基于光声二维谱分析的骨质全面评估方法研究

Osteoporosis is a systemic and metabolic disease characterized by osteopenia, degeneration of bone micro-structure, and alteration of bone chemical composition. In recent years, the photoacoustic (PA) imaging has been a hot topic in the medical imaging and diagnosis field, for its unique optical absorption selectivity and deep ultrasonic penetration. However, the application of PA imaging in the bone assessment is seriously restricted by effects, the complexity of bone makes, on the acoustic propagation. To address this issue, we plan to explore a new bone assessment method based on a two-dimensional (2D) physio-chemical spectrogram (PCS), which combine micrometer to centimeter morphology and chemical composition simultaneously generated for each biological tissue. This spectrogram could presents a unique 2D “physio-chemical signature” for any specific type of tissue. The main idea is comprehensive analysis of PCS from bone, termed PA physio-chemical analysis (PAPCA), lead to very rich diagnostic information without ionizing and invasive, including the contents of the bone microstructure along with their metabolic information. The main contents include four aspects as follows: 1) building the 3D PA simulation model of bone PA detection, 2) theoretical analysis on the relationship between the PAPCSA and physicochemical characteristics, 3) researches on detections of the bone micro-structure and metabolic information based on PAPCA, 4) researches on classification of PAPCA bone assessment based on the machine learning. This project will bring further development of bone full assessment and promote the applications of PA detection in the bone assessment.

骨质疏松是一种以骨量减少、骨微结构变化并伴随着化学成分改变的全身性、代谢性骨质疾病。近年来，光声成像以独特的光吸收选择性及声的深穿透特点，已成为医学检测中的前沿和热点。然而骨质的复杂特性对声传播的影响，极大限制了光声成像在骨质评估中的应用。针对此问题，本项目拟探索一种基于光声二维谱分析的骨质全面评估机制及量化方法。其中心思想是，避开对时域信号直接成像检测，通过对化学成分敏感的光谱分析以及与组织结构相关的声谱分析，提供每块骨质特有的“物理化学特征”，从而实现对骨质微结构和代谢信息的无辐射无创检测。具体内容包括：针对光声骨质检测的三维仿真、光声二维谱与骨质物理化学特性之间关系的理论分析、基于光声二维谱分析的骨质微结构及代谢信息的检测机制研究、基于机器学习的光声二维谱骨质评估的分类方法研究。该项目研究对丰富骨质全面评估的研究内涵，推动光声检测方法在骨质评估中的应用具有重要意义。

本研究根据该项目研究需求，首先基于光声理论研究，建立了光声三维仿真模型，在该仿真模型基础上，完成了光在骨骼内的分布及衰减情况模拟，以及光声信号在骨骼内的产生、传播及衰减情况模拟；其次，基于光声信号频域分析，完成了光声信号与骨微结构（骨小梁厚度）之间的关系研究，提出了光声骨微结构量化评估方法；另外，基于多波长光声谱分析，完成了对骨骼内化学成分的评估方法探究，提出了基于光声检测的骨化学成分量化方法。主要完成情况如下：1) 基于理论研究，建立了光声骨质评估的三维仿真模型，该模型可分别对光在骨质内的分布情况进行仿真模拟，以及对光声信号在骨质内的产生及传播进行数值仿真模拟；2).基于该数值仿真模型，研究了光声物理化学谱与骨质物理化学特性之间关系；3) 基于光声功率谱（物理谱）实验研究，探索了人体骨骼的骨小梁粗细与光声功率谱量化参数之间的关系； 4) 基于多波长光声光谱（化学谱）实验研究，探索了骨内不同化学成分变化对多波长光声光谱的影响； 5) 分别研究了光声物理化学谱的量化方法，并探索了光声量化参数与金标准检测结果之间的相关性。该项研究证明了光声物理化学谱可以实现对骨骼的微结构及化学成分变化的定量分析，并与金标准结果具有较好的相关性。该项目研究对丰富骨质全面评估的研究内涵，推动光声检测方法在骨质评估中的应用具有重要意义。