新生儿超声背向散射仪评价松质骨

336工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn研究医疗器械-产品工程2015，1（3）：336-343DOI 10.15302/J-ENG-2015079超声背向散射仪在新生儿松质骨评价中的应用刘成成1，张荣2，李颖1，徐锋1，戴院长1，3*，王伟奇1摘要超声背向散射技术作为一种无创性松质骨评估工具已显示出前景。 本文介绍一种新型超声背向散射骨诊断仪及其在新生儿骨评价中的应用。UBBD提供了几个优点，包括非侵入性、非电离辐射、便携性和简单性。 在这项研究中，反向散射信号可以在5秒内测量，使用UBBD对467名新生儿（268名男性和199名女性）的左跟骨进行超声背向散射测量。反向散射信号测量为中心频率为3.5MHz。改变感兴趣的背向散射信号（SOI）的延迟时间（T1）和持续时间（T2结果表明，SOI选择对松质骨评价有直接影响。AIB、FIAB与孕周呈正相关（|R|<当T1较短（<8 µs）时，最高可达0.45，P 0.001），而负相关（|R|高达0.56，P< 0.001），通常在T1> 10 µs时观察到。中度正相关（|R|<当T1较长（> 10 µs）时，观察到FSAB和SCS与胎龄的相关性（最高0.45，P 0.001）。T2主要引起观测相关系数的波动。与UBBD观察到的中度相关性证明了使用反向散射信号评估新生儿骨状态的可行性。 这项研究还提出了一个明确的标准，在体内SOI选择和新生儿松质骨评估。关键词超声背向散射，松质骨评价，感兴趣信号（SOI），背向散射仪，新生儿骨状态1引言目前，骨状况评估主要基于X射线密度测定技术，如定量计算机断层扫描（QCT）、双能X射线吸收测定法（DXA）和外周定量计算机断层扫描（pQCT）[1，2]。DXA提供的骨密度（BMD）在临床上广泛用于评价骨质量和预测骨折风险[3-5]。然而，一个缺点在这些基于X射线的方法中，电离辐射限制了它们在诸如孕妇和新生儿等特殊人群中的应用。因此，开发替代技术具有重要意义。定量超声（QUS）作为骨状态评估的无创工具已引起极大关注[6-11]。超声除了具有安全、无电离辐射、携带方便、价格低廉等优点外，还可以反映骨结构和弹性模量等信息。用于松质骨评价的QUS主要分为两种方法：穿透透射和反向散射。电磁传输测量使用两个传感器，一个作为发射器，一个作为接收器。这些类型的测量通常在可由两个换能器访问的骨骼部位（诸如跟骨）上执行。宽带超声衰减（BUA）和声速（SOS）是两个最常见的穿透参数[12-14]。许多临床QUS仪器都是基于穿透传输方法开发的[7，15-17]。在过去的几十年里，研究人员一直专注于松质骨评价的超声背散射技术[9-11，18]。与通过传输测量不同，反向散射技术使用单个换能器来传输和接收超声信号，并且可以更容易地接近骨质疏松敏感的骨骼，例如髋关节和脊柱。几项研究表明，反向散射信号与骨特征密切相关，包括数密度、BMD、极限强度、尺寸、形状和弹性特性[19-28]。反向散射信号对松质骨的显微结构敏感，因此可以从反向散射信号中提取骨小梁显微结构信息[29，30]。最近，一些研究进行了体内背散射1复旦大学电子工程系，上海200433;2复旦大学附属儿童医院新生儿科，上海201102; 3上海市* 通讯作者。电子邮件地址：tda@fudan.edu.cn接收日期：2015年8月3日;接收日期：2015年8月27日;接受日期：2015年9月4日作者（S）2015出版社：Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）337www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程医疗器械-文章研究测量并研究了在临床中使用反向散射信号评估骨状态的可行性[11，28，31-34]。在之前的研究中，我们研究了所选反向散射信号对反向散射参数测量值的影响，并提出了体外松质骨反向散射测量的信号选择标准[35]。松质骨评价的体内信号选择标准有待分析。