使用超声导波进行皮质骨评估:健康人群的可重复性研究

摘要

在这里，我们详细介绍了双向轴向传输 （BDAT） 超声设备的测量方案，并在重现性研究中对其进行了测试，考虑了 14 名健康参与者和 3 名作员。用类内相关系数 （ICC） 测量的可靠性对于四个感兴趣的参数为良好到极好。

摘要

在人口老龄化的背景下，脆性骨折仍然是一个世界性的健康负担。特别是，预计 2020 年至 2050 年期间，全球髋部骨折数量将翻一番。因此，在人群尺度上检测有脆性骨折风险的患者至关重要。目前的黄金标准是双 X 射线吸收测定法 （DXA），提供区域骨密度 （aBMD）。超声波设备通常比 X 射线设备更便携、更便宜，是作为筛查工具的有趣 DXA 替代品。但是，运算符依赖项通常被认为是它们的主要缺点。在本研究中，详细介绍了双向轴向传输 （BDAT） 超声设备的测量协议。使用传统的耦合凝胶将专用超声探头放置在非优势前臂的 1/3 远端桡骨处。引导界面准实时（约 2 Hz）提供四个感兴趣的参数:第一个到达信号的速度 （vFAS） 和 A0 模式 （vA0）、皮层厚度 （Ct.Th） 和孔隙率 （Ct.Po），以及四个质量参数。作员在测量现场缓慢移动探头，仔细观察界面提供的反馈，直到找到稳定位置并开始一系列 10 次采集。当获得至少 4 个一致的序列时，测量结束，并生成自动报告。测量通常需要大约 5 分钟才能完成。为了确定该方案的稳健性，在 3 名作员 （1 名专家和 2 名新手） 和 14 名健康参与者 （6 名女性、8 名男性，21-53 岁） 中进行了一项可重复性研究。发现类内相关系数 （ICC） 对 vA0 （0.76） 、 Ct.Po （0.80） 良好或对 Ct.Th （0.87） 和 vFAS （0.91） 非常好。在临床实践中发现标准差小于总范围的 10%。

引言

骨质疏松症和相关的脆性骨折仍然构成一个主要的公共卫生问题¹。特别是，到 2050 年，全球髋部骨折的数量预计将翻一番²。骨脆性是由于在脆性骨折事件之前没有主要警示体征的脱矿质和骨流失缓慢而无声的过程。目前检测有脆性骨折风险的患者的金标准是双 X 射线吸收测定法 （DXA），它提供 2D、低分辨率的 X 射线图像和校准的灰像素³。从这张图像中，可以提取与主要脆性骨折部位相关的不同感兴趣区域的区域骨矿物质密度（^g.cm-2 中的 aBMD）:脊柱、手腕和臀部。aBMD 值随着脆性断裂率的增加而降低³.此外，相对于正常健康人群，T 值标准化允许将测量的患者与不同制造商提供的设备进行比较。世界卫生组织提出了 DXA T 值，用于将骨质疏松症诊断分为三个阶段:正常（T 值< -1）、骨质减少（-1 < T 值< -2.5）和骨质疏松性（T 值< -2.5）⁴。

DXA 存在几个局限性:它的大小、相对较高的成本、需要专用房间、区分骨折和非骨折的能力，以及它在许多国家（如拉丁美洲）的可用性，都是中等的⁵。因此，需要 DXA 替代方案作为脆性骨折风险评估的筛查工具⁶。然而，一些 DXA 替代方案，例如定量计算机断层扫描及其衍生物⁷ （magnetic resonance imaging， MRI）⁸ 也体积庞大且未广泛使用。定量超声 （QUS） 具有便携、坚固、易于使用的筛查设备的潜力。已经开发了不同的设备用于皮质骨评估，这些设备与从几 kHz 到几 MHz 的不同频率以及透射、逆向扩散⁹、脉冲回波¹⁰ 和轴向传输中的不同换能器位置相关联，其中换能器与长骨的轴线对齐，例如桡骨和胫骨。一些设备提供 aBMD 代理¹¹，而另一些设备则提供"经典"超声参数，例如速度¹² 或衰减系数⁹ ，甚至几何和材料参数，例如皮层厚度、孔隙率或孔径分布⁹。然而，直到今天，QUS 尚未成功在临床实践中广泛用于骨骼评估，部分原因是设备之间缺乏同质化和作员依赖性¹³。

