本文详细介绍了双向轴向传输（BDAT）超声设备的测量方案，并在一项可重复性研究中进行了测试，共纳入14名健康受试者和3名操作人员。以组内相关系数（ICC）评估的可靠性在四个关注参数上均表现良好至优异。
本文内容
摘要
摘要
在人口老龄化背景下，脆性骨折仍是全球性的健康负担。特别是，全球髋部骨折病例数量预计将在2020年至2050年间翻倍。因此，从人群层面识别脆性骨折高风险患者至关重要。目前的金标准是双能X射线吸收测定法（DXA），用于测量面积骨密度（aBMD）。超声设备通常比X射线设备更便携且成本更低，作为筛查工具，是DXA的一种有前景的替代方案。然而，操作者依赖性通常被认为是其主要缺点。本研究详细介绍了双向轴向透射（BDAT）超声设备的测量方案。专用超声探头通过常规耦合凝胶放置于非优势前臂的远端三分之一桡骨处。专用界面以准实时（约2 Hz）提供四个关键参数：首波信号速度（vFAS）和A0模式速度（vA0）， 皮质厚度（Ct.Th）和孔隙率（Ct.Po），以及四个质量评估参数。操作者在测量部位缓慢移动探头，仔细观察界面提供的反馈，直至找到稳定位置，并开始连续10次采集。当获得至少四组一致的数据序列后，测量结束，系统自动生成报告。整个测量过程通常约需5分钟。为评估该方案的稳健性，本研究在3名操作者（1名专家和2名新手）与14名健康受试者（6名女性，8名男性，年龄21–53岁）中开展了可重复性研究。结果显示，vA0的组内相关系数（ICC）为0.76，Ct.Po为0.80，均属良好；Ct.Th为0.87，vFAS为0.91，均属优秀。在临床实践中，各项参数的标准差均低于其总范围的10%。
引言
骨质疏松症及相关脆性骨折至今仍是重大的公共卫生问题1。特别是，全球髋部骨折病例数量预计到2050年将翻倍2。骨脆性源于一种缓慢且隐匿的脱矿和骨量流失过程，在发生脆性骨折前通常无明显预警信号。目前检测脆性骨折高风险患者的金标准是双能X射线吸收测定法（DXA），该方法可提供一幅二维、低分辨率的X射线图像，并带有校准的灰度像素3。从该图像中可提取与主要脆性骨折部位（脊柱、腕部和髋部）相关的感兴趣区域的面积骨密度（aBMD，单位为g·cm-2）。aBMD值随脆性骨折发生率的升高而降低3。此外，相对于健康正常人群进行T值标准化，可实现使用不同厂商设备测量患者之间的结果比较。世界卫生组织建议采用DXA的T值将骨质疏松症诊断分为三个阶段：正常（T值 < -1）、骨量减少（-1 < T值 < -2.5）和骨质疏松（T值 < -2.5）4。
双能X线吸收测定法（DXA）存在若干局限性：设备体积较大、相对成本较高、需要专用空间，且在区分骨折与非骨折状态方面的能力有限；此外，在包括拉丁美洲在内的许多国家，其可及性也仅为中等水平5。因此，亟需开发DXA的替代方法作为脆性骨折风险评估的筛查工具6。然而，部分DXA替代技术，如定量计算机断层扫描及其衍生方法7、磁共振成像（MRI）8，同样存在设备笨重且普及率低的问题。定量超声（QUS）则具备开发便携式、坚固耐用且易于操作的筛查设备的潜力。目前已开发出多种用于皮质骨评估的设备，所采用的频率范围从数千赫兹至数兆赫兹不等，换能器的布置方式也各不相同，包括透射法、后向散射法9、脉冲回波法10，以及将换能器沿长骨（如桡骨和胫骨）轴线排列的轴向传输法。部分设备可提供骨密度（aBMD）替代参数11，而其他设备则提供"经典"超声参数，如声速12或衰减系数9，甚至可获取几何与材料参数，例如皮质厚度、孔隙率或孔径分布9。然而，迄今为止，定量超声尚未在临床骨评估实践中得到广泛应用，部分原因在于不同设备之间缺乏标准化以及操作者依赖性问题13。
