微重力状态下定量超声背散射评价骨质的方法研究

The microgravity environment in space and the microgravity condition in long-term bed rest because of illness will both cause huge bone loss in human body, which greatly increases the bone fracture risk. Therefore, the bone evaluation and dynamic monitoring under microgravity condition is of great significance. This proposal studies the bone evaluation basis and methodology under microgravity condition based on ultrasonic backscatter method. The research is carried out with theoretical analysis, numerical simulation and in-vitro/in-vivo experiments. Our focus is on studying the law of the ultrasonic scattering and attenuation in bone microstructure under microgravity condition. Bone microstructure simulation model will be built up using numerical method. We plan to extract characteristics from the backscatter signal using signal processing algorithms. And a new comprehensive bone evaluation parameter under microgravity condition will be proposed. The correlation and sensibility between the new comprehensive parameter and the bone condition will be analyzed. At last, we will do longitudinal researches on the law of the bone evaluation and bone loss under microgravity condition. Based on the above, we will achieve comprehensive bone evaluation under microgravity condition. The scientific significance of the research is to explore a new method which can comprehensively evaluate the bone status (including bone mass and bone microstructure) under microgravity condition, to provide methods and techniques for long-term bone monitoring under microgravity condition, and to provide the basis for future researches in the protection and the recovery treatment of osteoporosis under microgravity condition.

太空中的微重力环境以及因病长期卧床的微重力状态都会造成人体骨质的大量流失，导致骨折发生的危险性大大提高，因此微重力状态下骨质流失的评价和动态监测具有十分重要的意义。项目拟采用超声背散射法研究微重力状态下的骨质评价基础和方法。将用理论分析、数值仿真和离体、在体实验等相结合的方法，重点研究微重力状态下超声在骨微结构中的散射及衰减规律；采用数值方法建立骨微结构仿真模型；探索从背散射信号中提取新特征参量的信号处理算法，提出微重力状态下骨质评价的综合评价参数；分析综合评价参数与骨质状况之间的相关性和敏感性；最后纵向研究微重力状态下骨质评价及骨质流失的规律。从而实现微重力状态下对骨质的综合评价。本项目研究的科学意义在于：探索微重力状态下全面评价骨质状况(骨量和骨微结构)的新方法，为长期动态监测微重力状态下人体的骨质变化提供方法和技术手段，为未来微重力环境下骨质疏松的防护及后期恢复治疗的研究提供基础。

微重力状态下的骨质评价和动态监测对航天医学以及长期卧床病人的健康都具有十分重要的意义。.本课题的研究内容分为五个方面：.1、超声背散射参数与松质骨微结构参数变化的敏感性仿真研究.通过FDTD仿真，模拟了不同骨质流失方式情况下，骨微结构的变化情况，得到相应的超声背散射参数。仿真结果表明，超声背散射参数能够反映出微重力状态下骨质流失的骨量变化（BMD）及骨微结构变化。.2. 设计并开展超声背散射在体测量新西兰兔不同状态骨流失的实验.采用126只新西兰兔，建立了-20度头低位（HDT）模拟微重力骨流失模型，并进行了为期20周的实验。实验分为3组：头低位（HDT）模拟微重力组、双侧卵巢切除（OVX）组、空白对照（Sham）组。HDT组在实验8周时初步出现骨流失。通过实验，得到不同分组的实验结果材料（血清和胫骨）和超声背散射信号数据。.3. 不同骨流失过程超声背散射参数与松质骨微结构变化关系.通过微CT扫描分析，获得了三组的微结构参数和BMD。对比分析得出了不同分组松质骨微结构参数变化过程和差异。指出超声背散射在体评价骨微结构时，超声背散射参数与微结构参数的最优组合，且具有较大的相关性（各向异性度（DA）：R=0.52，p<0.001；其他参数：0.58≤|R| ≤0.71，p<0.001）。为提高超声背散射骨质评价效果提供了新方法。.4. 不同骨流失过程超声背散射参数与松质骨BMD 变化关系.实验结果的分析表明微重力状态与绝经后两种情况下，超声背散射参数与BMD变化关系有明显区别。两组归一化散射差均值（nMBD）与BMD的关系存在较大差异（OVX：R=-0.67，P<0.01；HDT：R=0.5，P<0.05）。给出了超声背散射方法用于微重力状态下骨质评价的具体方法。.5. 超声背散射参数与骨代谢生化指标之间的关系.研究了超声背散射参数与骨代谢生化指标ALP和TRACP之间的关系，得出超声表观背散射频域斜率的截距（FIAB）与骨形成生化指标ALP 和骨吸收生化指标TRACP均具有较强的相关性关系（FIAB与ALP：R=0.64，p<0.001；FIAB与TRACP：R=0.51，p<0.001）。为微重力状态下超声背散射评价骨质提供了新的思路。