超声骨密度原理
2016-12-27 22:04:50 点击：
成都华西华科研究所分析超声骨密度原理
现在被广泛接受的定义为骨质疏松是一种全身性慢性疾病，表现为骨量减少，伴随骨小梁结构变化，最
终增加骨折的危险性。骨质疏松骨折发生在脊柱、股骨颈和腕部。骨量减少本身无严重症状，但骨质疏
松骨折，尤其是股骨颈骨折会造成很大的医疗负担，并有很高的死亡率。骨密度降低，骨强度减弱是骨
折的原因之一。但骨折的发生是一个非常复杂的过程，除骨强度减弱外，还有病人摔倒的情形及病人的
保护性反应都是非常重要的因素。
目前骨密度(BMD)测量是诊断骨质疏松的主要根据。骨密度测量方法很多，从最简单的X射线平片(RA)，
早期的单光子(SPA)，双光子骨密度仪(DPA)和定量超声测量(QUS)，到现在普及应用的双能X射线骨密度仪(DXA)，定量CT(QCT)。这些都是比较精确可靠的测量方法，尤其QCT骨密度测量系统方法能快速测定全身各个部位的BMD，并
有很好的精度，是目前诊断骨质疏松的“金标准”。
自从英国Langton于1984年报道了利用跟骨QUS测量可以区分骨质疏松骨折病人与正常人群以来，超声测
量骨密度被引起很大兴趣。首先超声波无放射性，并具有廉价、便携、易使用等优点。更主要的是理论
上超声能够提供骨小梁结构方面的信息。骨强度主要取决于BMD，但骨结构也很重要。前述所有BMD测量
方法都是利用放射线，它们只能测量BMD，但不能提供骨小梁结构方面的信息，而超声有可能提供这一方
面的信息。
一 基础理论
超声波是超出人耳听力频率以上的一种机械波(>20千赫)。其波形由速度，频率和波长决定，它们之间的
关系是: 速度=波长×频率。
当超声波通过骨组织时，它与骨组织之间的反应和放射线通过骨组织的情况完全不同。超声波通过介质(
骨组织)时，超声波发生两个根本的变化。介质可以改变超声波的速度，也可以使超声波能量减弱，发生
衰减。因此目前临床上使用的超声骨密度仪主要测量两个参数: 超声速度(Speed of Sound，SOS)和宽幅
超声衰减(Broadband Ultrasound Attenuation BUA)。其他参数都是由这两个参数演变而来。
从力学知识我们知道，当超声波穿过均质材料时，如塑料，橡胶等，如果已知该材料的密度和超声速度
，该材料的弹性系数(Elasticity Modulus)，也就是扬氏系数(Young’s Modulus)(表示材料强度的一项
指标)可由下列公式求得:
弹性系数=密度×(超声速度)2。
应该注意该公式不适用于非均质材料，如木材和松质骨等，但可以用这个公式作初步分析。
如图1 所示，超声测量仪一般由超声波发生器，超声波探头和电脑组成。工作时超声波由发射探头发出
，通过水或耦合剂，穿过被测组织，由接收探头接收信号，然后由电脑计算超声速度(SOS)和/或振幅衰
减系数(BUA)。
目前市场上有近十种超声测量仪。它们所测量的部位不同: 多数测量跟骨，也有测胫骨和手指等。它们
工作频率不同，耦合方式有差别，工作原理也有些不同。
就耦合剂而言，多数采用水做耦合剂。因超声测量受到温度的影响，所以多数采用恒温35℃，与人体温
度接近，其缺点是使用不方便。另外一些采用胶作耦合剂，胶使用方便，缺点是随室温不同而异(图2)。
多数超声测量仪没有图像，这样测量点取决于探头和被测部位的相对位置。在跟骨过大或过小时，有可
能探头的位置超出跟骨的范围。为了克服这一问题，已有机器采用对被测部位进行扫描，形成图像，然
后在图像上确定测量兴趣区，这样可提高精度，并避免测量到跟骨外。
目前以跟骨测量仪最为常用，这主要是根据跟骨以松质骨为主，后跟部位比较适合超声测量。每人的跟
骨宽度不同，而且不易被测量，外面有跟部软组织也影响结果。多数测量仪是除以一个固定的值，如25