在被提议作为双能X线吸收法（DXA）替代方案的定量超声（QUS）技术中，轴向传输法（AT）具有以下优势：测量可在前臂进行，该部位（i）易于接触，且（ii）靠近脆性骨折的主要发生部位之一，即腕部。最早提出的AT参数依赖于皮质骨层中的超声传播速度，根据信号处理方法和设备的不同，该参数被称为声速（SOS）或首达信号速度（vFAS），部分设备已实现商业化12,14，其他则仍为实验室原型15,16。自20世纪90年代末以来，多项临床研究显示，该参数在区分有或无脆性骨折的患者群体方面的能力与骨密度（BMD）相当14,15。该技术也已成功应用于多中心纵向研究，证明了其临床适用性和稳健性12。通过结合两个相反方向的超声传播路径，可减小探头与骨表面之间角度所引起的偏差，从而提高vFAS的测量精度16,17。这一方法被称为双向轴向传输法（BDAT）。
尽管vFAS已显示出临床应用价值，但其主要缺点与BMD类似，即它综合了皮质骨的多种关键特征，如几何特性和材料特性，导致其临床解读并不直观。因此，研究者提出了导波视角，因其对波导特性的细微变化具有高灵敏度而展现出潜力。该方法需结合信号处理、波导建模和反问题求解，在无损检测领域已有广泛应用，例如针对金属波导（如板状或管状结构）的检测18。因此，第二代BDAT设备自2010年起逐步开发，从仿骨体模19到ex vivo验证20，再到in vivo测量21。该设备已在法国22、德国23、英国24和智利25的临床研究中成功测试，并在成功率和患者区分能力方面表现出持续改进的效果。
本研究旨在探讨当前BDAT超声设备的可重复性。首先，将详细介绍该设备及测量方案。随后，将展示并讨论由14名受试者和3名操作人员获得的结果，重点在于针对脆性骨折风险患者的群体筛查应用。
测量原理：信号处理、关注参数及质量参数
双向轴向传输（BDAT）设备由多个部分组成，主要包括超声探头、电子模块和计算机。完整的设备清单详见材料表，并如图1所示。下文将描述关注参数、测量质量参数以及测量方案。
vFAS
当计算机接收到采样信号后，将按不同步骤进行处理。第一步是在时域中对信号进行处理，采用先前所述的协议检测FAS16,17。一旦获得每个接收器的到达时间，即可确定FAS速度，后文将其记为vFAS，该速度为两个传播方向所测速度的调和平均值。结合两个传播方向的信息，可计算出探头方向与骨表面方向之间的夹角，并由此推导出无偏的vFAS值16。该双向夹角后文记为alpha，用作衡量测量质量的一个参数。这种时域处理方法还可用于估算骨表面与探头之间软组织的厚度，记为ST.Th26。
导波光谱成像
第二步是在傅里叶域中进行信号处理，考虑时间频率和空间频率，记为 f 和 k该方法是一种基于奇异值分解（SVD）的方法，可将时空信号转换为范数函数，也称为导波频谱图像（GWSI），如图所示。 图2 对于一个 体内 前臂19该方法结合了两种傅里叶变换（时间与空间）和奇异值分解（SVD），能够可视化皮质骨层导波模式在接收信号中的存在率（以0-1尺度表示）。GWSI可被视为时空傅里叶变换的增强形式，其中每个像素对应一个独立的频率平面 f 和波数 k请注意，该方法已得到改进，以考虑材料衰减的影响27 线性厚度变化28.
