Please wait a minute...
Submit  |   Chinese  | 
Advanced Search
   Home  |  Online Now  |  Current Issue  |  Focus  |  Archive  |  For Authors  |  Journal Information   Open Access  
Submit  |   Chinese  | 
Engineering    2015, Vol. 1 Issue (3) : 336 -343
Research |
An Ultrasonic Backscatter Instrument for Cancellous Bone Evaluation in Neonates
Chengcheng Liu1,Rong Zhang2,Ying Li1,Feng Xu1,Dean Ta1,3,(),Weiqi Wang1
1. Department of Electronic Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China
2. Department of Neonatology, Children’s Hospital of Fudan University, Shanghai 201102, China
3. Key Laboratory of Medical Imaging Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI) of Shanghai, Shanghai 200032, China

Ultrasonic backscatter technique has shown promise as a noninvasive cancellous bone assessment tool. A novel ultrasonic backscatter bone diagnostic (UBBD) instrument and an in vivo application for neonatal bone evaluation are introduced in this study. The UBBD provides several advantages, including noninvasiveness, non-ionizing radiation, portability, and simplicity. In this study, the backscatter signal could be measured within 5 s using the UBBD. Ultrasonic backscatter measurements were performed on 467 neonates (268 males and 199 females) at the left calcaneus. The backscatter signal was measured at a central frequency of 3.5 MHz. The delay (T1) and duration (T2) of the backscatter signal of interest (SOI) were varied, and the apparent integrated backscatter (AIB), frequency slope of apparent backscatter (FSAB), zero frequency intercept of apparent backscatter (FIAB), and spectral centroid shift (SCS) were calculated. The results showed that the SOI selection had a direct influence on cancellous bone evaluation. The AIB and FIAB were positively correlated with the gestational age (|R| up to 0.45, P<0.001) when T1 was short (<8 µs), while negative correlations (|R| up to 0.56, P<0.001) were commonly observed for T1>10 µs. Moderate positive correlations (|R| up to 0.45, P<0.001) were observed for FSAB and SCS with gestational age when T1 was long (>10 µs). The T2 mainly introduced fluctuations in the observed correlation coefficients. The moderate correlations observed with UBBD demonstrate the feasibility of using the backscatter signal to evaluate neonatal bone status. This study also proposes an explicit standard for in vivo SOI selection and neonatal cancellous bone assessment.

Keywords ultrasonic backscatter      cancellous bone evaluation      signal of interest (SOI)      backscatter instrument      neonatal bone status     
Corresponding Authors: Dean Ta   
Just Accepted Date: 17 September 2015   Issue Date: 16 October 2015
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Chengcheng Liu
Rong Zhang
Ying Li
Feng Xu
Dean Ta
Weiqi Wang
Cite this article:   
Chengcheng Liu,Rong Zhang,Ying Li, et al. An Ultrasonic Backscatter Instrument for Cancellous Bone Evaluation in Neonates[J]. Engineering, 2015, 1(3): 336 -343 .
