0　引言

中国健康促进基金会(China Health Promotion Foundation,CHPF)发布的《2013中国骨质疏松骨折防治蓝皮书》指出，我国骨质疏松骨折发病率逐年增加，目前骨质疏松总发病率15.7%。预计到2020年，我国约有4亿人口进入老龄人群，而骨质疏松患者将增加到1.2亿，用于骨质疏松预防和治疗的费用将大大增加[1]。随着骨质疏松性骨折数量的增加，医疗和社会福利负担将加重，严重影响我国国民的生活质量。对骨质疏松症的早筛查、早预防被认为是防治骨质疏松性骨折的有效手段[1]，是当前研究和促进骨质健康的重点。

双能X-ray吸收法(dual-energy X-ray absorptiometry,DEXA)是临床测量骨质状况的金标准，主要测量参数是骨密度(bone mineral density,BMD)[2]。临床研究证明，骨质疏松不仅与BMD有关，还与骨的微观结构有关[3]。DEXA无法测量骨的微观结构，并且测量设备昂贵，操作复杂，测量过程有辐射性等[4]，因而不适用于骨质疏松的普查。

定量超声(quantitative ultrasound,QUS)测量骨密度具有较高的成本效益，大大减轻了医疗经济负担。此外，研究人员发现QUS测量不仅可以提供骨密度的信息，还可以反映骨的微观结构和骨弹性信息[5]，因此QUS逐渐成为替代DEXA筛查骨质疏松症的一种有效手段。

目前，较成熟的QUS技术主要分为：(a)透射法，其测量部位为跟骨，主要测量参数为超声宽带衰减(broadband ultrasonic attenuation，BUA)和超声透射速度(speed of sound at the calcaneus，SOS)。(b)轴向传播法，测量部位为桡骨、胫骨，主要测量参数为第一到达波速度(speed of sound of the first arriving signal,SOSFAS)[6]。由于跟骨测量易交叉感染，且涉及到脱鞋脱袜，冬季或室外测量操作不便。因而，桡骨、胫骨测量仪的研发近年来在国内、外逐渐兴起。目前见于市场的有以色列Sunlight公司的Ominisense 7000S系列，Myriad公司的Soundscan系列，以及意大利IGEA超声诊断仪等[7]。但这些产品价格昂贵，也缺乏中国人的评价模型。我国在超声骨密度的理论研究上已经取得了一些研究成果[8-9]，但具有知识产权的自主产品，并且适合我国国民体质评价标准的设备还很少。

本研究针对目前国内市场需求，设计了一款可分别测量桡骨、胫骨两个部位的超声特征参量(SOSFAS-radius、SOSFAS-tibia)的便携式超声骨密度测试仪。且通过分析上述两个部位的超声特征参量与L2-L4段腰椎BMD的相关性来验证该设备的有效性。同时通过获取测量部位的温度对SOSFAS进行修正，以提高SOSFAS测量精度，弥补了目前国内市场上该类设备缺乏温度矫正的缺点。

1　材料与方法

1.1　超声探头设计

式中：Δr是超声探头中发射单元之间或接收单元之间的固有物理尺寸[图1(a)]；Δt为其中两路超声传播时间的差值。

图1　探头结构尺寸及其超声传播路径示意 Figure 1　Size of probe structure and the diagram of ultrasonic propagation path

1.2　超声骨密度测量系统

系统包括超声探头、信号采集电路和液晶显示屏。系统框图如图2所示，微控制器(MCU，STM32F103R8T6)控制超声信号激发、采集、处理和显示。超声信号由超声激发电路激发产生150 V，500 ns的脉冲信号，通过多路模拟开关W1选通发射单元。同时，多路模拟开关W2选通接收单元，接收到的超声信号经AD8627放大滤波，及12位模数转换器(ADC，AD9235BRU-65M)转换后，存入两个先进先出存储器(FIFO,IDT72V251J10)中。MCU将存储的数字信号读取，并完成数字滤波、特征点提取及特征参数SOSFAS计算。同时，MCU启动体表温度传感器，读取当前体表温度值。根据温度对超声传播速度的影响规律修正超声测量参数SOSFAS的值[本设备采用线性修正值：-3 m/(s·℃)]。修正后的超声特征参量SOSFAS显示在液晶屏上。

