Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material

Ultrasound is used broadly in research, such as the field of biomechanics, where osteoporosis is studied by mechanisms of interaction of ultrasound with trabecular bone. The present study concerns the influence of trabecular bone architecture and material on ultrasound characteristics, speed of soun...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μαντά, Αναστασία
Άλλοι συγγραφείς: Manta, Anastasia
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14818
id nemertes-10889-14818
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Ultrasound propagation
Trabecular bones
Speed of sound (SOS)
Broadband ultrasound attenuation (BUA)
Differential scattering cross section of 180°
Backscatter coefficient
3D-printing technology
Apparent density
Material properties
Young’s modulus
Bone structure
Διάδοση υπερήχων
Δοκιδωτά οστά
Σπογγώδη οστά
Ταχύτητα ήχου
Εξασθένηση υπερήχου
Συντελεστής οπισθοσκέδασης
3D εκτύπωση
Φαινόμενη πυκνότητα
Ιδιότητες υλικού
Μέτρο ελαστικότητας
Δομή οστού
spellingShingle Ultrasound propagation
Trabecular bones
Speed of sound (SOS)
Broadband ultrasound attenuation (BUA)
Differential scattering cross section of 180°
Backscatter coefficient
3D-printing technology
Apparent density
Material properties
Young’s modulus
Bone structure
Διάδοση υπερήχων
Δοκιδωτά οστά
Σπογγώδη οστά
Ταχύτητα ήχου
Εξασθένηση υπερήχου
Συντελεστής οπισθοσκέδασης
3D εκτύπωση
Φαινόμενη πυκνότητα
Ιδιότητες υλικού
Μέτρο ελαστικότητας
Δομή οστού
Μαντά, Αναστασία
Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
description Ultrasound is used broadly in research, such as the field of biomechanics, where osteoporosis is studied by mechanisms of interaction of ultrasound with trabecular bone. The present study concerns the influence of trabecular bone architecture and material on ultrasound characteristics, speed of sound and backscatter coefficient, using 3D-printed trabecular bone models. 3D-printing is an innovative technology used for the creation of 3D objects. Its applications concern industry, healthcare and medical industry. This technology applied to this study, because it offers the opportunity of constructing identical trabecular bone structures for each single sample in order to quantify structural degradation. The main purpose was to construct trabecular bone replicas with as much accurate structure as possible, following the same printing methods for all the specimens in order to ensure that the results and conclusions concern only the material influence on ultrasound properties. First, replicas of bovine cancellous bones, with different structures and materials, were fabricated by a 3D-printer. Polylactic acid (PLA), thermoplastic polyurethane (TPU) and polypropylene (PP) were used for the fabrication of the specimens. Then, ultrasound propagation experiments were conducted and the backscattered signals were studied in order to make conclusions about the parameters of trabecular bone replicas (material properties, structure) that influence the ultrasound propagation. The ultrasound measurements indicated that speed of sound has a perfect linear relationship with apparent density and that material properties, such as density and stiffness, influence the magnitude of the backscatter spectrum, whereas the shape of backscatter coefficient as a function of frequency depends on the bone structure. These outcomes most likely cannot be associated with the original trabecular bone; especially, in case of osteoporotic one. Nevertheless, significant conclusions are presented related to the origins of backscatter and ultrasound properties alteration due to structural degradation, which is a result of the ageing process and extent research may contribute to the formulation of osteoporosis diagnostic devices.
author2 Manta, Anastasia
author_facet Manta, Anastasia
Μαντά, Αναστασία
author Μαντά, Αναστασία
author_sort Μαντά, Αναστασία
title Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
title_short Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
title_full Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
title_fullStr Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
title_full_unstemmed Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
title_sort ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14818
work_keys_str_mv AT mantaanastasia ultrasoundpropagationthroughtrabecularstructuresinfluenceofstructureandmaterial
AT mantaanastasia diadosēyperēchōnmesōdokidōtōndomōnepidrasētēsdomēskaitouylikou
_version_ 1771297327443607553
