成都华西华科研究所分析松质骨生物力学性质定量超声波表征技术与QCT骨密度软件体模检测方法

超声波是一种频率高于人听力范围的机械波（>20 kHz)。当超声波在介质（如生物组织）中传播时，它在组 织中产生瞬时的压缩和伸张区。当组织中质点的振动方 向平行于超声波的传播方向时，超声波的传播模式为纵 向波，这是超声波在生物组织中最常见的传播方式。当 质点的振动方向垂直于超声波的传播方向时，超声波的 传播模式为剪切波。超声波在液体介质中只能以纵向波 方式传播，而超声波在固体中可以纵向波或剪切波方式 传播。超声波还可能沿两种不同介质（如肌肉和骨）的界 面传播，这种波被称为表面波或瑞利波。在这种情況下， 介质中质点的振动方向为椭圆方向。对于松质#这种复 杂的非均匀介质，超声波一般为混合传播方式，这样就增 加了分析和实验的复杂性。

超卢波信号通常由压电换能器产生，可以把电信号 转变为机械振动。例如，把换能器与皮肤表面接触，超声 波就可以通过皮肤表面进人体内传播。需要把测里装置 与被测的部位进行接触，这是使用超声波方法与一般的 骨密度测定方法间最大的差别。超声波在空气和其他介 质的界面基本为全反射。为此，在应用超声波方法时，一 般被测的部位和超声波压电换能器之间霈要由水或特殊 的凝胶作为过渡介质，以尽可能减小界面损失。同时，目 前还+能像DXA、QCT等射线方法一样来测定人脊椎骨 的超声波传播性质，因为喉管和肺中的空气对超声波的 传播干扰极大。而股骨由于其周围的厚肌肉层也不适合 进行超声波测定。跟骨、髌骨、桡骨和胫骨由于其周围软 组织最少，是超声波测定骨性质的主要部位。特别是跟 骨，不仅它周围的软组织较少，表面较平坦，而且除了一 个很薄的外层皮质骨外，几乎都由松质骨组成，是目前超 声波测定松质骨性质的最常用部位¹“²¹。

超卢波的速度与某些生物力学性质有关。目前研究 表明超声波的速度和材料的弹性模量£和压缩强度S_u 相关。对于均匀的和非色敗的介质，当超声波的波长大 于组织的横截面时，超声波的速度和介质的弹性模M E

有以下关系：c = ( —)7P

可以通过反射或透射模式测童速度。主要取决于被 测材料的性质和仪器设备。在两种情况下都先要测定组 织的厚度。必须说明的是，对于骨这样的不均匀的材料， 生物力学和物理性质与超声波速度间的关系特别复杂。 然而，实验表明在速度和#密度和强度之间存在着显著 的相关关系。

超声波在组织中传播时会发生波的振幅的减小，也 就是超声能嫌的损失，被称为袞减。引起这种衰減的主 要原因是声波的散射和吸收。由于声波的散射而导致的 人射波的振幅的滅小，是由干人射波声波在介质中在多 个方向发生了重新分布。散射程度取决于超声波的波长 和介质的超声波性质。骨一般由皮质骨外壳、松质骨框 架和骨髄组成，萣一种典型的超声不均勻材料。当超声 波发生吸收时，人射波能童的一部分直接转化为热最。 这种转化取决于材料的组分和超声波的频率。一般来 说，随着超声波频率的增加吸收增加。对于高分子和生 物软组织这种关系在一个很宽的频率范围内是线性的。

衰减可以通过反射或透射方法来测曾。由于骨对于 超卢波有着很高的衰减，通常用透射方法来测里。这里 要指出，对于像骨这样的不均匀介质超声波的测鼋会遇 到很多实验上的问题。例如，由于骨的几何形状不规则 引起相互抵消而产生结果不正确。衰减值还取决于所测 定的位置。骨周围的软组织也会影响到超声波衰减和速 度的测定。还要指出，与声速度不一样，在材料的衰减和 弹性模置之间还没有建立理论关系。最后一点就是，对 于超声波在骨中的衰减和它的生物力学性质之间，如骨 密度、构造和强度之间的经验关系研究结果较少。

总而言之，超声波骨的表征主要测定两个基本特征： 超声波的速度和袞减。这两个参里通常是频率的函数。 超声波骨的表征是基于这样的假设：具有不同生物力学 性质的骨有不同的速度和袞减。然而由于背是一种不均 匀、各向异性和具有十分复杂的物理性质的介质，在临床 中应用这种技术箝要更多的研究。

以超声波传播速度为特征的表征方法 (Ultrasonic assessment based on the velocity)

