成都华西华科研究所分析超声骨密度仪检测方法与QCT骨密度测量体模软件检测方法的探讨

摘要:本文通过介绍骨密度仪的基本原理，对其性能指标的几种检测方法进行讨论，就存在问题进行了分析，并对解决 方法提出建议。

0引言

超声骨密度仪测量的是骨中矿物质密度，即单 位体积的骨骼中矿物质的含量。该仪器采用定量超 声测定法（QUS)，利用超声波的发射和穿透衰减来 评价骨的力学特性，其主要测量的是与骨密度和骨 的微结构密切相关的两个参数声速（SOS)和宽带超 声衰减（BUA)。实验研究表明超声波在被测骨骼 中传播时会发生衰减，频率越高，衰减越大。当骨骼 发生变化时，如骨密度降低、骨质流失等，骨骼对超 声的衰减即BUA就会发生变化，通常情况下，BUA 变小，代表骨骼的骨密度变小，反之亦然。目前有关 超声骨密度仪的行业标准还未发布，对上述两个主 要性能指标检测方法的研究一直在进行。本文探讨 了现行方法所存在的问题，并对解决方法提出建议。

1水中脉冲透射插入取代法

1. 1声速测量及误差

采用水中脉冲透射插入取代法设计的仪器，超 声波从一侧超声换能器发射穿过指定骨质部位到另 一侧超声换能器被接收，此方法主要适用于对人体 跟骨测量检查。检测这种设计方式的超声骨密度仪 声速测量性能可以采用GB/T 18022 - 2000和GB/ T 15261 - 2008介绍的插入取代法，即在测试水槽 中，将被测样品插在发射换能器与接收换能器之间 的平面波声束路径上，令其取代相同长度的水，借助 于样品插入前后声脉冲信号传播时间的变化（即时 差）求得该材料中声速，检测装置见图1。

插入取代法包括有单样品和双样品两种测量方 式。声速的测量一般采用单样品的方式，公式如下：

图1检测装置图

式中，c为样品材料中声速，m/s; cw为蒸馏水中 声速，m/s(蒸溜水的声速与温度的关系可以查 阅资料）；d为样品厚度，m; t为插入样品后引起的 声脉冲传播时间变化（脉冲波形前移，即时间缩短 时取负值;脉冲波形后移，即时间延长取正值），s〇 声速测量误差的计算，可用水听器测量声速作 为校准依据，将超声骨密度仪测量结果与之比对。 测量时需要注意几个问题，一是用超声骨密度仪测 量声速与水听器法测量声速时，介质的温度偏差不 超过±1C。二是保持探头部分与介质之间的良好 耦合。三是确保声束轴与介质平面垂直，减少介质 厚度变化引起的误差。四是样品材料的选择，插入 取代法测量同种材料，声速测量的误差随样品厚度 的增大而单调降低。同时有的仪器允许的时差有 限，样品声速与跟骨差异较大的样品都不好测。

I.   2宽带超声衰减测量

首先介绍部分超声骨密度仪设计所采用单样品 方式和频谱分析法。先测量超声穿过水的时域信号 4 ")，如图2所示。

对其采用快速傅里叶变换得其频谱的幅值信息 匕⑦，如图3所示：

加入样本后再次测量超声穿过样本的时域

图4

等媒质衰减系数的测量，检测机构一般采用双样品, 由透射信号幅度求出若干单个频率下的衰减系数 (单位是dB/cm),再通过直线拟合,求出的声衰减 斜率即是声衰减（单位是dB/cm .MHz)。当样品 足够厚，与声束轴垂直方向两界面间不出现驻波，且 不考虑水中声衰减的影响（水的声衰减系数甚小， 在大多数情况下不必进行修正）。双样品法计算声 衰减系数公式如下：

式中，a为被测材料的声衰减系数；di为较厚样 品的厚度；4为较薄样品的厚度;A,为插入较厚样品 时接受信号幅度;次为插入较薄样品时接受信号幅度。

以/为自变量，a为因变量，进行过坐标原点直 线拟和，即a =a。/，求的声衰减系数斜率a。，/为仪 器换能器的工作频率。也可进行曲线拟和，即a =

a。/，求取其系数a。和指数《。因基于猝发音脉冲 的脉冲透射插入取代法所用设备复杂，不太可能在 医院临床应用，所以制造商利用频谱分析技术在一 台仪器上解决问题。由于仪器并未采用双样品设 计，实际求得的BUA单位是dB/MHz,难以直接使 用这种方法检测仪器性能。