将特别关注与A0模式相关的频谱上部区域，以及与最高相速度值（即大于4 mm·µs-1）相关的最低部分。该部分对应于感兴趣区域3（ROI 3）29。ROI 3的平均值，后文记为lowk，也被用作一个质量参数。较大的值对应规则的波导，可在骨界面处产生清晰的波反射。若该值降低，则可能是由于波导不规则或探头位置放置不当所致。
波导模型
导波的频散特性，即各导波模式相速度随频率的变化，取决于波导的材料和几何特性。因此，通过专用的信号处理、波导建模和反演算法，有可能反推出这些参数。在BDAT情况下，波导模型对应于一个二维横观各向同性的自由板，其特性取决于波导材料和一个几何参数——厚度30。皮质骨材料通过将骨基质参数设为固定值、孔隙率设为变量进行均质化处理31。因此，反演问题依赖于两个参数，即皮质厚度（Ct.Th）和皮质孔隙率（Ct.Po）。模型中未考虑材料吸收、波导曲率以及周围软组织的影响，尽管这些因素会影响测量结果。然而，研究发现这些因素对反演结果的影响并不起决定性作用，意味着在两个主要关注区域（A0和最低频部分）中的导波模式受曲率和软组织的影响不显著32。
反问题
最初，反问题被分为两个步骤：首先提取实验中的导波频散特性，其次与波导模型进行比较。这种观点受限于噪声和模态标记的准确性30,32。因此，提出了一种专门的方法，作为对范数函数观点的扩展，以克服这些限制。该方法不再独立考虑每个平面波，而是仅考虑波导模型所提供的可能存在的导波20。这得到了反问题的成像结果，其表达在模型参数域中，即 Ct.th - Ct.Po 平面（图2 右下角）。最优匹配模型对应于图像中的最大值位置，而可能出现的次级峰值（在反问题图像中以灰色圆点标示）则对应于模糊解，并在 f-k 对比图中以浅灰色线条与实验模态相对应。与之前相同，像素值在构造过程中已归一化，在本例中反映的是接收信号中某一特定波导模型的存在程度。最大值（记为 max）以及与第二大的峰值之间的差值（记为 diff）也被用作评价模型质量的参数。
逆问题最初是为离线计算而提出的，即在获取信号后，利用模型波数的精确值进行计算。该方法已针对体外（ex vivo）20,33 和体内（in vivo）21,34,35 研究中的桡骨和胫骨部位进行了验证。为了将这些计算集成到人机界面（HMI）中，已提出一种适用于实时应用的近似版本，该方法基于稀疏矩阵的视角36。
vA0
根据导波频谱（GWSI），还可以提取最慢导波模式的速度，该模式对应于自由板或兰姆模型的第一反对称模式 A033,35。导波频谱的上部可近似为线性关系，其斜率即为速度 vA0 的数值（图 2 左下）。
参数概述：
最后测量四个关注参数：(i) vFAS：首到信号速度（m·s-1）；(ii) vA0：最慢导波模式速度（m·s-1）；(iii) Ct.Th：皮质厚度（mm）；以及 (iv) Ct.Po：皮质孔隙率（%）。
考虑以下四个质量参数：（i）alpha：双向角度（°）；（ii）lowk：GWSI 最低部分的平均值（0 到 1 之间的归一化值）；（iii）max：反演问题函数的最大值（0 到 1 之间的归一化值）；以及（iv）diff：反演问题函数第一和第二最大值之间的差值（0 到 100 之间的归一化值）。
所有这些参数，以及两个导波频谱图像（每个对应一个传播方向）和反问题图像，均显示在 "实时" 由HMI以约2 Hz的帧率拍摄。一个典型示例如下所示 图3在下一节中，将详细描述使用这些参数的方法。其核心思想是：操作者在测量部位缓慢移动探头，仔细观察界面不同部分提供的反馈，直至找到一个稳定的位置，然后开始连续10次采集。当获得至少四组一致的序列后，测量结束，并自动生成一份报告。
方案
该研究已获得智利瓦尔帕莱索大学伦理委员会的批准，批准编号为 CEC213-20。所有参与者均签署了书面知情同意书。通过电话访谈确定了参与者的纳入与排除标准。本研究已在以下编号进行注册：NCT05424536。
1. 设备设置
- 将设备的主要部件放置在一张大桌子上。
- 将以下部件并排放在一张大桌子上：电绝缘变压器、电子模块和笔记本电脑。确保这些部件前方有足够的空间，以便后续方便地放置受试者的前臂。
- 若空间有限，可将笔记本电脑直接放置在电子模块上，但需注意不要遮挡模块上明确标示的通风窗。
- 连接电绝缘变压器。
