Non-Invasive Determination of Bone Quality Markers by Monte Carlo Modeling and Optical Spectroscopy

通过蒙特卡罗建模和光学光谱法非侵入性测定骨质量标志物

基本信息

  • 批准号:
    10652971
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 17.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-07-01 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Summary: Diseases of bone fragility such as osteoporosis require bone quality monitoring, typically done by dual X- ray absorptiometry (DXA) assessment of bone mineral density (BMD). Bone health index (BHI) and metacarpal index (MCI) are other measures of bone quality based on radiographic geometric assessment of the metacarpal bones obtained from a planar hand X-ray. These approaches all use ionizing radiation, which is of concern in some populations, and may not be easily accessed in low-resource communities. Nevertheless, X- ray data from the metacarpal bones have been shown to be a significant predictor of fracture risk at the vertebrae and hip, and to correlate with DXA-determined BMD. Here, we propose development of an alternative approach for metacarpal assessment for bone health, near infrared (NIR) spectroscopy combined with a fiber optic probe. This is a non-invasive modality based on low energy non-ionizing radiation that can also yield molecular information related to the quality of material or tissue being evaluated. In the current proposal, NIR spectroscopic analysis of bone quality will be optimized in a multi-step approach. Specific optical properties of metacarpal bones and the overlying tissues will be obtained, and then used as input into Monte Carlo modeling of photon penetration through skin and bone. These data will then be used to inform and optimize the design of NIR fiber optic probes such that the spectral data collected preferentially comes from bone, as opposed to overlying tissues. Advancing NIR spectroscopy for clinical assessment of bone quality will require the careful development of application-specific probes and techniques for spectral analysis uniquely tailored for measurement of the metacarpal bone. Development of this modality could eventually lead to the development of straight-forward, cost effective approaches for community screening of bone health.
概括: 骨骼脆弱性(例如骨质疏松症)的疾病需要骨质质量监测,通常由双重x-完成 射线吸收法(DXA)评估骨矿物质密度(BMD)。骨骼健康指数(BHI)和 MetaCarpal指数(MCI)是基于放射线图评估的骨质质量的其他度量。 从平面X射线射线获得的掌骨骨骼。这些方法都使用电离辐射,这是 在某些人群中担心,在低资源社区中可能不容易获得。然而,x- 掌骨的射线数据已被证明是椎骨骨折风险的重要预测指标 和臀部,并与DXA确定的BMD相关。在这里,我们建议开发一种替代方法 对于骨骼健康评估,近红外(NIR)光谱与光纤相结合 探测。这是一种基于低能量非电离辐射的非侵入性方式,也可以产生 与评估材料或组织的质量有关的分子信息。在当前的提议中 骨质质量的NIR光谱分析将通过多步进方法进行优化。特定的光学特性 将获得掌骨骨骼和上覆的组织,然后用作输入到蒙特卡洛建模中 通过皮肤和骨骼的光子穿透。然后,这些数据将用于告知和优化设计 NIR光纤探针使得收集的光谱数据优先来自骨骼,而不是 上覆的组织。推进NIR光谱以进行骨质质量的临床评估将需要仔细 开发针对光谱分析的特定应用探针和技术独特地量身定制的 掌骨骨的测量。这种方式的发展最终可能导致发展 直接,具有成本效益的骨骼健康筛查的方法。

项目成果

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