(mm)，来计算超声速度的。
多数机器测量跟骨，以松质骨为主。目前有一种测量皮质骨的仪器。测量部位也以胫骨为主，它测量的
是超声在皮质骨的传导速度。一般认为骨疏松先发生在松质骨，后期才表现在皮质骨。
现在市场上的超声骨密度仪，都有比较好的精度，一般都在1%~2%之间，尤其SOS的精度可达0.5%。大量
的研究表明在跟骨部位测得的SOS和BUA都和跟骨部位的骨密度有比较好的相关性。病例对照研究表明骨
疏松病人比正常人群的SOS和BUA值要低。
二 超声与骨密度及骨结构的关系
前面提到超声可以提供骨强度和骨结构方面的信息。必须指出这是一个比较笼统的说法，不同部位测量
方法有所不同。我们的实验结果表明，就跟骨超声测量而言，超声测量最主要反映的是骨密度，骨密度
本身可以解释超声测量的85%，而骨结构最多只占15%。如果用超声测量人腰椎椎体的松质骨标本的不同
方向，结果发现在纵向测量时，骨密度只能解释骨强度的49%，说明在该方向上骨结构起重要作用。头足
方向的超声速度是1979m/s，而前后向为1545m/s，左右向为1540m/s。同时发现在不同方向超声测量所接
收到的波形不同，在头足方向超声速度快，并无法测量BUA。所有这些差别都是在相同骨标本的不同方向
测量时观察到的，不能用骨密度来解释。图3清楚显示人腰椎椎体骨结构在侧面观和轴向观的不同，侧面
为纵行排列的骨小梁，并有横行骨小梁连接，轴向观骨结构为蜂窝样结构(图3)。
三 超声测量的临床应用
与利用射线测量骨密度的方法相比，超声测量具有无辐射、价格低、便携的优点，近年来发展很快，工
程及医务界做了很多工作，主要在以下几个方面。
1. 正常参考值的建立和年龄变化规律
与所有骨密度测量方法一样，首先要建立正常参考值和随年龄变化的规律。各生产厂家都建立了白人妇
女的大样本参考值。因为超声价格低，又便于携带，所以可以做大样本的普查。日本和韩国都已经有这
样的研究结果。国内还有待开展。
2. 诊断标准
同样，近年来的研究也集中在寻找超声的诊断标准。开始有人试用世界卫生组织(WHO)的-2.5标准差，后
来的研究发现这一标准并不适用于超声，主要是超声随年龄的变化幅度比双能X射线骨密度仪(DXA)要小
。每一种机器都需要摸索适合的标准，目前还没有达成一致。另外对超声能否单独作为骨疏松诊断的检
测方法仍有争议。
3. 预测骨折的能力
在病例对照研究中，一般发现骨折病人的SOS和BUA比对照组低，但差别比较小。在前瞻性的骨折预测研
究中，Hans等(1996)和Bauer等(1997)报道了大样本(分别为5662例和6189例老年妇女)研究结果，认为跟
骨超声测量预测股骨骨折的能力与股骨颈QCT BMD相当(图4)。
4. 在儿童人群的应用
因超声没有辐射，因此在儿童正常人群和疾病研究中应用有一定优势。
四 需要进一步解决的问题
首先，目前市场上有不同厂家生产的超声骨密度测量仪十来种，各种机器工作频率、耦合方式及测量部
位不同，所以测得结果无法比较。QCT骨密度测量现在国际上有通用的体模可以校准，但超声骨密度测量还没有
这样的体模，无法相互校准和换算。超声测量与温度有关，这样给超声测量的质量控制研究带来很大困难。
更主要的是，由于技术方面的限制，超声还不能测量脊柱和股骨等骨疏松好发部位。目前多数测量跟骨
。虽然跟骨90%为松质骨，跟骨形态有利于超声测量。但跟骨远离骨疏松好发的股骨和脊柱，而且跟骨的
骨丢失发生比较晚，不能准确反映全身骨丢失情况。
五 小结
总之，超声骨密度测量具有无放射性、便携、廉价等优点，并能在一定程度上反映骨小梁结构。所有这
些优点使得超声测量非常适宜做普查筛选，在骨质疏松的诊断中具有很大的潜力。超声测量的质量控制