在作为 DXA 替代方案的 QUS 技术中，轴向传输 （AT） 的优势在于可以在前臂进行测量，该部位 （i） 易于接近，并且 （ii） 靠近脆性骨折的主要部位之一，即手腕。第一个提出的 AT 参数取决于超声波在皮层中的传播速度，表示声速 （SOS） 或首次到达信号的速度 （vFAS），具体取决于信号处理和设备，有些是商业^12,14 个，有些是实验室原型^15,16.自 1990 年代后期以来，该参数已经能够区分有或没有脆性骨折的患者组，其性能与 BMD 相似^14,15。它还已成功应用于多中心纵向研究，证明了其临床应用和稳健性¹²。通过结合两个相反的传播方向来提高 vFAS 精度，以减少由于探针与骨表面之间夹角引起的偏差^16,17。这种观点被表示为双向 AT （BDAT）。

即使 vFAS 已显示出临床兴趣，但与 BMD 类似，其主要缺点是它结合了不同的关键皮质骨特征，例如几何和材料特性，使其临床解释并不简单。这就是为什么提出了导波视点的原因，考虑到它由于导波对波导特性的精细敏感性而具有潜力。这种方法应结合信号处理、波导建模和逆问题，并主要用于考虑金属波导（如板或管^{）等无损检测 18}。因此，自 2010 年以来，第二代 BDAT 设备逐步开发，从模拟骨骼模型¹⁹ 到 离体 验证²⁰ 和 体内 测量²¹。该设备已在法国²² 例、德国²³ 例、英国²⁴ 例和智利²⁵ 例的临床研究中成功进行了测试，并在成功率和患者辨别力方面显示出更好的结果。

本研究旨在探索当前 BDAT 超声设备的重现性。首先，将详细介绍设备和测量协议。将向 14 名参与者和 3 名作员展示和讨论获得的结果，以检测有脆性骨折风险的患者。

测量原理:信号处理、目标参数和质量参数
双向轴向传动 （BDAT） 装置由不同的部分组成，主要是超声波探头、电子模块和计算机。完整列表在 材料表中 有详细说明， 如图 1 所示。下面将介绍感兴趣的参数、测量质量参数和测量协议。

虚拟法斯
一旦计算机接收到采样信号，它们就会按照不同的步骤进行处理。第一步包括时域中的信号处理，使用前面描述的协议^16,17 检测 FAS。一旦获得每个接收器的到达时间，就可以确定 FAS 速度，后来表示为 vFAS，它是在两个传播方向上获得的速度的谐波平均值。结合来自两个传播方向的信息，可以获得探针和骨表面方向之间的值 angle，并得出无偏 vFAS 值¹⁶。这个双向角度后来表示为 alpha，并用作测量质量的参数。这种时间处理还允许估计骨表面和探针之间软组织的厚度，ST.Th 表示为²⁶。

导波光谱图像
第二步包括傅里叶域中的信号处理，考虑时间和空间频率，表示 为 f 和 k。该方法是一种基于 SVD 的方法，允许将时空信号转换为 Norm 函数，也称为导波频谱图像 （GWSI），如图 2 所示，用于 体内前 臂¹⁹。该方法结合了两个傅里叶变换（时间和空间）和一个奇异值分解 （SVD），允许可视化由皮质骨层引导的模式的接收信号（以 0-1 等级）的存在率。GWSI 可以解释为时空傅里叶变换的增强，每个像素都与频率 f 和波数 k 的独立平面相关联。请注意，为了考虑材料衰减²⁷ （material attenuation） 和线性厚度变化^（linear thickness variation） 的影响，该方法已得到改进。

将特别注意与 A0 模式相关的频谱的上部，以及与最高相速度值相关的最低部分，即大于 4 mm·^μs-1。这部分对应于感兴趣区域 3 （ROI 3）²⁹。ROI 3 的平均值（后来表示为 lowk）也用作质量参数。较大的值对应于规则波导，允许在骨骼界面处产生清晰的波反射。如果该值减小，则可能是由于波导不规则或探头放错位置。

