Artykuł metodologiczny

Ocena kory kostnej za pomocą ultradźwiękowych fal kierowanych: badanie odtwarzalności w zdrowej populacji

2.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66985

⸱

31 stycznia 2025

 ,  ,  , 
1Ecole Centrale, 2Myriade, 3Escuela de Ingeniería en Informática, Center of Interdisciplinary Biomedical and Engineering Research for Health - MEDING, Universidad de Valparaíso

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj szczegółowo prezentujemy protokół pomiarowy urządzenia ultradźwiękowego z dwukierunkową transmisją osiową (BDAT) i testujemy go w badaniu odtwarzalności, biorąc pod uwagę 14 zdrowych uczestników i 3 operatorów. Wiarygodność, mierzona za pomocą wewnątrzklasowych współczynników korelacji (ICC), była dobra lub doskonała dla czterech interesujących parametrów.

Streszczenie

Kruche złamania są nadal ogólnoświatowym obciążeniem zdrowotnym w kontekście starzenia się populacji. W szczególności oczekuje się, że w latach 2020-2050 globalna liczba złamań szyjki kości udowej podwoi się. Dlatego tak ważne jest wykrywanie pacjentów zagrożonych złamaniami kruchości w skali populacji. Obecnie złotym standardem jest podwójna absorpcjometria promieniowania rentgenowskiego (DXA), zapewniająca powierzchniową gęstość mineralną kości (aBMD). Urządzenia ultradźwiękowe, zwykle bardziej przenośne i tańsze niż urządzenia rentgenowskie, stanowią interesującą alternatywę DXA jako narzędzia przesiewowe. Jednak zależność od operatora jest zwykle uznawana za ich główną wadę. W niniejszej pracy szczegółowo przedstawiono protokół pomiarowy urządzenia ultradźwiękowego z dwukierunkową transmisją osiową (BDAT). Dedykowana sonda ultradźwiękowa jest umieszczana w jednej trzeciej dystalnego promienia niedominującego przedramienia za pomocą konwencjonalnego żelu sprzęgającego. Interfejs prowadzony dostarcza w czasie quasi-rzeczywistym (około 2 Hz) cztery interesujące parametry: prędkości pierwszego przychodzącego sygnału (vFAS) i tryb A0 (vA0), grubość kory mózgowej (Ct.Th) i porowatość (Ct.Po), a także cztery parametry jakościowe. Operator powoli przesuwa sondę w miejscu pomiaru, uważnie obserwując informacje zwrotne dostarczane przez interfejs, aż do znalezienia stabilnej pozycji i rozpoczęcia serii 10 akwizycji. Po uzyskaniu co najmniej czterech spójnych serii pomiar kończy się i generowany jest automatyczny raport. Pomiar trwa zwykle około 5 minut. Aby określić solidność tego protokołu, przeprowadzono badanie odtwarzalności wśród 3 operatorów (jednego eksperta i dwóch nowicjuszy) i 14 zdrowych uczestników (6 kobiet, 8 mężczyzn, 21-53 lata). Współczynniki korelacji wewnątrzklasowej (ICC) uznano za dobre dla vA0 (0,76), Ct.Po (0,80) lub doskonałe dla Ct.Th (0,87) i vFAS (0,91). Stwierdzono, że odchylenia standardowe wynoszą mniej niż 10% całkowitych zakresów w praktyce klinicznej.

Wprowadzenie

Osteoporoza i związane z nią złamania nadal stanowią poważny problem zdrowia publicznego1. W szczególności oczekuje się, że do 2050 r. liczba złamań szyjki kości udowej na świecie podwoi się2. Łamliwość kości jest spowodowana powolnym i cichym procesem demineralizacji i utraty masy kostnej bez większych znaków ostrzegawczych przed złamaniem łamliwości. Obecnie złotym standardem w wykrywaniu pacjentów zagrożonych złamaniami łamliwości jest podwójna absorpcjometria rentgenowska (DXA), zapewniająca obraz rentgenowski 2D o niskiej rozdzielczości ze skalibrowanym szarym pikselem3. Na podstawie tego obrazu możliwe jest wyodrębnienie powierzchniowej gęstości mineralnej kości (aBMD w g.cm-2) w różnych obszarach zainteresowania związanych z głównymi miejscami złamań kruchości: kręgosłupa, nadgarstka i biodra. Wartość aBMD zmniejsza się wraz ze wzrostem szybkości pękania kruchości3. Co więcej, normalizacja T-score, w odniesieniu do normalnej zdrowej populacji, pozwala na porównanie pacjentów mierzonych za pomocą urządzeń proponowanych przez różnych producentów. Światowa Organizacja Zdrowia zaproponowała DXA T-score w celu zdefiniowania diagnostyki osteoporozy w trzech etapach: normalnym (T-score < -1), osteopenicznym (-1 < T-score < -2,5) i osteoporotycznym (T-score < -2,5)4.

DXA ma kilka ograniczeń: jego wielkość, stosunkowo wysoki koszt, potrzeba dedykowanego pomieszczenia i zdolność do rozróżniania między pękniętymi i niezłamanymi, a także dostępność w wielu krajach, takich jak Ameryka Łacińska, są umiarkowane5. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na alternatywy DXA jako narzędzia przesiewowe do szacowania ryzyka pęknięć kruchości6. Jednak niektóre alternatywy DXA, takie jak ilościowa tomografia komputerowa i jej pochodne7, obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI)8, są również nieporęczne i nie są powszechnie dostępne. Ultrasonografia ilościowa (QUS) stwarza potencjał dla przenośnych, wytrzymałych i łatwych w użyciu urządzeń do badań przesiewowych. Opracowano różne urządzenia do oceny kości korowej, związane z różnymi częstotliwościami w zakresie od kilku kHz do kilku MHz i różnym położeniem przetworników w transmisji, dyfuzją retro 9, echem impulsowym10 oraz transmisją osiową, w której przetworniki są ustawione w jednej linii z osią kości długiej, takiej jak promień i kość piszczelowa. Niektóre urządzenia zapewniają substytuty BMD11, podczas gdy inne zapewniają "klasyczne" parametry ultradźwiękowe, takie jak prędkości12 lub współczynniki tłumienia9, a nawet parametry geometryczne i materiałowe, na przykład grubość kory mózgowej, porowatość lub rozkład wielkości porów9. Jednak do dnia dzisiejszego QUS nie udało się jeszcze znaleźć szerokiego zastosowania w praktyce klinicznej do oceny kości, częściowo ze względu na brak homogenizacji między urządzeniami i zależność od operatora13.

Wśród technologii QUS proponowanych jako alternatywy dla DXA, transmisja osiowa (AT) ma tę zaletę, że pomiar może być wykonany na przedramieniu, miejscu (i) łatwo dostępnym i (ii) blisko jednego z głównych miejsc złamań kruchości, tj. nadgarstka. Pierwszy proponowany parametr AT zależy od prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w warstwie korowej, oznaczanej prędkością dźwięku (SOS) lub prędkością sygnału pierwszego nadejścia (vFAS), w zależności od przetwarzania sygnału i urządzeń, niektóre z nich są komercyjne12,14 i inne prototypy laboratoryjne15,16. Ten parametr był w stanie rozróżnić grupy pacjentów ze złamaniami kruchości lub bez nich o wydajności podobnej do BMD w kilku badaniach klinicznych od końca lat 90. XX wieku14,15. Został również z powodzeniem zastosowany w wieloośrodkowych badaniach podłużnych, wykazując swoje zastosowanie kliniczne i solidność12. Precyzja vFAS została ulepszona poprzez połączenie dwóch przeciwstawnych kierunków propagacji w celu zmniejszenia odchylenia wynikającego z kąta między sondą a powierzchnią kości16,17. Ten punkt widzenia został oznaczony jako dwukierunkowy AT (BDAT).

