關于骨質疏松超聲診斷儀器亟待厘清的若干基本概念

牛鳳岐，朱承綱*，王 鵬,張 迪，程 洋

(1.中國科學院聲學研究所超聲技術中心，北京 100190；2.北京大學第三醫院體檢中心, 北京 100191)

隨著社會的老齡化，診斷骨質疏松和預報骨折風險日益成為公眾、尤其是老年人群重點關注的問題，相關醫療器械的研發制造、臨床應用和法治監管也因此成為熱點之一。目前已有多種產品用于臨床診斷、篩查骨質疾患，其中普及程度最高的分別是雙能X線吸收儀(dual energy X-ray absorptionmetry， DXA)和定量超聲(quantitative ultrasound， QUS)測骨儀器。WHO已制定DXA診斷絕經后白種女性骨質疏松的分類界線。QUS具有原理更科學、價格更低、輕巧便攜和無電離輻射的優點，已被用于群體篩查和診斷。從20世紀80年代骨骼QUS儀器問世至今，其研發、制造和臨床應用已經歷30余年，然而由于各種原因，國內外、尤其是國內學者，對其產品名稱、檢測參數、派生參數、聲學特性參數與骨礦密度(bone mineral density， BMD)的相關性，骨質疏松和骨折的物理本質、性能表征及檢驗等方面均存在著嚴重的誤讀，且這些誤讀均存在于基本概念、基本原理層面，已經妨礙其科學、健康發展。本文特予指出，以期與界內人士交流。

1 產品名稱

醫療器械是直接涉及公眾身體健康和生命安全的特殊商品和用品。為確保其被準確識別和正確使用，國家《醫療器械監督管理條例》第二十六條規定：“醫療器械應當使用通用名稱”。《醫療器械通用名稱命名規則》第三條規定：“醫療器械通用名稱應當……科學、明確，與產品的真實屬性相一致?！?/p>

對于QUS測骨儀器，美國食品藥物管理局(Food and Drug Administration, FDA)文件21CFR-1180條款規定的通用名稱是“bone sonometer”，即“骨骼超聲測量儀”或“超聲測骨儀”，其定義是“向人體內發射超聲能量，測量骨骼的聲學特性，以指示其健康狀況和骨折風險的儀器”。而對DXA之類產品，同一文件1170條款規定的通用名稱是“bone densitometer”，即“骨密度儀”，其定義是“為了醫學目的，以X線或伽馬射線透過骨及毗鄰組織，測量骨礦密度或骨礦含量的儀器”。QUS測骨儀器既不測量也不導出BMD，故稱為“超聲骨密度儀”顯然有悖于國家有關規定和國際共識。依據QUS儀器的物理原理，稱之為“超聲骨強度儀”比較適宜。

2 骨質疏松、骨折及其物理實質

為了廓清骨質疏松的臨床界定，美國國家骨質疏松基金會、美國國家衛生學會、歐洲骨質疏松及骨病基金會共同發起、舉辦了兩次“發展共識研討會”。1991年度研討會提出了骨質疏松的定義，1993年小作改動，會議一致同意的表述是：“以低骨(質)量和骨組織微結構退化為特征，并繼發骨脆性加重和易導致骨折的一種全身性骨骼疾病。”骨折，即骨骼所受外力超過其機械強度導致局部或整體斷裂的現象。骨質疏松與骨折的關系，在于其使骨骼機械強度降低，本質上是一個力學問題。

3 DXA的測量參數和WHO的骨質疏松診斷“標準”

3.1 DXA的測量參數 DXA儀器測量的參數為BMD，即骨礦面積密度，單位為g/cm2。“骨礦”即骨骼中所含的羥基磷酸鈣。

3.2 WHO的骨質疏松診斷“標準” 1994年，WHO邀請16名骨質疏松領域國際著名專家組成了“研究小組”，并推薦了一個基于指定水平的BMD，為專門針對絕經后白種女性人群的骨質疏松診斷分類標準。具體方法為：收集年輕(20～39歲)、健康白種女性的BMD數據，經統計處理獲得其平均值和標準偏差(SD)，存入數據庫；在臨床診斷中，首先以受檢者的檢測結果減去庫存統計平均值，然后以差值除以SD值，所得之商稱為T指數。表1為基于T指數的骨質狀況分類。

