基于光声差分衰减频谱的骨质评估仿真研究.pdf
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1、第 42 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.42,No.4Aug.,2023声学技术Technical Acoustics基于光声差分衰减频谱的骨质评估仿真研究余 东1,解维娅1,封 婷2,程 茜1(1.同济大学物理科学与工程学院声学研究所,上海 200092;2.南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094)摘要:光声层析成像术(Photoacoustic Tomography,PAT)在骨组织微结构的量化评估方面具有潜力,但在传统PAT工作模式下,松质骨的固液两相多孔结构导致骨小梁等分布式光吸收成分激发的光声信号混叠,增加了定量分析骨微结构特性的难度和复杂度。针对这一问
2、题,文章将PAT系统改进为偏心激励-差分检测模式,获取差分衰减频谱(Differential Attenuation Spectrum,DAS);并通过数值仿真计算和验证了松质骨孔隙率与光声差分衰减频谱特征参数的相关性。研究结果表明:提取的光声差分衰减频谱特征参数与骨头孔隙率呈强线性相关,基于光声差分衰减频谱的分析方法可有效实现骨质定量评估和诊断。关键词:光声技术;差分衰减频谱;骨质评估中图分类号:O426.1 O426.9 文献标志码:A 文章编号:1000-3630(2023)-04-0484-05Simulation of bone evaluation based on photoac
3、oustic differential attenuation spectrumYU Dong1,XIE Weiya1,FENG Ting2,CHENG Qian1(1.Institute of Acoustics,School of Physical Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Ji
4、angsu,China)Abstract:otoacoustic tomography(PAT)has the potential for the quantitative assessment of bone microstructure.However,due to the distributed solid-liquid two-phase porous structure of cancellous bone,the PA signals in the traditional PAT system are overlapped,which increases the difficult
5、y and complexity of the quantitative analysis of bone microstructure.To solve this problem,the PAT system is improved to the eccentric excitation-differential detection mode to obtain the differential attenuation spectrum(DAS).The correlation between the porosity of cancellous bone and the character
6、istic parameters of PADAS is calculated and verified by using numerical simulation.The results show that there is a strong linear correlation between the characteristic parameters of photoacoustic attenuation spectrum and bone porosity,which indicates that the analysis method of the photoacoustic di
7、fferential attenuation spectrum could effectively realize the quantitative evaluation and diagnosis of bone.Key words:photoacoustic technology;differential attenuation spectrum;bone assessment0引 言生物医学光声是近年来发展起来的一种非侵入式和非电离式的新型生物组织检测方法1-2。当不同波长的脉冲激光照射到生物组织时,组织中不同生物分子对光的吸收将产生超声信号,这种由光激发产生的超声信号被称为光声信号3。
8、光声技术在评估骨质疏松症方面具有显著优势,它既能提供骨矿物质、骨髓、血红蛋白、胶原蛋白等分子信息又能评估骨骼微结构信息和力学状态,在疾病的诊断中显示了巨大的潜力。光声技术在骨质评估中的研究已有一些成果。密歇根大学的Wang课题组研究了使用热光声测量和光声光谱分析两种技术评估大鼠小梁骨的骨矿物质密度和骨微结构的可行性,并且利用光声方法研究了不同波长处骨头的光声吸收谱和各种化学成分的光声谱4-6。Lashkari课题组通过双背向散射超声和光声雷达系统评估皮质骨和小梁骨的结构和密度变化7-8。Steinberg课题组使用了双模态多光谱光声系统来量化骨髓中的血脂比,该血脂比与长骨中的分子变化有关9。本
9、课题组前期研究了使用光声时频谱分析方法评估骨矿物质密度、骨微结构和化学成分的可行性10-11,利用多波长光声分析技术在数值模拟和离体实验中评估了动物模型和人体骨骼标本引用格式:余东,解维娅,封婷,等.基于光声差分衰减频谱的骨质评估仿真研究J.声学技术,2023,42(4):484-488.YU Dong,XIE Weiya,FENG Ting,et al.Simulation of bone evaluation based on photoacoustic differential attenuation spectrumJ.Technical Acoustics,2023,42(4):48
