膝骨性關節炎的近紅外光學無創檢測

《膝骨性關節炎的近紅外光學無創檢測》是依託廈門大學，由陳延平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：膝骨性關節炎的近紅外光學無創檢測
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳延平
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

骨性關節炎（osteoarthritis，OA）患病率高，是中老年人常見的慢性關節病。其嚴重影響老年人的生活質量，給患者、家庭和社會帶來沉重負擔。膝OA的早期無創、安全、低成本檢測方法，可為評估膝關節健康狀況、早期診斷膝OA提供科學依據，以最大可能地保護關節結構和功能，是健康社會和諧發展迫切需要的。本項目擬研究基於近紅外光學檢測和智慧型信息處理技術，實現人膝OA的早期無創、安全、低成本檢測。主要研究利用圖像處理與主成份分析方法，分析提取健肢和各階段患肢膝關節的解剖結構和組織光學特徵，通過蒙特卡洛模擬仿真，分析近紅外光子在健肢和膝OA患肢關節腔內的最可能傳播路徑，建立近紅外光在膝關節組織內的傳播模型與膝關節的近紅外光學無創探測模型，試製膝關節近紅外無創探測系統，臨床試驗獲取健肢和不同階段患肢膝關節的近紅外光學信號，用模糊聚類分析提取邊界光強信號的特徵模式，建立評估膝OA的模糊神經網路。

結題摘要

膝骨性關節炎(Osteoarthritis of knees ，KOA)患病率高，是中老年人常見的慢性關節疾病，嚴重患者的生活質量，給患者、家庭和社會帶來沉重負擔。膝OA的早期無創、安全、低成本檢測方法，可為評估膝關節健康狀況、早期診斷膝OA提供科學依據，有望最大可能地保護關節結構和功能，是健康社會和諧發展迫切需要的。本項目研究基於近紅外光學檢測和智慧型信息處理技術，無創、安全與低成本檢測早期膝OA。 首先基於數字圖像處理方法分析來自臨床的膝關節的CT和MRI影像，研究健肢和各階段膝關節的解剖結構和組織光學特徵，建立了膝關節層狀結構模型。通過蒙特卡洛方法，模擬仿真光子在膝關節組織內的傳輸過程，分析二維和三維情況下近紅外光子在膝關節腔內的最可能傳播路徑、膝關節組織邊界上光子分布特徵，構建了膝關節組織邊界上光信號信噪比計算模型，探討了光子注入點對膝關節組織邊界上光子分布的影響，研究關節軟骨吸收係數和散射係數與膝關節表面光強分布的關係，基於關節實體模型的仿體實驗驗證了仿真結果的準確性，為膝OA的近紅外檢測設計提供依據。 接著，根據上述的研究結果開展動物模型實驗。在構建了多光譜光學檢測系統的基礎上，通過機械制動法進行家兔的膝OA模型，利用光譜學方法分析健肢和患肢膝關節組織光學的變化特性，並通過小動物MRI成像對照驗證。光學檢測結果顯示，在767 nm，828 nm，886 nm，906 nm，919 nm，983 nm 和995 nm波長處，健肢的光信號基本上比患肢對應的強，說明患肢在這些波長處的衰減相對較大。MRI影像也表明隨著造模時間加長，軟骨信號與骨骼信號強度相差變小，軟骨區域信號均勻性變差，邊緣不規則程度加劇。這些結果說明隨著KOA的發展，OA關節組織對光的衰減增大。 最後根據前述的模型結構分析、模擬仿真和動物模型試驗的結果，自製了760 nm 和980 nm雙波長檢測系統。系統經過初步的受光測試，測量志願者的左右膝關節，測得結果與理論推導結果具有較高的一致性。該系統可為檢測提供初步依據，具有一定的實際套用意義。 研究結果表明，隨著KOA的發生髮展，軟骨等關節組織構成部分的變化將影響關節邊界上近紅外光信號的強度，通過合理設計光學探頭，可進行KOA的無創、安全、低成本檢測。