URL:     OR
1   K. Engelke, Clinical use of quantitative computed tomography and peripheral quantitative computed tomography in the management of osteoporosis in adults: The 2007 ISCD Official Positions. J. Clin. Densitom., 2008, 11(1): 123–162
2   R. Lorente-Ramos, J. Azpeitia-Armán, A. Muñoz-Hernández, J. M. García-Gómez, P. Díez-Martínez, M. Grande-Bárez. Dual-energy X-ray absorptiometry in the diagnosis of osteoporosis: A practical guide. AJR Am. J. Roentgenol., 2011, 196(4): 897–904
3   P. Andreopoulou, R. S. Bockman. Management of postmenopausal osteoporosis. Annu. Rev. Med., 2015, 66: 329–342
4   C. B. Becker. Sclerostin inhibition for osteoporosis—A new approach. N. Engl. J. Med., 2014, 370(5): 476–477
5   T. D. Rachner, S. Khosla, L. C. Hofbauer. Osteoporosis: Now and the future. Lancet, 2011, 377(9773): 1276–1287
6   P. Laugier. Quantitative ultrasound of bone: Looking ahead. Joint Bone Spine, 2006, 73(2): 125–128
7   D. Mulleman, I. Legroux-Gerot, B. Duquesnoy, X. Marchandise, B. Delcambre, B. Cortet. Quantitative ultrasound of bone in male osteoporosis. Osteoporos. Int., 2002, 13(5): 388–393
8   P. H. Nicholson, R. Alkalay. Quantitative ultrasound predicts bone mineral density and failure load in human lumbar vertebrae. Clin. Biomech. (Bristol, Avon), 2007, 22(6): 623–629
9   F. Padilla, F. Jenson, V. Bousson, F. Peyrin, P. Laugier. Relationships of trabecular bone structure with quantitative ultrasound parameters: In vitro study on human proximal femur using transmission and backscatter measurements. Bone, 2008, 42(6): 1193–1202
10   K. A. Wear, S. Nagaraja, M. L. Dreher, S. L. Gibson. Relationships of quantitative ultrasound parameters with cancellous bone microstructure in human calcaneus in vitro. J. Acoust. Soc. Am., 2012, 131(2): 1605–1612
11   D. Ta, W. Wang, K. Huang, Y. Wang, L. H. Le. Analysis of frequency dependence of ultrasonic backscatter coefficient in cancellous bone. J. Acoust. Soc. Am., 2008, 124(6): 4083–4090
12   C. Chappard, P. Laugier, B. Fournier, C. Roux, G. Berger. Assessment of the relationship between broadband ultrasound attenuation and bone mineral density at the calcaneus using BUA imaging and DXA. Osteoporos. Int., 1997, 7(4): 316–322
13   G. Haïat, In vitro speed of sound measurement at intact human femur specimens. Ultrasound Med. Biol., 2005, 31(7): 987–996
14   D. Hans, Ultrasound velocity of trabecular cubes reflects mainly bone density and elasticity. Calcif. Tissue Int., 1999, 64(1): 18–23
15   S. Mészáros, E. Tóth, V. Ferencz, E. Csupor, E. Hosszú, C. Horváth. Calcaneous quantitative ultrasound measurements predicts vertebral fractures in idiopathic male osteoporosis. Joint Bone Spine, 2007, 74(1): 79–84
16   W. Pluskiewicz, B. Drozdzowska. Ultrasonic measurement of the calcaneus in Polish normal and osteoporotic women and men. Bone, 1999, 24(6): 611–617
17   P. Laugier. An overview of bone sonometry. Int. Congr. Ser., 2004, 1274: 23–32
18   K. A. Wear. Ultrasonic scattering from cancellous bone: A review. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2008, 55(7): 1432–1441
19   B. K. Hoffmeister, A. P. Holt, S. C. Kaste. Effect of the cortex on ultrasonic backscatter measurements of cancellous bone. Phys. Med. Biol., 2011, 56(19): 6243–6255
20   B. K. Hoffmeister, Ultrasonic characterization of human cancellous bone in vitro using three different apparent backscatter parameters in the frequency range 0.6−15.0 MHz. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2008, 55(7): 1442–1452
21   K. Il Lee, M. Joo Choi. Frequency-dependent attenuation and backscatter coefficients in bovine trabecular bone from 0.2 to 1.2 MHz. J. Acoust. Soc. Am., 2012, 131(1): EL67–EL73
22   C. C. Liu, H. J. Han, D. A. Ta, W. Q. Wang. Effect of selected signals of interest on ultrasonic backscattering measurement in cancellous bones. Sci. China Phys. Mech., 2013, 56(7): 1310–1316
23   C. C. Liu, D. Ta, B. Hu, L. H. Le, W. Wang. The analysis and compensation of cortical thickness effect on ultrasonic backscatter signals in cancellous bone. J. Appl. Phys., 2014, 116(12): 124903
24   C. C. Liu, The relationship between ultrasonic backscatter and trabecular anisotropic microstructure in cancellous bone. J. Appl. Phys., 2014, 115(6): 064906
25   F. Padilla, F. Peyrin, P. Laugier. Prediction of backscatter coefficient in trabecular bones using a numerical model of three-dimensional microstructure. J. Acoust. Soc. Am., 2003, 113(2): 1122–1129
