骨密度儀量值溯源研究

孫榮榮，陸遜，肖瑤，王鵬德

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海201203)

0 引言

骨密度的全稱為骨骼礦物質(zhì)密度，是一個(gè)絕對(duì)值，此參數(shù)除在預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松性骨折方面有顯著的優(yōu)越性，尚可用于臨床藥效觀察和流行病學(xué)調(diào)查。骨密度儀為測(cè)量骨密度的醫(yī)療儀器，在臨床使用時(shí)不同的骨密度檢測(cè)儀測(cè)得骨密度值的絕對(duì)值不同，通常使用T值判斷骨密度是否正常。T值是一個(gè)相對(duì)值，正常參考值在-1和+1之間。當(dāng)T值低于-2.5時(shí)為不正常。除T值外，還包括Z值，骨量等數(shù)據(jù)。目前骨密度儀分為X射線骨密度儀和超聲骨密度儀兩大類，國(guó)際衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)為雙能X射線方式測(cè)試的結(jié)果較準(zhǔn)確，作為骨密度測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)。

在臨床使用中發(fā)現(xiàn)，由于不同的廠家都是按照自己的測(cè)量算法和校準(zhǔn)方法來(lái)生產(chǎn)骨密度儀，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，所以存在各型骨密度儀測(cè)量結(jié)果差異較大的現(xiàn)象，影響醫(yī)生的正確診斷。所以研制可溯源的骨密度標(biāo)準(zhǔn)——即骨密度標(biāo)準(zhǔn)體模，對(duì)不同型號(hào)的骨密度儀進(jìn)行量值溯源和校準(zhǔn)，使我國(guó)骨密度測(cè)量值準(zhǔn)確、統(tǒng)一、可靠，是非常有意義的。

1 X射線骨密度儀量值溯源

對(duì)X射線骨密度儀，已有四肢骨密度模體對(duì)其進(jìn)行量值溯源，其由輻射等效固體水材料和骨礦物質(zhì)(羥磷灰石)骨筒制成。體模的厚度和圓筒骨樣品模擬了被測(cè)部位及筒狀骨。鄢鈴等人研制出了腰椎骨密度標(biāo)準(zhǔn)體模［1］，該體模由水等效塑料(由聚乙烯和少量氧化鎂及碳酸鈣組成)和骨等效羥磷酸鈣組成，其外尺寸為186(側(cè)位)×150(前后位)×156(軸向)，模擬了骨密度儀在測(cè)量腰椎骨時(shí)的前后位(AP)測(cè)量狀態(tài)。體模的水等效材料的CT值在±15 Hu內(nèi);羥磷酸鈣(HA)骨樣品有三種密度，分別是0.5 g/cm2，1.0 g/cm2和1.5 g/cm2，對(duì)骨密度儀進(jìn)行檢定和線性校正。體模的性能試驗(yàn)使用了Ge-Lunar廠家生產(chǎn)的雙能X射線骨密度儀，測(cè)得重復(fù)性小于2%，測(cè)量結(jié)果誤差在2%～4%之間，與同類模體——?dú)W洲體模(ESP)作了比較，性能基本一致。該標(biāo)準(zhǔn)體模的研究，對(duì)骨密度量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，具有重大的意義。

2 超聲骨密度儀量值溯源及其存在的問(wèn)題

超聲骨密度儀采用專門(mén)的超聲換能器從被測(cè)骨的一側(cè)發(fā)射超聲波，另一側(cè)接收通過(guò)骨和軟組織后幅度衰減的超聲波。近年來(lái)，在我國(guó)的醫(yī)療器械市場(chǎng)上，超聲骨密度儀日漸增多。對(duì)超聲骨密度儀，在YY0774-2010超聲骨密度儀中，主要對(duì)其聲工作頻率、超聲速度、寬帶超聲衰減等計(jì)量參數(shù)的性能進(jìn)行試驗(yàn)，但是即使保證這些參數(shù)的準(zhǔn)確性，也不能保證最終得到骨密度參數(shù)的準(zhǔn)確性，因?yàn)槌暪敲芏葍x的原理是通過(guò)對(duì)聲速和聲衰減斜率的測(cè)量，并將二者組合起來(lái)進(jìn)行非聲學(xué)換算得出WHO所稱的骨質(zhì)參數(shù)，再與設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)所存“標(biāo)準(zhǔn)值”比較得出診斷結(jié)論的，而不同廠家數(shù)據(jù)庫(kù)所存的標(biāo)準(zhǔn)值是不同的，因此研制超聲骨密度標(biāo)準(zhǔn)體模能從根本上解決其量值溯源性。

