โรคกระดูกพรุนเป็นโรคกระดูกที่มีการสูญเสียมวลกระดูกและความพรุนของกระดูกเพิ่มขึ้น กระดูกที่อ่อนแอดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะแตกหักได้มาก ทำให้ต้องมีการตรวจติดตามและวินิจฉัยโรคกระดูกตั้งแต่เนิ่นๆ เป็นประจำ มาตรฐานทองคำสำหรับการประเมินสถานะกระดูกคือพลังงานคู่ X-ray absorptiometry (DXA) ซึ่งวัดความหนาแน่นของแร่ธาตุในกระดูก แต่ DXA ไม่เหมาะสำหรับการหาค่าพารามิเตอร์
ทางกลที่สำคัญอื่นๆ แต่การถ่ายภาพด้วยอัลตราซาวนด์
อาจมีบทบาทสำคัญด้วยเทคนิคต่างๆ เช่น อัลตราโซนิกคอมพิวเตอร์เอกซ์เรย์ (USCT) ที่สามารถระบุลักษณะโครงสร้างจุลภาคของกระดูกและคุณสมบัติทางชีวกลศาสตร์ ตลอดจนมีราคาไม่แพงและไม่ทำให้เกิดไอออน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Fudanในประเทศจีนได้เสนออัลกอริธึมการสร้างใหม่ที่ช่วยให้สามารถถ่ายภาพกระดูกเชิงปริมาณโดยใช้ USCT การเขียนในChinese Physics Bพวกเขาแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของวิธีการที่เสนอโดยใช้แบบจำลองกระดูกที่ซับซ้อนมากขึ้น
วิธีการวนซ้ำความท้าทายหลักในการถ่ายภาพกระดูกด้วยอัลตราซาวนด์คือความเร็วของเสียงในกระดูกแตกต่างอย่างมากจากความเร็วของเสียงในเนื้อเยื่ออ่อนโดยรอบ แต่เทคนิคอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์ทั่วไปถือว่ามีความเร็วเสียงสม่ำเสมอ วิธีการดังกล่าวจึงไม่สามารถระบุขอบเขตของเนื้อเยื่ออ่อนของกระดูกและเนื้อเยื่ออ่อนได้อย่างแม่นยำโดยปราศจากความรู้ล่วงหน้าเกี่ยวกับการกระจายความเร็วของเสียง “การถ่ายภาพด้วยอัลตราโซนิกโหมด B แบบธรรมดามีข้อ จำกัด โดยธรรมชาติในการถ่ายภาพเนื้อเยื่อแข็งและกระดูกทางชีวภาพโดยใช้สมมติฐานความเร็วเสียงที่สม่ำเสมอ” นักวิจัยDean Taอธิบาย “USCT ให้ทางเลือกที่มีแนวโน้ม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง USCT ที่มีการผกผันของคลื่นเต็มแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการถ่ายภาพกระดูกที่มีความละเอียดสูง”
Full-waveform Inversion เป็นอัลกอริธึมการสร้างภาพใหม่
ที่พัฒนาขึ้นสำหรับธรณีฟิสิกส์ ในการศึกษานี้ Ta และเพื่อนร่วมงานใช้ FWI โดเมนความถี่ (FDFWI) ซึ่งเป็นกระบวนการผกผันที่สร้างภาพพาราเมตริกขึ้นใหม่โดยลดความไม่ตรงกันระหว่างสัญญาณที่วัดได้และสัญญาณจำลองที่เป็นตัวเลข เมื่อใช้กับ USCT อัลกอริธึม FDFWI จะอัปเดตพารามิเตอร์ของวัสดุกระดูกซ้ำๆ – ความเร็วเสียงและความหนาแน่นของมวล – ในแบบจำลองจำลองจนกว่าจะถึงค่าที่ตรงกันที่สุด
อัลกอริธึมแก้ปัญหาผกผันโดยการคำนวณพารามิเตอร์ที่ค่อยๆ เพิ่มความถี่อัลตราซาวนด์ จากนั้นใช้ค่าสุดท้ายเพื่อสร้างภาพกระดูกเชิงปริมาณ “ FWI เริ่มต้นจากความถี่ที่ค่อนข้างต่ำเพื่อหลีกเลี่ยง ‘การข้ามวงจร’ และให้แน่ใจว่าการวนซ้ำไม่ได้ติดอยู่กับขั้นต่ำในท้องถิ่น” Ta อธิบาย “โดยค่อยๆ เพิ่มขึ้นเป็นความถี่สูง สามารถรับการผกผันของโครงสร้างกระดูกที่มีความละเอียดสูงได้”
ตามทฤษฎีแล้ว การใช้ความถี่สูงสุด 2.5 MHz FDFWI สามารถสร้างภาพรูพรุนและ trabeculae ในเนื้อเยื่อกระดูกที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่ประมาณ 0.6 มม.แบบจำลองการคำนวณ เพื่อแสดงให้เห็นถึงความถูกต้องของแนวทางของพวกเขา นักวิจัยประเมินภาพกระดูกเชิงพาราเมตริกผ่าน FDFWI โดยใช้ตัวแปลงสัญญาณอัลตราซาวนด์แบบวงแหวน ตอนแรกพวกเขาสร้างแบบจำลองกระดูกท่อหนา 2 มม. อย่างง่ายที่มีความหนาแน่นของมวลที่รู้จัก โดยใช้ FDFWI เพื่อประเมินความเร็วของเสียง ในระหว่างการจำลอง ความถี่อัลตราซาวนด์เพิ่มขึ้นจาก 100 kHz เป็น 3.5 MHz ในขั้นตอนที่ 100 kHz
