成都华西华科研究所分析声波传播衰减为特征与QCT骨密度软件体模检测

以起声波传播衰减为特征的表征方法 (Ultrasonic assessment based on the attenuation)

另一个超声波的主要表征方法是用传播袞成来表征 骨组织。许多研究人员用“宽带超声波衰减"（BUA)来定 义超声波传播衰减曲线的斜率。BUA值与取侑的頻率 范闱有关。

体外BUA试验首先被用来与骨密度测1结果比较。 McKelvie等人比较了人跟骨的定量CT和BUA试验结 果，发现回归系数r = 0.92^h<、McCloskey及其合作者进 行了相似的研究，测* 了跟骨的BUA，骨矿物质密度和 表观密度‘~。BUA被发现分别与QCT和表观密度为离 度显著相关（P< 0.0001 ~ 0.001)。这些研究者发现表 观密度与超声波衰减间的相关关系与QCT结果无关，从 而表明超声波可以用来发现骨的矿物质密度和表观密度 间的差别。

Langton等人对各种不同的人跟骨试样的超声波、# 密度、弹性模量和压缩强度的测定表明，超声波衰减与松 质骨的弹性模M和强度有显著的相关性（i?²分别为 75. 7%和73. 6%)。有趣的是，已知松质钟的表观密度 和其弹性模里或强度存在一个指数关系，而超声波衰减 与松质骨的表观密度也存在指数为2的指数关系^[〜。 Hodgskinson等人通过对人、牛和多孔的模拟松质骨试样 的研究认为超声波衰减与空穴率存在非线性的相关性。 当天然松质骨试样的空穴率为75%时超声波衰减最 大間。

W_U等人研究了牛松质骨试样在乙酸中经不同程度 脱矿处理（0%, 25%,50%, 75%和100%)后的骨密度 和沿三个互相正交方向的超声波衰减。结果表明，对于 同一试样，沿三个互相正交方向的超声波袞减有明显的 差异。骨密度和超声波衰减间存在显著的非线性的相关 性。当骨密度减低50%时，超声波袞减也相应减小 25%"* 丨。

在临床研究中比较了 BUA结果和骨密度测量。在一个对44个个体的研究中，跟骨的超声波衰减斜率表明 与前背远端的单光子测童结果为高度相关U= 〇. 80, P < 0. 001广但是与这些发现相反，对于正常的和 患有骨质疏松妇女的两份研究表明，跟骨的超声波衰减 不能用来可靠地预测脊髄骨的骨密度（通过QCT)或桡 背远端的骨密度（通过QCT或SPA)^{lJ0 2l]}。而Agnm等 人研究了 17名正常的和41名骨质疏松患者，发现骨质 疏松患者的超声波衰减斜率有显著的降低。当患有疾病 病人的跟骨的BUA与脊髄背的DXA和QCT进行比较 时，BUA与QCT高度显著相关（r²= 0. 85, PC0.01), 而和 DXA 有一定相关（r²= 0. 47, P<0.05)^|22]。

在这些报吿中结果的不一致可能与超声波测里方法 的不同引起的。许多因素，如换能器的直径和中心频率， 换能器间的距离，以及计算超声波衰减斜率的范闱等等。 换能器与人体间的界面也十分東要（例如直接接触或通 过水棺）。这些和其他的因素能对超声波衰成和速度值 产生M著的影响。

利用超声波方法有可能提高用非侵人方法预测断裂 危险性。Langton等人研究了近60名妇女，发现那些在 接受BUA测童后4周内发生髋部骨折的妇女的超声波 哀减比不发生髋部骨折的正常妇女的要低得多。而且， 这些研究者报道了超声波衰减随年龄增长而显著变 小¹²⁵¹。Miller和Porter测堡了年龄高于65岁的840名妇 女的超声波衰减，其中32名妇女在研究期间发生股骨近 端骨折。这32名妇女的超声波衰减比没发生股骨近端 骨折的群体要显著低和上面讨论过的超声波速度方法一样，超声波哀减 测定结果表明与骨密度和/或骨质疏松患者的断裂危险 性显著相关。佴是，那些同时测贵超声波衰减和速度的 研究似乎具有更大的价值。

三、ft合参数表征方法（Ultrasonic assessment based on the combination of velocity and attenuation)

Stevenson和Hans等人先后提出了 “刚度”这一参数， 把超声波衰减和速度结合起来^[〜^26]。在这里要说明的 是，这个“刚度"与工程力学中的刚度不一样，它实际上是 超声波袞减和速度的线性组合。Stevenson的研究表明， 在23名正常的和18名患有骨质疏松妇女中，患有骨陆 疏松妇女的超声波袞减，速度和刚度均低（P < 0. 001)。 研究结果表明“刚度”代表了超卢波衰减和速度的最佳或 接近最佳的组合。