spelling nemertes-10889-148182022-09-05T20:43:10Z Ultrasound propagation through trabecular structures : influence of structure and material Διάδοση υπερήχων μέσω δοκιδωτών δομών : επίδραση της δομής και του υλικού Μαντά, Αναστασία Manta, Anastasia Ultrasound propagation Trabecular bones Speed of sound (SOS) Broadband ultrasound attenuation (BUA) Differential scattering cross section of 180° Backscatter coefficient 3D-printing technology Apparent density Material properties Young’s modulus Bone structure Διάδοση υπερήχων Δοκιδωτά οστά Σπογγώδη οστά Ταχύτητα ήχου Εξασθένηση υπερήχου Συντελεστής οπισθοσκέδασης 3D εκτύπωση Φαινόμενη πυκνότητα Ιδιότητες υλικού Μέτρο ελαστικότητας Δομή οστού Ultrasound is used broadly in research, such as the field of biomechanics, where osteoporosis is studied by mechanisms of interaction of ultrasound with trabecular bone. The present study concerns the influence of trabecular bone architecture and material on ultrasound characteristics, speed of sound and backscatter coefficient, using 3D-printed trabecular bone models. 3D-printing is an innovative technology used for the creation of 3D objects. Its applications concern industry, healthcare and medical industry. This technology applied to this study, because it offers the opportunity of constructing identical trabecular bone structures for each single sample in order to quantify structural degradation. The main purpose was to construct trabecular bone replicas with as much accurate structure as possible, following the same printing methods for all the specimens in order to ensure that the results and conclusions concern only the material influence on ultrasound properties. First, replicas of bovine cancellous bones, with different structures and materials, were fabricated by a 3D-printer. Polylactic acid (PLA), thermoplastic polyurethane (TPU) and polypropylene (PP) were used for the fabrication of the specimens. Then, ultrasound propagation experiments were conducted and the backscattered signals were studied in order to make conclusions about the parameters of trabecular bone replicas (material properties, structure) that influence the ultrasound propagation. The ultrasound measurements indicated that speed of sound has a perfect linear relationship with apparent density and that material properties, such as density and stiffness, influence the magnitude of the backscatter spectrum, whereas the shape of backscatter coefficient as a function of frequency depends on the bone structure. These outcomes most likely cannot be associated with the original trabecular bone; especially, in case of osteoporotic one. Nevertheless, significant conclusions are presented related to the origins of backscatter and ultrasound properties alteration due to structural degradation, which is a result of the ageing process and extent research may contribute to the formulation of osteoporosis diagnostic devices. Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται ευρέως στην έρευνα, όπως στο πεδίο της εμβιομηχανικής, όπου η οστεοπόρωση μελετάται μέσω μηχανισμών αλληλεπίδρασης υπερήχων με δοκιδωτό οστό. Η παρούσα μελέτη αφορά την επίδραση της αρχιτεκτονικής και του υλικού του σπογγώδους οστού στα χαρακτηριστικά των υπερήχων, ταχύτητα του ήχου και συντελεστής οπισθοσκέδασης, χρησιμοποιώντας μοντέλα σπογγώδους οστού τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια καινοτόμος τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία τρισδιάστατων αντικειμένων. Οι εφαρμογές της αφορούν την βιομηχανία, την υγειονομική περίθαλψη και την ιατρική. Η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης εφαρμόστηκε στην παρούσα μελέτη, επειδή προσφέρει την ευκαιρία κατασκευής πανομοιότυπων δομών σπογγώδους οστού για κάθε μεμονωμένο δείγμα προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η οστική αποδόμηση. Ο κύριος σκοπός ήταν η κατασκευή αντιγράφων δοκιδωτού οστού με όσο το δυνατόν ακριβέστερη δομή, ακολουθώντας τις ίδιες μεθόδους εκτύπωσης για όλα τα δοκίμια, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα αφορούν μόνο την επίδραση του υλικού στις ιδιότητες των υπερήχων. Αρχικά, αντίγραφα από δοκιδωτά οστά βοοειδών, με διαφορετικές δομές και υλικά, κατασκευάστηκαν από έναν 3D-εκτυπωτή. Τα υλικά: πολυγαλακτικό οξύ (PLA), θερμοπλαστική πολυουρεθάνη (TPU) και πολυπροπυλένιο (PP) χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των δοκιμίων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διάδοσης υπερήχων και τα σήματα οπισθοσκέδασης μελετήθηκαν προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τις παραμέτρους των αντιγράφων των δοκιδωτών οστών (ιδιότητες υλικού, δομή) που επηρεάζουν τη διάδοση των υπερήχων. Οι μετρήσεις υπερήχων έδειξαν ότι η ταχύτητα του ήχου έχει εξαιρετική γραμμική σχέση με την φαινόμενη πυκνότητα και ότι οι ιδιότητες του υλικού, όπως η πυκνότητα και η ακαμψία, επηρεάζουν το μέγεθος του φάσματος οπισθοσκέδασης, ενώ η μορφή του συντελεστή οπισθοσκέδασης ως συνάρτηση της συχνότητας εξαρτάται από την δομή του. Τα παραπάνω αποτελέσματα, πιθανότατα δεν μπορούν να συσχετιστούν με το αρχικό δοκιδωτό οστό, ειδικά σε περίπτωση οστεοπορωτικού οστού. Παρ 'όλα αυτά, παρουσιάζονται σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με την προέλευση της μεταβολής του συντελεστή οπισθοσκέδασης και των ιδιοτήτων των υπερήχων, που προκύπτουν από την οστική αποδόμηση, η οποία είναι αποτέλεσμα της διαδικασίας γήρανσης. Επομένως, η εκτενής έρευνα μπορεί να συμβάλει στη διαμόρφωση διαγνωστικών συσκευών της οστεοπόρωσης. 2021-06-03T05:22:08Z 2021-06-03T05:22:08Z 2021-06-01 http://hdl.handle.net/10889/14818 en_US application/pdf