- 使用专用电缆将电绝缘变压器插入房间内的市电电源。
- 连接电子模块。
- 使用专用电源电缆将电子模块连接到电绝缘变压器。
- 按下变压器上的ON-OFF按钮，为模块供电。
- 连接笔记本电脑。
- 使用专用的通用串行总线（USB）电缆将笔记本电脑连接至模块，以将接收到的数字化信号发送至计算机进行进一步处理。
- 如果笔记本电脑需要供电，请将其电源线连接至电子绝缘变压器。
- 连接超声探头。
- 使用位于模块前侧的专用电缆插槽将超声探头连接至模块。有两种不同的探头，分别用于前臂和腿部的测量部位。本研究中仅考虑桡骨（前臂探头）。
- 连接脚踏开关。
- 将脚踏开关放置在操作者为受试者测量时靠近脚部的地面位置。使用USB电缆将脚踏开关连接至计算机。通过踩下脚踏开关来启动数据采集序列。
2. 受试者安装
- 摆放受试者位置。
- 请受试者坐在操作员前方，裸露前臂放置在已安装设备前的桌面上（见图3）。
注意：测量对侧肢体（即右利手受试者测量左侧）。
- 请受试者坐在操作员前方，裸露前臂放置在已安装设备前的桌面上（见图3）。
- 标记测量部位（桡骨远端三分之一处）。
- 使用直尺测量从桡骨茎突（靠近手腕的骨性末端）至肘部的桡骨长度。
- 将该长度除以三。
- 从手腕向上量取桡骨长度的三分之一处，用笔标记测量部位，即桡骨远端三分之一处。
- 启动人机界面（HMI）软件。
- 通过点击笔记本电脑桌面上相应的图标启动HMI软件。
- 输入受试者信息。
- 在软件启动后自动弹出的窗口中输入受试者信息（匿名编号、左右侧、测量部位、操作员编号、性别等）。
- 涂抹超声耦合剂。
- 在探头正面及受试者前臂上已标记的测量部位涂抹超声耦合剂，以确保超声波的有效传播。
- 将探头与前臂接触。
- 将探头置于前臂表面，使探头中心对准步骤2.2中所标记的位置。
3. 寻找稳定的位置
注意：人机界面（HMI）显示四个关注参数：两个速度参数vFAS 和vA0，以及两个反演问题参数，即皮质厚度（Ct.Th）和皮质孔隙率（Ct.Po）。HMI 还显示四个质量参数，分别为alpha、lowk、max和diff。这些参数在引言部分中有详细描述。
- 启动实时可视化。
- 通过点击软件界面右下角的开始按钮来启动实时可视化。连续两次数值显示之间的时间间隔约为 0.5 秒。
- 找到稳定的 vFAS 值。
- 在观察界面特定位置显示的 vFAS 参数值的同时，缓慢调整探头位置。正常值范围约为 3800 m∙s-1 至 4200 m∙s-1。
- 若找到稳定位置，需确保连续两次计算之间的 vFAS 变化小于约 40 m∙s-1。
- 调整双向角度。
- 在观察界面特定位置显示的双向值（质量参数 alpha）的同时，缓慢调整探头位置。
- 通过轻微向探头一侧施加压力来调整探头位置，直至角度的绝对值小于 2°，以改善探头与骨表面之间的平行度。
- 找到稳定的 vA0 值。
- 在观察界面特定位置显示的 vA0 参数值的同时，缓慢调整探头位置。正常值范围约为 1500 m∙s-1 至 1900 m∙s-1。
- 若找到稳定位置，需确保连续两次计算之间的 vA0 变化小于约 40 m∙s-1。
- 如遇困难，可观察界面右侧栏显示的导波图像谱。应确保谱图上部呈现为一条连续的直线，其斜率即对应 vA0 值。
- 观察反问题图像。
- 当两个速度（vFAS 和 vA0）及角度值稳定后，反问题图像将自动显示，请予以观察。
- 确保图像中至少出现一个由清晰像素表示的主极大值，以及可能存在的一个或多个次级极大值（以不同颜色标示）。其余三个缺失的质量参数（max. diff, lowk）将在实时状态下自动计算。
- 优化反问题图像。
- 在观察反问题图像极大值的同时，缓慢调整探头位置。
- 在查看界面相应位置的 max 和 diff 数值时，尽量使第一极大值尽可能高，次级极大值尽可能低。
- 如遇困难，可观察界面右侧栏显示的导波谱图像。应确保谱图下部出现尽可能长的若干条连续谱线，对应于高相速度模式，并且质量参数 lowk 尽可能高。
- 确定稳定位置。
- 当获得可接受的反问题图像后，固定探头位置。确保连续两次计算之间反问题图像无明显变化。
4. 数据采集
- 开始进行10次采集系列。
- 找到稳定位置后，用脚踩下脚踏开关，开始进行10次采集。
- 在约5秒的10次采集过程中，尽可能保持稳定。