波导模型
导波色散，或每个导波模式的相速相对于频率的变化，取决于波导的材料和几何特性。因此，有可能使用专用的信号处理、波导建模和逆问题方案来检索这些属性。在 BDAT 情况下，波导模型对应于 2D 横向各向同性自由板，具体取决于波导材料和一个几何参数，即厚度³⁰。考虑到骨基质的固定参数和可变孔隙率³¹，皮质骨材料被均匀化。因此，逆问题取决于两个参数，分别表示皮层厚度 （Ct.Th） 和皮层孔隙率 （Ct.Po）。模型中不考虑材料吸收、波导曲率和周围软组织的影响，即使它们会影响测量。然而，它们在逆问题结果上的权重没有被发现是决定性的，这意味着两个主要感兴趣区域（A0 和最低部分）中的模式不会因曲率和软组织³² 而显着改变。

逆问题
最初，逆问题分为两个步骤:第一，提取实验导波色散，第二，与波导模型进行比较。这种观点受到噪声和模式标记^30,32 的限制。因此，提出了一种专门的方法来克服这些限制，作为 Norm 函数观点的扩展。不是单独考虑每个平面波，而是只考虑波导模型提供的可能导波²⁰。这导致了逆问题图像，在模型参数域中表示，即 Ct.th - Ct.Po 平面（图 2 右下角）。最佳拟合模型被赋予最大位置，而最终的次级峰（由带有灰点的逆问题图像表示）对应于模棱两可的解决方案，在与带有浅灰色线的实验模式的 f-k 比较中表示。和以前一样，像素值通过构造进行归一化，并在这种情况下反映接收信号中存在一个特定的波导模型。最大值（表示为 max）和与第二个最大值的差值（表示为 diff）也用作质量参数。

逆问题最初被提议用于离线计算，即一旦获取到信号，使用模型波数的精确值。考虑到离体^20,33 和体内 21,34,35 研究，这种方法已针对桡骨和胫骨部位进行了验证。为了将这些计算包含在人机界面 （HMI） 中，提出了一种与实时应用程序兼容的近似版本，使用稀疏矩阵视角³⁶。

vA0
从 GWSI 中，还可以提取与自由板或 Lamb 模型^33,35 的第一个反对称模式 A0 相关的最慢导向模式的速度。导波谱的上部可以线性近似，斜率提供速度 vA0 的值（图 2 左下角）。

参数摘要:
最后，测量了四个感兴趣的参数:（i） vFAS:第一个到达信号的速度 （m·^s-1）;（ii） vA0: 最慢制导模态的速度 （m·^s-1）;（iii） Ct.Th:皮质厚度 （mm）;（iv） Ct.Po:皮质孔隙率 （%）。

考虑了四个质量参数:（i） alpha:双向角 （°）;（ii） lowk:GWSI 最低部分的平均值（0 到 1 之间的标准化值）;（iii） max:逆问题函数的最大值（0 到 1 之间的归一化值）;（iv） diff:逆问题函数的第一个和第二个最大值之间的差值（0 到 100 之间的标准化值）。

所有这些参数，以及两个导波光谱图像（一个平行传播方向）和逆问题图像，都由 HMI 以大约 2 Hz 的帧速率"实时"显示。 图 3 说明了一个典型的示例。在下一节中，将详细介绍使用这些参数的方法。主要思想是作员在测量现场缓慢移动探头，仔细观察界面不同部分提供的反馈，直到找到稳定位置并开始一系列 10 次采集。当获得至少 4 个一致的序列时，测量结束，并生成自动报告。

方案

该研究由智利瓦尔帕莱索大学伦理委员会批准，方案编号为 CEC213-20。为参与者提供了书面知情同意书。进行了电话访谈以确定参与者的纳入/排除。该研究已在以下参考下注册:NCT05424536。

1. 设备设置

1. 将设备的主要部件放在一张大桌子上。
   1. 将以下部件:电气绝缘变压器、电子模块和笔记本电脑并排放置在一张大桌子上。确保这些部件前面有足够的空间，以便以后轻松放置参与者的前臂。
   2. 最后，在空间有限的情况下，将笔记本电脑直接放在电子模块上，注意不要阻塞模块的通风窗，这有明确的指示。
2. 连接电气绝缘变压器。
   1. 使用专用电缆将绝缘变压器插入房间的家用电源。
3. 连接电子模块。
   1. 使用专用电源线将电子模块连接到绝缘变压器。
   2. 按下变压器上的 ON-OFF 按钮为模块供电。
4. 连接笔记本电脑。
   1. 使用专用的通用串行总线 （USB） 电缆将笔记本电脑连接到模块，将数字化接收的信号发送到计算机进行进一步处理。
   2. 如果笔记本电脑需要供电，请将其电源线连接到电子绝缘变压器。
5. 连接超声波探头。
   1. 使用位于模块正面的专用电缆槽将超声波探头连接到模块。前臂和腿部测量部位有两种不同的探头。在本研究中，仅考虑桡骨（前臂探针）。
6. 连接踏板开关。
   1. 将踏板开关放在靠近脚部的地板上，在测量参与者时要考虑作员的位置。使用 USB 数据线将踏板开关连接到计算机。使用踏板开始采集系列。