Nawet jeśli vFAS okazał kliniczne zainteresowanie, jego główną wadą, podobnie jak BMD, jest to, że łączy w sobie różne kluczowe cechy kości korowej, takie jak właściwości geometryczne i materiałowe, co sprawia, że jego kliniczna interpretacja nie jest prosta. Dlatego zaproponowano punkt widzenia fali prowadzonej, biorąc pod uwagę jej potencjał wynikający z doskonałej wrażliwości fal kierowanych na właściwości falowodu. Podejście to powinno łączyć przetwarzanie sygnału, modelowanie falowodu i problemy odwrotne i jest szeroko stosowane w badaniach nieniszczących, biorąc pod uwagę na przykład falowody metalowe, takie jak płytki lub rurki18. W związku z tym od 2010 roku krok po kroku opracowywane jest urządzenie BDAT drugiej generacji, od fantomów naśladujących kości19 do walidacji ex vivo20 i pomiarów in vivo21. Urządzenie zostało pomyślnie przetestowane w badaniach klinicznych we Francji22, Niemczech23, Wielkiej Brytanii24 i Chile25, i wykazało poprawę wyników pod względem wskaźnika sukcesu i dyskryminacji pacjentów.

To badanie ma na celu zbadanie odtwarzalności obecnego urządzenia ultradźwiękowego BDAT. Po pierwsze, urządzenie i protokół pomiarowy zostaną szczegółowo opisane. Wyniki uzyskane z udziałem 14 uczestników i 3 operatorów zostaną przedstawione i omówione w kontekście populacyjnych badań przesiewowych w celu wykrycia pacjentów zagrożonych złamaniami kruchości.

Zasada pomiaru: przetwarzanie sygnału, interesujące parametry i parametry jakościowe
Dwukierunkowe urządzenie do transmisji osiowej (BDAT) składa się z różnych części, z których główną jest sonda ultradźwiękowa, moduł elektroniczny i komputer. Pełna lista jest szczegółowo opisana w Tabeli Materiałów i zilustrowana w Rysunek 1. Poniżej opisano interesujące nas parametry, parametry jakości pomiaru oraz protokół pomiaru.

vFAS
Po odebraniu próbkowanych sygnałów przez komputer, są one przetwarzane w różnych krokach. Pierwszy krok polega na przetwarzaniu sygnału w dziedzinie czasu, wykrywaniu FAS za pomocą protokołu opisanego wcześniej16,17. Po uzyskaniu czasu przybycia dla każdego odbiornika możliwe jest wyznaczenie prędkości FAS, później oznaczonej vFAS, która jest średnią harmoniczną prędkości uzyskanych w obu kierunkach rozchodzenia się. Łącząc informacje z obu kierunków propagacji, możliwe jest uzyskanie kąta wartości między kierunkiem sondy a kierunkiem powierzchni kości oraz wyprowadzenie bezstronnej wartości vFAS16. Ten dwukierunkowy kąt jest później oznaczany jako alfa i jest używany jako parametr jakości pomiaru. To przetwarzanie czasowe pozwala również na oszacowanie grubości tkanki miękkiej między powierzchnią kości a sondą, oznaczoną jako ST.Th26.

Obraz widma fal kierowanych
Drugi etap polega na przetwarzaniu sygnału w domenie Fouriera, z uwzględnieniem częstotliwości czasowych i przestrzennych, oznaczanych f i k. Podejście to jest metodą opartą na SVD, pozwalającą na transformację sygnałów czasoprzestrzennych w funkcję Norm, oznaczoną również jako obraz widma fal kierowanych (GWSI), jak pokazano w Rysunek 2 dla in vivo forearm19. Metoda łączy w sobie dwie transformaty Fouriera (czas i przestrzeń) oraz dekompozycję wartości osobliwych (SVD), co pozwala na wizualizację szybkości obecności w odbieranych sygnałach (w skali 0-1) modów kierowanych przez warstwę kości korowej. GWSI może być interpretowany jako ulepszenie czasoprzestrzennej transformaty Fouriera, w której każdy piksel jest powiązany z niezależną płaszczyzną częstotliwości f i liczby falowej k. Należy zauważyć, że podejście zostało ulepszone w celu uwzględnienia wpływu tłumienia materiału27 i liniowej zmienności grubości28.

Szczególna uwaga zostanie zwrócona na górną część spektrum, związaną z trybem A0, a także na najniższą część, związaną z najwyższymi wartościami prędkości fazowej, tj. większą niż 4 mm·μs-1. Ta część odpowiada obszarowi zainteresowania 3 (ROI 3)29. Średnia wartość ROI 3, później oznaczona jako lowk, jest również używana jako parametr jakości. Duża wartość odpowiada zwykłemu falowodom, co pozwala na wyraźne odbicia fal na granicy kości. Jeśli wartość spadnie, może to być spowodowane nieregularnym falowodem lub źle umieszczoną sondą.

Model falowodu
Dyspersja fali prowadzonej, czyli zmiana prędkości fazowej każdego trybu prowadzonego w odniesieniu do częstotliwości, zależy zarówno od właściwości materiału, jak i właściwości geometrycznych falowodu. W związku z tym potencjalnie możliwe jest odzyskanie tych właściwości za pomocą dedykowanego przetwarzania sygnału, modelowania falowodu i odwrotnych schematów problemów. W przypadku BAT model falowodu odpowiada poprzecznej izotropowej płycie swobodnej 2D, w zależności od materiału falowodu i jednego parametru geometrycznego, thickness30. Materiał kostny kory mózgowej jest homogenizowany z uwzględnieniem ustalonych parametrów macierzy kostnej i zmiennej porowatości31. Zatem problem odwrotny zależy od dwóch parametrów, oznaczanych grubością kory (Ct.Th) i porowatością kory mózgowej (Ct.Po). Wpływ absorpcji materiału, krzywizny falowodu i otaczających tkanek miękkich nie jest uwzględniany w modelu, nawet jeśli ma wpływ na pomiar. Jednak ich waga w odwrotnym wyniku problemu nie została uznana za determinującą, co oznacza, że mody w dwóch głównych obszarach zainteresowania (A0 i najniższa część) nie są znacząco zmieniane przez krzywiznę i tkanki miękkie32.

Odwrotny problem
Początkowo problem odwrotny został podzielony na dwa kroki: po pierwsze, wyodrębnić eksperymentalną dyspersję fal kierowanych, a po drugie, porównać z modelem falowodu. Ten punkt widzenia był ograniczony przez szum i etykietowanie trybów30,32. W związku z tym zaproponowano specjalne podejście mające na celu przezwyciężenie tych ograniczeń jako rozszerzenie punktu widzenia funkcji normy. Zamiast rozpatrywać każdą falę płaską niezależnie, brane są pod uwagę tylko możliwe fale kierowane dostarczone przez model falowodu20. Prowadzi to do odwrotnego obrazu problemu, wyrażonego w dziedzinie parametrów modelu, tj. płaszczyzny Ct.th - Ct.Po (Rysunek 2 w prawym dolnym rogu). Najlepiej dopasowanemu modelowi podaje się maksymalną pozycję, podczas gdy ostateczne wtórne piki (oznaczone odwróconymi obrazami problemu z szarą kropką) odpowiadają niejednoznacznym rozwiązaniom, wskazanym w porównaniu f-k z modami eksperymentalnymi z jasnoszarymi liniami. Tak jak poprzednio, wartość piksela jest znormalizowana konstrukcyjnie i odzwierciedla, w tym przypadku, obecność jednego konkretnego modelu falowodu w odbieranych sygnałach. Wartość maksymalna (oznaczona jako maksimum) i różnica w stosunku do drugiego maksimum (oznaczona jako różnica) są również używane jako parametry jakościowe.

Odwrotny problem został pierwotnie zaproponowany do obliczeń offline, tj. po pobraniu sygnałów, przy użyciu dokładnych wartości numerów fal modelu. To podejście zostało zweryfikowane zarówno dla stron radius jak i tibia, biorąc pod uwagę ex vivo20,33 oraz in vivo21,34,35 badań. Aby uwzględnić te obliczenia w interfejsie człowiek-maszyna (HMI), zaproponowano przybliżoną wersję, kompatybilną z aplikacją czasu rzeczywistego, wykorzystującą punkt widzenia rzadkiej macierzy36.

vA0
Z GWSI możliwe jest również wyodrębnienie prędkości najwolniejszego trybu prowadzonego, powiązanego z pierwszym trybem antysymetrycznym A0 wolnej płyty lub modelu Lamba33,35. Górna część widma fal kierowanych może być aproksymowana liniowo, przy czym nachylenie zapewnia wartość prędkości vA0 (rysunek 2 na dole po lewej).