26   K. A. Wear, A. Laib. The dependence of ultrasonic backscatter on trabecular thickness in human calcaneus: Theoretical and experimental results. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2003, 50(8): 979–986
27   K. A. Wear, A. P. Stuber, J. C. Reynolds. Relationships of ultrasonic backscatter with ultrasonic attenuation, sound speed and bone mineral density in human calcaneus. Ultrasound Med. Biol., 2000, 26(8): 1311–1316
28   B. S. Garra, M. Locher, S. Felker, K. A. Wear. Measurements of ultrasonic backscattered spectral centroid shift from spine in vivo: Methodology and preliminary results. Ultrasound Med. Biol., 2009, 35(1): 165–168
29   K. Huang, D. Ta, W. Wang, L. H. Le. Simplified inverse filter tracking algorithm for estimating the mean trabecular bone spacing. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2008, 55(7): 1453–1464
30   W. C. Pereira, S. L. Bridal, A. Coron, P. Laugier. Singular spectrum analysis applied to backscattered ultrasound signals from in vitro human cancellous bone specimens. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2004, 51(3): 302–312
31   Y. Q. Jiang, Analysis of apparent integrated backscatter coefficient and backscattered spectral centroid shift in Calcaneus in vivo for the ultrasonic evaluation of osteoporosis. Ultrasound Med. Biol., 2014, 40(6): 1307–1317
32   R. Zhang, D. Ta, C. Liu, C. Chen. Feasibility of bone assessment with ultrasonic backscatter signals in neonates. Ultrasound Med. Biol., 2013, 39(10): 1751–1759
33   J. Litniewski, L. Cieslik, M. Lewandowski, R. Tymkiewicz, B. Zienkiewicz, A. Nowicki. Ultrasonic scanner for in vivo measurement of cancellous bone properties from backscattered data. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2012, 59(7): 1470–1477
34   J. P. Karjalainen, Multi-site bone ultrasound measurements in elderly women with and without previous hip fractures. Osteoporos. Int., 2012, 23(4): 1287–1295
35   C. Liu, Signal of interest selection standard for ultrasonic backscatter in cancellous bone evaluation. Ultrasound Med. Biol., 2015, 41(10): 2714–2721
36   M. S. Fewtrell, T. J. Cole, N. J. Bishop, A. Lucas. Neonatal factors predicting childhood height in preterm infants: Evidence for a persisting effect of early metabolic bone disease? J. Pediatr., 2000, 137(5): 668–673
37   M. C. Backström, A. L. Kuusela, R. Mäki. Metabolic bone disease of prematurity. Ann. Med., 1996, 28(4): 275–282
38   A. Lucas, O. G. Brooke, B. A. Baker, N. Bishop, R. Morley. High alkaline phosphatase activity and growth in preterm neonates. Arch. Dis. Child., 1989, 64(7 Spec No): 902–909
39   J. E. Teitelbaum, Quantitative ultrasound in the evaluation of bone status in premature and full-term infants. J. Clin. Densitom., 2006, 9(3): 358–362
40   M. Catache, C. R. Leone. Role of plasma and urinary calcium and phosphorus measurements in early detection of phosphorus deficiency in very low birthweight infants. Acta Paediatr., 2003, 92(1): 76–80
41   J. Faerk, B. Peitersen, S. Petersen, K. F. Michaelsen. Bone mineralisation in premature infants cannot be predicted from serum alkaline phosphatase or serum phosphate. Arch. Dis. Child. Fetal Neonatal Ed., 2002, 87(2): F133–F136
42   W. W. K. Koo, J. Walters, A. J. Bush, R. W. Chesney, S. E. Carlson. Dual-energy X-ray absorptiometry studies of bone mineral status in newborn infants. J. Bone Miner. Res., 1996, 11(7): 997–1002
43   H. McDevitt, S. F. Ahmed. Quantitative ultrasound assessment of bone health in the neonate. Neonatology, 2007, 91(1): 2–11
44   L. Pereda, T. Ashmeade, J. Zaritt, J. D. Carver. The use of quantitative ultrasound in assessing bone status in newborn preterm infants. J. Perinatol., 2003, 23(8): 655–659
45   A. Omar, S. Turan, A. Bereket. Reference data for bone speed of sound measurement by quantitative ultrasound in healthy children. Arch. Osteoporos., 2006, 1(1−2): 37–41
46   P. A. Narayana, J. Ophir. A closed form method for the measurement of attenuation in nonlinearly dispersive media. Ultrason. Imaging, 1983, 5(1): 17–21
47   B. Rack, Ultrasound for the assessment of bone quality in preterm and term infants. J. Perinatol., 2012, 32(3): 218–226
[1] Holger Krueger. Standardization for Additive Manufacturing in Aerospace[J]. Engineering, 2017, 3(5): 585 .