2. 参与者安装

1. 放置参与者。
   1. 邀请参与者坐在作员面前，裸露的前臂放在先前安装的设备前面的桌子上（参见 图 3）。
      注意:测量对侧（即右撇子参与者的左侧）。
2. 标记测量部位（1/3 远端桡骨）。
   1. 使用标尺测量从桡骨茎突（靠近手腕的骨端）到肘部的桡骨长度。
   2. 将此长度除以 3。
   3. 使用笔测量从手腕开始三分之一的半径长度，标记测量部位，即三分之一的远端桡骨。
3. 启动 HMI 软件。
   1. 单击笔记本电脑桌面上的相应图标启动 HMI 软件。
4. 添加参与者的数据。
   1. 使用弹出窗口添加参与者的数据（匿名 ID、倾斜度、测量部位、作员 ID、性别等），该弹出窗口在软件启动时自动打开。
5. 添加生态凝胶。
   1. 在探头的正面和测量部位添加生态凝胶，标记在参与者的前臂上，以确保超声波传播。
6. 将探头与前臂接触。
   1. 将探针与前臂接触，将探针中心放在先前在步骤 2.2 中完成的标记上。

3. 寻找稳定的位置

注意:HMI 显示四个感兴趣的参数:两个速度， vFAS 和 vA0，以及两个逆问题值，皮层厚度 （Ct.Th） 和皮层孔隙率 （Ct.Po）。HMI 还显示四个质量参数，分别表示为 alpha、 lowk、 max 和 diff。这些参数在简介中有详细描述。

1. 开始 实时 可视化。
   1. 单击软件界面右下角的开始按钮开始实时可视化。两个连续值显示之间的持续时间约为 0.5 秒。
2. 找到稳定的 vFAS 值。
   1. 缓慢调整探头位置，同时观察在接口的特定情况下显示的 vFAS 参数值。正常值范围从大约 3800 m∙^s-1 到大约 4200 m∙^s-1。
   2. 如果找到稳定位置，请确保 vFAS 变化在两次连续计算之间小于约 40 m∙^s-1 。
3. 调整双向角度。
   1. 缓慢调整探针位置，同时观察界面特定情况下显示的双向值（质量参数 alpha）。
   2. 通过在探头的一侧轻轻施加压力直到角度绝对值小于 2° 来调整探头位置，以提高探头与骨表面之间的平行度。
4. 找到稳定的 vA0 值。
   1. 缓慢调整探头位置，同时观察接口特定情况下显示的 vA0 参数值。正常值范围从大约 1500 m∙^s-1 到大约 1900 m∙^s-1。
   2. 如果找到稳定位置，请确保 vA0 变化在两次连续计算之间小于约 40 m∙^s-1 。
   3. 如果遇到困难，请观察界面右列上显示的导波图像光谱。确保光谱的上半部分显示为一条连续的线，其斜率提供 vA0 值。
5. 观察逆问题图像。
   1. 观察逆问题图像，一旦两个速度（vFAS 和 vA0）和角度值稳定，该图像就会自动出现。
   2. 确保图像至少显示一个最大值（用清晰像素表示），并最终显示一个或多个次最大值（用不同的颜色表示）。三个缺失的质量参数（max. diff、lowk）是自动实时计算的。
6. 改进逆问题图像。
   1. 缓慢调整探针位置，同时观察逆问题图像最大值。
   2. 在查看接口的相应情况（max 和 diff 值）时，找到可能的最高第一个最大值和可能的最低可能的最低次要最大值。
   3. 如果遇到困难，请观察界面右列上显示的导波谱图像。确保频谱的下部尽可能长地出现几条与高相速度模式和参数质量 lowk 相关的连续线。
7. 找到一个稳定的位置。
   1. 找到可接受的逆问题图像后，稳定探针位置。确保在两次连续计算之间没有看到逆问题图像的显著变化。

