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全干式超声骨强度测量方法研究

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第1章 绪论

1.1 选题的背景与意义

1.2 研究现状

1.3 重点与难点问题分析

1.4 主要研究内容

1.5 本文组织结构

第2章 基于超声传播特性的骨强度测试方法与评价指标体系

2.1 超声波在骨骼中的传播特性

2.1.1 骨骼特性

2.1.2 超声波特性

2.1.3 超声波在骨骼中传播的理论模型

2.2 超声测量骨强度的方法与评价指标体系

2.2.1 宽带超声衰减(BUA)

2.2.2 超声波传播速度(SOS)

2.2.3 骨强度指数及其它评价指标

2.3 本章小结

第3章 全干式超声骨强度测量方法的建立

3.1 机械设计

3.1.1 总体结构设计

3.1.2 定位

3.1.3 耦合

3.2 电路设计

3.2.1 模拟电路

3.2.2 数字电路

3.3 软件设计

3.3.1 下位机软件

3.3.2 上位机软件

3.4 测量方法有效性的初步验证

3.5 本章小结

第4章 环境温度对超声测量结果的影响规律及其消除方法

4.1 温度对超声骨强度测量的影响规律

4.2 消除温度影响超声测量的方法

4.3 实验验证及结果

4.5 本章小结

第5章 全干式超声骨强度仪的重复性和有效性研究

5.1 重复性

5.1.1 重复性评估指标

5.1.2 短期重复性

5.1.3 中期重复性

5.1.4 与国外同类设备的重复性对比

5.2 有效性

5.2.1 与DEXA测量骨密度设备的相关性

5.2.2 与同类超声骨强度设备的相关性

5.3 本章小结

第6章 超声骨强度评价标准的初步建立

6.1 DEXA骨密度和超声骨强度评价标准简介

6.2 骨强度评价标准的初步建立

6,2.1 样本数据的采集方法

6.2.2 数据统计分析

6.2.3 初步建立评价标准

6.3 骨强度评价标准的评估

6.4 本章小结

第7章 全干式超声骨强度仪的应用研究

7.1 运动影响骨强度的研究

7.1.1 引言

7.1.2 实验方法

7.1.3 结果和讨论

7.2 左、右脚跟骨强度差异性的研究

7.2.1 引言

7.2.2 实验方法

7.2.3 实验结果

7.3 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 研究小结和创新之处

8.1.1 研究小结

8.1.2 创新之处

8.2 展望

参考文献

致谢

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摘要

骨质疏松症是一种常见的退行性疾病。随着我国人口的快速老龄化,骨质疏松和由此引发的骨折成为危害公众健康的一个重要问题。骨强度的定量检测评估是防治骨质疏松症的先决条件和有效手段,双能X射线、定量CT等方法可实现骨密度的精确测量,但仪器昂贵、操作复杂且具有辐射性,难以满足大规模筛查、普查和长期动态跟踪测评的需求。定量超声骨强度检测方法具有测量准确、无辐射、成本低和操作简便的优点,尤其适合基层社区和家庭日常健康检测的需求。针对这种情况,开展了全干式耦合的超声骨强度测量方法的研究,具体内容包括:
   1、一种全干式超声骨强度测量方法的
   基于超声波在骨骼中传播的理论模型和目前广泛应用的定量超声检测骨强度的原理及方法,建立了一种具有自主知识产权的全干式超声骨强度测量方法。该方法研制了柔软而富有弹性的全干式耦合器,对各种不同形状跟骨有较好的适应性,全干式耦合器的使用使测试安全性、操作方便性、使用寿命和跟骨宽度测量精度均有所提高;采用高精度力敏传感器实时检测跟骨夹紧力,保证每次测量夹紧程度的一致性;使用双向导轨、换档装置等实现跟骨的精确定位;利用电子技术实现了超声波信号的激发、接收、信号调理、A/D转换、存储和上传上位机;采用五点三次平滑算法实现超声波信号的有效软件去噪;采用快速傅立叶变换和最小二乘法线性拟合实现宽带超声衰减(BUA)的获取;采用阈值加极值的判别方法提取超声波传播时间特征点,进而获取超声传播速度(SOS)。
   2、环境温度对全干式超声骨强度测量结果的影响规律研究,并建立消除温度影响的方法
   通过实验详细分析了环境温度对全干式耦合的超声骨强度测量精度的影响规律,认识了全干式超声骨强度测量中消除温度影响的必要性。进而提出一种基于PWM闭环控制产生恒温热风的方法,该方法产生的恒温热风保证了超声传输通道温度的恒定,减小了环境温度对超声骨强度测量精度的影响,该方法的有效性通过实验得到了初步验证。
   3、全干式耦合的超声骨强度测量平台的重复性和有效性研究
   重复性评估:采用两个直接测量参数(BUA和SOS)的变异系数均方根百分比(CVRMS%)来评价重复性,分别选择了11人和18人进行了短期和长期的重复性实验,SOS,BUA的短期CVRMS%分别为0.30,4.24;中期CVRMS%分别为0.39,4.33,达到了国外同类设备的水平。有效性评估:与DEXA设备(GELunar Prodigy;GE,USA)的30人相关性实验表明,跟骨骨强度指数与腰椎骨密度相关系数r=0.793(p<0.01);与韩国超声骨强度设备(SONOST-3000)的15人相关性实验表明,自制测量平台所测跟骨骨强度指数与韩国仪器所测骨质指数的相关系数r=0.860(p<0.01),这些结果表明自主研制的全干式超声骨强度测量平台具有较好的有效性。
   4、初步建立了适合中国人群的成年人骨强度评价标准
   基于分层抽样方法从合肥、深圳、南京抽样采集500名成年人的骨强度测量数据。利用数理统计方法和曲线回归分析初步建立成年人的骨强度评价标准,包括男、女性骨强度随年龄变化的趋势曲线,男、女性平均骨强度峰值,男、女性性骨强度的标准差等信息。并运用Bland-Altman法对初步建立的成年人骨强度评价标准进行了评估,结果表明根据该评价标准作出的评价结果与DEXA的评价结果有较好的一致性。
   5、全干式超声骨强度仪的应用研究
   应用一:根据日常运动量的大小,将30名青年志愿者分为运动组和不运动组,采用t检验对两组骨强度均值进行分析,结果表明运动组的骨强度峰值显著高于不运动组,说明运动对于提高骨强度峰值有着重要的作用。应用二:采用Bland-Altman法对20人的左、右脚跟骨强度进行一致性分析,结果表明左、右脚跟骨的骨强度值无显著差别,用单只脚跟骨强度可以反映骨质状况。
   全干式超声骨强度测量方法具有高精度、低成本、操作简便等特点,在青少年骨骼生长发育评估、中老年人群骨质疏松症预防、骨折风险评估等方面拥有广阔应用前景。

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