超声的新方法提高了新的医学应用的可能性

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玛丽•穆勒 mmuller2@ncsu.edu 919.515.1186

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

一种新的超声技术提供了一种无创的微尺度骨结构评估方法。研究人员希望对这项技术进行微调，以用于评估骨质疏松症的风险和治疗。

研究人员还在一项用实验鼠进行的研究中证明，该技术的一种变体可以区分肿瘤和健康组织。

“这些技术令人兴奋的一点是，我们利用了超声波的缺点之一，并将其转化为我们的优势，”北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)机械与航空航天工程助理教授玛丽·穆勒(Marie Muller)说，她也是这两项研究论文的通信作者。

缺点是超声在复杂介质中使用时不能给我们清晰的图像，如骨骼。这是因为超声波在这些复杂的环境中到处反射，所以不可能计算出它们走了多远。

穆勒说:“例如，在骨骼中，声波会通过骨骼的固体部分传播，然后当它们碰到孔隙时就会分散。”“我们发现，这是评估骨骼微观结构的一种有用方法。”

Muller和她的合作者推测，通过观察超声波从骨骼部位扩散的速率，他们可以评估给定区域的毛孔数量——或毛孔密度——以及这些毛孔的大小。

穆勒说:“我们刚刚发表的概念证明论文发现，扩散常数与骨孔隙大小和密度之间存在一致的相关性。”“然而，值得注意的是，这是在计算模型中完成的。我们目前正在对人类患者进行体内研究和对人体骨骼进行体外研究。

“我们至少需要几年的时间才能实现临床应用，但如果结果成立，我们可能就有办法定期监测患者的骨骼健康状况。”这意味着人们可以追踪自己患骨质疏松症的潜在风险，而不必担心x射线带来的辐射。此外，这项技术可以帮助研究人员和卫生保健提供者确定骨质疏松症治疗的效果。”

由于这项研究仍在进行中，没有明确的协议，因此很难估算成本——尽管它可能与现有的超声评估应用程序相媲美，而且比高分辨率CT扫描便宜得多。

穆勒还领导了一项研究，该研究使用了一种几乎相同的技术，试图在大鼠模型中区分健康软组织和实体肿瘤。

肿瘤研究利用微泡注射到实验大鼠的血管中。因为气泡会使超声波分散——就像骨骼中的毛孔一样——当微气泡穿过老鼠的血管网络时，超声波可以追踪微气泡密度的变化。

由于肿瘤形成的血管网络比健康组织更密集、更复杂，研究人员发现，他们可以通过寻找微泡扩散缓慢的区域来识别肿瘤。

穆勒说:“我们对这一发现感到兴奋，并希望获得资金，使我们能够推进这一研究方向。”

关于骨骼微观结构的论文，”骨皮质的声扩散常数:孔大小和孔密度对多次散射影响的数值模拟研究，发表于8月8日美国声学学会杂志．论文的共同作者是Yasamin Karbalaeisadegh和Omid Yousefian，他们是北卡罗来纳州立大学的研究生。该论文由Charité Universitätsmedizin Berlin的Gianluca Iori和Kay Raum共同撰写。这项工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的支持，批准号为R03EB022743，并得到了德国科学基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft)的支持。

关于肿瘤和软组织的论文，”超声微泡多次散射可区分肿瘤组织和健康组织在活的有机体内，发表在5月31日的杂志上医学与生物物理学．主要作者是北卡罗来纳州立大学的研究生Kaustav Mohanty。该论文由北卡罗来纳大学教堂山分校生物医学工程系的Virginie Papadopoulou、Isabel Newsome、Sarah Shelton和Paul Dayton共同撰写。这项研究得到了美国国立卫生研究院R01CA170665、R44CA165621、R03EB022311和R01CA189479的支持。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

骨皮质的声扩散常数:孔径和密度对多次散射影响的数值模拟研究

作者: Yasamin Karbalaeisadegh, Omid Yousefian和Marie Muller，北卡罗莱纳州立大学;Gianluca Iori和Kay Raum, Charité Universitätsmedizin柏林

发表: 8月8日,美国声学学会杂志

DOI: 10.1121/1.5121010

文摘:长期以来，骨质疏松评估主要关注骨小梁的特征，而骨皮质微结构也提供了骨强度的相关信息。本数值研究利用超声在皮质骨中的多次散射，研究孔径大小和孔径密度对声扩散常数的影响。通过控制密度(Ct.Po.Dn)∈[5-25]孔隙/mm，对取自人体股骨近端截面声学显微镜图像的皮层微结构进行时域有限差分模拟²大小(Ct.Po.Dm)∈[30-100]µm。高斯脉冲通过介质传输，记录后向散射信号，得到后向散射强度。提取后向散射强度的非相干贡献，以获得扩散常数d。在8 MHz时，不同多孔微结构的介质中，扩散常数存在显著差异。扩散常数受孔径和密度的单调影响。随着孔径和密度的增大，扩散常数减小(D?=285.9Ct.Po.Dm)^-1.49, R²= 0.989, p = 4.96×10^－5, RMSE = 0.06;D = 6.91 ct.po.dn^-1.01, R²= 0.94, p = 2.8×10^－3， RMSE=0.09)，表明该技术具有表征皮质微结构的潜力。

“超声微泡多次散射可以区分肿瘤和健康组织在活的有机体内”

作者:北卡罗莱纳州立大学Kaustav Mohanty和Marie Muller;北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合生物医学工程系的Virginie Papadopoulou, Isabel G. Newsome, Sarah Shelton和Paul A. Dayton

发表: 5月31日,医学与生物物理学

DOI: 10.1088 / 1361 - 6560 / ab1a44

文摘:大多数实体瘤的特征是高密度、各向同性的血管网。这些特征的特征描述显示了早期癌症诊断的希望。超声扩散已经被用来表征复杂介质的微观结构，如骨和肺。在这项工作中，我们检查了一种无创扩散超声技术来评估新血管形成。由于弥散常数反映了非均匀介质中弥散体的密度，我们假设通过向血管系统注射微泡，超声弥散系数可以反映血管密度(VD)，从而区分肿瘤和健康组织的微血管模式。在大鼠体内动物模型中，纤维肉瘤肿瘤(n=16)和对照组织(n=18)的扩散常数及其各向异性显著不同。对照组和肿瘤的扩散常数为1.38±0.51 mm²µ年代^－1和0.65±0.27毫米²µ年代^－1,分别。声学血管造影(AA)数据证实了这些结果，与对照组相比，肿瘤的血管密度增加。当与造影剂联合使用时，扩散常数提供了一种很有前景的定量评估血管网络的方法，这可能使早期肿瘤检测和表征成为可能。