4. 数据采集

1. 开始一系列的 10 次收购。
   1. 找到稳定位置后，用脚踩下踏板开关开始一系列 10 次采集。
   2. 在 10 次采集期间尽可能保持稳定，持续约 5 秒。
2. 控制系列的质量。
   1. 查看相关参数的均值和标准差，这些参数是自动计算的，并在序列结束后出现的弹出窗口中显示。
   2. 如果标准差低于固定阈值，请考虑序列。相反，拒绝该系列。
   3. 回答第二个弹出窗口中提出的问题，询问作员是要停止还是继续同一参与者的采集系列。
3. 重新定位探头。
   1. 重新开始前面的步骤（从步骤 2.1 到 3.2）以找到更稳定的位置并获取更多系列的 10 次收购。最后，如果需要，让参与者在两次重新定位之间休息。
   2. 和以前一样，每个序列的感兴趣参数的均值和标准差都会自动计算。
   3. 查看结果弹出窗口，检查是保留还是拒绝了最后获取的序列。当至少注册了四个一致的序列时，参与者的测量结束。Outsider 系列会自动被拒绝。
4. 获取最终值。
   注意:考虑到使用一致系列获得的平均值，自动获得感兴趣参数的最终值。
5. 验证自动报告 PDF。
   1. 验证最终值是否在报告 pdf 中报告，并在弹出窗口中选择选项 stop 后立即生成。 图 4 显示了一个示例。
      注意:PDF 与原始数据位于同一文件夹中，以后可以离线重新分析。
6. 验证第二个 precise report。
   1. 验证使用精确的波导模型值进行逆问题计算，而不是像第一个自动报告那样使用近似值来验证生成的第二个精确报告。第二次生成报告所需的时间不到 5 分钟。 示例如图 5 和 图 6 所示。
   2. 验证自动报告是否与精确报告一致。删除未自动消除的序列，以保持序列一致。

结果

对 3 名作员 （1 名专家，2 名新手） 和 14 名健康参与者 （6 名女性，8 名男性，21-53 岁） 进行了可重复性研究。新手作员接受了大约 3 小时的培训，以理解和练习采集协议。然后，在 2023 年 8 月的 2 周内对参与者进行了测量。每次测量都是独立进行的。所有作员都被蒙蔽，即一名作员不知道其他两名作员获得的结果。

作员内部可重复性
图 5 说明了一致情况下的作人员内部可重复性:对一名参与者和一名作员采集了 4 个系列的 10 次采集。第一列对应于逆问题函数，而第二列显示与最佳拟合模型的实验导模色散的比较。每个图例行对应于一个成功的序列。标题中给出了保留的购置数量:第一个系列为 10 次中的 7 次，后续系列为 10 次中的 10 次。为每个序列提供了均值和标准差以及四个参数（vFAS、vA0、Ct.Th 和 Ct.Po）。此外，还显示了质量参数:双向角度 （alpha）、逆问题函数的最大值 （max）、与第二个最大值的绝对差 （diff） 以及 GWSI 最低部分的平均值 （lowk）。

系列内标准差较低，皮层厚度约为 0.02 mm，皮质孔隙率小于 0.5%，两种速度小于 20 m∙^s-1 ，表明到达探头位置稳定。然后，可以观察到每个系列获得的平均值非常接近，特别是厚度值在 3.4 mm 和 3.5 mm 之间，vFAS 值在 4040 m∙^s-1 到 4070 m∙^s-1 之间。请注意，40 m∙^s-1 的差异对应于平均值 4000 m∙^s-1 的 1% 差异。观察到皮层孔隙率的变化较大，范围从 8% 到 12%，vA0 速度范围从 1700 m∙^s-1 到 1740 m∙^s-1。在这种一致的情况下，几乎所有的收购都是一致的，即彼此接近。四个感兴趣的参数的最终结果几乎没有歧义。

图 6 说明了另一种情况，用于不太规则的情况。在这种情况下，vFAS、vA0 和 Ct.Po 三个参数非常稳定，分别约为 4120 m∙^s-1、1700 m∙^{s-1 和} 10%。皮层厚度的情况更加困难，因为观察到两个模棱两可的解决方案，2.6 mm 和 3.5 mm，与逆问题函数的两个第一个最大值之间的小差值（差异小于 0.5%）一致。在之前的常规情况下，这种差异从 1% 到 3% 不等。专家分析消除了歧义，在这种情况下，查看实验和理论制导模式之间的一致性（右列）。在厚度最低的情况下，光谱的最低部分（两个前系列）的一致性更好。对于最后两个系列，有一个理论模式，实验点非常少，约为 0.5 MHz，表明与前一个系列相比，一致性较差。此外，diff 参数 （0.1%） 小于前两个序列的值 （0.4% 和 0.2%）。在这种情况下，选择保留的解决方案 （2.6 mm） 尚未自动化，仍然需要专家。然而，这三家运营商面临着类似的问题，并选择了接近 2.6 毫米的相似解决方案。

