升沿最大幅值50％处到下降沿最大幅值50％处所对应的光声信号持续时间。

进一步地，步骤4中所述的量化参数与骨质弹性模量的关系，具体如下：

峰值衰减率Pr与骨质弹性模量成正比；

光声信号半高宽FWHM与骨质弹性模量成反比。

进一步地，在步骤5所述的对待测的松质骨进行光声效应激发，得到相应光声时域信号，根据量化参数与骨质弹性模量的关系进行计算，得出待测的松质骨的骨质弹性模量之后，还包括以下步骤：将得到的骨质弹性模量与参照组数据进行比较，以评估骨质弹性模量。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)无创伤性，无辐射性，与金标准DXA方法相比较，避免X射线透射，安全性好；(2)提高了对骨质量的评价能力，现有的金标准DXA方法只能测定骨矿物质密度，无法表征骨弹性这一同样决定骨折的重要因素；(3)可选择性的对骨松质部位进行评估。

附图说明

图1为本发明利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法的实验系统结构示意图。

图2为本发明实施例中系统产生的光声时域信号曲线图。

图3为发明实施例中计算峰值衰减率Pr时参数提取示意图。

图4为发明实施例中计算光声信号半高宽FWHM时参数提取示意图。

具体实施方式

本发明利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，包括以下步骤：

步骤3、对光声时域信号进行预处理，包括降噪和矫正信号；

进一步地，步骤4中所述的量化参数，具体如下：

峰值衰减率Pr为最高峰峰值和次高峰峰值的比值；

峰值衰减率Pr与骨质弹性模量成正比；

光声信号半高宽FWHM与骨质弹性模量成反比。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

结合图1，本发明一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，包括以下步骤：

步骤3、对光声时域信号进行预处理，包括降噪和矫正信号；

步骤4、对矫正后的光声时域信号进行量化，得到量化参数与骨质弹性模量的关系，具体如下：

峰值衰减率Pr为最高峰峰值和次高峰峰值的比值；

图2为本实施例中系统产生的光声时域信号曲线图，对矫正后的光声时域信号进行分析，计算峰值衰减率Pr和光声信号半高宽FWHM，如图3所示，Pr＝maxv1/maxv2，其中，maxv1为最高峰峰值，maxv2为次高峰峰值；FWHM为图4所示光声信号持续时间。

步骤5、对待测的松质骨进行光声效应激发，得到相应光声时域信号，根据量化参数与骨质弹性模量的关系进行计算，得出待测的松质骨的骨质弹性模量，具体如下：

对待测的骨小梁材料参数未知的松质骨进行仿真，得到相应光声时域信号，根据量化参数与骨质弹性模量的关系进行计算，与参照组数据进行比较，评估骨质弹性模量是否正常。

本发明利用光声时域信号对骨质弹性模量进行评估，与传统骨质评估技术相比，对人体无辐射，表征骨弹性这一决定骨折的重要因素，为骨质疏松的诊断提供更为准确的帮助。

Claims

1.一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3、对光声时域信号进行预处理，包括降噪和矫正信号；

2.根据权利要求1所述的利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，其特征在于，步骤1中所述的调节不同骨小梁材料参数，具体如下：

3.根据权利要求1所述的利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，其特征在于，步骤4中所述的量化参数，具体如下：

峰值衰减率Pr为最高峰峰值和次高峰峰值的比值；

4.根据权利要求1所述的利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，其特征在于，步骤4中所述的量化参数与骨质弹性模量的关系，具体如下：

峰值衰减率Pr与骨质弹性模量成正比；

光声信号半高宽FWHM与骨质弹性模量成反比。

5.根据权利要求1所述的利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，其特征在于，在步骤5所述的对待测的松质骨进行光声效应激发，得到相应光声时域信号，根据量化参数与骨质弹性模量的关系进行计算，得出待测的松质骨的骨质弹性模量之后，还包括以下步骤：将得到的骨质弹性模量与参照组数据进行比较，以评估骨质弹性模量。