使用超声导波进行皮质骨评估:健康人群的可重复性研究
2025年1月31日
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。
这项研究的想法是开发一种使用超声测量皮质骨的临床设备，使其可以便携、至少可运输且非电离。测量原理基于超声导波，频率取决于皮质骨的材料和几何形状。目前骨骼评估的黄金标准是 DXA，即 X 射线骨密度测定法。
它提供骨矿物质。它非常有用，但有一些限制。首先，它需要一个专用的房间。
它的歧视能力只是中等的，然后在世界许多地方都没有广泛使用，比如拉丁美洲，特别是在公共卫生系统中。您可以使用其他设备进行骨骼评估，例如 MRI 或 QCT，但它们更大，甚至更难获得。最后，超声似乎是一个非常有趣且有前途的替代方案。
第一个挑战是找到有用的临床参数。在这项研究中，我们有两种参数，制备速度，它们非常简单，是一种稳健的度量，但不是那么容易解释。我们还有皮质厚度和孔隙率，它们更容易从骨骼的质量和数量来解释，但不太容易测量。
第二个挑战是以非常精确和可靠的方式测量该参数。为什么？我们想测量患者之间非常小的差异。下一步，我们的实验室将专注于下一代设备的设计，由于电子技术的进步，希望该设备非常便携。
我们还将整合人工智能和机器学习发布的新临床参数。最后，我们还将关注不同的脆性骨折部位，特别是髋部骨折，以改善患者的预防和随访。首先，将绝缘变压器电子模块和笔记本电脑并排放在一张大桌子上，确保这些部件前面有足够的空间来放置参与者的前臂。
使用专用电缆将绝缘变压器插入房间的家用电源。用专用电源线将电子模块连接到绝缘变压器。按下变压器上的开机按钮为模块供电，然后打开电子模块。
接下来，使用专用的 USB 电缆将笔记本电脑连接到模块，以便将数字化信号传输到计算机。如果笔记本电脑需要电源，请将其电源线连接到绝缘变压器。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。
将踏板开关放在靠近作者脚部的地板上，确保在测量过程中易于作。使用 USB 数据线将踏板开关连接到笔记本电脑。首先，邀请参与者坐在作员面前，裸露的前臂放在双向轴向传输超声设备前面的桌子上。
使用尺子测量从径向茎突到肘部的半径长度。将长度除以 3。然后用笔在测量部位标记远端桡骨的三分之一。
单击笔记本电脑上的人机界面或 HMI 图标。在弹出窗口中，添加参与者的数据，包括匿名 ID、横向度、测量站点、作员 ID 和性别。接下来，将生态成像凝胶涂抹在超声探头的正面和参与者前臂上标记的测量部位，以确保超声波传播。
将探头与前臂接触，使其中心与标记对齐。将探头与参与者前臂上的标记位置接触后，单击位于 HMI 软件右下角的 START 按钮。观察界面中显示的第一个到达信号的速度或 VFOS 参数值，该信号每 0.5 秒更新一次。
缓慢调整探头位置，以达到每秒 3800 至 4200 米的正常范围内的 vFAS 参数值。接下来，调整探头位置，同时观察接口特定情况下显示的双向值。对探头的一侧施加轻微的压力，将绝对角度值减小到 2 度以下，确保探头和骨表面之间有更好的平行度。
调整探头位置，同时观察 VA0 参数值以显示在界面上。然后，以 1， 500 到 1， 900 米/秒的正常范围内的值为目标，确保连续计算之间的 VA0 变化小于 40 米/秒。如果遇到困难，请参阅界面右栏中的导波图像光谱。
确认上部光谱显示为一条连续的线，斜率表示 VA0 值。接下来，观察逆问题图像，一旦 vFAS 和 VA0 速度和角度值稳定下来，该图像就会自动出现。确认图像包含一个用清晰像素表示的最大值和一个或多个用不同颜色表示的次最大值。
三个缺失的质量参数 max、diff 和 low K 是自动实时计算的。缓慢调整探针位置，同时观察逆问题图像最大值。旨在使用界面上的相应情况找到可能的最高第一最大值和最低可能的次要最大值。
如果遇到困难，请观察界面右列中的导波频谱图像。确保频谱的下半部分具有代表高相速模式的连续线，参数质量为尽可能高，即低 K。获得可接受的逆问题图像后，稳定探头位置并确保连续计算之间没有显着变化。
达到稳定位置后，用脚踩下踏板开关，开始一系列 10 次采集。序列结束后，观察相关参数的均值和标准差。如果标准差低于固定阈值，则接受序列。
否则，请拒绝它。按下 STOP 选项后，验证生成的 PDF 中是否自动报告了最终值。验证使用精确波导模型值进行逆问题计算生成的第二个精确报告，而不是使用第一个自动报告中使用的近似值。
比较自动报告和精确报告以确保一致性。删除未自动消除以完成数据集的不一致序列。
概述
本研究详细介绍了一种双向轴向传输（BDAT）超声设备的测量协议，旨在评估皮质骨。该设备在一项涉及14名健康参与者和3名操作员的重复性研究中进行了可靠性测试，显示出关键参数的良好至极佳的可靠性。
关键研究组成部分
科学领域
- 超声技术
- 皮质骨评估
- 临床设备开发
背景
- 当前骨骼评估的黄金标准是DXA，但它有一些局限性。
- 超声为骨骼测量提供了一种有前景的替代方法。
- 挑战包括确定有用的临床参数和确保精确测量。
- 未来的发展将融入人工智能，并专注于脆性骨折。
研究目的
- 开发便携式、非电离临床设备以测量皮质骨。
- 建立基于超声的评估的可靠测量协议。
- 探索新的临床参数以改善患者监测。
使用的方法
- BDAT超声设备的设置和参与者准备。
- 测量皮质骨参数，包括准备速度、厚度和孔隙率。
- 使用人机界面（HMI）进行数据收集和分析。
- 使用组内相关系数（ICC）进行可靠性的统计分析。
主要结果
- 四个关键参数实现了良好至极佳的可靠性。
- 成功展示了BDAT设备在临床环境中的功能。
- 确定了最佳探头定位以获得准确测量。
- 在评估过程中实时计算质量参数。
结论
- BDAT设备显示出非侵入式皮质骨评估的前景。
- 需要进一步开发以提高便携性和测量精度。
- 融入人工智能可能改善临床参数识别和患者预后。
常见问题
Executive Industry Relevance
Reliable, non-ionizing assessment of cortical bone properties is critical for early-stage target validation in bone health R&D. The reproducibility of ultrasonic guided wave measurements directly impacts predictive confidence for translational biomarker development and portfolio triage. Standardized, operator-independent protocols enable scalable screening and robust data integration across discovery and preclinical workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Supports quantitative interrogation of bone quality parameters such as cortical thickness and porosity.