表1 WHO的白種女性骨質疏松診斷分類標準

但WHO的診斷標準未考慮骨骼微結構因素，對構成也僅考慮了無機相，與骨質疏松定義嚴重錯位。此外，WHO研究小組提出的僅為一組按照T指數劃分骨骼健康狀況的界線，并非適用于任何種族、民族、性別人群和檢查部位的“標準”，更不是“金標準”。鑒于僅據BMD值的診斷“標準”的缺陷，WHO于2008年公布了骨折風險評估工具(fracture risk assessment tool， FRAX)，可用于預報10年內發生髖骨骨折和其他部位骨質疏松性骨折的概率。

4 QUS的測量參數、派生參數及與BMD的相關性

現今流行的QUS儀器按照測量部位和骨骼材質分為兩種。一種是以足跟為耦合部位，以典型松質骨——跟骨為測量對象的機型，可簡稱為松質骨機，并有濕式(水耦合)和干式(耦合墊+耦合劑耦合)之分，以干式居多；另一種是以前臂、小腿為耦合部位，以典型皮質骨——橈骨、脛骨為測量對象的機型，可簡稱為皮質骨機。其中，部分松質骨機僅測聲速，部分僅測寬帶超聲衰減(broadband ultrasonic attenuation, BUA)，部分二者均測；而皮質骨機僅測聲速。

4.1 關于聲速

4.1.1 松質骨機所測聲速 雖然松質骨機臨床篩查、診斷骨質疏松均針對跟骨，但由于現行產品多不具備軟組織修正功能，實際得出的聲速、BUA均包含整個足跟，并不符合經典定義；特別是濕式機型，將足跟厚度假設為固定值，偏差更大。此外，跟骨屬于負頻散媒質，而QUS儀器普遍采用尖脈沖，并以接收信號包絡峰值計時，故測得的均為群速，而不是常見的相速。

4.1.2 皮質骨機所測聲速 皮質骨機一律采用發射、接收一體式探頭。發射聲束斜向進入長骨外覆軟組織，繼而進入長骨皮質層，利用臨界角原理使縱波沿長骨軸向傳播，然后由與發射換能器斜向對稱安裝的接收換能器接收，測得的是首先到達信號速度。當皮質層厚度大于測量頻率(通常為1.25 MHz)下1個波長時，得到的是長骨軸向縱波聲速，但具體數值將因計時標記(閾值、最大值、過零點)不同而異，也不同于經典定義。

4.2 BUA

4.2.1 BUA概念的原形 利用跟骨的聲衰減參數評估骨質疏松，是英國Hull大學Langton于1984年提出[1]。其立論的基本依據為200～600 kHz頻段，跟骨聲衰減系數與頻率成近似直線正比關系，即α(f)=α0f，α0稱為聲衰減系數斜率，單位為dB/(cm·MHz)，即原指的BUA[1]。

4.2.2 產業-醫學界所作的簡化改造 Langton的發現和創造很快被醫療器械制造商、臨床醫師接受和采用，但被加以重要改動，即不再將跟骨的聲衰減量除以厚度，于是“聲衰減系數斜率”變成了“聲衰減斜率”，單位為dB/MHz，而將BUA除以跟骨厚度所得結果稱為歸一化BUA(nBUA)，實質是回到聲衰減系數斜率。