10、4-488.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2023.04.011收稿日期:2022-05-24;修回日期:2022-06-05基金项目:国家自然科学基金项目(12034015,11827808);上海市优秀学术带头人计划(21XD1403600)。作者简介:余东(1996),女,浙江金华人,硕士研究生,研究方向为生物医学检测超声。通信作者:程茜,E-mail:第 4 期余东等:基于光声差分衰减频谱的骨质评估仿真研究中的胶原含量12,还提出了一种用于定位和分割人体跟骨光声信号空间信息的超声引导的光声骨质评估方法,从而可以从其他信号中分离出小梁骨的信号13。在上述文献报道中,
11、通常采用激光扩束后覆盖整个骨样本以激发光声信号的方式。骨小梁、骨髓或者微血管等分布式的光吸收分子激发出的光声信号在固液两相多孔结构上形成复杂的多传播路径,最终检测到的信号是分布式骨微结构与分布式光声信号相互作用的结果,即在时间域与空间域上多维信息混叠的结果,这给定量分析骨微结构增加了难度和复杂度。为了更准确地量化评估骨微结构信息,本文对PAT系统进行改进:将扩束式光源改为弱聚焦式光源以分离局部光声信号,在辐照光斑中心与试样中心连线上设置一对远、近检测点以获取差分衰减频谱(Differential Attenuation Spectrum,DAS),并通过轴对称环形扫描方式考察骨微结构各向异性对
12、声速和DAS的影响。本文通过数值仿真计算和验证了松质骨的孔隙率与PADAS的相关性;提取了相应的衰减频谱特征参数,探讨了其进行骨质评估和诊断的潜力。1光声信号的数值模拟仿真与分析1.1松质骨样本模型为了研究松质骨的孔隙率对光声信号衰减频谱的影响,从人跟骨CT图中提取的直径为13.11 mm的圆形松质骨样本作为本文的仿真对象,如图1中1号骨组织所示,白色代表骨小梁,主要由骨矿物质构成,骨小梁间隙的黑色部分代表骨髓,圆形骨样本外侧黑色部分为耦合介质(水)。为模拟骨质疏松时孔隙率的变化,对上述图像进行二值化处理,提高二值化函数阈值,大于阈值的部分赋值1,即为白色,反之赋值0,为黑色,从而获得骨小梁逐
13、渐变细,孔隙率逐渐变大的样本图像,如图1中2号5号所示。图1中5块松质骨样本的孔隙率如表1所示。1.2光声激励-检测系统的改进本文将传统的PAT系统改进为偏心激励-差分检测模式,如图2所示。图2中,黑色代表骨小梁,白色代表骨髓,红色圆形区域为光声源,灰色长方形为检测点A和B所在位置。如图1所示,采用光斑直径为2 mm的弱聚焦脉冲光源辐照在图1中的骨头样本上激发局部的光声信号,光斑与圆形样本外缘内切,辐照区域为感兴趣区域(Region of Interest,ROI)。以光斑中心与骨样本中心连线为检测基准线,在样本外侧沿基准线设置一对近端和远端光声信号探测点A和B以获取差分光声信号,A和B距骨样
14、本中心距离均为8 mm;骨样本可围绕其中心旋转,即对骨样本进行环形扫描检测不同方向的ROI,以研究骨微结构的各向异性对声速和衰减频谱的影响。激光波长为骨矿物质的特征吸收波长,并假设仅由骨矿物质吸收,骨髓等其他物质不吸收该波长激光的能量。1.3松质骨样本的光声数值仿真参数为研究松质骨孔隙率对光声信号的影响,本文利用Matlab软件(R2018a)的k-wave工具包模拟松质骨样本在光源激励下产生和传播的光声信号14。仿真参数设置如下:骨小梁中的声速为3 200 ms-1,骨髓中的声速为1 500 ms-1,骨小梁的密度为1 850 kgm-3,骨髓的密度为1 000 kgm-314,骨松质的声衰
15、减系数为9.94 dB(MHzcm)-115,骨松质四周耦合介质的参数均采用水的各项声学参数;采样频率为500 MHz,数值模拟仿真时长为15 s,确保远端B检测点也可以采集到ROI产生的光声信号的完整直达波。同时,为了研究骨松质的光声衰减频谱是否存在各向异性,在仿真模型中,保持激光和检测点的位置不变,使每块圆形骨组织样本绕自身中心旋转,以30为间隔获取骨组织样本的12组光声信号。1.4快波声速的估算及有效信号范围的确定图3给出了1号骨组织样本在某一个角度下,图1 不同孔隙率的松质骨图片Fig.1 Pictures of cancellous bone with different poros
16、ities表1不同松质骨样本的孔隙率Table 1Porosities of different cancellous bone samples骨组织编号孔隙率/%165270375480585图2 偏心激励-差分检测模式的光声系统示意图Fig.2 Photoacoustic system diagram of the eccentric excitation-differential detection mode4852023 年声学技术A、B检测点接收到的时域信号。由于光声源在空间上有一定分布,光斑不同位置处的信号到达A检测点有时间差,为了确定A检测点有效信号的时间范围,首先根据B检测点接
17、收到的直达波初始时刻及其到光声源的距离,计算出5块骨组织样本的不同方向上各12组信号的声速,每块骨组织样本的最大、最小和平均声速如表2所示。由表2可知,在不同方向上的声速差别较小,波动均小于1%。根据每块样本的声速和光斑直径可估算光声直达信号到达A检测点的时间范围。由表2中的数值模拟仿真结果可以看出,骨组织样本的平均声速为1 6001 800 ms-1,结合模拟仿真中所用光斑直径为2 mm,由此可计算出在无衰减情况下,ROI产生的光声信号传播时间小于1.25 s。因此,选取A检测点接收到的前1.25 s内的有效信号作为ROI产生的光声直达信号,如图3(a)中虚线框中选中的信号所示。同时,选取B
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