Podsumowanie parametrów:
Na koniec mierzone są cztery interesujące parametry: (i) vFAS: prędkość pierwszego przychodzącego sygnału (m·s-1); (ii) vA0: prędkość najwolniejszego trybu kierowania (m·s-1); (iii) Ct.Th: grubość kory mózgowej (mm); oraz (iv) Ct.Po: porowatość kory mózgowej (%).

Pod uwagę brane są cztery parametry jakości: (i) alfa: kąt dwukierunkowy (°); (ii) lowk: średnia wartość najniższej części GWSI (wartość znormalizowana między 0 a 1); (iii) max: maksimum odwrotnej funkcji problemu (wartość znormalizowana między 0 a 1); oraz (iv) diff: różnica między pierwszym a drugim maksimum odwrotnej funkcji problemu (wartość znormalizowana z zakresu od 0 do 100).

Wszystkie te parametry, jak również dwa obrazy widma fal kierowanych (jeden par kierunek rozchodzenia się) i obraz odwrotnego problemu, są wyświetlane w "czasie rzeczywistym" przez HMI, z częstotliwością odświeżania około 2 Hz. Typowy przykład przedstawiono na rysunku 3. W dalszej sekcji szczegółowo opisano metodę korzystania z tych parametrów. Główną ideą jest to, że operator powoli przesuwa sondę w miejscu pomiaru, uważnie obserwując informacje zwrotne dostarczane przez różne części interfejsu, aż do znalezienia stabilnej pozycji i rozpoczęcia serii 10 akwizycji. Po uzyskaniu co najmniej czterech spójnych serii pomiar kończy się i generowany jest automatyczny raport.

Protokół

Badanie zostało zatwierdzone przez Komitet Etyczny Universidad de Valparaiso, Chile, pod numerem protokołu CEC213-20. Uczestnikom udzielono pisemnej świadomej zgody. Przeprowadzono wywiad telefoniczny w celu ustalenia włączenia/wykluczenia uczestników. Badanie zostało zarejestrowane pod następującym numerem referencyjnym: NCT05424536.

1. Konfiguracja urządzenia

  1. Umieść główne części urządzenia na dużym stole.
    1. Na dużym stole ułóż obok siebie następujące części: transformator izolacji elektrycznej, moduł elektroniczny i laptop. Upewnij się, że przed tymi częściami jest wystarczająco dużo miejsca, aby później z łatwością ułożyć przedramię uczestnika.
    2. Ostatecznie umieść laptopa bezpośrednio na module elektronicznym w przypadku ograniczonej przestrzeni, uważając, aby nie zasłaniać okien wentylacyjnych modułu, które są wyraźnie wskazane.
  2. Podłączyć transformator izolacji elektrycznej.
    1. Podłącz transformator izolacji elektrycznej do domowego źródła zasilania w pomieszczeniu za pomocą dedykowanego.
  3. Podłączyć moduł elektroniczny.
    1. Podłącz moduł elektroniczny do transformatora izolacji elektrycznej za pomocą dedykowanego zasilającego.
    2. Naciśnij przycisk ON-OFF na transformatorze, aby zasilić moduł.
  4. Podłącz laptopa.
    1. Podłącz laptopa do modułu za pomocą dedykowanego uniwersalnej magistrali szeregowej (USB), aby przesłać zdigitalizowane odebrane sygnały do komputera w celu dalszego przetwarzania.
    2. Jeśli laptop wymaga zasilania, podłącz jego zasilający do elektronicznego transformatora izolacyjnego.
  5. Podłącz sondę ultradźwiękową.
    1. Podłącz sondę ultradźwiękową do modułu za pomocą dedykowanego otworu na znajdującego się z przodu modułu. Istnieją dwie różne sondy do pomiaru miejsc pomiaru przedramienia i nogi. W tym badaniu brana jest pod uwagę tylko promień (sonda przedramienia).
  6. Podłącz przełącznik pedału.
    1. Umieść przełącznik pedału na podłodze blisko stóp, biorąc pod uwagę pozycję operatora podczas pomiaru uczestnika. Podłącz przełącznik pedału do komputera za pomocą USB. Użyj pedału, aby rozpocząć serię akwizycji.

2. Instalacja uczestnika

  1. Ustaw uczestnika.
    1. Poproś uczestnika, aby usiadł przed operatorem z gołym przedramieniem opartym na stole przed wcześniej zainstalowanym urządzeniem (patrz Rysunek 3).
      UWAGA: Mierzona jest strona kontralateralna (tj. lewa strona dla uczestnika praworęcznego).
  2. Zaznacz miejsce pomiaru (jedna trzecia dystalnego promienia).
    1. Zmierz długość promienia za pomocą linijki od promieniowego rylcowatego rylca (koniec kości blisko nadgarstka) do łokcia.
    2. Podziel tę długość przez trzy.
    3. Zaznacz miejsce pomiaru, tj. jedną trzecią dystalnego promienia, za pomocą pisaka, mierząc jedną długość promienia na trzecią część nadgarstka.
  3. Uruchom oprogramowanie HMI.
    1. Uruchom oprogramowanie HMI, klikając odpowiednią ikonę na pulpicie laptopa.
  4. Dodaj dane uczestnika.
    1. Dodaj dane uczestnika (zanonimizowany identyfikator, lateralność, zmierzone miejsce, identyfikator operatora, płeć itp.) za pomocą wyskakującego okienka, które otwiera się automatycznie po uruchomieniu oprogramowania.
  5. Dodaj żel ekologiczny.
    1. Dodaj żel ekologiczny z przodu sondy i w miejscu pomiaru, oznaczonym na przedramieniu uczestnika, aby zapewnić propagację fali ultradźwiękowej.
  6. Umieść sondę w kontakcie z przedramieniem.
    1. Umieść sondę w kontakcie z przedramieniem, tak aby środek sondy znajdował się na znaku, który wykonano wcześniej w kroku 2.2.

3. Szukam stabilnej pozycji

UWAGA: HMI wyświetla cztery interesujące parametry: dwie prędkości, vFAS i vA0, oraz dwie odwrotne wartości problemu, grubość kory (Ct.Th) i porowatość kory (Ct.Po). HMI wyświetla również cztery parametry jakościowe oznaczone jako alpha, lowk, max i diff. Parametry te zostały szczegółowo opisane we wprowadzeniu.

