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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

贾琰, 陈玥甫, 江晨, 孙舒心, 刘成成, 他得安. 动态监测骨质疏松性微结构退化的超声全波反演方法[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1189-1198. doi: 10.12395/0371-0025.2022106
引用本文: 贾琰, 陈玥甫, 江晨, 孙舒心, 刘成成, 他得安. 动态监测骨质疏松性微结构退化的超声全波反演方法[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1189-1198. doi: 10.12395/0371-0025.2022106
JIA Yan, CHEN Yuefu, JIANG Chen, SUN Shuxin, LIU Chengcheng, TA Dean. Ultrasonic full-waveform inversion for dynamically monitoring bone micro-structure deterioration in osteoporosis progression[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1189-1198. doi: 10.12395/0371-0025.2022106
Citation: JIA Yan, CHEN Yuefu, JIANG Chen, SUN Shuxin, LIU Chengcheng, TA Dean. Ultrasonic full-waveform inversion for dynamically monitoring bone micro-structure deterioration in osteoporosis progression[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1189-1198. 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
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

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

  • 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。

     

  • 图 1  小鼠在不同骨质疏松进程的骨微结构退化情况

    图 2  超声激励源 (a) 归一化时域波形图; (b) 归一化频谱图

    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

    图 4  FWI算法流程图

    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

    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

    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

    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

    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

    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)49.148.854.416.413.912.2
    MRE (%)23.121.720.97.16.15.3
    CC −0.020.010.000.850.880.91
    反射模式RMSE (m/s)33.932.135.016.014.412.1
    MRE (%)15.015.014.07.06.45.3
    CC0.170.280.210.860.880.91
    透射 − 反射双模式RMSE (m/s)43.940.733.115.413.312.0
    MRE (%)19.218.315.05.91.61.5
    CC0.290.230.200.910.920.94
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  • [1] Compston J E, McClung M R, Leslie W D. Osteoporosis. Lancet, 2019; 393: 364—376 doi: 10.1016/S0140-6736(18)32112-3
    [2] 夏维波. 骨质疏松症防治中的难点和应对. 国内分泌代谢杂志, 2022; 42(3): 165—169 doi: 10.3760/cma.j.cn121383-20220406-04011
    [3] 宋小军, 他得安, Petro Moilanen. 采用超声导波特征参量的骨质疏松识别方法. 声学学报, 2017; 42(5): 517—576 doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2017.05.007
    [4] 第五强强, 李博艺, 李颖, 等. 有监督学习的超声背散射方法在骨质评价中的应用. 声学学报, 2019; 44(5): 818—825 doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2019.05.002
    [5] 刘洋, 郭霞生, 章东, 等. 基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究. 声学学报, 2011; 36(2): 179—184 doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2011.02.021
    [6] 王文斌, 郭佳林, 他得安, 等. 超声表观积分背散射系数评价新生儿骨状况的可行性研究. 声学学报, 2012; 37(2): 177—180 doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2012.02.007
    [7] Langton C, Palmer S, Porter R. The Measurement of broadband ultrasonic attenuation in cancellous bone. Eng. Med., 1984; 13: 89—91 doi: 10.1243/EMED_JOUR_1984_013_022_02
    [8] Mami M. Bone ultrasound. Jpn. J. Appl. Phys., 2019; 58: SG0802 doi: 10.7567/1347-4065/ab0dfa
    [9] Laugier P, Haïat G. Bone quantitative ultrasound. Springer, 2011: 576
    [10] Sandhu G Y, Li C, Roy O, et al. Frequency domain ultrasound waveform tomography: breast imaging using a ring transducer. Phys. Med. Biol., 2015; 60(14): 5381 doi: 10.1088/0031-9155/60/14/5381
    [11] Bernard S, Monteiller V, Komatitsch D, et al. Ultrasonic computed tomography based on full-waveform inversion for bone quantitative imaging. Phys. Med. Biol., 2017; 62(17): 7011 doi: 10.1088/1361-6560/aa7e5a
    [12] Wiskin j, Malik B, Borup D, et al. Full wave 3D inverse scattering transmission ultrasound tomography in the presence of high contrast. Sci. Rep., 2020; 10(1): 1—14 doi: 10.1038/s41598-019-56847-4
    [13] Li Y, Shi Q, Li Y, et al. High-resolution bone microstructure imaging based on ultrasonic frequency-domain full-waveform inversion. Chin. Phys. B, 2021; 30(1): 014302 doi: 10.1088/1674-1056/abc7aa
    [14] Guasch L, Calderón Agudo O, Tang M X, et al. Full-waveform inversion imaging of the human brain. NPJ Digit. Med., 2020; 3(1): 1—12 doi: 10.1038/s41746-020-0240-8
    [15] 张晓毓. 超声全波形反演在骨定量测量中的应用研究. 博士学位论文, 武汉: 武汉大学, 2018
    [16] Suo M, Zhang D, Yang Y. Application of an improved ultrasound full-waveform inversion in bone quantitative measurement. Symmetry, 2021; 13(2): 260 doi: 10.3390/sym13020260
    [17] 徐晶晶, 沈力行, 赵改平, 等. 基于数字图像处理技术测量松质骨孔隙率的方法. 中国组织工程研究与临床康复, 2010; 14(17): 3062—3064 doi: 10.3969/j.issn.1673-8225.2010.17.006
    [18] Xu W, Yuan M, Xuan W, et al. Quantitative inspection of complex-shaped parts based on ice-coupled ultrasonic full waveform inversion technology. Appl. Sci., 2021; 11(10): 4433 doi: 10.3390/app11104433
    [19] Hustedt B, Operto S, Virieux J. Mixed-grid and staggered-grid finite-difference methods for frequency-domain acoustic wave modelling. Geophys. J. Int., 2004; 157(3): 1269—1296 doi: 10.1111/j.1365-246X.2004.02289.x
    [20] Byrd R H, Nocedal J, Schnabel R B, et al. Representations of quasi-Newton matrices and their use in limited memory methods. Math. Program., 1994; 63: 129—156 doi: 10.1007/BF01582063
    [21] Sirgue L, Pratt R G. Efficient waveform inversion and imaging: A strategy for selecting temporal frequencies. Geophysics, 2004; 69(1): 231—248 doi: 10.1190/1.1649391
    [22] Erlangga Y A. Advances in iterative methods and preconditioners for the Helmholtz equation. Arch. Comput. Methods Eng., 2008; 15: 37—66 doi: 10.1007/s11831-007-9013-7
    [23] 孙文瑜, 徐成贤, 朱德通. 最优化方法. 北京: 高等教育出版社, 2004
    [24] Virieux J, Operto S. An overview of full-waveform inversion in exploration geophysics. Geophysics, 2009; 74(6): 26 doi: 10.1190/1.3238367
    [25] 张麒, 汪源源, 王威琪, 等. 血管内超声图像的仿真. 声学学报, 2008; 33(6): 512—519 doi: 10.3321/j.issn:0371-0025.2008.06.005
    [26] 王连坤, 方伍宝, 段心标, 等. 全波形反演初始模型建立策略研究综述. 地球物理学进展, 2016; 31(4): 1678—1687 doi: 10.6038/pg20160436
    [27] Lucka F, Pérez-liva M, Treeby B E, et al. High resolution 3D ultrasonic breast imaging by time-domain full waveform inversion. Inverse Probl., 2021; 38(2): 025008 doi: 10.1088/1361-6420/ac3b64
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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

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