- 控制系列数据的质量。
- 查看感兴趣参数的平均值和标准差，这些数值会在系列采集结束后自动计算，并在弹出窗口中显示。
- 如果标准差低于预设阈值，则保留该系列数据；否则，舍弃该系列。
- 在第二个弹出窗口中回答问题，确认操作者是否希望停止或继续同一位受试者的采集系列。
- 重新放置探头。
- 重复之前的步骤（从步骤2.1到3.2），寻找更多稳定位置并采集更多10次采集系列。如有需要，可在两次重新放置之间让受试者休息。
- 与之前相同，每个系列的感兴趣参数的平均值和标准差将自动计算。
- 查看结果弹出窗口，检查最近采集的系列是否被保留或舍弃。当至少记录到四个一致的系列时，该受试者的测量即告完成。不一致的系列将被自动舍弃。
- 获取最终数值。
注：感兴趣参数的最终数值将自动得出，其计算方式为所有一致系列的平均值的均值。 - 核对自动生成的报告PDF。
- 确认在弹出窗口中选择停止选项后，最终数值已自动且即时地写入报告PDF中。示例见图4。
注：该PDF文件与原始数据位于同一文件夹中，原始数据可后续离线重新分析。
- 确认在弹出窗口中选择停止选项后，最终数值已自动且即时地写入报告PDF中。示例见图4。
- 核对第二份精确报告。
- 核对第二份精确报告，该报告在反问题计算中使用了精确波导模型的数值，而非第一份自动报告中所用的近似值。生成第二份报告所需时间少于5分钟。示例见图5和图6。
- 确认自动报告与精确报告结果一致。手动删除未被自动剔除的系列，以确保仅保留一致的系列数据。
结果
本研究考虑了3名操作人员（1名专家，2名新手）和14名健康受试者（6名女性，8名男性，年龄21-53岁），开展了可重复性实验。新手操作人员接受了约3小时的培训，以理解和练习数据采集方案。随后，在2023年8月的两周内对受试者进行了测量。每次测量均独立进行。所有操作人员均处于盲态，即每名操作人员均不知晓其他两名操作人员所获得的结果。
操作者内部重复性
图5 展示了一个典型案例的操作者内部重复性结果：对一名受试者由一名操作者完成的4组各10次测量。第一列对应反问题函数，第二列显示实验引导模式色散与最佳拟合模型的比较。每行图像对应一组成功的测量序列。标题中给出了有效保留的测量次数：第一组为10次中保留7次，后续各组均为10次全部保留。每组均提供了四个参数（vFAS、vA0、Ct.Th 和 Ct.Po）的均值与标准差。此外，还列出了质量评估参数：双向角度（alpha）、反问题函数的最大值（max）、与第二最大值的绝对差值（diff），以及GWSI低频部分的平均值（lowk）。
组内标准差较低，皮质厚度约为 0.02 mm，皮质孔隙率低于 0.5%，两种速度的组内标准差均低于 20 m∙s-1，表明探头位置保持稳定。此外，可观察到各组所得均值非常接近，尤其是厚度值介于 3.4 mm 至 3.5 mm 之间，vFAS 值介于 4040 m∙s-1 至 4070 m∙s-1 之间。需注意，当平均值为 4000 m∙s-1 时，40 m∙s-1 的差异相当于 1% 的变化。皮质孔隙率和 vA0 速度的变化相对较大，前者介于 8% 至 12% 之间，后者介于 1700 m∙s-1 至 1740 m∙s-1 之间。在此一致性良好的情况下，几乎所有采集数据均相互接近，即高度一致。因此，四个目标参数的最终结果几乎不存在歧义。
第二个案例展示于 图6 对于不规则情况。在此情况下，三个参数 vFAS、vA0 和 Ct.Po 非常稳定，其值分别约为 4120 m∙s-1，1700 m·s-1, 以及10%。皮层厚度的情况更为复杂，因为在反问题函数的前两个极大值之间存在微小差异（diff 小于0.5%），观察到两个模棱两可的解：2.6 mm 和 3.5 mm。在前述的规则情况下，该差异范围为1%至3%。此模糊性通过专家分析得以消除，具体方法是考察实验导波模式与理论导波模式之间的一致性（右列）。在较小厚度的情况下，频谱较低部分（前两个系列）的一致性更好。对于最后两个系列，存在一个理论模式在约0.5 MHz处仅有极少数实验数据点，表明其一致性较前两个系列更差。此外，该情况下的diff参数（0.1%）小于前两个系列的数值（0.4%和0.2%）。因此，当前选择保留的解（2.6 mm）尚未实现自动化，仍需依赖专家判断。然而，三位操作人员均面临类似问题，并选择了相近的解，接近2.6 mm。