  1. Rozpocznij wizualizację w czasie rzeczywistym.
    1. Rozpocznij wizualizację w czasie rzeczywistym, klikając przycisk Start w prawym dolnym rogu interfejsu oprogramowania. Czas między dwoma kolejnymi wyświetleniami wartości wynosi około 0,5 s.
  2. Znajdź stabilną wartość vFAS.
    1. Powoli wyreguluj pozycję sondy, obserwując wartość parametru vFAS wyświetlaną w konkretnym przypadku interfejsu. Normalne wartości wahają się od około 3800 m∙s-1 do około 4200 m∙s-1.
    2. Jeśli zostanie znaleziona stabilna pozycja, upewnij się, że odchylenie vFAS jest mniejsze niż około 40 m∙s-1 między dwoma kolejnymi obliczeniami.
  3. Dostosuj kąt dwukierunkowy.
    1. Powoli wyreguluj pozycję sondy, obserwując wartość dwukierunkową (parametr jakości alfa) wyświetlaną w konkretnym przypadku interfejsu.
    2. Dostosuj pozycję sondy, delikatnie zwiększając nacisk po jednej stronie sondy, aż wartość bezwzględna kąta będzie mniejsza niż 2°, aby poprawić równoległość między sondą a powierzchnią kości.
  4. Znajdź stabilną wartość vA0.
    1. Powoli wyreguluj pozycję sondy, obserwując wartość parametru vA0 wyświetlaną w określonym przypadku interfejsu. Normalne wartości wahają się od około 1500 m∙s-1 do około 1900 m∙s-1.
    2. Jeśli zostanie znaleziona stabilna pozycja, należy upewnić się, że odchylenie vA0 jest mniejsze niż około 40 m∙s-1 między dwoma kolejnymi obliczeniami.
    3. W przypadku trudności obserwuj widma obrazu fali kierowanej wyświetlane w prawej kolumnie interfejsu. Upewnij się, że górna część widma jest widoczna jako linia ciągła, której nachylenie zapewnia wartość vA0.
  5. Obserwuj odwrotny obraz problemu.
    1. Obserwuj odwrotny obraz problemu, który pojawia się automatycznie po ustabilizowaniu dwóch prędkości (vFAS i vA0) oraz wartości kąta.
    2. Upewnij się, że obraz pokazuje co najmniej jedno maksimum, oznaczone wyraźnym pikselem, a ostatecznie jedno lub kilka drugorzędnych maksimów, oznaczonych innym kolorem. Trzy brakujące parametry jakościowe (max. diff, lowk) są automatycznie obliczane w czasie rzeczywistym.
  6. Popraw obraz problemu odwrotnego.
    1. Powoli dostosuj pozycję sondy, obserwując odwrotne maksima obrazu.
    2. Znajdź najwyższe możliwe pierwsze maksimum i najniższe możliwe maksimum pomocnicze, patrząc na odpowiednie przypadki interfejsu (wartości max i diff).
    3. W przypadku trudności obserwuj obraz widma fal prowadzonych wyświetlany w prawej kolumnie interfejsu. Upewnij się, że dolna część widma jest pokryta kilkoma ciągłymi liniami, tak długimi, jak to możliwe, związanymi z modami wysokiej prędkości fazowej i niską jakością parametru, tak wysokim, jak to możliwe.
  7. Znajdź stabilną pozycję.
    1. Po znalezieniu akceptowalnego obrazu problemu odwrotnego ustabilizuj pozycję sondy. Upewnij się, że między dwoma kolejnymi obliczeniami nie są widoczne żadne znaczące zmiany obrazu odwrotnego problemu.

4. Akwizycja danych

  1. Rozpocznij serię 10 przejęć.
    1. Po znalezieniu stabilnej pozycji rozpocznij serię 10 akwizycji, naciskając stopą przełącznik pedału.
    2. Zachowaj jak największą stabilność podczas 10 przejęć, trwających około 5 sekund.
  2. Kontroluj jakość serii.
    1. Przyjrzyj się średnim i odchyleniom standardowym interesujących Cię parametrów, które są automatycznie obliczane i wyświetlane w wyskakujących okienkach pojawiających się po zakończeniu serii.
    2. Jeżeli odchylenia standardowe są niższe niż ustalone progi, należy wziąć pod uwagę szeregi. Wręcz przeciwnie, odrzuć serię.
    3. Odpowiedź na pytanie zadane w drugim wyskakującym okienku, z pytaniem, czy operator chciałby przerwać, czy kontynuować serię akwizycji tego samego uczestnika.
  3. Zmień położenie sondy.
    1. Rozpocznij ponownie poprzednie kroki (od kroków 2.1 do 3.2), aby znaleźć bardziej stabilne pozycje i zdobyć więcej serii 10 przejęć. Na koniec, jeśli to konieczne, pozwól uczestnikowi odpocząć między dwoma zmianami pozycji.
    2. Tak jak poprzednio, średnie i odchylenia standardowe parametrów będących przedmiotem zainteresowania są obliczane automatycznie dla każdej serii.
    3. Spójrz na wyskakujące okienko wyników, aby sprawdzić, czy ostatnia nabyta seria została zachowana, czy odrzucona. Pomiar uczestnika kończy się, gdy zarejestrowane zostaną co najmniej cztery spójne serie. Serie outsiderów są automatycznie odrzucane.
  4. Uzyskaj wartości końcowe.
    UWAGA: Końcowe wartości interesujących nas parametrów są uzyskiwane automatycznie, biorąc pod uwagę średnią średnich uzyskanych za pomocą spójnego szeregu.
  5. Sprawdź plik PDF z raportem automatycznym.
    1. Sprawdź, czy wartości końcowe są zgłaszane w pliku PDF raportu automatycznie i natychmiast generowane po wybraniu opcji zatrzymania w wyskakującym okienku. Przykład jest pokazany w Rysunek 4.
      UWAGA: Plik PDF znajduje się w tym samym folderze, co nieprzetworzone dane, które mogą być później ponownie analizowane w trybie offline.
  6. Zweryfikuj drugi dokładny raport.
    1. Zweryfikuj drugi dokładny raport wygenerowany przy użyciu dokładnych wartości modelu falowodu do obliczenia problemu odwrotnego, a nie wartości przybliżonych, jak w przypadku pierwszego raportu automatycznego. Drugie wygenerowanie raportu zajmuje mniej niż 5 minut. Przykłady są pokazane w Rysunek 5 i Rysunek 6.
    2. Sprawdź, czy raport automatyczny zgadza się z dokładnym raportem. Usuń serie, które nie zostały automatycznie wyeliminowane, aby zachować spójność serii.

Wyniki

Przeprowadzono badanie powtarzalności z udziałem 3 operatorów (jednego eksperta i dwóch nowicjuszy) oraz 14 zdrowych uczestników (6 kobiet i 8 mężczyzn w wieku od 21 do 53 lat). Operatorzy nowicjusze przeszli około 3-godzinne przeszkolenie w celu zapoznania się z protokołem akwizycji i jego przećwiczenia. Następnie pomiary uczestników przeprowadzono w ciągu 2 tygodni w sierpniu 2023 roku. Każdy pomiar był wykonywany niezależnie. Wszyscy operatorzy byli zaślepieni, co oznacza, że żaden z nich nie znał wyników uzyskanych przez pozostałych dwóch.

Powtarzalność wewnątrzoperatorska
Rysunek 5 ilustruje powtarzalność wewnątrzoperatorską dla spójnego przypadku: 4 serii po 10 akwizycji wykonanych u jednego uczestnika przez jednego operatora. Pierwsza kolumna odpowiada funkcjom problemu odwrotnego, natomiast druga kolumna przedstawia dyspersję w trybie sterowanym eksperymentalnie w porównaniu z najlepiej dopasowanym modelem. Każda linia na wykresie odpowiada pomyślnej serii. Liczba zachowanych akwizycji jest podana w tytule: 7 z 10 dla pierwszej serii i 10 z 10 dla kolejnych. Dla każdej serii podano średnie, odchylenia standardowe oraz cztery parametry (vFAS, vA0, Ct.Th oraz Ct.Po). Dodatkowo przedstawiono parametry jakości: kąt dwukierunkowy (alpha), maksimum funkcji problemu odwrotnego (max), różnicę bezwzględną w stosunku do drugiego maksimum (diff) oraz średnią wartość najniższej części GWSI (lowk).

Odchylenia standardowe wewnątrz serii są niskie, wynosząc około 0,02 mm dla grubości kory, mniej niż 0,5% dla porowatości kory oraz mniej niż 20 m∙s-1 dla obu prędkości, co wskazuje na stabilność pozycji sondy pomiarowej. Można zaobserwować, że wartości średnie uzyskane dla każdej serii są bardzo zbliżone, szczególnie w przypadku wartości grubości mieszczących się w przedziale od 3,4 mm do 3,5 mm oraz wartości vFAS w przedziale od 4040 m∙s-1 do 4070 m∙s-1. Należy zauważyć, że różnica 40 m∙s-1 odpowiada różnicy 1% przy wartości średniej 4000 m∙s-1. Większe wariacje obserwuje się dla porowatości kory, w zakresie od 8% do 12%, oraz dla prędkości vA0, w zakresie od 1700 m∙s-1 do 1740 m∙s-1. W tym spójnym przypadku prawie wszystkie akwizycje są zgodne, tzn. zbliżone do siebie. W końcowym wyniku czterech badanych parametrów praktycznie nie występuje żadna niejednoznaczność.