[2] Joe A. Sestak Jr.. High School Students from 157 Countries Convene to Address One of the 14 Grand Challenges for Engineering: Access to Clean Water[J]. Engineering, 2017, 3(5): 583 -584 .
[3] Lance A. Davis. Climate Agreement—Revisited[J]. Engineering, 2017, 3(5): 578 -579 .
[4] Ben A. Wender, M. Granger Morgan, K. John Holmes. Enhancing the Resilience of Electricity Systems[J]. Engineering, 2017, 3(5): 580 -582 .
[5] Jin-Xun Liu, Peng Wang, Wayne Xu, Emiel J. M. Hensen. Particle Size and Crystal Phase Effects in Fischer-Tropsch Catalysts[J]. Engineering, 2017, 3(4): 467 -476 .
[6] Luis Ribeiro e Sousa, Tiago Miranda, Rita Leal e Sousa, Joaquim Tinoco. The Use of Data Mining Techniques in Rockburst Risk Assessment[J]. Engineering, 2017, 3(4): 552 -558 .
[7] Maggie Bartolomeo. Third Global Grand Challenges Summit for Engineering[J]. Engineering, 2017, 3(4): 434 -435 .
[8] Michael Powalla, Stefan Paetel, Dimitrios Hariskos, Roland Wuerz, Friedrich Kessler, Peter Lechner, Wiltraud Wischmann, Theresa Magorian Friedlmeier. Advances in Cost-Efficient Thin-Film Photovoltaics Based on Cu(In,Ga)Se2[J]. Engineering, 2017, 3(4): 445 -451 .
[9] Raffaella Ocone. Reconciling “Micro” and “Macro” through Meso-Science[J]. Engineering, 2017, 3(3): 281 -282 .
[10] Baoning Zong, Bin Sun, Shibiao Cheng, Xuhong Mu, Keyong Yang, Junqi Zhao, Xiaoxin Zhang, Wei Wu. Green Production Technology of the Monomer of Nylon-6: Caprolactam[J]. Engineering, 2017, 3(3): 379 -384 .
[11] Pengcheng Xu, Yong Jin, Yi Cheng. Thermodynamic Analysis of the Gasification of Municipal Solid Waste[J]. Engineering, 2017, 3(3): 416 -422 .
[12] Lei Xu, Jinhui Peng, Hailong Bai, C. Srinivasakannan, Libo Zhang, Qingtian Wu, Zhaohui Han, Shenghui Guo, Shaohua Ju, Li Yang. Application of Microwave Melting for the Recovery of Tin Powder[J]. Engineering, 2017, 3(3): 423 -427 .
[13] Ee Teng Kho, Salina Jantarang, Zhaoke Zheng, Jason Scott, Rose Amal. Harnessing the Beneficial Attributes of Ceria and Titania in a Mixed-Oxide Support for Nickel-Catalyzed Photothermal CO2 Methanation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 393 -401 .
[14] Ke Dang, Tuo Wang, Chengcheng Li, Jijie Zhang, Shanshan Liu, Jinlong Gong. Improved Oxygen Evolution Kinetics and Surface States Passivation of Ni-Bi Co-Catalyst for a Hematite Photoanode[J]. Engineering, 2017, 3(3): 285 -289 .
[15] Mu Xiao, Songcan Wang, Supphasin Thaweesak, Bin Luo, Lianzhou Wang. Tantalum (Oxy)Nitride: Narrow Bandgap Photocatalysts for Solar Hydrogen Generation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 365 -378 .
Copyright © 2015 Higher Education Press & Engineering Sciences Press, All Rights Reserved.