动态监测骨质疏松性微结构退化的超声全波反演方法

贾琰; 陈玥甫; 江晨; 孙舒心; 刘成成; 他得安

doi:10.12395/0371-0025.2022106

动态监测骨质疏松性微结构退化的超声全波反演方法

doi: 10.12395/0371-0025.2022106

贾琰^1,,
陈玥甫¹,
江晨²,
孙舒心¹,
刘成成^1, ,,
他得安^{1, 3}

1.
复旦大学工程与应用技术研究院　上海　200433
2.
复旦大学信息科学与工程学院微纳系统中心　上海　200438
3.
复旦大学信息科学与工程学院生物医学工程中心　上海　200438

基金项目: 国家自然科学基金项目(12122403, 11874289)和上海市青年科技启明星项目(21QC1400100)资助

详细信息

通讯作者:
刘成成, chengchengliu@fudan.edu.cn

PACS: 43.35, 43.60
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出版历程
- 收稿日期: 2022-10-20
- 修回日期: 2022-12-02
- 刊出日期: 2023-11-02

Ultrasonic full-waveform inversion for dynamically monitoring bone micro-structure deterioration in osteoporosis progression

JIA Yan^1
,,
CHEN Yuefu¹,
JIANG Chen²,
SUN Shuxin¹,
LIU Chengcheng^{1
, ,},
TA Dean^{1, 3}

1.
Academy for Engineering and Technology, Fudan University　Shanghai　200433
2.
Micro-nano System Center, School of Information Science and Technology, Fudan University　Shanghai　200438
3.
Biomedical Engineering Center, School of Information Science and Technology, Fudan University　Shanghai　200438

摘要

摘要:
研究了基于全波反演(FWI)的骨骼超声层析成像方法, 用于动态监测骨质疏松性微结构退化的进程。采用雌性小鼠注射药物建立骨质疏松症模型, 在第0, 2, 4, 6周通过Micro-CT扫描活体小鼠, 重建获得小鼠股骨骨骼结构。以第0周骨骼结构为基准输入模型, 通过不同的超声收发模式(透射、反射及透射−反射双模式), 仿真分析了FWI监测不同骨质疏松进程的骨微结构退化的效果。结果表明, 初始模型为均匀介质(纯水)时, FWI反演失效, 不能准确重建骨骼结构。初始模型中考虑了基准骨骼结构(第0周)时, FWI能准确反演骨骼组织声速(均方根误差(RMSE) < 17 m/s, 平均相对误差(MRE) < 7.2%), 精确重建骨骼结构(结构相关系数(CC) > 0.85)), 因此可以准确监测不同骨质疏松进程(第2, 4, 6周)的骨微结构退化情况。对比不同超声收发模式, 透射−反射双模式FWI监测骨微结构退化的性能优于单一透射或反射FWI监测方法。考虑了基准骨骼模型的FWI可用于动态监测骨微结构退化, 对评估骨质疏松进展具有一定意义。
- 超声全波反演 /
- 骨质疏松 /
- 骨微结构退化 /
- 动态监测
Abstract:
The aim of this study is to investigate the method of ultrasound tomography of bone based on ultrasonic full-waveform inversion (FWI), and to dynamically monitor the progression of osteoporotic micro-structural deterioration. Female mice are injected with 4-vinylcyclohexene diepoxide (VCD) to induce premature ovarian failure and establish the mice osteoporosis model. The mice are scanned by Micro-CT in vivo at different osteoporosis progression (the 0, 2, 4 and 6 weeks), and bone micro-structure in the femurs of mice are reconstructed. Taking the initial bone micro-structure of mice (at the 0 week) as the baseline input model, the effects of FWI on monitoring bone micro-structure deterioration in osteoporosis progression are numerically analyzed, with different ultrasound transmitting and receiving modes (transmission, reflection and transmission-reflection dual mode). The results show that FWI failed to reconstruct bone micro-structure when using the uniform medium (pure water) as the initial model. Compared with the initial model with uniform medium (pure water), the FWI using the baseline bone (at the 0 week) model could accurately monitor the bone micro-structure deterioration in different osteoporotic processes (at the 2, 4, 6 week), the ultrasound velocity inversion is with a root-mean-square error (RMSE) < 17 m/s, mean relative error (MRE) < 7.2%, and structural correlation coefficient (CC) > 0.85. Compared with different ultrasound transmitting and receiving modes, the combination of transmission-reflection dual-mode in FWI is significantly superior to the single transmission or reflection FWI in monitoring bone micro-structural deterioration. This study demonstrate that FWI using the baseline bone model can be used to dynamically monitor bone micro-structural deterioration and might have some significance in assessing the progression of osteoporosis.
- Full-waveform inversion /
- Osteoporosis /
- Bone micro-structure deterioration /
- Dynamic monitoring

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图 1 小鼠在不同骨质疏松进程的骨微结构退化情况

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图 2 超声激励源 (a) 归一化时域波形图; (b) 归一化频谱图

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图 3 骨骼基准模型与3种不同的收发模式 (a) 透射模式; (b) 反射模式; (c) 透射−反射双模式

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图 4 FWI算法流程图

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图 5 目标函数值随反演迭代次数的变化 (a)初始模型为均匀介质(纯水); (b)初始模型为基准骨骼

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图 6 透射式FWI重建不同骨质疏松进程(第2周(a-c), 第4周(d-f), 第6周(g-i))的骨骼微结构退化

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图 7 反射式FWI重建不同骨质疏松进程(第2周(a-c), 第4周(d-f), 第6周(g-i))的骨骼微结构退化

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图 8 透射 − 反射双模式FWI重建不同骨质疏松进程(第2周(a-c), 第4周(d-f), 第6周(g-i))的骨骼微结构退化

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图 9 FWI反演骨组织声速值剖面图 (a-c) 透射式FWI; (d-f) 反射式FWI; (g-i) 反射 − 透射双模式FWI

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表 1 骨骼组织声速反演结果的定量指标

超声收发模式指标		初始模型为均匀介质(纯水)			初始模型为基准骨骼结构
		第2周	第4周	第6周	第2周	第4周	第6周
透射模式	RMSE (m/s)	49.1	48.8	54.4	16.4	13.9	12.2
	MRE (%)	23.1	21.7	20.9	7.1	6.1	5.3
	CC	−0.02	0.01	0.00	0.85	0.88	0.91
反射模式	RMSE (m/s)	33.9	32.1	35.0	16.0	14.4	12.1
	MRE (%)	15.0	15.0	14.0	7.0	6.4	5.3
	CC	0.17	0.28	0.21	0.86	0.88	0.91
透射 − 反射双模式	RMSE (m/s)	43.9	40.7	33.1	15.4	13.3	12.0
	MRE (%)	19.2	18.3	15.0	5.9	1.6	1.5
	CC	0.29	0.23	0.20	0.91	0.92	0.94

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