Drugi przypadek, mniej regularny, został przedstawiony na Rysunku 6. W tym przypadku trzy parametry, vFAS, vA0 oraz Ct.Po, są bardzo stabilne, z wartościami wynoszącymi odpowiednio około 4120 m∙s-1, 1700 m∙s-1, i 10%. Wyznaczenie grubości kory jest trudniejsze, ponieważ zaobserwowano dwa niejednoznaczne rozwiązania, 2,6 mm i 3,5 mm, co wynika z niewielkiej różnicy (diff poniżej 0,5%) między dwoma pierwszymi maksimami funkcji problemu odwrotnego. W poprzednim regularnym przypadku różnica ta mieściła się w przedziale od 1% do 3%. Niejednoznaczność zostaje usunięta poprzez analizę ekspercką, w tym przypadku poprzez sprawdzenie zgodności między eksperymentalnymi a teoretycznymi modami sterowanymi (prawa kolumna). W przypadku mniejszej grubości zgodność jest lepsza w dolnej części widma (dwie pierwsze serie). Dla dwóch ostatnich serii występuje mod teoretyczny z bardzo niewielką liczbą punktów eksperymentalnych, około 0,5 MHz, co wskazuje na słabszą zgodność w porównaniu z poprzednimi seriami. Ponadto parametr diff (0,1%) jest niższy niż wartości dla dwóch pierwszych serii (0,4% i 0,2%). W tym przypadku wybór zachowanego rozwiązania (2,6 mm) nie jest jeszcze zautomatyzowany i nadal wymagana jest analiza eksperta. Niemniej jednak trzej operatorzy napotkali podobne problemy i wybrali zbliżone rozwiązania, bliskie 2,6 mm.

Niezawodność międzyoperatorowa
Wszystkie wyniki dla 4 analizowanych parametrów uzyskane przez 3 operatorów z udziałem 14 uczestników przedstawiono na Rysunku 7. Współczynniki korelacji wewnątrzklasowej (ICC) obliczono zgodnie z formułą i kodem Matlab opublikowanymi wcześniej37,38,39. ICC jest powszechnie stosowane do oceny niezawodności skal pomiarowych, w szczególności w zastosowaniach biomedycznych. Wartości ICC w zakresie od 0,75 do 0,9 są zazwyczaj wiązane z dobrą niezawodnością, natomiast wartości ICC powyżej 0,9 uznaje się za niezawodność doskonałą. Najniższą wartość ICC (0,76) uzyskano dla parametru vA0. Odchylenie standardowe wynosiło 17 m∙s-1, co stanowi około 7% zakresu pomiarowego rzędu 250 m∙s-1. Podobne wartości zaobserwowano dla Ct.Po, gdzie ICC wyniosło 0,80, a odchylenie standardowe 1,1%, co stanowi około 10% zakresu. Doskonałą niezawodność (ICC około 0,9) uzyskano dla dwóch pozostałych parametrów, Ct.Th i Ct.Po, przy odchyleniu standardowym poniżej 10% zakresu.

Układ pomiaru ultradźwiękowego z sondami, transformatorem, przełącznikiem nożnym, modułem elektronicznym i komputerem.
Rysunek 1: poszczególne elementy urządzenia ultradźwiękowego do dwukierunkowej transmisji osiowej (BDAT). Prototyp obejmuje izolację elektroniczną (1), przełącznik nożny (2), dwie sondy (3.1 i 3.2), moduł elektroniczny (4), komputer (5) oraz linijkę (6). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Wykresy analizy częstotliwości fal akustycznych; diagram przedstawia f(k) względem MHz; zawiera dane dla modu A0 oraz Ct.Th/Ct.Po.
Rycina 2: Typowa akwizycja na przedramieniu in vivo. Dwie funkcje Norm (po jednej dla każdego kierunku propagacji) są pokazane w górnej linii obrazu. Są one również określane jako obrazy widma fal prowadzących (GWSI). Z maksimów tych obrazów możliwe jest wyekstrahowanie eksperymentalnych modów prowadzonych (niebieskie i czerwone kropki) w porównaniu z najlepiej dopasowanym modelem (podobrazek w lewym dolnym rogu). Najlepiej dopasowany model jest parametryzowany przez dwie wartości: grubość kory (Ct.Th) oraz porowatość (Ct.Po), odpowiadające pozycji maksimum funkcji problemu odwrotnego (podobrazek w prawym dolnym rogu). Ich wartości są podane w tytule każdego panelu. Dopasowanie vA0 jest przedstawione jako linia przerywana (po lewej). Obrazy widma fal prowadzących oraz obraz problemu odwrotnego są z konstrukcji znormalizowane (tj. wartość piksela mieści się w zakresie od 0 do 1)19,20. Wartości dwóch zmierzonych prędkości, vFAS i vA0, są wskazane w tytule podobrazka w prawym górnym rogu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza danych pacjenta; konfiguracja obrazowania medycznego; wykresy stosunku sygnału do szumu; wykresy widm fal kierunkowych.
Rycina 3: Interfejs człowiek-maszyna (HMI). HMI wyświetla w czasie rzeczywistym dwa GWSI (po jednym na kierunek propagacji), obraz problemu odwrotnego, parametry istotne oraz parametry jakościowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Raport z pomiarów klinicznych; tabela wyników, wykres; analiza prędkości i grubości kory.
Rycina 4: Przykład automatycznego raportu. Raport zawiera dane uczestnika i operatora, a także końcowe wartości interesujących parametrów oraz parametrów jakościowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Analiza porowatości i grubości kości; wykresy konturowe, Kr; dyspersja fal akustycznych, wykresy.
Rysunek 5: Przykład drugiego raportu dla spójnego przypadku, taki sam jak automatyczny raport przedstawiony na Rysunku 4. Rysunek przedstawia 4 serie dla 1 uczestnika i 1 operatora: obrazy problemu odwrotnego (lewa kolumna) oraz eksperymentalne liczby falowe w porównaniu z najlepiej dopasowanym modelem (prawa kolumna). Przedstawione wartości odpowiadają średniej i odchyleniu standardowemu zachowanych pomiarów w serii 10 pomiarów. Liczba zachowanych pomiarów jest wskazana w tytule prawej kolumny, na przykład (7/10) dla pierwszej serii. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykresy i dane z analizy kości; mapy konturowe Ct.Th względem Ct.Po, wykresy częstotliwości względem akwizycji k.
Rycina 6: Przykład drugiego raportu dla przypadku niejednoznacznego w odniesieniu do grubości kory kostnej. Na rycinie przedstawiono 4 serie dla 1 uczestnika i 1 operatora: obrazy problemu odwrotnego (lewa kolumna) oraz eksperymentalne liczby falowe w porównaniu z najlepiej dopasowanym modelem (prawa kolumna). Przedstawione wartości odpowiadają średniej i odchyleniu standardowemu dla zachowanych akwizycji w serii 10 akwizycji. Liczba zachowanych akwizycji jest wskazana w tytule prawej kolumny, na przykład (10/10) dla pierwszej serii. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Korelacje w danych ICC; wykresy rozrzutu porównujące Ct.Th, Ct.Po, vFAS, vA0. Analiza statystyczna.
Rycina 7: Wiarygodność międzyoperatorowa. Wyniki przedstawiono dla 4 badanych parametrów uzyskanych przez 3 operatorów u 14 uczestników. Wartości uzyskane przez 3 operatorów (oś y) zestawiono z wartością średnią dla 3 operatorów (oś x). Współczynniki korelacji wklasowej (ICC) wskazano w tytułach. Podano również odchylenie standardowe σ oraz współczynnik zmienności CV. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Punktem krytycznym dla powodzenia pomiaru jest prawidłowe ustawienie sondy w stosunku do kości. Położenie względem powierzchni kości udało się rozwiązać poprzez zintegrowanie z interfejsem prowadzącym dwukierunkowej korekcji16,17. Wykazano, że bez tej poprawki można osiągnąć kilkuprocentowy błąd dla parametrów vFAS16. Poprawka ta okazała się kluczowa dla dokładnego rozróżnienia pacjentów, ponieważ cały zakres pomiarowy (około 3800-4200 m∙s-1) wynosi około 10% średniej wartości17, około 4000 m∙s-1. Odtwarzalność stwierdzona w tym badaniu (odchylenie standardowe 24 m∙s-1) była podobna do poprzedniego badania17, wskazując na odchylenie standardowe 20 m∙s-1 i współczynnik zmienności (CV) około 0,5%. Podobny współczynnik zmienności (0,5 %) stwierdzono przy niższej częstotliwości, tj. 0,3 MHz40. Należy zauważyć, że doskonała wiarygodność parametru vFAS (ICC = 0,91) okazała się wyższa niż ostatnio uzyskana za pomocą innego urządzenia AT w starszej populacji (ICC = 0,77)41. Należy zauważyć, że populacja w tym przypadku składała się nie tylko ze osób starszych, ale także samych kobiet i niektórych osób z innymi objawami klinicznymi zwiększonej porowatości kości41.