新生儿和儿童早期阶段的骨营养状况与以后的骨骼发育显著相关[32，36]。由于出生时缺乏储存钙和磷的能力，新生儿患代谢性骨病的风险很高[37-39]。因此，监测新生儿骨营养状况，预防代谢性骨病的发生，具有重要意义。目前，新生儿骨骼评估是基于特定生化标志物的血液测试。然而，生化标志物（血清钙、磷和碱性磷酸酶）与BMD仅弱相关[40，41]。此外，血液检查是侵入性的，通常不适合新生儿，尤其是早产儿。由于电离辐射和相对较低的灵敏度，基于X射线的密度测定技术通常不用于新生儿[42]。与常规X线及生化指标相比，QUS具有安全、简便等优点。此前，研究人员已经研究了QUS用于新生儿骨骼评估的可行性[32，39]。基于超声背向散射法，研制了一种新型超声背向散射骨诊断仪. UBBD提供了几个优点，包括非侵入性、非电离辐射、便携性和简单性。最近，UBBD被用于对成人和新生儿进行背散射测量。Jiang等证明，UBBD测量的跟骨背向散射信号与BMD显著相关髋关节和脊柱（R= 0.63Zhang等人测量了患有UBBD的新生儿的反向散射信号，发现反向散射系数（BSC）与胎龄和出生身长之间存在显著相关性（R= 0.43这些研究证明了UBBD在体内松质骨背散射测量中的实用性。在这项研究中，我们使用UBBD对467名新生儿（268名男性和199名女性）的左跟骨进行了反向散射测量，并研究了使用反向散射信号表征新生儿骨状态的可行性。分析了选择感兴趣的背向散射信号（SOI）对新生儿骨评估的影响。本研究还优化了SOI的选择，并尝试提出新生儿松质骨评估中体内SOI选择的明确标准。2 材料和方法2.1 UBBD仪器该超声诊断仪基于Linux嵌入式系统开发，具有两个模块：超声信号发送和接收（USTR）模块和数据处理和显示（DPD）模块，如图1（a）所示USTR模块基于现场可编程门阵列（FPGA）。在USTR组件中，产生一个电压约为± 50 V的短脉冲激励超声换能器。由同一换能器接收的反向散射信号经过预处理和放大，并通过增益补偿电路，然后进行高速模数转换。接下来，将数字反向散射信号同时传输到DPD模块。DPD模块采用ARM9处理器作为中央处理单元。利用DPD模型对后向散射信号进行分析并计算后向散射参数。结果显示在带有触摸屏（9 in，1 in = 2.54 cm）的液晶显示器（LCD）上。该仪器还配备了外接键盘/鼠标和微型打印机。为统一预算编制和预算外资源开发了一个互动界面（图1（b））。具有不同中心频率的换能器是可互换的。系统发出短（2 µs）单周期正弦脉冲，用于脉冲回波组织声穿透。回波由相同的换能器接收，以12位精度放大和数字化，数据速率高达每秒40 000 000个样本。在5s内观察到背向散射信号。为了减少随机噪声，128个波形在时域中被平均，然后存储在系统中用于分析。USTR模块DPD模块（一）（b）第（1）款图1. （a）内部功能模块;（b）UBBD的表面外观。2.2 主题和人体测量共有467名新生儿（268名男性和199名女性）在中国上海复旦大学儿童医院新生儿科住院20厘米16厘研究医疗仪器-文章338工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn布拉夫study.排除标准：先天性畸形、遗传代谢性疾病、消化系统异常或骨骼疾病。记录出生时的胎龄、身长、体重和头围。表1列出了参与受试者的人体测量特征。表1.受试者的人体测量特征男女268 199由软组织和皮质骨反射和反向散射的噪声。如图2（b）所示，使用矩形窗口来选择反向散射SOI。时间窗口定位为6 µs后的时间延迟。延迟量定义为T1，时间窗长度定义为T2。用选定的SOI材料计算了背散射参数。表观后向散射系数（ABC（f））是一个函数，[23][24][25][26][27][28]出生年龄（天）253.9 ± 23.3 253.8 ± 25.7出生体重（g）2709.2 ± 824.9 2566.9 ± 839.9ABC（f）20 lgSSOI（f）SR（f）（一）出生身长（cm）32.4 ± 2.4 31.9 ± 2.6头围（cm）47.1 ± 4.2 46.3 ± 4.7注：数值为平均值±标准差（SD）。