中文摘要：

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）患病率高，是中老年人常见的慢性关节病。其严重影响老年人的生活质量，给患者、家庭和社会带来沉重负担。膝OA的早期无创、安全、低成本检测方法，可为评估膝关节健康状况、早期诊断膝OA提供科学依据，以最大可能地保护关节结构和功能，是健康社会和谐发展迫切需要的。本项目拟研究基于近红外光学检测和智能信息处理技术，实现人膝OA的早期无创、安全、低成本检测。主要研究利用图像处理与主成份分析方法，分析提取健肢和各阶段患肢膝关节的解剖结构和组织光学特征，通过蒙特卡洛模拟仿真，分析近红外光子在健肢和膝OA患肢关节腔内的最可能传播路径，建立近红外光在膝关节组织内的传播模型与膝关节的近红外光学无创探测模型，试制膝关节近红外无创探测系统，临床试验获取健肢和不同阶段患肢膝关节的近红外光学信号，用模糊聚类分析提取边界光强信号的特征模式，建立评估膝OA的模糊神经网络。

结论摘要：

膝骨性关节炎（Osteoarthritis of knees ，KOA)患病率高，是中老年人常见的慢性关节疾病，严重患者的生活质量，给患者、家庭和社会带来沉重负担。膝OA的早期无创、安全、低成本检测方法，可为评估膝关节健康状况、早期诊断膝OA提供科学依据，有望最大可能地保护关节结构和功能，是健康社会和谐发展迫切需要的。本项目研究基于近红外光学检测和智能信息处理技术，无创、安全与低成本检测早期膝OA。首先基于数字图像处理方法分析来自临床的膝关节的CT和MRI影像，研究健肢和各阶段膝关节的解剖结构和组织光学特征，建立了膝关节层状结构模型。通过蒙特卡洛方法，模拟仿真光子在膝关节组织内的传输过程，分析二维和三维情况下近红外光子在膝关节腔内的最可能传播路径、膝关节组织边界上光子分布特征，构建了膝关节组织边界上光信号信噪比计算模型，探讨了光子注入点对膝关节组织边界上光子分布的影响，研究关节软骨吸收系数和散射系数与膝关节表面光强分布的关系，基于关节实体模型的仿体实验验证了仿真结果的准确性，为膝OA的近红外检测设计提供依据。接着，根据上述的研究结果开展动物模型实验。在构建了多光谱光学检测系统的基础上，通过机械制动法进行家兔的膝OA模型，利用光谱学方法分析健肢和患肢膝关节组织光学的变化特性，并通过小动物MRI成像对照验证。光学检测结果显示，在767 nm，828 nm，886 nm，906 nm，919 nm，983 nm 和995 nm波长处，健肢的光信号基本上比患肢对应的强，说明患肢在这些波长处的衰减相对较大。MRI影像也表明随着造模时间加长，软骨信号与骨骼信号强度相差变小，软骨区域信号均匀性变差，边缘不规则程度加剧。这些结果说明随着KOA的发展，OA关节组织对光的衰减增大。最后根据前述的模型结构分析、模拟仿真和动物模型试验的结果，自制了760 nm 和980 nm双波长检测系统。系统经过初步的受光测试，测量志愿者的左右膝关节，测得结果与理论推导结果具有较高的一致性。该系统可为检测提供初步依据，具有一定的实际应用意义。研究结果表明，随着KOA的发生发展，软骨等关节组织构成部分的变化将影响关节边界上近红外光信号的强度，通过合理设计光学探头，可进行KOA的无创、安全、低成本检测。