操作者间可靠性
3名操作者对14名受试者测量所得4个目标参数的全部结果如图7所示。组内相关系数（ICC）的计算依据先前发表的公式及Matlab代码37,38,39。ICC常用于评估测量量表的可靠性，尤其在生物医学应用中。通常认为ICC值在0.75至0.9之间表示可靠性良好，而ICC值高于0.9则表示可靠性极佳。参数vA0的ICC值最低，为0.76，其标准差为17 m·s-1，约为250 m·s-1量级测量范围的7%。Ct.Po参数的ICC值为0.80，标准差为1.1%，约为该参数范围的10%，表现类似。其余两个参数Ct.Th和Ct.Po的可靠性极佳（ICC约为0.9），其标准差均小于测量范围的10%。
图1：双向轴向透射（BDAT）超声波设备的各个组成部分。 该原型装置包括电子绝缘部件（1）、脚踏开关（2）、两个探头（3.1 和 3.2）、电子模块（4）、计算机（5）以及标尺（6）。请点击此处查看该图的放大版本。
图2：典型的采集于 体内 前臂 两个 标准 传播方向各一个）显示在图像的上排，也称为导波频谱图（GWSI）。通过分析这些图像的极大值，可以提取实验测得的导波模式（蓝点和红点），并与最优拟合模型进行比较（左下子图）。最优拟合模型由两个参数化参数确定：皮质厚度（Ct.Th）和孔隙率（Ct.Po），这两个参数对应于反问题函数的最大值位置（右下子图）。各参数的数值显示在每个子图的标题中。vA0 模式的拟合以虚线表示（左侧）。导波频谱图与反问题图像在构建时已归一化（即像素值范围为 0 到 1）19,20右上方子图的标题中给出了所测得的两个速度值 vFAS 和 vA0。 请点击此处以查看此图的放大版本。
图 3：人机界面（HMI）。该人机界面实时显示两个导波频谱图（每个传播方向一个）、反问题成像结果、感兴趣参数以及质量参数。请点击此处查看此图的放大版本。
图 4：自动化报告示例。 该报告展示了受试者和操作人员的信息，以及关注参数的最终数值和质量参数。请点击此处查看此图的放大版本。
图 5：一个一致性案例的第二份报告示例，与 图 4 所示的自动报告相同。该图展示了1名参与者和1名操作者完成的4个系列：反问题图像（左列）以及实验波数与最佳拟合模型的比较（右列）。图中所示数值对应于10次采集系列中保留采集次数的均值和标准差。保留采集次数在右列标题中注明，例如，第一个系列为 (7/10)。请点击此处查看此图的放大版本。
图6：皮质厚度模糊病例的第二份报告示例。该图显示了1名受试者和1名操作者完成的4组数据：反问题图像（左列）以及实验测得的波数与最佳拟合模型的比较（右列）。图中所示数值为10次采集序列中保留的有效采集次数的均值与标准差。保留的采集次数在右列图标题中注明，例如，第一组为(10/10)。请点击此处查看该图的放大版本。
图 7：操作者间可靠性。结果显示了3名操作者对14名受试者测得的4个关注参数的结果。纵轴为3名操作者测得的数值，横轴为3名操作者测量值的均值。各图标题中标注了组内相关系数（ICC）。同时给出了标准差 σ 和变异系数 CV。 请点击此处查看该图的放大版本。
讨论
测量成功的关键在于探头相对于骨骼的正确位置。通过将双向校正集成到引导界面中，已成功解决了相对于骨表面的位置问题16,17。研究表明，若不进行此项校正，vFAS参数可能产生几个百分点的误差16。由于整个测量范围（约3800–4200 m∙s-1）仅约为平均值（约4000 m∙s-1）的10%，因此该校正对于准确区分患者至关重要17。本研究中获得的重复性（标准差为24 m∙s-1）与先前研究结果相似17，后者报告的标准差为20 m∙s-1，变异系数（CV）约为0.5%。在较低频率（即0.3 MHz）下也观察到类似的变异系数（0.5%）40。值得注意的是，vFAS参数表现出极佳的可靠性（ICC = 0.91），高于近期在老年群体中使用另一种AT设备所获得的结果（ICC = 0.77）41。需要指出的是，该研究中的受试人群不仅年龄更大，且全部为女性，部分受试者还伴有其他骨孔隙度增加的临床征象41。
