关于骨质疏松超声诊断仪器亟待厘清的若干基本概念

牛凤岐，朱承纲*，王 鹏,张 迪，程 洋

(1.中国科学院声学研究所超声技术中心，北京 100190；2.北京大学第三医院体检中心, 北京 100191)

随着社会的老龄化，诊断骨质疏松和预报骨折风险日益成为公众、尤其是老年人群重点关注的问题，相关医疗器械的研发制造、临床应用和法治监管也因此成为热点之一。目前已有多种产品用于临床诊断、筛查骨质疾患，其中普及程度最高的分别是双能X线吸收仪(dual energy X-ray absorptionmetry， DXA)和定量超声(quantitative ultrasound， QUS)测骨仪器。WHO已制定DXA诊断绝经后白种女性骨质疏松的分类界线。QUS具有原理更科学、价格更低、轻巧便携和无电离辐射的优点，已被用于群体筛查和诊断。从20世纪80年代骨骼QUS仪器问世至今，其研发、制造和临床应用已经历30余年，然而由于各种原因，国内外、尤其是国内学者，对其产品名称、检测参数、派生参数、声学特性参数与骨矿密度(bone mineral density， BMD)的相关性，骨质疏松和骨折的物理本质、性能表征及检验等方面均存在着严重的误读，且这些误读均存在于基本概念、基本原理层面，已经妨碍其科学、健康发展。本文特予指出，以期与界内人士交流。

1 产品名称

医疗器械是直接涉及公众身体健康和生命安全的特殊商品和用品。为确保其被准确识别和正确使用，国家《医疗器械监督管理条例》第二十六条规定：“医疗器械应当使用通用名称”。《医疗器械通用名称命名规则》第三条规定：“医疗器械通用名称应当……科学、明确，与产品的真实属性相一致。”

对于QUS测骨仪器，美国食品药物管理局(Food and Drug Administration, FDA)文件21CFR-1180条款规定的通用名称是“bone sonometer”，即“骨骼超声测量仪”或“超声测骨仪”，其定义是“向人体内发射超声能量，测量骨骼的声学特性，以指示其健康状况和骨折风险的仪器”。而对DXA之类产品，同一文件1170条款规定的通用名称是“bone densitometer”，即“骨密度仪”，其定义是“为了医学目的，以X线或伽马射线透过骨及毗邻组织，测量骨矿密度或骨矿含量的仪器”。QUS测骨仪器既不测量也不导出BMD，故称为“超声骨密度仪”显然有悖于国家有关规定和国际共识。依据QUS仪器的物理原理，称之为“超声骨强度仪”比较适宜。

2 骨质疏松、骨折及其物理实质

为了廓清骨质疏松的临床界定，美国国家骨质疏松基金会、美国国家卫生学会、欧洲骨质疏松及骨病基金会共同发起、举办了两次“发展共识研讨会”。1991年度研讨会提出了骨质疏松的定义，1993年小作改动，会议一致同意的表述是：“以低骨(质)量和骨组织微结构退化为特征，并继发骨脆性加重和易导致骨折的一种全身性骨骼疾病。”骨折，即骨骼所受外力超过其机械强度导致局部或整体断裂的现象。骨质疏松与骨折的关系，在于其使骨骼机械强度降低，本质上是一个力学问题。

3 DXA的测量参数和WHO的骨质疏松诊断“标准”

3.1 DXA的测量参数 DXA仪器测量的参数为BMD，即骨矿面积密度，单位为g/cm2。“骨矿”即骨骼中所含的羟基磷酸钙。

3.2 WHO的骨质疏松诊断“标准” 1994年，WHO邀请16名骨质疏松领域国际著名专家组成了“研究小组”，并推荐了一个基于指定水平的BMD，为专门针对绝经后白种女性人群的骨质疏松诊断分类标准。具体方法为：收集年轻(20～39岁)、健康白种女性的BMD数据，经统计处理获得其平均值和标准偏差(SD)，存入数据库；在临床诊断中，首先以受检者的检测结果减去库存统计平均值，然后以差值除以SD值，所得之商称为T指数。表1为基于T指数的骨质状况分类。

表1 WHO的白种女性骨质疏松诊断分类标准

但WHO的诊断标准未考虑骨骼微结构因素，对构成也仅考虑了无机相，与骨质疏松定义严重错位。此外，WHO研究小组提出的仅为一组按照T指数划分骨骼健康状况的界线，并非适用于任何种族、民族、性别人群和检查部位的“标准”，更不是“金标准”。鉴于仅据BMD值的诊断“标准”的缺陷，WHO于2008年公布了骨折风险评估工具(fracture risk assessment tool， FRAX)，可用于预报10年内发生髋骨骨折和其他部位骨质疏松性骨折的概率。

4 QUS的测量参数、派生参数及与BMD的相关性

现今流行的QUS仪器按照测量部位和骨骼材质分为两种。一种是以足跟为耦合部位，以典型松质骨——跟骨为测量对象的机型，可简称为松质骨机，并有湿式(水耦合)和干式(耦合垫+耦合剂耦合)之分，以干式居多；另一种是以前臂、小腿为耦合部位，以典型皮质骨——桡骨、胫骨为测量对象的机型，可简称为皮质骨机。其中，部分松质骨机仅测声速，部分仅测宽带超声衰减(broadband ultrasonic attenuation, BUA)，部分二者均测；而皮质骨机仅测声速。

4.1 关于声速

4.1.1 松质骨机所测声速 虽然松质骨机临床筛查、诊断骨质疏松均针对跟骨，但由于现行产品多不具备软组织修正功能，实际得出的声速、BUA均包含整个足跟，并不符合经典定义；特别是湿式机型，将足跟厚度假设为固定值，偏差更大。此外，跟骨属于负频散媒质，而QUS仪器普遍采用尖脉冲，并以接收信号包络峰值计时，故测得的均为群速，而不是常见的相速。