Fen«等人研究了在准静态和动态加栽条件下人松质 骨试样的压缩弹性模量、压缩断裂应变和压缩强度与声 速、声衮减和卢速卢衰减两者的线性组合（刚度）间的关 系^[271。研究结果表明，在动态和静态条件下，声速和声衰 减两者的线性组合与松质骨的强度和弹性模量之间分别 存在者高度线性相关（P< 0.001)和统计线性相关（P<1.  05)。声速和声衰减两者的线性组合比单一的声速或声 袞减更能准确地预测人松质骨在动静态的力学性能。

Sakma等人利用超声波方法研究了 138名近期发生髋 部骨折的H本老年妇女（平均年龄79岁）和563名正常的 已过了绝经期的妇女〜^:。研究结果表明，发生髋部骨折 群体的超声波传播特性，即声速、声衰减和两者的线性组 合(刚度），均明显比正常的群体要低得多（P<〇.〇〇〇U。 由此得出结论，超声波传播特性，特别是声速和声袞减的 线性组合(刚度）是一项预测髋部背折的很好的指标。

Hadji等人研究了 1333名白人妇女随年龄的超声波 传播特性的变化，即声速、声衰减和两者的线性组合（刚 度)研究结采表明，刚度在表征随年龄增长和妇女 绝经期前后骨性质的变化最为M著（分别为31%,10% 和22%)。而声速、声衰减的变化则分别为4%和15%。由于以上实验均为一种相关性研究，所以要肯定超 声波衰减和速度的复合参数在表征松质骨性质方曲比声 速或声衰喊的单个参数优越尚为期过早。Lunar Achilles +系统具备同时测定跟背的超声波衰减、速度及“刚度” 的功能，无疑给使用者史多的选押，冇利于筛选在临床中 较为合理的超声波参数。

超声背散射法表征方法（Ultrasonic assessment based on the backscattering)

(一）   超声背散射法的原理

松质毋犮杂的微结构在骨的生物力学性质方面扮演 着重要的角色^[301。因此，对小梁网络微结构的非破坏性 表征对病理学评估来说是有用的。在现已存在的定饊超 声检测技术中，对跟骨进行超声声速（SOS)和宽带声衰 减（BUA)的测里是最常用的方法之一。

目前虽然背散射技术不像声速和宽带超声衰减那样 多地引起人们关注^[311,但其对超声散射的研究是很歎要 的。背散射可以用来评估衰减的机械响应，这是吸收和 散射的综合结果。此外，一些研究者对散射的测最进行 了研究，并给予了临床上的证实。其中分别有进行离体 骨…和活体骨研究方面的报道。

背敗射已知用来提供有关尺寸、外形、密度，以及散 射元的信息^⁴⁰³。松质#可以被看作是一个严重不均 匀的散射介质。它由骨髄构成的类似液体的介质，和矿 化胶原构成的固态基质。这个基质由平均厚度在50〜 150 ptm的互相连接的骨小梁构成〜^]。对于松质骨的应 用，骨小梁因为其中的矿化的骨小梁和骨髄之间声学性 能的高度反差，使其成为散射部位的良好选择。骨 小梁数童和厚度的减少会引起骨折风险的增加，可以由 散射的械少看出。此外，这个参数还能&著表现出腱和 其他软组织的各向异性

超卢背散射的测鼉可以提供传统定*超声检测所不 能表达的更多信息。人们认为背散射可能反应出的那些 没有在宽带超声衰减、超声声速以及骨矿密度测量中没 有反应出的某些审要的力学或微结构信息，可能具有潜 在的临床诊断的乘要性^[<73。

(二）   超声背散射系数的测董方法

超声背散射系数测设的实验方法有：2.  Chaffai和Roberjot的超声背散射系数测量方法 (Chaffai and Roberjot*s methods)在背散射测ffl中，只需 一个换能器被用来实现发射接收功能。首先，采集一个 作为参比的平曲反射物（钢板）的回声倍号。钢板距换能 器的距离与研究试样的散射体积与换能器的距离相等， 也就是当钢板的信号位于骨试样实际测里时的窗口中间 时的位置^[<81«在Frederic Jenson的实验中冰\换能器距 平面反射器35mm。然后，采集一个相应的人射在骨试 样上的敗射脉冲的回声信号。之所以采集参比的信号， 是由于散射功率反映出的是设备和组织的信息。为了消 除背敝射数据中的测最数据的反应，需要一个校止谀，也 就是参比信号。