，超声测量能否单独作为骨疏松诊断的检测指标和诊断标准问题值得进一步研究。
现在被广泛接受的定义为骨质疏松是一种全身性慢性疾病，表现为骨量减少，伴随骨小梁结构变化，最
终增加骨折的危险性。骨质疏松骨折发生在脊柱、股骨颈和腕部。骨量减少本身无严重症状，但骨质疏
松骨折，尤其是股骨颈骨折会造成很大的医疗负担，并有很高的死亡率。骨密度降低，骨强度减弱是骨
折的原因之一。但骨折的发生是一个非常复杂的过程，除骨强度减弱外，还有病人摔倒的情形及病人的
保护性反应都是非常重要的因素。
目前骨密度(BMD)测量是诊断骨质疏松的主要根据。骨密度测量方法很多，从最简单的X射线平片(RA)，
早期的单光子(SPA)，双光子骨密度仪(DPA)和定量超声测量(QUS)，到现在普及应用的双能X射线骨密度仪(DXA)，定量CT(QCT)。这些都是比较精确可靠的测量方法，尤其QCT骨密度测量系统方法能快速测定全身各个部位的BMD，并
有很好的精度，是目前诊断骨质疏松的“金标准”。
自从英国Langton于1984年报道了利用跟骨QUS测量可以区分骨质疏松骨折病人与正常人群以来，超声测
量骨密度被引起很大兴趣。首先超声波无放射性，并具有廉价、便携、易使用等优点。更主要的是理论
上超声能够提供骨小梁结构方面的信息。骨强度主要取决于BMD，但骨结构也很重要。前述所有BMD测量
方法都是利用放射线，它们只能测量BMD，但不能提供骨小梁结构方面的信息，而超声有可能提供这一方
面的信息。
一 基础理论
超声波是超出人耳听力频率以上的一种机械波(>20千赫)。其波形由速度，频率和波长决定，它们之间的
关系是: 速度=波长×频率。
当超声波通过骨组织时，它与骨组织之间的反应和放射线通过骨组织的情况完全不同。超声波通过介质(
骨组织)时，超声波发生两个根本的变化。介质可以改变超声波的速度，也可以使超声波能量减弱，发生
衰减。因此目前临床上使用的超声骨密度仪主要测量两个参数: 超声速度(Speed of Sound，SOS)和宽幅
超声衰减(Broadband Ultrasound Attenuation BUA)。其他参数都是由这两个参数演变而来。
从力学知识我们知道，当超声波穿过均质材料时，如塑料，橡胶等，如果已知该材料的密度和超声速度
，该材料的弹性系数(Elasticity Modulus)，也就是扬氏系数(Young’s Modulus)(表示材料强度的一项
指标)可由下列公式求得:
弹性系数=密度×(超声速度)2。
应该注意该公式不适用于非均质材料，如木材和松质骨等，但可以用这个公式作初步分析。
如图1 所示，超声测量仪一般由超声波发生器，超声波探头和电脑组成。工作时超声波由发射探头发出
，通过水或耦合剂，穿过被测组织，由接收探头接收信号，然后由电脑计算超声速度(SOS)和/或振幅衰
减系数(BUA)。
目前市场上有近十种超声测量仪。它们所测量的部位不同: 多数测量跟骨，也有测胫骨和手指等。它们
工作频率不同，耦合方式有差别，工作原理也有些不同。
就耦合剂而言，多数采用水做耦合剂。因超声测量受到温度的影响，所以多数采用恒温35℃，与人体温
度接近，其缺点是使用不方便。另外一些采用胶作耦合剂，胶使用方便，缺点是随室温不同而异(图2)。
多数超声测量仪没有图像，这样测量点取决于探头和被测部位的相对位置。在跟骨过大或过小时，有可
能探头的位置超出跟骨的范围。为了克服这一问题，已有机器采用对被测部位进行扫描，形成图像，然
后在图像上确定测量兴趣区，这样可提高精度，并避免测量到跟骨外。
目前以跟骨测量仪最为常用，这主要是根据跟骨以松质骨为主，后跟部位比较适合超声测量。每人的跟
骨宽度不同，而且不易被测量，外面有跟部软组织也影响结果。多数测量仪是除以一个固定的值，如25
(mm)，来计算超声速度的。