本研究由复旦大学附属儿童其中SSOI（f）和SR（f）分别是反向散射SOI和参考信号的幅度谱表观背向散射积分（AIB）是ABC在有效频带[fmin，fmax]中的平均值或积分值：最大ABC（f）df获得所有父母的知情同意。f最小值fmaxf min（二）2.3 反向散射测量使用UBBD进行反向散射测量。使用中心频率为3.5MHz的未聚焦换能器（V546，Amus-Panametrics Inc.，Waltham，MA，USA）。换能器的直径为0.25英寸，-6 dB带宽为3.07 MHz（1.62-4.69 MHz）。如图2（a）所示，将换能器垂直放置在脚跟的内部，并在30 ° C下测量反向散射信号。在感兴趣的频带中对ABC（f）进行线性回归。将表观反向散射的频率斜率（FSAB）和表观反向散射的零频截距（FIAB）分别确定为与ABC（f）拟合的直线的斜率和零频截距[20]。光谱质心偏移（SCS）定义如下[28，31]：每个受试者的左跟骨超声凝胶（Echo Jelly;FMax fS（f）df深圳市艾乐卡医疗设备有限公司 中国上海）被用于公司简介Soi最小值（三）为了将换能器耦合到跟骨fmaxS0（f）df的主题。设置UBBD的采样频率minSoi32.0 MHz。图2（b）显示了在3.5 MHz下从新生儿跟骨采集的典型后向散射信号。将置于纯水中的抛光钢板反射的信号作为参考信号（如图2（c）所示）。在记录新生儿跟骨背向散射信号后，UBBD系统对数据进行处理和分析。2.4 信号分析图2（b）中所示的信号包括激励信号（持续时间：0-2 µs）、软组织和皮质骨反射的信号（约6-10 µs）以及来自骨小梁的反向散射信号（10-20 µs）。分析所需的反向散射信号，不包括信号其中，SSOI（f）是背散射SOI的幅度谱; [fmin，fmax]对应于换能器的有效频带为1.62- 4.69MHz。对时间窗口的延迟（T1）和持续时间（T2）的操作允许使用不同的SOI计算AIB、FSAB、FIAB和SCS。2.5 统计分析计算受试者的人体测量参数的平均值和标准差（SD）值（表1）。四个后向散射参数之间的关系0.100.050.001.000.500.00（一）-0.05-0.100 5 10 15时间（μs）（b）第（1）款-0.50-1.0020 25 300 5 10 15 20 25 30时间（μs）（c）第（1）款图2.（a）在新生儿跟骨处进行的反向散射测量;（b）测量的反向散射信号;（c）参考信号。参考信号T1T2Soi振幅（V）振幅（V）布拉夫医疗器械-文章研究339www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程T1= 6.50 μs，T2= 2.34 μsR= 0.45，P0.001T1（μs）在不同的SOI选择下，使用散点图检查四个人体测量参数中的每一个。进行线性回归分析以确定后向散射参数与人体测量参数的相关性。使用单因素方差分析（ANOVA）检验统计学显著性。一个P<表2.新生儿人体测量参数间的相关性相关系数变量胎龄出生体重头围出生身长胎龄1---出生体重0.84**1--头围0.81**0.87**1-出生身长0.84**0.92**0.91**1注：**：P0.001。0.01被认为是统计学显著。3 结果背散射SOI通过T1和T2的变化而变化。相应的后向散射参数（AIB、FIAB、FSAB和SCS）与每个新生儿人体模型之间的相关性。-20-30-40–50–60-70180200220 240260-10-20-30–40–50–60280300 180200220240260280300计算RIC参数。并分析了新生儿体格参数之间的关系。SOI选择的影响怀孕年龄（天）(a)（b）第（1）款图3.两种典型SOI的AIB与孕周的关系（a）T1= 6.50 µs，T2= 2.34 µs;（b）T1= 12.75 µs，T2= 7.03 µs。测定用于新生儿骨评价的背散射参数3.1 四项人体测量参数之间的关系表2显示了人体测量参数之间的相关性。