利用超声波在人和牛的皮质骨试样传播，早在1970 年Abendschein和Hyatt发现在由超声波方法测定的弹 性模量和由力学方法测定的弹性模量间存在猗显著的相 关性。这个发现后来被Ashman等人的工作进一步证 实。对于人和牛松质骨试样的研究表明，超声波声速和强度间的相关系数为0.71到0.75^[3’^4]。这些研究实际 上是针对整个松质讶试样，而不是单个骨小梁，因此这些 研究结果表明超声波声速能用来预测某部位松质骨的断 裂的发生。Turner,Hans等人对于牛松质骨和人松质骨 的超声波研究和相应的生物力学试验表明超声波 传播速度主要与松质骨的密度、弹性模M和强度有关，超 声波在松质骨中传播速度与弹性模M和骨密度的相关系 数达96%〜98%。松质骨主要由有机相（以胶原蛋白为主）和无机相 (羟基磷灰石及其前驱体）组成。以上组分的改变将会影 响松质骨的生物力学性能。骨密度测定方法虽然可以测 定骨中无机相的变化，但对于有机相的变化则无能为力。 而超声波方法可以在一定程度上弥补骨密度测定方法的 不足。Mehta等人检査了经过特殊的化学处理改变松质 骨有机相后对于其弹性模S和超卢波传播速度的影响〇 他们的结果指出，有机相的变化对于松质骨弹性模《和 超声波传播速度有显著的影响^:61。

目前已利用超声透射方法进行了一些临床研究，并 取得了一定结果。用超声波方法可以測定患有骨质疏松 的病人和预测断裂、测定药物治疗对于松质骨的影响，以 及测定生理现象或手术与病理现象间的关系等。Heaney 等人的研究表明，患有骨质疏松的病人的髌骨的超声波 速度比正常人要低3%〜4%。他们的研究还表明，那些 超声波声速低于1825 m/s的妇女为正常群体发生肢椎 骨折的6倍^。在Rubin等人的研究中，小心地控制了 锻炼程序并测量了髌背和胫#的超声波群逨度。通过同 时测量骨的力学性能和超声波传播特性，研究表明可以 用超声波速度的测量来预测由于经常的成骨剌激骨的力 学或生理性质的变化^w。通过动物研究，可用超声波速 度方法来测定一个生理现象或手术与病理现象间的关 系。利用绵羊的跟腱切断f•术以模拟不用的结果，Rubin 等人研究了在12周后超声波透射速度的改变^[91。他们 发现，在实验侧的松质骨体积有21%下降时，超声波速 度下降10. 2%。由此表明超声波速度可以用来预测骨 质疏松。

Gnudi等人用超声波方法对年龄从41岁到80岁的 759名绝经期后的妇女（其中175名妇女发生了諉椎骨 折）桡骨远端（主要由松质骨纽成)进行了测定，并同时测 定了骨密度。研究结果表明，当骨密度相N的条件下，不 发生腴椎骨折妇女的超声波传播速度显著高于发生腰椎 背折妇女。他们的研究建议，同时使用骨密度和超声波 测定方法可以更有效的提高预测腰椎骨折发生的准确 率¹~。Hodgskinson等人分别对人和牛松质骨试样的超 声波、生物力学和骨密度研究表明，骨密度和超卢波传播 速度分别能预报87. 6%或95%的松质骨的弹性模fi, 而骨密度和超声波传播速度的组合可预报97%的松质 骨弹性模驗。他们的研究还表明，测定松质骨中的超声 波传播速度可以反映与其做观构造有关的消息。联合应 用超声波方法和伢密度测定方法可以更精确地预测松质 骨的生物力学性质^:n)。

Zcrwckh等人研究了经过氟化钙治疗前后松质骨的 密度、微观构造和超声波传播速度的变化。氟化钙治疗 后骨的生物力学性质有较显著的提高，同时，松质骨的微 观构造也发生较大的变化。研究结果指出，松质骨中的 节点数、节点-节点支柱长度对超声波传播速度影响最 大。而骨小梁厚度、骨密度和松质骨体积对于超声波传 播速度影响不明显^M21。

反射超声波方法虽然已用于测定皮质骨的性质，但 是用反射超声波方法研究临床效果的报道较少。 Zerwekh等人报道了通过缓慢释放的氟化钠药物治疗对 于超声波在松质骨试样中传播速度的变化在这个 研究中，16个有骨质疏松和腰椎压缩断裂的患者经过两 年治疗后经过氟处理的群体，超声波速度增加6. 1%。 81%的病人的结果表明超声波速度显著增加。另外，在 这个研究中使用的超声波速度测量方法可用来估计单个 骨小梁的材料性质。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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