多数机器测量跟骨，以松质骨为主。目前有一种测量皮质骨的仪器。测量部位也以胫骨为主，它测量的
是超声在皮质骨的传导速度。一般认为骨疏松先发生在松质骨，后期才表现在皮质骨。
现在市场上的超声骨密度仪，都有比较好的精度，一般都在1%~2%之间，尤其SOS的精度可达0.5%。大量
的研究表明在跟骨部位测得的SOS和BUA都和跟骨部位的骨密度有比较好的相关性。病例对照研究表明骨
疏松病人比正常人群的SOS和BUA值要低。
二 超声与骨密度及骨结构的关系
前面提到超声可以提供骨强度和骨结构方面的信息。必须指出这是一个比较笼统的说法，不同部位测量
方法有所不同。我们的实验结果表明，就跟骨超声测量而言，超声测量最主要反映的是骨密度，骨密度
本身可以解释超声测量的85%，而骨结构最多只占15%。如果用超声测量人腰椎椎体的松质骨标本的不同
方向，结果发现在纵向测量时，骨密度只能解释骨强度的49%，说明在该方向上骨结构起重要作用。头足
方向的超声速度是1979m/s，而前后向为1545m/s，左右向为1540m/s。同时发现在不同方向超声测量所接
收到的波形不同，在头足方向超声速度快，并无法测量BUA。所有这些差别都是在相同骨标本的不同方向
测量时观察到的，不能用骨密度来解释。图3清楚显示人腰椎椎体骨结构在侧面观和轴向观的不同，侧面
为纵行排列的骨小梁，并有横行骨小梁连接，轴向观骨结构为蜂窝样结构(图3)。
三 超声测量的临床应用
与利用射线测量骨密度的方法相比，超声测量具有无辐射、价格低、便携的优点，近年来发展很快，工
程及医务界做了很多工作，主要在以下几个方面。
1. 正常参考值的建立和年龄变化规律
与所有骨密度测量方法一样，首先要建立正常参考值和随年龄变化的规律。各生产厂家都建立了白人妇
女的大样本参考值。因为超声价格低，又便于携带，所以可以做大样本的普查。日本和韩国都已经有这
样的研究结果。国内还有待开展。
2. 诊断标准
同样，近年来的研究也集中在寻找超声的诊断标准。开始有人试用世界卫生组织(WHO)的-2.5标准差，后
来的研究发现这一标准并不适用于超声，主要是超声随年龄的变化幅度比双能X射线骨密度仪(DXA)要小
。每一种机器都需要摸索适合的标准，目前还没有达成一致。另外对超声能否单独作为骨疏松诊断的检
测方法仍有争议。
3. 预测骨折的能力
在病例对照研究中，一般发现骨折病人的SOS和BUA比对照组低，但差别比较小。在前瞻性的骨折预测研
究中，Hans等(1996)和Bauer等(1997)报道了大样本(分别为5662例和6189例老年妇女)研究结果，认为跟
骨超声测量预测股骨骨折的能力与股骨颈QCT BMD相当(图4)。
4. 在儿童人群的应用
因超声没有辐射，因此在儿童正常人群和疾病研究中应用有一定优势。
四 需要进一步解决的问题
首先，目前市场上有不同厂家生产的超声骨密度测量仪十来种，各种机器工作频率、耦合方式及测量部
位不同，所以测得结果无法比较。QCT骨密度测量现在国际上有通用的体模可以校准，但超声骨密度测量还没有
这样的体模，无法相互校准和换算。超声测量与温度有关，这样给超声测量的质量控制研究带来很大困难。
更主要的是，由于技术方面的限制，超声还不能测量脊柱和股骨等骨疏松好发部位。目前多数测量跟骨
。虽然跟骨90%为松质骨，跟骨形态有利于超声测量。但跟骨远离骨疏松好发的股骨和脊柱，而且跟骨的
骨丢失发生比较晚，不能准确反映全身骨丢失情况。
五 小结
总之，超声骨密度测量具有无放射性、便携、廉价等优点，并能在一定程度上反映骨小梁结构。所有这
些优点使得超声测量非常适宜做普查筛选，在骨质疏松的诊断中具有很大的潜力。超声测量的质量控制
，超声测量能否单独作为骨疏松诊断的检测指标和诊断标准问题值得进一步研究。