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在骨质疏松筛查诊断中，现有骨密度测量方法存在局限。研究人员开展扫描声学显微镜（SAM）结合奇异谱分析（SSA）对驯鹿鹿角生物力学特性的研究，发现鹿角具有正交各向异性，为多领域研究提供依据，助力生物材料开发等。
在医学领域，骨质疏松的诊断和研究一直是重要课题。目前，骨密度（BMD）测量在骨质疏松的筛查和诊断中起着关键作用，其中双能 X 线吸收法（DXA）是常用的测量方法。然而，DXA 存在诸多局限性，它主要提供骨密度信息，却无法深入了解骨骼内部结构，也难以有效捕捉骨骼结构变化对整体骨强度的影响。而且，DXA 使用电离辐射，对人体有潜在危害。同时，由于无法在活体上进行破坏性机械测试来直接确定骨骼的抗损伤能力，这使得全面评估骨骼的生物力学特性变得困难重重。因此，寻找一种更有效的方法来深入研究骨骼的生物力学特性，成为了科研人员亟待解决的问题。
在这样的背景下，来自国外的研究人员开展了一项关于驯鹿鹿角生物力学特性的研究。他们选择驯鹿鹿角作为研究对象，是因为驯鹿鹿角具有独特的性质，如生长迅速、强度重量比高且可生物降解，这些特性使其成为研究生物材料的理想样本，对其研究也可能为人类骨骼研究提供重要参考。研究人员将扫描声学显微镜（SAM）与奇异谱分析（SSA）相结合，旨在更精确地分析驯鹿鹿角的生物力学特性。
该研究得出了一系列重要结论。通过实验，研究人员发现驯鹿鹿角具有正交各向异性的生物力学特性，即在不同方向上，鹿角的力学性能存在显著差异。具体表现为，其特定声阻抗、纵向刚度、体积模量和杨氏模量等在 0°、45° 和 90° 三个方向上均有所不同 。例如，鹿角密度在 0° 时为 2.02g/cm3，45° 时为 1.85g/cm3；纵向刚度在 0° 时约为 23.94GPa，45° 时为 17.59GPa 。这些差异揭示了鹿角结构行为的方向依赖性，突出了其正交各向异性的本质。这一研究成果具有重要意义，它不仅为深入了解驯鹿鹿角的材料特性提供了依据，还有助于推动生物医学、矫形外科等领域的研究进展。同时，研究结果也为开发新型生物材料和医疗设备提供了创新思路，有望利用鹿角的独特性质，开发出更可持续、更有效的生物材料和医疗产品。该研究成果发表在《Bone》杂志上。
为开展这项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是扫描声学显微镜（SAM）技术，它可通过反射和透射模式对样本进行成像，利用换能器聚焦声能，扫描样本表面获取声学响应数据，进而生成样本的 3D 图像，揭示其内部特征。其次是奇异谱分析（SSA）技术，这是一种强大的数据处理方法，能够分解时间序列数据，有效处理非线性、非平稳和含噪数据集，从中提取隐藏的周期性和趋势，从而更准确地计算声学阻抗等参数。
在研究结果方面：
- 声学信号分析：研究人员通过实验利用 SAM 对平均 5mm 厚的驯鹿鹿角样本进行分析。首先运用短时傅里叶变换（STFT）分析声学信号的时频图，之后再用 SSA 进行分解。结果发现，不同方向样本的声学信号频率成分存在差异，这初步显示出样本声学特性的各向异性。
- 声学阻抗计算：SSA 将信号分解为多个时间序列，选取能量最大的时间序列作为关键信号，通过其功率谱峰值对应的频率计算声学阻抗。研究得到不同方向的特定声阻抗值，如 0° 时为 6.95MRayls，45° 时为 5.71MRayls，90° 时为 6.04MRayls，进一步证实了鹿角声学特性的各向异性。
- 波速及力学性能测定：根据声学响应中的峰值幅度和时间间隔，计算出纵向和剪切波的传播时间（TOF1、TOF2、TOF3），进而得出不同方向的纵向和剪切波速度。结合声阻抗，运用相关公式计算出鹿角的密度、纵向刚度、剪切模量、体积模量、杨氏模量和泊松比等力学性能参数。结果表明，这些力学性能参数在不同方向上均存在变化，充分体现了鹿角的正交各向异性。
研究结论和讨论部分强调了研究的重要意义。该研究利用 SAM 和 SSA 相结合的方法，全面评估了驯鹿鹿角在不同方向上的生物力学性能，揭示了其正交各向异性的特性。这一成果为深入了解生物材料的结构与性能关系提供了新的视角，在生物医学、生物材料开发、野生动物保护等多个领域都具有潜在的应用价值。同时，研究方法的创新性也为后续研究提供了参考，有望推动相关领域的进一步发展。不过，研究也指出，样本处理和测量过程中的一些因素可能会影响结果的准确性，未来还需进一步改进研究方法，提高研究的精确性和可靠性。