在胎龄、出生体重、头围和出生身长之间观察到显著的强相关性（R= 0.81的468101214161 2 3 4 5 6 7 8T2（μs）1.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0468101214161 2 3 4 5 6 7 8T2（μs）1.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0用人体测量参数表征新生儿的营养状况，并反映骨营养状况。由于四个人体测量参数彼此高度相关，因此将孕龄用作以下分析的代表性人体测量参数。3.2 SOI选择对AIB的影响新生儿骨评估图3显示了在两种典型的SOI选择下AIB与胎龄之间的关系。发现AIB与胎龄呈正相关（R= 0.45，P0.001），T1= 6.50 µs，T2= 2.34 µs。AIB与胎龄呈负相关（R== 7.03 µs。SOI选择对观察到的(a)（b）第（1）款图4.SOI选择对AIB与（a）胎龄，（b）出生体重相关性的影响图4（a）和图4（b）分别显示了胎龄和AIB与出生体重的关系。一般来说，正相关（|R|<当T1较短（<8 µs）时，观察到了0.45，P 0.001），而负相关（|R|高达0.56，P <0.001）更常见于T1大于10 µs。AIB与出生体重的关系与AIB与妊娠体重的关系相似年龄，与AIB与出生体重显示中度相关（|R|0.55，P<0.001）。3.3 SOI选择对FIAB和FSAB在新生儿骨评估中的影响FIAB和胎龄的相关系数绘制为以下函数：T1和T2分别在图5（a）和图5（b）中示出。在图5（a）中，当T1低于8 µs时，相关性为正。随着T1的增加，相关系数逐渐减小，最终变为负值.当T1约为13 µs时，观察到负性抑制（R=在图5（b）中，相关系数随着T2的增加而趋于减小，使得正相关性随着T2的增加而减弱，而负相关性随着T2的增加而增强。3.4 SOI选择对FSAB在新生儿骨评估中的影响图6显示了FSAB与胎龄之间的相关系数根-T1= 12.75 μs，T2= 7.03 μsR=最大值R= 0.45最小R=最大R= 0.50最小R=AIB（dB）AIB（dB）T1（μs）研究医疗仪器-文章340工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn0.40.20.0-0.2-0.44 6 8 10T1（μs）0.60.40.20.0-0.2-0.4-0.612 14 16 18 0 1 2 3 4 5 6 78T2（μs）4681012141612345678T2（μs）1.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0(a)（b）第（1）款图5.FIAB和胎龄之间的相关系数绘制为（a）T1和（b）T2。图6. SOI选择对FSAB与胎龄相关性的影响。一般来说，当T1较长时，观察到显著正相关大于10 μs。当T1为12.75 µs，T2为5.45µs。然而，当T1较短（10 µs）时，相关性非常弱且不显著。T2对相关性的影响很小，相关性确实T2较长（> 3 µs）时无变化3.5 SOI选择对SCS用于新生儿骨评估的影响图7（a）显示了SCS和胎龄的相关系数，绘制为一个关于T1和T2值的函数。当T1较短（10 µs）时，相关性非常弱且不显著。随着T1的增加，相关性由负变强.当T1约为13 µs时，观察到中度相关性（R= 0.41，P图7（b）绘制了SCS和胎龄的相关系数作为T2的函数。T2对观察到的相关性有复杂的影响，这意味着随着分析的SOI长度的变化，反向散射光谱也发生变化。4 讨论众所周知，骨发育与胎龄、出生体重和出生身长显著相关[43-45]。这些人体测量学特征反映了新生儿骨骼发育情况，可作为新生儿骨骼状况的一个指标。本研究分析了背向散射信号与胎龄、出生体重、出生身长和头围之间的关系。结果表明，背向散射信号与新生儿的人体测量特征有显著相关性。研究表明，新生儿松质骨的微观结构反映了新生儿骨营养状况。