Drugim wyzwaniem jest również prawidłowe ustawienie sondy w stosunku do osi kostnej i dwóch interfejsów w celu uzyskania modów kierowanych, w szczególności tych o dużej prędkości fazowej lub niskiej liczbie falowej. Mody te są bliskie rezonansowi i związane z wieloma ścieżkami odbicia. Jeśli wyrównanie nie jest prawidłowe, fale zostaną rozproszone poza przestrzenny zakres pomiarowy sondy. Wręcz przeciwnie, jeśli sonda jest prawidłowo ustawiona, te tryby prędkości wysokofazowej pojawią się jako ciągłe gałęzie w ROI3. W przypadku pierwszej wersji obecnego interfejsu HMI to wyrównanie zostało rozwiązane poprzez przyjrzenie się GWSI20 w czasie rzeczywistym. Podejście to okazało się jednak niewystarczające do osiągnięcia solidnego pomiaru: w pilotażowym badaniu klinicznym stwierdzono, że odsetek niepowodzeń wynosił około20%. Włączenie parametrów jakościowych w czasie rzeczywistym pozwala na zmniejszenie liczby parametrów do około 10% w drugim badaniu klinicznym23. Następnie, włączenie odwrotnego obrazu problemu do HMI "w czasie rzeczywistym" pozwala na dalszą poprawę, przy obecnym wskaźniku awaryjności dla pomiaru promienia wynoszącym około 5%25. Należy zauważyć, że początkowa awaria z pierwszym urządzeniem mierzącym tylko vFAS wyniosła około 15%17.

Stwierdzono, że wiarygodność grubości kory mózgowej jest podobna do poprzedniego badania22. W poprzedniej wersji tego samego prototypu stwierdzono również, że ICC jest bliskie 0,9, z odchyleniem standardowym około 0,1 mm i CV około 3%. Obserwuje się jednak wyraźną poprawę porowatości kory mózgowej: ICC wzrosło z 0,622 do 0,8, a odchylenie standardowe zmniejszyło się z 1,5% do 1%. Najtrudniejszym parametrem jest vA0 ze względu na bliskość jego prędkości do prędkości tkanek miękkich, wynoszącej około 1500 m∙s-1. Jeśli sonda jest prawidłowo ustawiona, tryb A0 wydaje się unikalny i ciągły. Wręcz przeciwnie, wydaje się nieciągły i/lub wielokrotny z powodu sprzężenia z otaczającymi tkankami miękkimi. Efekt ten jest szczególnie silny u osób o małej (mniej niż 4 mm) lub dużej (ponad 10 mm) grubości tkanek miękkich (oznaczanej ST.Th).

Jak wspomniano wcześniej, kluczową kwestią jest znalezienie właściwej pozycji sondy. Pozycja powinna być jednak nie tylko poprawna, ale także stabilna, aby można było wyznaczyć średnią i odchylenie standardowe dla serii 10 przejęć. W większości przypadków znalezienie stajni zajmuje mniej niż 1 minutę, a pełny pomiar pacjenta trwałby około 5 minut. Nawet jeśli standardowy protokół opisany w tym badaniu jest dobrze dopasowany do większości pacjentów, niektóre osoby są trudniejsze do zmierzenia; Znalezienie prawidłowych pozycji jest trudne, ale możliwe, ale prawie niemożliwe jest znalezienie stabilnej. W takim przypadku operator może zdecydować się na nagrywanie dłuższych serii, do 200 akwizycji. Najlepsze przejęcia są później określane offline na podstawie parametrów jakościowych. To filtrowanie powinno być stosowane w czasie rzeczywistym w przyszłości. W praktyce operator rejestruje więcej serii i/lub akwizycji niż 4 serie po 10 akwizycji protokołu stanu idealnego. Jednak zwykły czas pomiaru wynosi około 5 minut dla jednego miejsca, przedramienia lub nogi. Jeśli po kilku minutach HMI nie wykryje żadnej prawidłowej pozycji, pomiar zostaje zatrzymany i jest uważany za niepowodzenie. W przypadku obecnego urządzenia i protokołu stwierdzono, że wskaźnik awaryjności wynosi mniej niż 5%25.

Obecne urządzenie ma różne ograniczenia:
orazWymiary i waga: Obecne urządzenie BDAT jest przenośne: mieści się w standardowym bagażu i waży około 25 kg. Waga ta jest jednak duża w stosunku do najnowszych urządzeń ultradźwiękowych. Można rozważyć nową konstrukcję elektroniczną, w której sonda i przetwarzanie sygnału pozostaną takie same. Możliwe jest jednak przenoszenie obecnego urządzenia, szczególnie w przypadku pacjentów o ograniczonej sprawności ruchowej leżących w łóżku lub w domu.

orazSzybkość akwizycji: Obecna częstotliwość odświeżania wynosi około 2-4 Hz, co oznacza, że eksploracja pomiaru jest powolna w porównaniu z rzeczywistą akwizycją w czasie rzeczywistym, tj. wyższa niż 25 Hz. W przyszłości można to poprawić, biorąc pod uwagę szybsze komputery, szybszą analizę danych i transmisję między elektroniką a komputerem. Zwiększenie szybkości akwizycji poprawiłoby łatwość obsługi pomiaru, w szczególności poszukiwanie prawidłowego położenia sondy.

orazGrubość tkanki miękkiej: Obecne podejście jest ograniczone przez dużą warstwę tkanek miękkich, zwykle przekraczającą 10 mm. W tym przypadku pierwszy przychodzący sygnał jest powiązany ze ścieżką tkanek miękkich, a nie z kością korową. W związku z tym vFAS i związany z nim kąt dwukierunkowy nie mogą być używane. Podobnie, vA0 jest bardzo trudny do zmierzenia w przypadku dużych warstw tkanek miękkich. Bez tych dwóch prędkości nie można wykonać problemu odwrotnego. W przyszłości można by zastosować inne metody korekcji dwukierunkowej, na przykład za pomocą technik obrazowania. Pacjenci z dużymi warstwami tkanek miękkich są zwykle związani z otyłością i wskaźnikiem masy ciała (BMI) większym niż 30 kg.m-2.

orazRegularność falowodu: Podejście do problemu odwrotnego zakłada regularny falowód z wieloma ścieżkami propagacji. U pacjentów z osteoporozą wewnętrzny interfejs korowy może być nieregularny, co oznacza słabe obrazy widma fal kierowanych, szczególnie w dolnej części. Pacjenci ci są zwykle kojarzeni z dużą niejednoznacznością roztworu. Jeśli tkanka miękka lub złe ustawienie nie mogą być uważane za źródło słabego obrazu widma, a wartość parametru lowk jest niska, falowód jest przypuszczalnie nieregularny i brane jest pod uwagę rozwiązanie o najmniejszej grubości. Można również stosować podejścia oparte na uczeniu maszynowym, które nie wymaga modelowania fizycznego29.