由于直接采用双样品法检测难以实施，不同制造 商频谱分析及临床经验统计库有所差异，产品对同一 样品的测量结果难以严格比较。为此专家提出一种检 测方法，超声骨密度仪使用同一发射信号频率和幅度, 测量三个同一材料不同厚度样品，限定样品材料声速 在1500n/s附近,声衰减系数与频率关系最好接近直 线，测量得到3个样品的BUA与样品厚度成单调关系 为符合要求。此方法的原理可以从双样品法的公式看 出,声衰减系数与样品厚度成单调关系。通过检测仪 器接受脉冲信号的幅值变化评价性能,避免了后续频 谱分析及经验统计库比对的差异性。从该方法的测量 原理考虑，样品厚度至少应大于半个脉宽，最大厚度必 须小于两探头之间的距离，而且要有足够的透射信号 幅度狺噪比）。主要问题是仪器需要显示接受脉冲信 号的幅值

信号^〈〇,对其采用快速傅里叶变换得其频域信 号匕（/),依据两频谱由超声骨密度仪逐个频率点 相减,并将得到的结果拟和成直线。通过频域信号 计算衰减曲线的公式为：

用最小二乘法对其进行线性拟合，拟合时其频 谱区间应为制造商公布的声工作频谱，拟合后该直 线的斜率即为BUA,最后比较超声骨密度仪与水听 器测量结果的误差。声工作频谱是指超声骨密度仪 计算BUA时,在频谱图上其所采用频谱的频率范 围,用起点频率和终点频率表示，见图4所示。BUA 的测量与计算各个制造商可能有所不同，频谱分析 时需要注意几个问题:选择适当的域信号采样频率 见奈奎斯特频率)消减采样导致的信号混叠;选择 适当的线性拟合的区间频段并加窗抑制截断信号引 起的频谱泄漏;选择适当的探头带宽减小由于中心 频率之外其他频率的信噪比不高导致的分析结果的 偏差。采用单样品法未考虑界面反射损失及对软组 织的影响予以修正，超声骨密度仪测得的实际是插 入损失,即样品内的衰减和界面处的反射损失之合, BUA计算实际得到的是‘插入损失除以频率”而 BUA定义的是“总衰减除以频率”制定检测方法 时还同时需要考虑部分超声骨密度仪测量BUA并 非单纯依靠物理公式计算，而是将所测声速、衰减与 骨的成分及结构联系起来，与其临床经验统计库进 行比对得出最终结果。

对于液体、一般固体、橡胶塑料以及仿组织材料

由表1可以看出此方法具有良好的重复性。

2 4标准曲线

配置 5种不同含量（100 mg/L、50 mg/L、10 mg/ L、5 mg/L、1 mg/L)的尼泊金酯混标，对其进行测 定，利用色谱峰面积A测定数据对相应组分的含量 _C进行线性回归，所得线性方程分别为：

由表2可以看出此方法测量的尼泊金酯混标在 浓度1〜100 mg/L的范围内具有良好的线性关系。

3结语

无论是检测食品、化妆品或是药品中的尼泊金 酯，其区别便在于前处理方法的不同,而最终定值的 手段是相似的。本文讨论了利用气相色谱法和液相 色谱法对六种最常用的尼泊金酯类进行分离,为多种 尼泊金酯类同时检测提供了方法。该方法快速、可 靠、分离度佳、精密度和线性好,可作为测定多种尼泊 金酯类添加剂的有效方法，具有非常重要的意义。

2斜探头脉冲发射法

采用斜探头脉冲发射法设计的仪器，测量声波 在骨骼中传播速度，将换能器通过耦合与检测面接 触，利用声脉冲入射到两种不同介质交界面上发生 发射的原理进行检测，见图5所示。斜探头脉冲发 射法指将压电晶片安放在具有一定倾斜角的有机玻 璃楔块上，利用纵波斜入射到被测物中产生波形转 换的原理获得横波的检查方法，此种方法多用于测 量胫骨。由于设计原理的差异，被测骨质部分未被 插在发射换能器与接收换能器之间的平面波声束路 径上，无法用插入取代法测量SOS和BUA，一般还 是由企业提供声速已知的标准模块校准。_z._探头入射纵波，纵波进入胫骨皮质骨中的折射波, r:皮质骨厚度，士入射点和接受点的距离 图5斜探头脉冲发射法检测原理图

3小结

不同制造商生产超声骨密度仪的设计原理并不 唯一，频谱分析过程有所差异，测量过程还采用了比 对临床经验统计库的处理，检测方法难以寻求统一 量化的计算公式，制造商专门为检测而设计一套测 试程序需要时间推广，现有的方法均存在一定缺陷。 今后最为可行的解决方法是设计仿人体骨骼的体 模，体模的SOS和BUA参数经过计量作为检测判断 依据。期望科技工作者将其作为一项重要的科研课 题研究，作好必要的积累工作，及时跟踪超声骨密度 测量技术的发展，在将来开发出标准化的仿人体骨 骼体模。

成都华西华科研究所研发生产QCT骨密度测量体模软件系统 

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