New Parameter for Ultrasound Assessment of Cortical Bone Properties

Abstract

The purpose of this thesis was to introduce a new parameter to be used with an ultrasound measurement for osteoporosis diagnostics. The thesis was conducted for Bone Index Finland Ltd. and it is a relevant part of their product development. The company has designed a USB-connectable measuring device Bindex® for reliable screening and diagnosing of osteoporosis based on the thickness of the cortical shin bone. The new parameter might be able to add to the diagnostic value of the current parameters.

For background information about ultrasound and the measuring device, clinical studies and a doctoral dissertation by PhD. Janne Karjalainen on the matter were studied. The practical part of the thesis was conducted in the laboratory premises of the University of Eastern Finland. 43 human bone samples of a standardized size were measured using the Bindex® measuring device, the customer software and a specially tailored measuring program provided by Bone Index Finland. The signals acquired from the measurements were further analyzed with Matlab software using digital signal processing techniques to bring out the new parameter. A graphical user interface was also programmed using Matlab to enable the automated or manual processing of either single results or the entire sample group at once. The usability of the new parameter was evaluated by comparing the analyzed results to other measured properties of the bone samples.

Both the practical part and the analysis of the results were completed successfully. The new parameter was analyzed from the measured ultrasound signals and its ability to predict other properties of the measured samples was assessed. The use of the parameter in customer measurements needs further research, but the results of the thesis can still be used in the product development.

Opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää uuden mittausparametrin käyttöönottomahdollisuutta osteoporoosin diagnosointiin käytettävässä ultraäänimittauksessa. Aihe saatiin Bone Index Finland Oy:ltä, jonka tuotekehitykseen työ liittyy. Yrityksen kehittämällä USB-porttiin liitettävällä Bindex®-mittalaitteella voidaan luotettavasti seuloa ja diagnosoida osteoporoosia mittaamalla säären kuoriluun paksuutta. Tässä työssä tutkittavalla parametrilla voitaisiin mahdollisesti parantaa jo olemassa olevien parametrien diagnostista arvoa.

Tutkimuksia varten perehdyttiin laitteen ja ultraäänimittausten teoriataustaan aiheesta tehtyjen kliinisten tutkimusten sekä Janne Karjalaisen (FT) väitöskirjan avulla. Työn käytännön osuus tehtiin Itä-Suomen yliopiston laboratoriotiloissa mittamalla 43 ihmisluunäytettä yrityksen mittalaitteella. Vakiokokoisten näytteiden paksuus mitattiin kahdelta eri etäisyydeltä Bone Index Finlandin omalla asiakasohjelmistolla sekä tutkimusta varten tehdyllä mittausohjelmalla. Mittasignaaleja käsiteltiin Matlab-ohjelmalla digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin halutun parametrin esiin saamiseksi. Tulosten käsittelyä varten Matlabilla ohjelmoitiin graafinen käyttöliittymä, jolla voitiin käsitellä kaikki signaalit automaattisesti kerralla tai haluttaessa yksitellen. Uuden parametrin käytettävyys arvioitiin vertaamalla saatuja tuloksia luun muihin mitattuihin ominaisuuksiin.

Työn mittausosuus ja tulosten analysointi saatiin toteutettua onnistuneesti. Uusi parametri analysoitiin mitatuista ultraäänisignaaleista ja työssä arvioitiin sen kykyä ennustaa näytteiden muita ominaisuuksia. Tuloksia hyödynnetään tuotteen jatkokehityksessä, mutta parametrin käyttö mittauksessa vaatii vielä lisätutkimuksia.