额外的作员可靠性
图 7 显示了 3 名作员与 14 名参与者获得的 4 个感兴趣参数的所有结果。类内相关系数 （ICC） 按照公式和先前发布的 Matlab 代码 37,38,39 计算。ICC 通常用于评估测量秤的可靠性，特别是用于生物医学应用。ICC 值范围为 0.75 到 0.9 通常与良好的可靠性相关，而高于 0.9 的 ICC 值被认为具有出色的可靠性。对于参数 vA0，获得了 ICC 的最低值 （0.76）。标准差等于 17 m∙^s-1，大约是 250 m∙^s-1 量级测量范围的 7%。对于 ICC 等于 0.80 且标准差为 1.1% 的 Ct.Po 也观察到类似的值，约为范围的 10%。其他两个参数 Ct.Th 和 Ct.Po 获得了出色的可靠性 （ICC 约为 0.9），标准偏差低于范围的 10%。

图 1:双向轴向传输 （BDAT） 超声波设备的不同部分。 原型包括电子绝缘 （1）、踏板开关 （2）、两个探头（3.1 和 3.2）、一个电子模块 （4）、一台计算机 （5） 和一个尺子 （6）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:体内前臂的典型采集。 两个 Norm 函数（每个传播方向一个）显示在图像的上行。它们也表示为导波频谱图像 （GWSI）。从这些图像的最大值中，可以提取实验引导模式（蓝点和红点）与最佳拟合模型（左下角子图像）进行比较。最佳拟合模型由两个值参数化，皮层厚度 （Ct.Th） 和孔隙率 （Ct.Po），对应于逆问题函数的最大位置（右下角子图像）。它们的值显示在每个面板的标题中。vA0 管件显示为虚线（左）。通过构造^19,20 对导波光谱图像和逆问题图像进行归一化（即，像素值范围从 0 到 1）。两个测量的速度 vFAS 和 vA0 的值显示在右上方子图像的标题中。请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:人机界面 （HMI）。 HMI 真实显示两个 GWSI（每个传播方向一个）、逆问题图像、感兴趣的参数和质量参数。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4:自动报告示例。 该报告显示了参与者和作员的数据以及目标参数和质量参数的最终值。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5:一致案例的第二个报告示例，与 图 4 中所示的自动报告相同。 该图显示了 4 个系列，每个系列，分别是 1 个参与者和 1 个作员:逆问题图像（左列）和实验波数与最佳拟合模型（右列）的比较。显示的值对应于 10 次采集序列中保留的采集的平均值和标准差。保留的购置数量显示在右列的标题中，例如，第一个系列的 （7/10） 表示。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 6:皮质厚度模棱两可的情况的第二个报告示例。 该图显示了 4 个系列，每个系列，分别是 1 个参与者和 1 个作员:逆问题图像（左列）和实验波数与最佳拟合模型（右列）的比较。显示的值对应于 10 次采集序列中保留采集的平均值和标准差。保留的购置数量显示在右列的标题中，例如，（10/10） 表示第一个系列。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 7:作员间可靠性。 显示了 3 名作员和 14 名参与者获得的 4 个感兴趣参数的结果。将 3 个运算符 （y 轴） 获得的值与 3 个运算符 （x 轴） 的平均值进行比较。类内相关系数 （ICC） 在标题中标明。还显示了标准差 σ 和变异系数 CV。 请单击此处查看此图的较大版本。

讨论

测量成功的关键点是探头相对于骨骼的正确定位。通过与导向界面集成双向校正^16,17，成功解决了相对于骨表面的位置。结果表明，如果不进行此校正，vFAS 参数¹⁶ 可能会达到几个百分比的误差。发现这种校正对于准确区分患者至关重要，因为整个测量范围 （约 3800-4200 m∙^s-1） 约为平均值¹⁷ 的 10%，即 4000 m∙^s-1。本研究中发现的可重复性（标准差为 24 m∙^s-1）与之前的研究¹⁷ 相似，表明标准差为 20 m∙^s-1，变异系数 （CV） 约为 0.5%。在较低频率（即 0.3 MHz⁴⁰）下发现了类似的变异系数 （0.5 %）。请注意，发现 vFAS 参数 （ICC = 0.91） 的出色可靠性高于最近在老年人群中使用另一种 AT 设备获得的可靠性 （ICC = 0.77）⁴¹。应该注意的是，在这种情况下，人群不仅年龄较大，而且都是女性和一些具有骨孔隙度增加的其他临床症状的受试者⁴¹。