鄢鈴等為此研制了一套聲速體模，采用了透聲率相近的高聲速材料和低聲速材料厚度的改變以調(diào)節(jié)總的透過(guò)聲速的方法，制成不同聲速檔次的聲速材料，并做成四個(gè)聲速檔次的體模。鄢鈴等認(rèn)為該體模為定量超聲波骨密度儀提供了聲速指標(biāo)的一種檢定手段，對(duì)定量超聲波骨密度聲速指標(biāo)橫向比較及保證檢測(cè)的可靠性具有重要意義［2］。

但是牛鳳岐等指出該“體?！贝嬖谝幌盗谢靖拍詈驮硇藻e(cuò)誤，絕對(duì)不可用于超聲骨密度儀產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和醫(yī)院在用設(shè)備的檢測(cè)校驗(yàn)。主要原因在以下幾方面［3］。

2.1 骨質(zhì)與“密度”概念的相關(guān)性

牛鳳岐等指出鄢鈴等將物理密度與骨密度混淆，忽視了各種骨密度儀測(cè)量的密度為礦密度，即單位體積骨骼內(nèi)的礦物含量，而物理學(xué)中的密度為“每單位體積的物質(zhì)質(zhì)量”，它們的定義是不同的。聲速、衰減與礦密度在醫(yī)學(xué)界被聯(lián)系起來(lái)是因?yàn)樗鼈兇嬖谮厔?shì)上的一致性。

2.2 超聲骨密度儀的原理

牛鳳岐等指出鄢鈴等認(rèn)為超聲骨密度儀的聲速和聲強(qiáng)衰減變化情況，可以像經(jīng)典的X射線骨密度儀根據(jù)骨密度變化一樣，測(cè)量骨質(zhì)疏松程度，預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)。但1998年美國(guó)FDA首次批準(zhǔn)超聲骨密度儀上市前注冊(cè)時(shí)就明確定位:超聲骨密度儀僅用于骨質(zhì)疏松初步篩查，是一種輔助手段而非最終診斷，雙能X射線吸收估計(jì)(DXA)才是國(guó)際公認(rèn)評(píng)估骨密度的“金標(biāo)準(zhǔn)”。

超聲骨密度儀的寬帶超聲衰減BUA是衰減與頻率關(guān)系的斜率，單位為dB/MHz，在所指頻段內(nèi)，超聲衰減與頻率之間存在較好的近線性關(guān)系。其與骨質(zhì)疏松情況存在趨勢(shì)一致性，即骨頭微結(jié)構(gòu)越欠完好、孔隙越多，其值越低。通過(guò)同時(shí)測(cè)量寬帶超聲衰減和聲速，與設(shè)備內(nèi)儲(chǔ)存的“標(biāo)準(zhǔn)值”比較后再換算為WHO所稱的骨質(zhì)參數(shù)，為診斷提供依據(jù)。

2.3 骨密度體模的技術(shù)要求

在超聲設(shè)備中，彩超和B超是應(yīng)用最廣的，分別用血流儀測(cè)試系統(tǒng)與仿組織體模對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。因此對(duì)超聲骨密度儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，也可用體模法，考察其所測(cè)得的聲速和寬帶超聲衰減值與標(biāo)準(zhǔn)值的差異，以判斷其測(cè)量準(zhǔn)確性，或做為修正依據(jù)。也就是說(shuō)對(duì)體模只要求一組確定的權(quán)威性數(shù)值作為對(duì)照對(duì)象來(lái)對(duì)超聲骨密度儀進(jìn)行校準(zhǔn)檢測(cè)，而并不要求其覆蓋整個(gè)寬帶超聲衰減和聲速范圍。但鄢鈴等文中的所謂超聲骨密度儀標(biāo)準(zhǔn)體模，一方面忽略掉了重要參數(shù)寬帶超聲衰減值，另一方面涉及多個(gè)聲速值并無(wú)必要，并且其宣稱的聲速值未經(jīng)權(quán)威部門(mén)采用公認(rèn)或標(biāo)準(zhǔn)化方法證實(shí)，是不符合體模技術(shù)要求的。