4.1.2 皮质骨机所测声速 皮质骨机一律采用发射、接收一体式探头。发射声束斜向进入长骨外覆软组织，继而进入长骨皮质层，利用临界角原理使纵波沿长骨轴向传播，然后由与发射换能器斜向对称安装的接收换能器接收，测得的是首先到达信号速度。当皮质层厚度大于测量频率(通常为1.25 MHz)下1个波长时，得到的是长骨轴向纵波声速，但具体数值将因计时标记(阈值、最大值、过零点)不同而异，也不同于经典定义。

4.2 BUA

4.2.1 BUA概念的原形 利用跟骨的声衰减参数评估骨质疏松，是英国Hull大学Langton于1984年提出[1]。其立论的基本依据为200～600 kHz频段，跟骨声衰减系数与频率成近似直线正比关系，即α(f)=α0f，α0称为声衰减系数斜率，单位为dB/(cm·MHz)，即原指的BUA[1]。

4.2.2 产业-医学界所作的简化改造 Langton的发现和创造很快被医疗器械制造商、临床医师接受和采用，但被加以重要改动，即不再将跟骨的声衰减量除以厚度，于是“声衰减系数斜率”变成了“声衰减斜率”，单位为dB/MHz，而将BUA除以跟骨厚度所得结果称为归一化BUA(nBUA)，实质是回到声衰减系数斜率。

4.2.3 Langton论著中的问题 Langton是BUA概念的创立者，但其有些工作值得商榷，有些甚至存在错讹，如：①利用松质骨机测量跟骨声衰减系数的计算程序，应该是发射-接收换能器之间未插足跟时的接收信号幅度谱减去插有足跟时的幅度谱，得到插入损失谱，从中减去软组织-跟骨之间两个界面的反射损失之后，再除以跟骨厚度，但Langton的相关著述中均写成了先以插入损失谱除以跟骨厚度，然后以商值减去反射损失，概念和量纲均错[2-3]；②1984年文章中给出的在体跟骨数据，声衰减与频率关系直线并不经过坐标系原点，与文中论述及BUA原始定义相矛盾[1]；③该文中[1]提出将跟骨声学特性参数与BMD相关联，虽在其之后的著述中指出了这一认知错误[2]，但并未着力纠正，以致误导至今；④Langton曾称，“松质骨的超声衰减与力学特性之间尚未确立理论关系”[2]，但事实上早已见于相关论著[4-7]。

4.3 QUS仪器的派生参数及声学量与BMD的相关性

4.3.1媒质声学特性与力学特性参数之间关系的经典理论 如前所述，骨折是一个典型的材料力学问题。描述材料力学特性的最重要参数是弹性模量和机械强度。机械强度的测量是破坏性过程，不可能在人体实施；而在缺乏平整界面和硬软组织混杂的人体上也难以测量弹性模量。依据经典力学和经典声学理论，弹性模量等于媒质质量密度与声速二次方的乘积。在考虑和测量骨骼声衰减参数的情况下，声速和模量都变成复数[4-7]。因此，在尚无法测量和估算骨骼质量密度的条件下，只要测得已知频率时的相速和衰减系数，即可利用复数声速建立数据库，据以施行骨质疏松临床诊断。

4.3.2 骨骼声速、衰减参数与BMD的相关性 Langton于1999年的述评[3]中明确指出：“虽然骨质疏松是由复杂、至今不完全明确的一系列生理和生物化学过程导致，但临床表现(骨折和形变)则为纯力学问题”“当今普遍一致的认识是，超声和DXA测量的是骨骼的不同方面，不要指望二者之间呈高度相关，简单的线性回归不是将两种模式联系起来的合适办法，对于由BUA预报BMD的做法未获成功不必惊奇。”美国骨质疏松学会2001年发布的“定量超声用于骨质疏松处置的立场声明”中明确指出：“QUS不直接测量骨矿含量或密度，不能用于诊断目前依照骨矿含量或BMD界定的骨质疏松症”。因此，在QUS仪器测得声速、衰减参数之后，还要与DXA所测BMD相关、靠拢，依据相关系数高低确认其可信度的思路与做法有悖逻辑。

4.3.3 松质骨机现行产品的派生参数 DXA是以测得受检者BMD与库存数据比较之后得出诊断结论。而松质骨机现行产品的做法分为三种：①仅测声速或仅测BUA的机型，多利用所测参数建立数据库，并用于临床筛查、诊断；②大部分声速和BUA均测的机型系将二者线性相加，拼凑为“劲度指数”或“定量超声指数”，利用这些“指数”建立数据库和实施临床筛查、诊断[8]；③个别声速和BUA均测的机型虽也将二者线性相加，但拼凑出来的是“等效骨矿密度”，并利用后者建立数据库和实施临床筛查、诊断[9]。这些完全脱离骨质疏松、骨折问题的力学属性，违背“同种、同量纲参数才能相加”的基本认知，甚至为向BMD靠拢而拼凑数据的做法，严重影响了QUS仪器的科学性。

5 产品的标准化和质量检测

QUS仪器属于超声诊断设备，应制定相应的产品标准。其中，安全性方面已有通用和专用标准；性能方面，一个是准确度，另一个是重复性或称精密度、变异系数。鉴于国内外现行产品的水平，国内有关标准中尚未规定准确度，而仅对重复性和线性提出了要求。产品质量检验和临床使用中的校验手段，针对松质骨者为性能适当的聚氨酯橡胶长方块，针对皮质骨者为有机玻璃或铜制长方条，虽常被称为“体模(phantom)”，但因这些材料尚达不到超声仿骨水平，其准确名称应是“试件(test object)”。