เมื่อความถี่ถึง 1.5 MHz จะสังเกตได้ทั้งขอบด้านนอกและด้านในของ Phantom ที่ความเร็ว 2.5 MHz ภาพมีความชัดเจนยิ่งขึ้นโดยมีสิ่งประดิษฐ์เพียงไม่กี่ชิ้น แสดงให้เห็นว่า FDFWI สามารถคืนค่าลักษณะทางสัณฐานวิทยาของมาโครสโคปได้อย่างแม่นยำ การเพิ่มความถี่เป็น 3.5 MHz ทำให้มีการปรับปรุงเพิ่มเติมเล็กน้อย
ต่อไป นักวิจัยได้จำลองกระดูกน่องส่วนปลาย
(กระดูกขาส่วนล่าง) ที่นี่ พวกเขาใช้อัลกอริธึม FDFWI เพื่อประเมินความเร็วเสียงและความหนาแน่นมวลพร้อมกัน โดยใช้ความถี่อัลตราซาวนด์จาก 100 kHz ถึง 3.5 MHz ในขั้นตอน 50 kHz พวกเขาทราบว่าการใช้ช่วงเวลาที่น้อยกว่านี้จะช่วยให้ส่วนประกอบความถี่ต่ำเพียงพอในการสร้างความหนาแน่นของมวลขึ้นใหม่
ผลลัพธ์ FDFWI ให้ผลลัพธ์สำหรับกระดูกน่องส่วนปลายสำหรับแบบจำลองความเร็วที่มีความถี่สูงสุดต่างกัน (ก) แบบจำลองความเร็วที่แท้จริง (b–e) ผลลัพธ์ที่ได้รับด้วยความถี่สุดท้ายที่ 0.5, 1.5, 2.5 และ 3.5 MHz ตามลำดับ เมื่อความถี่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นเป็น 1.5 MHz ทั้งขอบด้านนอกและด้านในของแผนที่ความเร็วก็ฟื้นตัวได้อย่างแม่นยำและมองเห็นโครงสร้างจุลภาคในกระดูกได้ชัดเจน ที่ความเร็ว 2.5 MHz แผนที่ความเร็วมีความชัดเจนยิ่งขึ้นและคุณสมบัติที่ละเอียดอ่อนปรากฏขึ้น แสดงให้เห็นว่า FDFWI สามารถกู้คืนรูปทรงเรขาคณิตและโครงสร้างจุลภาคได้อย่างแม่นยำ และให้ภาพกระดูกที่มีความละเอียดสูง แบบจำลองตัวเลขที่สามใช้แบบจำลองคู่หน้าแข้ง-กระดูกน่องซึ่งได้มาจากภาพ CT เชิงปริมาณที่มีความละเอียดสูง อัลกอริทึม FDFWI ใช้ความถี่อัลตราซาวนด์ตั้งแต่ 100 kHz ถึง 2.5 MHz ในขั้นตอน 50 kHz แม้ในสถานการณ์ที่ท้าทายนี้ FDFWI ได้สร้างทั้งสัณฐานวิทยามหภาคและโครงสร้างจุลภาคขึ้นใหม่ด้วยความละเอียดย่อยมิลลิเมตร เมื่อเทียบกับภาพ CT จริง การจำลองแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนและแม่นยำว่ารูขุมขนและ trabeculae ในภาพกระดูก
นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการสร้างแผนที่ความหนาแน่นขึ้นใหม่ไม่ดีเท่าแผนที่ความเร็ว ข้อผิดพลาดในการสร้างใหม่ของทั้งความเร็วเสียงและความหนาแน่นของมวลนั้นมากกว่าที่พบในแบบจำลองกระดูกน่องเดี่ยว อันเนื่องมาจากผลกระทบของการกระเจิงและการเลี้ยวเบนหลายครั้งระหว่างกระดูกทั้งสอง ทำลายความลึกลับของสถาปัตยกรรมไมโครกระดูก
สุดท้าย เพื่อตรวจสอบความทนทานของ FDFWI ต่อสัญญาณรบกวน ทีมงานได้เพิ่มสัญญาณรบกวนแบบสุ่มลงในข้อมูลสังเคราะห์ที่สร้างขึ้นในคู่กระดูกหน้าแข้ง – กระดูกน่อง เพื่อสร้างเคสที่มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ 30, 10 และ 0 เดซิเบล พวกเขาพบว่าแผนที่ความเร็วเสียงยังสามารถกู้คืนได้ดีเมื่อมีเสียงรบกวน แม้แต่ในกรณี 0 dB รูปทรงเรขาคณิตของกระดูกและโครงสร้างจุลภาคที่ค่อนข้างใหญ่กว่าบางส่วนก็สามารถสร้างใหม่ได้
Credit : sagebrushcantinaculvercity.com saltysrealm.com sandersonemployment.com sangbackyeo.com sciencefaircenterwater.com
