脱钙过程中松质骨力学参数与声学参数的相关性研究

【作者】 樊璠； 牛海军；

【机构】 北京航空航天大学生物与医学工程学院力生物学与生物力学教育部国家重点实验室；

【摘要】 目的骨质疏松症是由多种原因引起的全身性肌骨系统疾病,其主要表现为骨量减少、骨小梁变细、骨弹性下降以及骨折风险增加。近年来,定量超声技术作为一种便宜、无辐射的测量方法,已被广泛应用于骨质疏松症的早期筛检。但是,定量超声测量的准确性一直存在争议,一个重要原因就是骨声学特性与骨力学性质之间的关系不明确。本研究主要探索脱钙过程中松质骨样本的超声声学特性与其力学特性之间的相关性,为更加准确地评估骨质疏松状况提供依据和参考。方法松质骨样本采自于牛股骨近端,尺寸为（15×15×4）mm3,（15×15）mm2面为信号的采集面。本实验所用超声系统实验包括5800型宽带超声脉冲发生接收仪（Panametrics-NDT5800PR）一台,中心频率为1.0MHz的水浸聚焦换能器(Panametrics-NDT^TMV394-SU)一对以及A/D采集卡（CompuScope 12400,Gage,Canada）一块,超声信号采样频率为200MHz;所用力学实验系统为万能材料试验机（SHIMADZU AG-IS）。实验开始前,首先对样本进行脱脂处理。脱脂后的样本分别采用超声实验系统和力学实验系统进行超声透射信号和力学信号的采集,随后将样本浸泡于0.1mol/L的EDTA钠盐溶液中进行脱钙,每脱钙1小时重复进行超声透射信号和力学信号的采集,总共重复10次。之后,分别从所采集的信号中提取骨样本的声学参数（声速SOS、宽带超声衰减BUA以及超声幅值衰减AA）以及力学参数（杨氏模量E）,分析两类参数在骨钙流失过程中的变化规律,并采用SPSS软件分析二者之间的相关性。结果随着骨钙的流失,所有声学参数均逐渐减小,其中宽带超声衰减BUA的变化最为显著,脱钙10小时后减少为原来的21.5%;而声速SOS和超声幅值衰减AA的变化较平缓,分别减少为原来的87.4%和60.1%。骨杨氏模量E随着骨钙的流失而逐渐减少,10小时脱钙后骨杨氏模量E值仅为原样本的1 1.8%。超声参数与杨氏模量之间也存在显著的线性相关性,松质骨声速SOS、宽带超声衰减BUA、超声幅值衰减AA与杨氏模量E之间的相关系数分别为0.913（p<0.01）,0.988（p<0.01）和0.964（p<0.01）。结论杨氏模量的变化能够直接地反映骨的弹性和抗压能力的变化。本研究结果表明骨的超声参数与杨氏模量之间存在高度的线性关系,如果可以通过超声方法准确估计松质骨的力学参数,可以为基于超声的无创骨质疏松诊断提供更多参考信息。更多还原