2.4 體模中的材料概念

鄢鈴等將材料作為研制超聲骨密度儀體模的關(guān)鍵是正確的，但是作者搞錯(cuò)了聲學(xué)中的材料和聲速的基本概念。超聲仿組織材料構(gòu)成超聲體模的傳聲媒質(zhì)，它是能在超聲頻段內(nèi)模仿人體組織聲速、衰減等特性的材料，其無(wú)一例外為復(fù)合材料。聲速和聲衰減參數(shù)都屬于材料的固有特性，只有單純材料或復(fù)合材料才存在，但鄢鈴等用尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，聲速、厚度不同的材料拼接起來(lái)，用總厚度除以總傳播時(shí)間，將所得商值稱為聲速，這在聲學(xué)上是不成立的，這屬于結(jié)構(gòu)，而不是復(fù)合材料。

3 寬帶超聲衰減(BUA)參數(shù)的量值溯源

對(duì)超聲骨密度儀中BUA參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算，對(duì)時(shí)域信號(hào)采樣的頻率、線性擬合的頻率區(qū)間等各個(gè)廠家有所不同，造成寬帶超聲衰減最后計(jì)算結(jié)果的差異，其測(cè)量和計(jì)算有其不確定性［4］，因此兩臺(tái)超聲骨密度儀測(cè)量同一體模時(shí)有可能得到不同的寬帶超聲衰減(BUA)值。所以為判斷寬帶超聲衰減(BUA)參數(shù)的準(zhǔn)確性，廠家應(yīng)盡可能為第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供其測(cè)量與計(jì)算細(xì)節(jié)，便于復(fù)現(xiàn)。

單個(gè)的寬帶超聲衰減(BUA)值必須和大樣本人群數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比才有意義，其本身沒(méi)有醫(yī)學(xué)上的意義，而此數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)由廠家建立，從而可從醫(yī)學(xué)的角度對(duì)骨密度做出判斷。從驗(yàn)證寬帶超聲衰減(BUA)參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)其量值溯源角度來(lái)說(shuō)，如果超聲骨密度儀可以精確地分辨出寬帶超聲衰減(BUA)值的微小差異，那么基本可以認(rèn)為其可以相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)量BUA值?；诖?，可測(cè)量一組BUA值，來(lái)判斷超聲骨密度儀測(cè)量BUA的正確性，稱此方法為分辨率法。

舉例來(lái)說(shuō)，有幾個(gè)厚度接近的體模，厚度接近的含義是指體模的骨密度有微小差異，從理論上說(shuō)其寬帶超聲衰減(BUA)值應(yīng)隨骨密度的增加而單調(diào)增加。如果一臺(tái)超聲骨密度儀可以分辨這樣幾個(gè)體模，即其測(cè)量的BUA值能隨體模厚度增加而單調(diào)增加，可以說(shuō)該超聲骨密度儀測(cè)量的BUA值是相對(duì)準(zhǔn)確的，從而可以做出醫(yī)學(xué)上的診斷和判斷。

4 結(jié)論

綜上，可以考慮研究基于超聲仿組織材料的超聲骨密度儀標(biāo)準(zhǔn)體模，對(duì)骨密度參數(shù)進(jìn)行量值溯源和校準(zhǔn)，保證其準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)BUA參數(shù)的量值溯源，可以研究低中高值三組不同厚度的體模以涵蓋醫(yī)學(xué)意義上BUA值的分布區(qū)間，在整個(gè)測(cè)量區(qū)間內(nèi)驗(yàn)證BUA值測(cè)量的準(zhǔn)確性。

［1］鄢鈴，張園月，魏川，等.DXA骨密度標(biāo)準(zhǔn)體模的研究［J］.中國(guó)測(cè)試，2009，35(1):28-30.

［2］鄢鈴，魏川，王雄飛.超聲波骨密度儀標(biāo)準(zhǔn)體模的研究［J］.中國(guó)測(cè)試，2009，35(5):18-20.

［3］牛鳳岐，朱承綱，程洋.一個(gè)基于基本概念和原理性錯(cuò)誤的“超聲波骨密度儀標(biāo)準(zhǔn)體?！保跩］.中國(guó)醫(yī)療器械信息，2012，2:25-27.

［4］蔣時(shí)霖，彭虎，鄭馳超，等.寬帶超聲衰減計(jì)算與測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證的研究［J］.生物醫(yī)學(xué)工程研究，2010，29(2):94～96.