Assessment of bone micro-structure using ultrasonic methods

使用超声波方法评估骨微结构

基本信息

  • 批准号:
    9168646
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 6.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-08-02 至 2018-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Osteoporosis is increasingly prevalent. It modifies microarchitecture and bone density and the assessment of both is required to predict bone competence accurately. Several studies have demonstrated the relationship between bone micro-architecture and bone strength. However, the current gold standard for fracture risk assessment relies on the X-ray characterization of bone mineral density alone. A quantitative, non-invasive and non-ionizing characterization of bone micro-architecture is currently not possible in vivo. There is therefore an unmet need. We propose to address this need by developing a novel technique for the assessment of bone micro- architecture using multiple scattering of ultrasound. We hypothesize that when multiple scattering occurs there is a measureable relationship between ultrasonic parameters, such as the scattering mean free path, and micro-architectural parameters, such as anisotropy, connectivity and trabecular separation. Our approach is based on the following two-fold paradigm: First: Combining the characterization of bone micro-architecture to the currently available assessment of bone mineral density would improve the diagnosis of fracture risk. Second: Ultrasound waves in the MHz range are subjected to multiple scattering by the micro-structure during propagation in bone. The resulting ultrasonic signals are complex and embed information on the micro- architecture. We will have the following specific aims: SA.1 Using numerical simulations, we will establish a quantitative relationship between bone micro- architecture and ultrasound parameters. We will create bone-like numerical media in which we will vary the micro-architectural and material properties independently, to study their individual influence on ultrasound propagation. SA.2 Using 3D printing, we will create bone phantoms with arbitrary and fully controlled micro-architecture. The relationship between the micro-architecture and ultrasound parameters will be experimentally studied in vitro in phantoms and real specimen. SA.3 Using mechanical testing, we will investigate the relationship between ultrasound parameters, micro- architecture and mechanical competence. If successful, this research will lead to a quantitative and non-ionizing ultrasound-based method to characterize bone micro-architecture. Ultimately, the methods developed will be used for screening, diagnosis and monitoring of osteoporosis. This research aims at limiting the use of ionizing and costly techniques for the diagnosis of osteoporosis.
骨质疏松症越来越普遍。它修改了微体系结构和骨密度以及评估 两者都需要准确预测骨骼能力。几项研究证明了这种关系 在骨微体系结构和骨骼强度之间。但是,当前裂缝风险的黄金标准 评估依赖于仅骨矿物质密度的X射线表征。定量,无创和 目前,骨微体系结构的非电离表征在体内不可能。因此有一个 未满足的需求。 我们建议通过开发一种新技术来评估骨微微体的新技术来满足这种需求。 使用超声的多个散射进行体系结构。我们假设当发生多个散射时 超声参数之间存在可测量的关系,例如散射平均值 路径和微构造参数,例如各向异性,连通性和小梁分离。 我们的方法基于以下两倍范例: 首先:将骨微体系结构的特征与当前可用的评估相结合 骨矿物质密度将改善断裂风险的诊断。 第二:MHz范围内的超声波受到微结构的多次散射 在骨骼传播期间。由此产生的超声信号是复杂的,并嵌入了有关微音的信息 建筑学。 我们将具有以下具体目标: SA.1使用数值模拟,我们将建立骨微微米之间的定量关系 体系结构和超声参数。我们将创建类似骨的数值媒体,在其中我们将改变 独立的微构造和材料特性,研究其个人对超声的影响 传播。 SA.2使用3D打印,我们将创建具有任意和完全控制的微体系结构的骨幻像。 微体系结构和超声参数之间的关系将在实验中研究 体外幻象和真实标本。 SA.3使用机械测试,我们将研究超声参数,微声明之间的关系 建筑和机械能力。 如果成功,这项研究将导致基于定量和非电离超声的方法 表征骨微体系结构。最终,开发的方法将用于筛选, 诊断和监测骨质疏松症。这项研究旨在限制使用电离和昂贵的使用 诊断骨质疏松症的技术。

项目成果

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