- Enables mechanistic de-risking by providing reproducible, operator-independent measurements.
- Facilitates functional target validation for bone fragility and fracture risk studies.
Screening & Assay Development
- Prepares validated measurement protocols for high-throughput or population-scale screening initiatives.
- Delivers standardized, quantitative outputs (vFAS, vA0, Ct.Th, Ct.Po) for assay reproducibility.
- Enables reliable comparison of compound or intervention effects on bone parameters.
Translational & Preclinical Research
- Aligns non-invasive measurement endpoints with translational biomarker strategies for bone health.
- Provides continuity from early discovery through preclinical validation of bone-targeted interventions.
- Reduces biological risk by supporting cross-study and cross-operator reproducibility.
Pipeline & Workflow Integration
This ultrasonic guided wave protocol integrates from early discovery through preclinical model validation, supporting both hypothesis testing and translational biomarker alignment.
- Discovery Biology: Enables hypothesis-driven assessment of bone quality and mechanistic de-risking.
- Screening: Provides reproducible, quantitative readouts for assay standardization and compound evaluation.
- Analytics: Outputs velocity, thickness, and porosity metrics with statistical quality controls for robust comparison.
- Translational Research: Bridges non-invasive measurement endpoints to preclinical and clinical biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, scalable measurement capability for diverse bone health programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in bone quality assessment.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and operator-independent measurement protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency in bone-targeted portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of bone health assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasonic device operation and interpretation of guided wave parameters.
- Needs dedicated instrumentation, including BDAT ultrasonic device and compatible analytical software.
- Demands cross-operator standardization to ensure reproducibility and data integrity.
- Adaptation may be needed for different anatomical sites or population cohorts.
- Operator training and protocol adherence are essential to minimize measurement variability.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:41
Setting up the Bi-Directional Axial Transmission Ultrasonic Device for Ultrasonic Guided Wave Measurement
4:04
Participant Preparation and Measurement Setup for Ultrasonic Guided Wave Measurement
5:11
Real-Time Visualization and Data Acquisition for Bi-Directional Axial Transmission Ultrasonic Measurements