第二个挑战是还需将探头相对于骨轴和两个界面正确放置，以获取导波模式，特别是那些具有高相速度或低波数的模式。这些模式接近共振状态，并与多重反射路径相关。如果对准不准确，波将散射到探头空间测量范围之外。相反，若探头位置正确，这些高相速度模式将在ROI3中表现为连续的分支。在当前HMI的第一版中，该对准问题通过实时观察GWSI20来解决。然而，这种方法被发现不足以实现稳定的测量：在初步的临床研究中，失败率约为20%20。引入实时质量参数后，在第二次临床研究中失败率降低至约10%23。随后，在"实时" HMI中加入反问题图像，进一步提高了性能，目前桡骨测量的失败率约为5%25。需要注意的是，早期仅测量vFAS的第一代设备初始失败率约为15%17。
皮质厚度的可靠性与先前一项研究结果相似22。使用同一原型的早期版本时，组内相关系数（ICC）也接近0.9，标准差约为0.1 mm，变异系数（CV）约为3%。然而，在皮质孔隙率方面观察到明显改进：ICC从0.622提高至0.8，标准差从1.5%降低至1%。最难准确测量的参数是vA0，因其传播速度与软组织速度（约1500 m∙s-1）接近所致。若探头正确对齐，A0模式表现为唯一且连续的信号；反之，则因与周围软组织耦合而呈现不连续和/或多重信号。此效应在软组织厚度（记为ST.Th）较小（小于4 mm）或较大（大于10 mm）的个体中尤为显著。
如前所述，关键在于找到正确的探头位置。然而，该位置不仅要正确，还必须保持稳定，以便对连续10次采集的数据进行均值和标准差计算。在大多数情况下，找到一个稳定的位置耗时不到1分钟，完成一位患者的全部测量大约需要5分钟。尽管本研究中描述的标准方案适用于大多数患者，但部分个体较难测量：虽然找到正确位置存在困难但仍有可能，但几乎无法找到稳定的位置。此时，操作者可选择记录更长的序列，最多可达200次采集。最佳采集数据随后将通过质量参数在离线状态下确定。未来应实现在采集过程中实时应用此类筛选。实际操作中，操作者记录的序列数量和/或采集次数通常会多于理想条件下所规定的4组、每组10次采集。然而，对于一个测量部位（前臂或腿部），常规测量时间仍大约维持在5分钟左右。如果数分钟后HMI仍未检测到任何正确位置，则测量终止，并视为失败。根据当前设备和测量方案，失败率已被证实低于5%25。
当前设备面临不同的局限性：
（i）尺寸和重量：目前的BDAT设备具有便携性，可放入标准行李箱中，重量约为25 kg。然而，与最新的超声设备相比，该重量仍然较大。可以考虑采用新的电子设计，同时保持探头和信号处理部分不变。不过，当前设备仍可移动，尤其适用于卧床或居家行动受限的患者。
（ii）采集速度：当前帧率约为 2-4 Hz，与实际的实时采集（即高于 25 Hz）相比，测量过程较慢。未来可通过采用更快的计算机、更高效的数据分析方法以及提升电子设备与计算机之间的数据传输速度来改善这一状况。提高采集速度将增强测量操作的用户友好性，特别是有助于更高效地寻找正确的探头定位。
（iii）软组织厚度：目前的方法受限于较厚的软组织层，通常超过10 mm。在这种情况下，最先到达的信号与软组织路径相关，而非皮质骨。因此，无法使用vFAS及其相关的双向角度。同样，对于较厚的软组织层，vA0也极难测量。若缺乏这两个速度参数，则无法进行逆问题求解。未来，可考虑采用成像技术等其他方法实现双向校正。软组织层较厚的患者通常伴有肥胖，其体重指数（BMI）大于30 kg·m-2。
（iv）波导规则性：逆问题方法假设存在具有多条传播路径的规则波导。对于骨质疏松患者，其内部皮质骨界面可能不规则，从而导致导波频谱图像质量较差，尤其是在频谱的低频部分。这类患者通常伴随较高的解的不确定性。如果无法将软组织影响或探头位置不佳归因为频谱图像质量差的原因，且低频k参数值较低，则可认为波导不规则，此时应采用最小厚度解。此外，也可采用基于机器学习的方法，此类方法无需物理建模29。
如引言中所述，目前检测脆性骨折风险患者的金标准是DXA，但其存在一些局限性：设备体积庞大、在某些地区可用性较差、相对成本较高，以及有效性相对中等。这些局限性中的前几项可通过超声设备得到缓解，因为超声设备以其良好的便携性和较低的成本而著称。然而，其有效识别高风险患者的能力应至少与DXA相当。实际上，有时人们期望其性能甚至要高于DXA，以证明对与金标准相关的一系列参考体系（如医疗决策、治疗方案、成本、诊疗空间等）进行调整的合理性。因此，一些超声设备提出了aBMD的替代参数10,11,42。然而，临床参数（如aBMD以及vFAS）的一个缺点在于它们综合了皮质骨的不同特性。因此，其他超声设备提出了互补的评估视角，包括BDAT，其提供的参数更易于医生和患者理解，例如皮质骨孔隙率、厚度或孔径分布9。这些参数反映了骨组织的几何和材料特性：皮质骨可在“量”或“质”独立变化的基础上进行评估。这种评估视角在探究骨脆性不同可能成因时可能非常有帮助。例如，股骨颈或转子区域的髋部脆性骨折（即囊内或囊外骨折）被认为具有不同的医学起源43。同样，该方法还可能用于监测针对皮质骨不同作用机制的药物治疗效果，无论是在“量”还是“质”的层面3。