患有代谢性骨病的新生儿在松质骨的微观结构方面存在显著异常[45]。因此，测量松质骨可以帮助评估新生儿的骨营养状况。在本研究中，跟骨被选为感兴趣的部位，因为骨组织在跟骨主要是松质骨并且容易接近。跟骨中的外皮质壳和覆盖的软组织相对较薄且易弯曲，因此可以直接放置探头。表观反向散射没有补偿频率依赖性衍射和衰减效应。因此，除了背向散射效应外，表观背向散射参数（AIB、FSAB和FIAB）对衰减敏感。表观背向散射参数与孕龄的相关性是背向散射和衰减共同作用的结果。相关性（负或正）主要取决于哪种效应占主导地位。 当T1较短时（即，超声波传播长度小），衰减效应低于背向散射效应，背向散射效应主导了观测到的相关性。对于胎龄较长的新生儿，背向散射效应的优势比衰减效应更明显，因此AIB和FIAB值较大。因此，AIB和FIAB与胎龄呈正相关，0.50.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.34 6 8 10T1（μs）（一）T2=0.78μsT2 = 2.34μsT2 = 3.91μsT2 = 5.47μsT2 = 7.03μs12 14 16180.70.60.50.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.30 1 2 3 4 5 6 7 8T2（μs）(a)T1很短。相反，当T1足够长时，衰减效应（随超声波传播长度呈指数增加）占主导地位。 胎龄越长的新生儿AIB和FIAB值越小，FSAB值越大。这一观察结果是AIB和FIAB与胎龄呈负相关，FSAB与胎龄呈正相关的原因，当T1图7.SCS和胎龄之间的相关系数绘制为（a）T1和（b）T2。很长然而，人们发现，T1不应大于16 µs，因为T2=1.56μsT2 = 3.13μsT2 = 4.69μsT2 = 6.25μsT2 = 7.81μsT1=4.2μsT1 = 6.5μsT1 = 8.8μsT1= 11.2 μsT1= 13.5 μsT= 15.8 μs1最大值R= 0.45相关系数T1=4.2μsT1 = 6.5μsT1 = 8.8μsT1= 11.2 μsT1= 13.5 μsT= 15.8 μs1相关系数相关系数相关系数T1（μs）医疗器械-文章研究341www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程衰减产生具有较差信噪比的小SOI，这可能影响松质骨评估的准确性。T2是SOI长度，对应于超声询问的小梁体积。由于松质骨的各向异性和不均匀性，背散射截面随T2的变化而变化，背散射信号也随之波动。因此，背向散射参数与孕周的相关性随T2的变化而波动.我们最近的工作分析了SOI对体外松质骨表观背散射测量的影响[35]。在0.5 ~ 10 MHz频率范围内，短T1时AIB与骨体积分数（骨体积/总体积，BV/TV）呈显著正相关，长T1时AIB与骨体积分数呈负相关。这些体外结果与目前的体内结果一致。超声波在通过生物组织传播期间作为频率的函数衰减。通常，频率相关衰减的效果与低通滤波器的效果相似：较高频率的信号比较低频率的信号衰减得更多。结果，后向散射谱的质心与原始谱相比下移到较低值。当高斯脉冲在衰减与频率线性相关的介质中传播时，高斯频谱保持其高斯形式，而SCS与衰减系数、传播距离和带宽平方的乘积成比例[46]。传播距离对应于本研究中的T1随着T1的增加，SCS更明显.这可以解释为什么只有当T1足够长（约12-16 µs）时，才观察到SCS和胎龄的显著相关性。请注意，后向散射SCS受所有频率相关因素的影响：软组织、皮质骨和骨小梁中的衰减、皮质骨的透射系数和多重散射效应。目前的研究发现，明显的反向散射与胎龄显著相关（|R|0.45，P< 0.001），短T1（<8 µs）和负相关（|R|最高0.56，P<0.001）。这些发现与我们之前的研究一致，该研究发现ABC与T1 2 µs和T2 = 8 µs的胎龄呈正相关（R= 0.19Zhang等人还发现性别对出生时的骨骼状态没有影响[32]。