第二个挑战是还要根据骨骼轴和两个界面正确定位探针，以获得引导模式，特别是高相速或低波数的模式。这些模式接近谐振，并与多个反射路径相关联。如果对准不正确，波将散射到探头的空间测量范围之外。相反，如果探针位置正确，这些高相位速度模式将在 ROI3 中显示为连续的分支。对于当前 HMI 的第一个版本，通过查看实时 GWSI²⁰ 解决了这种对齐问题。然而，发现这种方法不足以达到稳健的测量方法:在试点临床研究中发现失败率约为^{20% 20}。在第二项临床研究中，包含实时质量参数允许失败率降低到约 10%²³。然后，在"实时"HMI 中包含逆问题图像可以进一步改进，当前半径测量的失败率约为 5%²⁵。请注意，第一台仅测量 vFAS 的设备的初始故障率约为 15%¹⁷。

发现皮质厚度的可靠性与之前的研究相似²²。对于同一原型的先前版本，ICC 也被发现接近 0.9，标准差约为 0.1 mm，CV 约为 3%。然而，观察到皮质孔隙率有明显的改善:ICC 从 0.6²² 增加到 0.8，标准差从 1.5% 下降到 1%。最困难的参数是 vA0 因为他的速度与软组织速度接近，约为 1500 m∙^s-1。如果探针正确对准，A0 模式将显示为唯一且连续的。相反，由于与周围软组织耦合，它看起来不连续和/或多发。这种效果对于软组织厚度小（小于 4 毫米）或大（大于 10 毫米）（表示为 ST.Th）的人来说尤其强烈。

如前所述，关键是找到正确的探头位置。但是，位置不仅应正确，而且应稳定，以便对一系列 10 次采集执行均值和标准差。在大多数情况下，找到稳定患者只需不到 1 分钟，而对患者的完整测量大约需要 5 分钟。即使本研究中描述的标准方案非常适合大多数患者，但有些人更难测量;找到正确的位置很困难，但有可能，但找到稳定的位置几乎是不可能的。在这种情况下，作员可以选择记录更长的序列，最多 200 次采集。稍后使用质量参数离线确定最佳采集。此筛选应在将来实时应用。在实践中，作员记录的序列和/或采集比理想条件协议的 4 个系列 10 个采集多。但是，对于一个部位、前臂或腿部，通常的测量时间仍约为 5 分钟。如果几分钟后 HMI 没有检测到任何正确的位置，则测量停止并被视为失败。使用当前的设备和协议，已发现故障率低于 5%²⁵。

当前设备面临不同的限制:
（一）尺寸和重量:目前的 BDAT 设备是便携式的:它可以放入标准行李中，重约 25 公斤。然而，相对于最新的超声波设备来说，这个重量很大。可以考虑一种新的电子设计，探头和信号处理保持不变。但是，可以移动当前的设备，特别是对于卧床或家中行动不便的患者。

（二）采集速度:当前帧速率约为 2-4 Hz，这意味着与实际实时采集相比，对测量的探索速度较慢，即高于 25 Hz。考虑到更快的计算机、更快的数据分析以及电子设备与计算机之间的传输，这在未来可能会得到改进。采集速度的提高将提高测量的用户友好性，特别是寻找正确的探头定位。

（三）软组织厚度:目前的方法受到大软组织层的限制，通常优于 10 毫米。在这种情况下，第一个到达的信号与软组织路径而不是皮质骨相连。因此，不能使用 vFAS 和关联的双向角度。同样，vA0 也很难测量大的软组织层。没有这两个速度，就无法执行逆问题。将来，可以使用成像技术等方式应用其他双向校正方法。软组织层大的患者通常与肥胖和体重指数 （BMI） 大于 30 ^kg.m-2 有关。

（四）波导规则性:逆问题方法假设一个具有多个传播路径的规则波导。对于骨质疏松症患者，内部皮质界面可能不规则，因此意味着导波频谱图像不佳，尤其是在下部。这些患者通常与高度的解模糊性有关。如果不能将软组织或定位不良视为光谱图像不良的来源，并且如果 lowk 参数值较低，则认为波导不规则，并考虑最低厚度的解。也可以使用基于机器学习的方法，不需要物理建模²⁹.