Jak wspomniano we wprowadzeniu, obecnie złotym standardem w wykrywaniu pacjentów zagrożonych złamaniami kruchymi jest DXA, który ma pewne ograniczenia: duże rozmiary, słabą dostępność w niektórych regionach, stosunkowo wysoki koszt i stosunkowo umiarkowaną skuteczność. Pierwsze ograniczenia można złagodzić za pomocą urządzeń ultradźwiękowych, znanych ze swojej atrakcyjnej przenośności i kosztów. Jednak zdolność do skutecznego wykrywania pacjentów zagrożonych powinna być co najmniej równoważna z DXA. W rzeczywistości czasami oczekuje się, że będzie ona wyższa niż DXA, aby uzasadnić dostosowanie większości odniesień (decyzje medyczne, leczenie, koszty, pokoje itp.) związanych ze złotym standardem. Dlatego niektóre urządzenia ultradźwiękowe proponują substytuty BMD 10,11,42. Jednak jedną z wad parametrów klinicznych, takich jak aBMD, a także vFAS, jest integracja różnych właściwości kości korowej. Dlatego też inne urządzenia ultradźwiękowe, w tym BDAT, proponują uzupełniające się punkty widzenia, proponując parametry, które mogą być łatwiej interpretowane przez lekarza i pacjenta, takie jak porowatość kory mózgowej, grubość czy rozkład wielkości porów9. Parametry te odzwierciedlają właściwości geometryczne i materiałowe: kość korowa może być potencjalnie oceniana pod względem niezależnych zmian ilości lub jakości. Ten punkt widzenia może być bardzo pomocny w badaniu różnych możliwych przyczyn łamliwości kości. Na przykład wewnątrz- lub zewnątrztorebkowe złamania szyjki kości udowej, tj. miejsca złamania szyjki kości udowej lub krętarza, mają różne pochodzenie medyczne43. Podobnie, możliwe może być stosowanie różnych leków mających na celu różny wpływ na kość korową, a także pod względem ilości lub jakości3.

Należy zauważyć, że precyzja uzyskana za pomocą BDAT dla grubości kory mózgowej (0,1 mm) jest lepsza niż w przypadku innych metod ultradźwiękowych, zwykle powyżej 0,25 mm44. Różnica ta wynika częściowo z faktu, że problem odwrotny BDAT uwzględnia połączone różnice geometryczne i materiałowe. Niektóre inne podejścia, takie jak echo impulsowe, uwzględniają unikalne właściwości materiału kostnego dla wszystkich pacjentów10,44. Ta wartość precyzji, około 0,1 mm (CV około 3%), jest rzeczywiście kluczowa dla precyzyjnego rozróżnienia pacjentów, ponieważ zakres grubości jest mniejszy niż 2 mm. Precyzja porowatości kory mózgowej (1%, CV około 14%) nie jest jeszcze tak dobra, jak w przypadku grubości. Zaobserwowano już jednak znaczną poprawę w stosunku do poprzedniego badania odtwarzalności22 . Można się spodziewać, że podobne ulepszenia mogą zostać osiągnięte w niedalekiej przyszłości dzięki przyszłym ulepszeniom HMI, szczególnie pod względem liczby klatek na sekundę bliższej czasu rzeczywistego.

BDAT może być stosowany na dużą skalę do badań przesiewowych populacji w regionach, w których DXA nie jest powszechnie dostępne. Co więcej, najnowsze wyniki kliniczne wykazały potencjał, że BDAT może być jeszcze bardziej wydajny niż DXA. Wyniki te powinny być jednak potwierdzone poprzez włączenie większej liczby pacjentów. Kolejnym wyzwaniem powinny być badania wieloośrodkowe i/lub podłużne 11,12. Urządzenie BDAT jest jednak nadal prototypem nadającym się do współpracy naukowej, ponieważ zostało to już zrobione w Niemczech23 i Wielkiej Brytanii24 . Potrzebne są wysiłki w kierunku uprzemysłowienia nowej generacji urządzeń BDAT, które z pewnością byłyby szybsze i bardziej przenośne.

Oświadczenia

Autorzy nie deklarują konfliktu interesów.

Podziękowania

To badanie zostało sfinansowane przez chilijskie projekty ANID / Fondecyt / Regular 1201311 i 1241091. Autorzy pragną podziękować przedsiębiorstwu BleuSolid za wsparcie podczas najnowszych ulepszeń HMI oraz Geropolis za salę filmową.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Notebook komputerowy HPmod Zbook (16 Go RAM, Inrel Core i7)do odbierania próbkowanych sygnałów i stosowania kroków przetwarzania sygnału. Wyniki są wyświetlane w czasie quasi rzeczywistym (do 4 na sekundę) za pośrednictwem dedykowanego interfejsu człowiek-maszyna (HMI, BleuSolid, Pomponne, Francja) umożliwiającego prowadzenie pomiaru;
Transformator elektroizolacyjny REOMED, Solingen, NiemcyIEC / EN 60601-1w celu ochrony urządzenia, pacjenta i innych urządzeń przed wszelkimi zagrożeniami elektrycznymi
Moduł elektronicznyAlthaï s, Tours, Francjawe własnym zakresiewysyłają sygnały wzbudzenia (połowa okresu ujemnego napięcia 170 V) i dyskretnie odbierają sygnały (1024 punkty czasowe na odbiornik przy częstotliwości próbkowania 20 MHz i dynamice 12 bitów) przed wysłaniem ich do komputera. Opóźnienia i wzmocnienie można dostosować za pomocą praw liniowych w celu optymalizacji próbkowania danych w dostępnych zakresach.
Interfejs człowiek-maszynaBleuSolid, Pomponne, FrancjaNie dotyczy
Przełącznik nożnyKosa, NiemcyPrzełącznik nożny USB 2do rozpoczęcia serii akwizycyjnej
LinijkaWestcott, USA10417w celu zlokalizowania miejsca pomiaru
Promień sondy ultradźwiękowejVermon, Tours, Francjawe własnym zakresieCzęstotliwość centralna 1 MHz, 24 odbiorniki o rastrze 0,8 mm i dwa bloki po 5 nadajników o rastrze 1 mm.
Sonda ultradźwiękowa piszczelVermon, Tours, Francjawłasnaczęstotliwość centralna 0,5 MHz, 24 odbiorniki o rastrze 1,2 mm i dwa bloki po 5 nadajników o rastrze 1,5 mm
Sondy ultradźwiękowezaprojektowane zgodnie z geometrią dwukierunkową: pojedyncza tablica odbiorników otoczona dwoma układami nadajników. Trzy układy są wyrównane, odizolowane mechanicznie i elektrycznie w celu zminimalizowania sygnałów sprzęgających.   Sondy są przystosowane do dwóch różnych miejsc, jednej trzeciej dystalnej kości promieniowej i środkowej kości piszczelowej.
HMI