从#试样的标准物理部位，在换能器的焦距上选取 10. 6叫宽度的窗口信号。这些宽度的窗口信号相对于 骨试样中心周围8. 3 mm的组织的体积。这个窗U信号 乘以一个窗函数（Hamming),并且进行傅立叶变换用以 计算功率进。于是，背散射系数a(/)由计苒时问加权的 回声信号的频率功率进与参比信号的比值得来。背敗射 信号测ft进行衰减、Hamming窗函数和基于频率的散射 体积（衍射）的补偿。为了去除测1设备的电动机械响应，葙要下面的

公式：

^^(/)"⁸-^68,ns₀f/)>

这里<S_a(/)>是背散射功韦谱的空间平均值，SJ/) 是标准反射目标的参比波谱。这产生一个以dB为单位 的表观背散射系数^(/)。背散射信号分析需要没有样 品表面的反射信号的干扰。并且，背敗射测量一定要补 偿各种来源产生的误差，包括超声波在骨界面的局部传 播和衰减产生的信号损失，换能器产生的基于频率的体 积声穿透，和选取示波器窗U产生的影响。Chaffai的研 究发现99%的人射能谩被传播，只冇1%的能贵在液 体和饱和液体多孔骨试样界面被损失。这个结果可以舍 力证明试样表面对散射信号的损失没有$要影响，界面 的传输损失可以被忽略。由透射传输模式产牛的衰减可 以被补偿。基于频率的背散射系数；/„(/)采用补偿哀减 和几何散射体积的计算方法如下：

( f) C(. f) Faclorsi f)

其中C(/)足衮减校正因子，Ruord/)是一个基丁- 頻率的散射体积校正因子。衰减校正因子为^[5〇1_:

r(     4g(/)c/

这里a(/)姓估U"•的袞减系数。依照Ueda和Ozawa 的工作，体积补偿因子可以写成：

^{Fartor,(/)=(〇}^8^[i"fer]

其中，（1/0. 63)²是Hamming讲函数的补偿系数；d 娃示波器窗口宽度；_z是示波器窗口对应的体积在骨中 的衰减路径长度M = 2;r/A,也就是波数_；a足换能器半 径；F是焦距。3.  Wear的超声背散射系数测屋方法（Wear’s methods) 在Wear的实验中，背散射系数的测最使用的是一个参 比模型理论^f521。基于这种理论，仪器依赖因子（如换能 器直径，从换能器到试样的距离，换能器的电动机械响 应，增益设罝等）测ft的依輳性，被最小化。使用一个已 知基于频率的背散射系数伽（/)和衰减系数《«(/)的参 比換型，将其放人水槽中，使其位置与骨试样位置一样。 这个模型由包在琼脂中的玻璃球组成。模沏的叫（/) =

1.  124/ ⁶³ dB/cm, = 1556m/s, % (/)分别在 500kHz, 1MHz 和2.25MHz 时分别为 1. 15x l〇'l. 46X HT³ 和 9. 35X 10 ³cm」Sr^_l。骨材料的功率谱和体模（phantom) 分别蒞进行测贵。于是背散射系数可以表达为：

办（/) =1 G[a_B(f),l] I_B(f) T4rG[a_R(f)_tl]I_R(f)^^KJ)

这里，T是水界面的振幅传播系数。由于样品的 离空隙率,T傾设为l¹^。G[fl(/),/]是衰减补偿因子:

G[a(/),/] = _r^^_T7

这里，/是示波器窗口宽度（gate length)。使用这个 理论进行计算的实验值与使用Faran理论进行预测的球 体散射的超声背散射系数有着很好一致性^[~。

4.  Rho的表观完整背散射测贵方法（Rho’s apparent integrated backscattcr methods)  Rho创立了 一种新的背

散射测'里方法，称为表观完整背散射（apparent integrated backscatter，AIB)^h51。这种方法采用的是脉冲回波（pulse -echo)模式。

豸先,从一个12. 7rmn厚的光学玻璃平板表面反射 回的超卢脉冲作为参比信号。这个反射体直接放在接收 换能器的表面。在这个测5中，这个换能器不被连接。 反射体的位置应使反射信号振輻最大。将反射体换为骨 试样从而得到样品信号。

参比试样的功率谱波形被置于一个的反射波形 窗UJ中央，并进行快速傅立叶变换（FFT)。样品的波形基 本用相同方法处理，不同之处在于窗口宽度为2沖。这样 做的目的在于排除那些由于在样品和水浴界面之间的卢 阻驟变导致的大ft反射回波。参比信号被从样品信号中 减去，结果被在1〜3MHz宽的带宽上进行平均。平均的 结果就是以分贝（dB>为单位的背散射值。我们称这个结 采为“表观”是因为对哀减的彩响没有进行补偿。成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
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