正如引言中所讨论的，目前检测有脆性骨折风险患者的金标准是 DXA，它面临一些局限性:体积大、在某些地区可用性差、成本相对较高、有效性相对较高。超声波设备可以减轻第一个限制，超声波设备以其有吸引力的便携性和成本而闻名。然而，有效检测高危患者的能力至少应与 DXA 相当。实际上，有时预计它高于 DXA，以证明对大多数与金标准相关的参考文献（医疗决定、治疗、费用、房间等）的调整是合理的。这就是为什么一些超声波设备提出 aBMD 代理 ^10,11,42。然而，临床参数（如 aBMD 和 vFAS）的一个缺点是整合了不同的皮质骨特性。这就是为什么其他超声设备（包括 BDAT）提出了互补的观点，提出了医生和患者更容易解释的参数，例如皮质孔隙率、厚度或孔径分布⁹。这些参数反映了几何和材料特性:皮质骨可以根据数量或质量的独立变化进行评估。这种观点对于探索骨骼脆性的不同可能原因可能非常有帮助。例如，髋关节囊内或囊外脆性骨折，即股骨颈或转子骨折部位，应该具有不同的医学起源⁴³。同样，可以针对皮质骨的不同影响以及数量或质量³ 遵循不同的药物。

请注意，使用 BDAT 获得的皮质厚度 （0.1 mm） 精度优于其他超声方法，通常高于 0.25 mm⁴⁴。这种差异部分是由于 BDAT 逆问题考虑了几何和材料的组合变化。其他一些方法，例如脉冲回声，考虑了所有患者独特的骨材料特性^10,44。这个精度值约为 0.1 毫米（CV 约为 3%），由于厚度范围小于 2 毫米，因此对于精细区分患者确实至关重要。皮层孔隙率的精度（1%，CV 约为 14%）还不如厚度。然而，与之前的可重复性研究相比，已经观察到显著的改进²²。可以预期，由于未来的 HMI 改进，特别是在更接近实时的帧速率方面，在不久的将来可以实现类似的改进。

BDAT 可以大规模用于 DXA 不广泛可用的地区的人群筛查。此外，最新的临床结果表明，BDAT 可能比 DXA 更有效。然而，这些结果应通过纳入更多患者来确认。下一个挑战应该是多中心和/或纵向研究^11,12。然而，BDAT 设备仍然是一个负责科学合作的原型，因为它已经在德国²³ 和英国²⁴ 完成。需要努力实现下一代 BDAT 设备的工业化，这肯定会更快、更便携。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
笔记本电脑	HP	mod Zbook （16 Go RAM， Inrel Core i7）	接收采样信号并应用信号处理步骤。结果通过专用的人机界面（HMI，BleuSolid，Pomponne，France）准实时显示（每秒最多 4 个），允许测量指导;
电绝缘变压器	REOMED，索林根，德国	IEC / EN 60601-1	保护设备、患者和其他设备免受任何电气危险
电子模块	Althaïs， Tours， France	内部	发送激励信号（半周期的负电压为 170 V）并离散接收到的信号（每个接收器 1024 个时间点，采样频率为 20 MHz，动态为 12 位），然后再发送到计算机。延迟和放大可以使用线性定律进行调整，以便在可访问范围内优化数据采样。
人机界面	BleuSolid，庞波讷，法国	无	HMI
踏板开关	Scythe，德国	USB 脚踏开关 2	开始采集系列
Ruler	Westcott，美国	10417	定位测量点
超声波探头半径	Vermon，图尔，法国	内部	1 MHz 中心频率，24 个间距为 0.8 mm 的接收器和两块 5 个间距为 1 mm 的发射器。
超声波探头 胫	骨 Vermon， 图尔， 法国	内部	0.5 MHz 中心频率，24 个间距为 1.2 mm 的接收器和两组 5 个间距为 1.5 mm 的发射器
超声波探头			：一个接收器阵列被两个发射器阵列包围。三个阵列对齐，机械和电气隔离，以最大限度地减少耦合信号。 探针适应两个不同的部位，桡骨远端三分之一和胫骨中部。