需要注意的是，BDAT 在皮质骨厚度测量方面的精度（0.1 mm）优于其他超声方法，后者通常精度在 0.25 mm 以上44。这种差异部分原因在于，BDAT 的反问题求解过程同时考虑了几何和材料特性的综合变化。而其他一些方法，例如脉冲回波法，则假设所有患者的骨组织具有相同的材料特性10,44。该精度水平（约 0.1 mm，变异系数 CV 约为 3%）对于区分患者个体差异至关重要，因为皮质骨厚度的变化范围通常小于 2 mm。相比之下，皮质骨孔隙率的测量精度（1%，CV 约为 14%）目前尚不及厚度测量。然而，相较于此前的重复性研究22，已有显著改进。未来随着人机界面（HMI）技术的进一步优化，特别是帧率更接近实时成像，预计在不久的将来可实现类似的性能提升。
在骨密度仪（DXA）尚未广泛使用的地区，骨密度声学检测技术（BDAT）可大规模用于人群筛查。此外，最新的临床结果表明，BDAT的效果甚至可能优于DXA。然而，这些结果仍需纳入更多患者后进一步验证。下一步的挑战应是开展多中心和/或纵向研究11,12。目前，BDAT设备仍处于原型阶段，但已可供科学合作使用，此前已在德国23和英国24开展过此类合作。未来还需努力推进下一代BDAT设备的产业化，使其 必然更快速、更便携。
披露
作者声明不存在利益冲突。
致谢
本研究由智利项目 ANID / Fondecyt / Regular 1201311 和 1241091 资助。作者感谢 BleuSolid 公司在最近的人机界面改进过程中提供的支持， 以及 Geropolis 提供的拍摄场地。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 计算机 | HP 笔记本电脑 | 型号 Zbook（16 GB 内存，Intel Core i7 处理器） | 用于接收采样信号并执行信号处理步骤。结果通过专用的人机界面（HMI，BleuSolid，Pomponne，法国）以准实时方式显示（每秒最多 4 次），实现测量引导； |
| 电气绝缘变压器 | REOMED，Solingen，德国 | IEC / EN 60601-1 | 用于保护设备、患者及其他设备免受任何电危害 |
| 电子模块 | Althaïs，Tours，法国 | 自主研发 | 发送激励信号（170 V 负电压的半个周期）并对接收信号进行离散化处理（每个接收器在 20 MHz 采样频率下采集 1024 个时间点，12 位动态范围），然后将数据发送至计算机。可通过线性规律调节延迟和放大倍数，以在可调范围内优化数据采样。 |
| 人机界面 | BleuSolid，Pomponne，法国 | 不适用 | HMI |
| 脚踏开关 | Scythe，德国 | USB Foot Switch 2 | 用于启动一次采集序列 |
| 直尺 | Westcott，美国 | 10417 | 用于定位测量部位 |
| 超声探头（桡骨） | Vermon，Tours，法国 | 自主研发 | 中心频率 1 MHz，24 个接收器，间距 0.8 mm，两组发射器各含 5 个，间距 1 mm。 |
| 超声探头（胫骨） | Vermon，Tours，法国 | 自主研发 | 中心频率 0.5 MHz，24 个接收器，间距 1.2 mm，两组发射器各含 5 个，间距 1.5 mm |
| 超声探头 | 根据双向几何结构设计：单个接收器阵列被两个发射器阵列包围。三个阵列对齐排列，并在机械和电气上相互隔离，以最小化耦合信号。 探头适用于两个不同部位：桡骨远端三分之一处和胫骨中段。 |
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