男性和女性成年人之间的骨骼发育差异与激素水平，运动状态以及其他生理和环境因素更密切相关[43，44]。因此，本研究未分析基于性别的数据。在后向散射参数的分析中，我们没有考虑相位干扰。超声背向散射信号中经常会出现相位干扰。超声波的相长或相消干扰可能会在测量的后向散射参数中引入随机误差。相位干扰可能是本研究中观察到的弱相关性的一种解释。由于松质骨的严重衰减，对于成人松质骨评估，首选较低频率（1 MHz或2.25MHz）的换能器。考虑到新生儿的跟骨很小并且松质骨发育不好，通常建议使用相对较高频率（3.5 MHz和5 MHz）的探头[32]。因此，我们在本研究中使用了中心频率为3.5 MHz的换能器。我们只测量了每个新生儿跟骨的背向散射信号，没有进行空间扫描和平均。松质骨结构的高度统计学方差可能引入了一些随机误差。如果进行空间平均，则观察到的新生儿后向散射参数与人体测量特征之间的相关性可能更强。其他作者对新生儿进行了超声透射测量，发现QUS参数与胎龄和出生体重密切相关[39，43-45]。Teitelbaum等人获得了皮质骨SOS与出生体重之间的正相关性（R= 0.3;P 0.001）[39]。Rack等人发现，出生后第一周的QUS值与胎龄显著相关（R=0.5，P0.001），随访测量值与测量周内的体重呈正相关（R=0.4;P= 0.001）[47]。这些研究表明，QUS透射参数可用于评估新生儿的骨状态。本研究进行了反向散射测量，并证明表观反向散射可以更方便地用于评估新生儿骨状态，具有中度相关性。本研究还分析了SOI对新生儿松质骨表观背散射测量的影响。表3总结了利用明确的SOI选择对观察到的相关性的优化。本研究结果可为新生儿松质骨评价中SOI材料的选择提供参考。表3.用明确的SOI选择优化观察到的相关性。超声新生儿频率T1T2相关性参数参数（MHz）（µs）（µs）系数AIB胎龄3.56.502.340.45积极12.757.03-0.56负FIAB胎龄3.56.503.130.36积极12.757.03-0.50负FSAB胎龄3.512.755.470.45积极SCS胎龄3.513.533.910.41积极本文介绍了一种用于松质骨评价的超声背散射仪UBBD。其他研究也使用UBBD进行反向散射测量。Jiang等人测量了UBBD成人跟骨处的反向散射信号，发现反向散射信号与髋关节和脊柱BMD相关（R = 0.63 - 0.75，P 0.05）[31]。< Zhang等人还进行了反向散射测量在患有UBBD的新生儿跟骨中，并证明BSC可用于评估新生儿的骨营养状况[32]。这些研究证明了UBBD在体内松质骨背散射测量中的实用性。5 总结本研究进行了体内背向散射测量-研究医疗仪器-文章342工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn目的观察新生儿自身发育性UBBD跟骨骨折的临床疗效。通过改变SOI的选择，计算了后向散射参数，探讨了SOI选择对新生儿松质骨表观后向散射测量的影响。我们发现SOI选择显著影响了新生儿的背散射和人体测量特征之间的相关性。对于短T1（ 8 µs ） ， AIB 和 FIAB 与 胎 龄 呈 正 相 关 （ R2 高 达 0.20 ，P0.001），而对于T1> 10 µs，通常观察到负相关（R2高达0.31，P当T1较长（> 10 µs）时，观察到FSAB和SCS与年龄呈中度正相关（R2高达0.20，P根据实验结果，本研究提出了一个明确的标准，在体内SOI选择和新生儿松质骨评估。确认本工作得到了国家自然科学基金（11174060、11327405、11504057）、上海市科技支撑计划（13441901900）、教育部博士 点 基 金 （ 20130071110020 ） 、 国 家 博 士 后 科 学 基 金（2015M571490）的资助。遵守道德操守准则刘成成、张荣、李颖、徐峰、唐院长及王伟奇声明彼等并无利益冲突或财务冲突须予披露。引用1.K. 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