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定量超声骨密度仪应用的基础理论

  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。

超声骨密度仪

  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。

  定量超声骨密度仪应用的基础理论

  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。

  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。

  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。

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