Bibliografia

  1. Curtis, E. M., Moon, R. J., Harvey, N. C., Cooper, C. Reprint of: the impact of fragility fracture and approaches to osteoporosis risk assessment worldwide. Int J Orthop Trauma Nurs. 26, 7-17 (2017).
  2. Sing, C. W., et al. Global epidemiology of hip fractures: secular trends in incidence rate, post-fracture treatment, and all-cause mortality. J Bone Miner Res. 38 (8), 1064-1075 (2023).
  3. Choksi, P., Jepsen, K. J., Clines, G. A. The challenges of diagnosing osteoporosis and the limitations of currently available tools. Clin Diabetes Endocrinol. 4, 1-13 (2018).
  4. El Maghraoui, A., Roux, C. DXA scanning in clinical practice. QJM. 101 (8), 605-617 (2008).
  5. Maeda, S. S., et al. Challenges and opportunities for quality densitometry in Latin America. Arch Osteoporos. 16, 1-11 (2021).
  6. Surowiec, R. K., Does, M. D., Nyman, J. S. In vivo assessment of bone quality without x-rays. Curr Osteoporos Rep. 22 (1), 56-68 (2024).
  7. Whittier, D. E., et al. A fracture risk assessment tool for high resolution peripheral quantitative computed tomography. J Bone Miner Res. 38 (9), 1234-1244 (2023).
  8. Nyman, J. S., et al. Toward the use of MRI measurements of bound and pore water in fracture risk assessment. Bone. 176, 116863(2023).
  9. Armbrecht, G., Nguyen Minh, H., Massmann, J., Raum, K. Pore size distribution and frequency-dependent attenuation in human cortical tibia bone discriminate fragility fractures in postmenopausal women with low bone mineral density. J Bone Miner Res Plus. 5 (11), e10536(2021).
  10. Behrens, M., et al. The Bindex® ultrasound device: reliability of cortical bone thickness measures and their relationship to regional bone mineral density. Physiol Meas. 37 (9), 1528-1540 (2016).
  11. Cortet, B., et al. Radiofrequency echographic multi-spectrometry (REMS) for the diagnosis of osteoporosis in a European multicenter clinical context. Bone. 143, 115786(2021).
  12. Olszynski, W. P., et al. Multisite quantitative ultrasound for the prediction of fractures over 5 years of follow-up the Canadian Multicentre Osteoporosis Study. J Bone Miner Res. 28 (9), 2027-2034 (2013).
  13. Hans, D., Métrailler, A., Gonzalez Rodriguez, E., Lamy, O., Shevroja, E. Quantitative ultrasound (QUS) in the management of osteoporosis and assessment of fracture risk: an update. Adv Exp Med Biol. 1364, 7-34 (2022).
  14. Weiss, M., Ben-Shlomo, A., Hagag, P., Ish-Shalom, S. Discrimination of proximal hip fracture by quantitative ultrasound measurement at the radius. Osteoporos Int. 11 (5), 411-416 (2000).
  15. Moilanen, P., et al. Discrimination of fractures by low-frequency axial transmission ultrasound in postmenopausal females. Osteoporos Int. 24, 723-730 (2013).
  16. Bossy, E., Talmant, M., Defontaine, M., Patat, F., Laugier, P. Bidirectional axial transmission can improve accuracy and precision of ultrasonic velocity measurement in cortical bone: a validation on test materials. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (1), 71-79 (2004).
  17. Talmant, M., et al. In vivo performance evaluation of bi-directional ultrasonic axial transmission for cortical bone assessment. Ultrasound Med Biol. 35 (6), 912-919 (2009).
  18. Mitra, M., Gopalakrishnan, S. Guided wave based structural health monitoring: A review. Smart Mater Struct. 25, 053001(2016).
  19. Minonzio, J. G., Talmant, M., Laugier, P. Guided wave phase velocity measurement using multi-emitter and multi-receiver arrays in the axial transmission configuration. J Acoust Soc Am. 127 (5), 2913-2919 (2010).
  20. Minonzio, J. G., et al. cortical thickness and porosity assessment using ultrasound guided waves: An ex vivo validation. Bone. 116, 111-119 (2018).
  21. Vallet, Q., Bochud, N., Chappard, C., Laugier, P., Minonzio, J. G. In vivo characterization of cortical bone using guided waves measured by axial transmission. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 63 (9), 1361-1371 (2016).
  22. Minonzio, J. G., et al. Ultrasound-based estimates of cortical bone thickness and porosity are associated with nontraumatic fractures in postmenopausal women: a pilot study. J Bone Miner Res. 34 (9), 1585-1596 (2019).
  23. Minonzio, J. G., et al. Bi-directional axial transmission measurements applied in a clinical environment. PLoS One. 17 (12), e0277831(2022).
  24. Behforootan, S., et al. Can guided wave ultrasound predict bone mechanical properties at the femoral neck in patients undergoing hip arthroplasty. J Mech Behav Biomed Mater. 136, 105468(2022).
  25. Rojo, F., et al. Classification of hip fragility fractures in older adults using an ultrasonic device. , IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Montreal, QC, Canada. (2023).
  26. Ishimoto, T., et al. Quantitative ultrasound (QUS) axial transmission method reflects anisotropy in micro-arrangement of apatite crystallites in human long bones: A study with 3-MHz-frequency ultrasound. Bone. 127, 82-90 (2019).
  27. Minonzio, J. G., Foiret, J., Talmant, M., Laugier, P. Impact of attenuation on guided mode wavenumber measurement in axial transmission on bone mimicking plates. J Acoust Soc Am. 130 (6), 3574-3582 (2011).
  28. Moreau, L., Minonzio, J. G., Talmant, M., Laugier, P. Measuring the wavenumber of guided modes in waveguides with linearly varying thickness. J Acoust Soc Am. 135 (5), 2614-2624 (2014).
  29. Miranda, D., Olivares, R., Munoz, R., Minonzio, J. G. Improvement of patient classification using feature selection applied to bidirectional axial transmission. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 69 (9), 2663-2671 (2022).
  30. Foiret, J., Minonzio, J. G., Chappard, C., Talmant, M., Laugier, P. Combined estimation of thickness and velocities using ultrasound guided waves: A pioneering study on in vitro cortical bone samples. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 61 (9), 1478-1488 (2014).
  31. Granke, M., et al. Change in porosity is the major determinant of the variation of cortical bone elasticity at the millimeter scale in aged women. Bone. 49 (5), 1020-1026 (2011).
  32. Bochud, N., Vallet, Q., Minonzio, J. G., Laugier, P. Predicting bone strength with ultrasonic guided waves. Sci Rep. 7 (1), 43628(2017).
  33. Schneider, J., et al. Ex vivo cortical porosity and thickness predictions at the tibia using full-spectrum ultrasonic guided-wave analysis. Arch Osteoporos. 14, 1-11 (2019).
  34. Ramiandrisoa, D., Fernandez, S., Chappard, C., Cohen-Solal, M., Minonzio, J. G. In vivo estimation of cortical thickness and porosity by axial transmission: Comparison with high resolution computed tomography. , 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Kobe, Japan. (2018).
  35. Schneider, J., et al. In vivo measurements of cortical thickness and porosity at the proximal third of the tibia using guided waves: Comparison with site-matched peripheral quantitative computed tomography and distal high-resolution peripheral quantitative computed tomography. Ultrasound Med Biol. 45 (5), 1234-1242 (2019).
  36. Araya, C., et al. Real time waveguide parameter estimation using sparse multimode disperse radon transform. IEEE UFFC Latin America Ultrasonics Symposium (LAUS. , Gainesville, FL, USA. (2021).
  37. Bobak, C. A., Barr, P. J., O'Malley, A. J. Estimation of an inter-rater intra-class correlation coefficient that overcomes common assumption violations in the assessment of health measurement scales. BMC Med Res Methodol. 18 (1), 93(2018).
  38. Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychol Bull. 86 (2), 420(1979).
  39. Zoeller, T. Intraclass correlation coefficient with confidence intervals. , At https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/26885-intraclass-correlation-coefficient-with-confidence-intervals (2010).
  40. Kilappa, V., et al. Low-frequency axial ultrasound velocity correlates with bone mineral density and cortical thickness in the radius and tibia in pre- and postmenopausal women. Osteoporos Int. 22, 1103-1113 (2011).
  41. Watson, C. J., de Ruig, M. J., Saunders, K. T. Intrarater and interrater reliability of quantitative ultrasound speed of sound by trained raters at the distal radius in postmenopausal women. J Geriatr Phys Ther. 47 (4), E159-E166 (2024).
  42. Stein, E. M., et al. Clinical assessment of the 1/3 radius using a new desktop ultrasonic bone densitometer. Ultrasound Med Biol. 39 (3), 388-395 (2013).
  43. Dinamarca-Montecinos, J. L., Prados-Olleta, N., Rubio-Herrera, R., Del Pino, A. C. S., Carrasco-Buvinic, A. Intra-and extracapsular hip fractures in the elderly: Two different pathologies. Rev Esp Cir Ortop Traumatol. 59 (4), 227-237 (2015).
  44. Karjalainen, J., Riekkinen, O., Toyras, J., Kroger, H., Jurvelin, J. Ultrasonic assessment of cortical bone thickness in vitro and in vivo. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 55 (10), 2191-2197 (2008).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

gęstość mineralna kościosiowy ultradźwiękowy pomiar transmisyjnygrubość korowaporowatość kościryzyko złamań fragilnychwidma fal kierunkowychniejonizujący pomiar kości
Ocena kory kostnej za pomocą ultradźwiękowych fal kierowanych: badanie odtwarzalności w zdrowej populacji
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.