4.2.3 Langton論著中的問題 Langton是BUA概念的創立者，但其有些工作值得商榷，有些甚至存在錯訛，如：①利用松質骨機測量跟骨聲衰減系數的計算程序，應該是發射-接收換能器之間未插足跟時的接收信號幅度譜減去插有足跟時的幅度譜，得到插入損失譜，從中減去軟組織-跟骨之間兩個界面的反射損失之后，再除以跟骨厚度，但Langton的相關著述中均寫成了先以插入損失譜除以跟骨厚度，然后以商值減去反射損失，概念和量綱均錯[2-3]；②1984年文章中給出的在體跟骨數據，聲衰減與頻率關系直線并不經過坐標系原點，與文中論述及BUA原始定義相矛盾[1]；③該文中[1]提出將跟骨聲學特性參數與BMD相關聯，雖在其之后的著述中指出了這一認知錯誤[2]，但并未著力糾正，以致誤導至今；④Langton曾稱，“松質骨的超聲衰減與力學特性之間尚未確立理論關系”[2]，但事實上早已見于相關論著[4-7]。

4.3 QUS儀器的派生參數及聲學量與BMD的相關性

4.3.1媒質聲學特性與力學特性參數之間關系的經典理論 如前所述，骨折是一個典型的材料力學問題。描述材料力學特性的最重要參數是彈性模量和機械強度。機械強度的測量是破壞性過程，不可能在人體實施；而在缺乏平整界面和硬軟組織混雜的人體上也難以測量彈性模量。依據經典力學和經典聲學理論，彈性模量等于媒質質量密度與聲速二次方的乘積。在考慮和測量骨骼聲衰減參數的情況下，聲速和模量都變成復數[4-7]。因此，在尚無法測量和估算骨骼質量密度的條件下，只要測得已知頻率時的相速和衰減系數，即可利用復數聲速建立數據庫，據以施行骨質疏松臨床診斷。

4.3.2 骨骼聲速、衰減參數與BMD的相關性 Langton于1999年的述評[3]中明確指出：“雖然骨質疏松是由復雜、至今不完全明確的一系列生理和生物化學過程導致，但臨床表現(骨折和形變)則為純力學問題”“當今普遍一致的認識是，超聲和DXA測量的是骨骼的不同方面，不要指望二者之間呈高度相關，簡單的線性回歸不是將兩種模式聯系起來的合適辦法，對于由BUA預報BMD的做法未獲成功不必驚奇?！泵绹琴|疏松學會2001年發布的“定量超聲用于骨質疏松處置的立場聲明”中明確指出：“QUS不直接測量骨礦含量或密度，不能用于診斷目前依照骨礦含量或BMD界定的骨質疏松癥”。因此，在QUS儀器測得聲速、衰減參數之后，還要與DXA所測BMD相關、靠攏，依據相關系數高低確認其可信度的思路與做法有悖邏輯。

4.3.3 松質骨機現行產品的派生參數 DXA是以測得受檢者BMD與庫存數據比較之后得出診斷結論。而松質骨機現行產品的做法分為三種：①僅測聲速或僅測BUA的機型，多利用所測參數建立數據庫，并用于臨床篩查、診斷；②大部分聲速和BUA均測的機型系將二者線性相加，拼湊為“勁度指數”或“定量超聲指數”，利用這些“指數”建立數據庫和實施臨床篩查、診斷[8]；③個別聲速和BUA均測的機型雖也將二者線性相加，但拼湊出來的是“等效骨礦密度”，并利用后者建立數據庫和實施臨床篩查、診斷[9]。這些完全脫離骨質疏松、骨折問題的力學屬性，違背“同種、同量綱參數才能相加”的基本認知，甚至為向BMD靠攏而拼湊數據的做法，嚴重影響了QUS儀器的科學性。

5 產品的標準化和質量檢測

QUS儀器屬于超聲診斷設備，應制定相應的產品標準。其中，安全性方面已有通用和專用標準；性能方面，一個是準確度，另一個是重復性或稱精密度、變異系數。鑒于國內外現行產品的水平，國內有關標準中尚未規定準確度，而僅對重復性和線性提出了要求。產品質量檢驗和臨床使用中的校驗手段，針對松質骨者為性能適當的聚氨酯橡膠長方塊，針對皮質骨者為有機玻璃或銅制長方條，雖常被稱為“體模(phantom)”，但因這些材料尚達不到超聲仿骨水平，其準確名稱應是“試件(test object)”。