25名(35.5岁±11.7岁)来自中国科学院智能机械研究所的志愿者参与了本次的测量。所有受试者均以书面知情同意书告知。

图2　测量系统结构 Figure 2　Diagram of the system structure

1.3　超声特征参量测量

第一，深化对产学研协同育人模式的认识。目前，由于高校对产学研协同育人模式认识不够充分，阻碍了三方合作。通过产学研协同，创新育人模式，把学校的人才培养置于多方参与的开放系统中，贯穿于培养方案设计、教育教学、生产实践、创新研发和应用服务的全过程，才能适应经济发展方式转变对人才培养的要求，实现高等教育的创新。

基于轴向传播技术的超声探头设计主要有一发多收、多发一收、多发多收3种模式。本设备采用经典的双发双收探头设计模式，既可提高SOSFAS的测量精度，又可避免繁杂的理论公式推导和计算[10]。超声探头(U1100)由无锡兰辉超声电子设备厂代加工，主要结构尺寸如图1(a)所示。1和2为超声信号发射单元，3和4为超声信号接收单元，5为NTC热敏电阻(体表温度传感器，测量精度:±0.1 ℃)。A为填充橡胶(SOS=1 750 m/s)，B为屏蔽材料，Δr=6.09 mm。超声探头的中心频率设计为1.15 MHz。图1(b)所示为骨密度测量过程超声传播路径示意图。超声波穿过耦合介质(超声耦合剂)和软组织并沿着骨头表面传播一段距离后反射进入超声接收单元，超声与骨头表面的临界角θ1=23°，且在每一个入射点和反射点的角度均为临界角。θ2为超声探头与皮肤表面的夹角。

这是我国开展可持续城市实践早期的主要方式,在社会财富积累不是很高的情况下,主要关注环境、卫生、健康等生存型问题,符合当时的经济社会发展特征,也为后续发展奠定了基础。

Barrows描述了问题导向式的六大特点：1）学习是以学生为中心的，2）学习是在小型的学生小组中进行的，3）教师是促进者(facilitators)或者是向导(guides)，4）问题构成了课程设计的焦点和学习的刺激点，5）出现的问题是提高解决问题技能的必要途径。6）通过自我导向的学习获得新信息。

本文将桡骨和胫骨的测量结果分别记为：SOSFAS-radius[桡骨远端1/3处，图3(a)]和SOSFAS-tibia[胫骨1/2处，图3(b)]。

浸渗服务：汉高的乐泰浸渗解决方案(LIS)利用低黏度聚合物树脂的流动性来填充微孔和空隙(“渗漏组件”)，并永久性密封铝制电力驱动外壳之类的组件，以阻隔常用汽车用液。公司在全球设有30个乐泰浸注解决方案服务中心，均已通过 IATF 16949、ISO 14001和OHSAS 18001认证。

图3　临床探头测量位置 Figure 3　Probe position during clinical protocol

1.4　DEXA测量

1,2-二苯基-2-苦味酰基(DPPH)购自Sigma公司,抗坏血酸、磷酸、无水乙醇、葡萄糖、苯酚、磷酸、氯仿、正丁醇、浓硫酸、三氯乙酸、硫酸亚铁、过氧化氢、水杨酸钠、盐酸、Tris-HCl缓冲液、硫代巴比妥酸、邻苯三酚、K3Fe(CN)6等购自国药集团化学试剂有限公司,牛血清蛋白、没食子酸、考马斯亮蓝G250购自上海金穗生物科技有限公司。

基于轴向传播法的超声骨密度仪特征参数SOSFAS是通过测量第一到达波传播时间(the time of first arrival wave,TOF)与超声传播距离计算获得。在前期研究工作中，提出了基于动态时间窗法的超声参数SOSFAS获取方法[8]，并结合阈值法和五点抛物线插值法获取第一到达波的TOF值。该方法可有效排除软组织厚度、探头测量位置、系统延时等对超声参数测量结果的影响，提高了SOSFAS测量精度。根据该方法，SOSFAS计算公式如下[8]：

临床上验证新的超声骨密度设备的有效性，是通过其与DEXA测量结果做相关性研究分析确定的。当该设备测量的人体超声特征参量值与DEXA测量的腰椎BMD值高度相关(r>0.6)时，认为该新型设备是有效的[6]。

安徽省立医院内分泌科完成所有志愿者的DEXA(GE Lunar Prodigy，美国)测量和超声骨密度测量。

为研究自主研制的便携式多部位超声骨密度设备的超声参量与受试者实际的骨强度指标之间的吻合程度，通过测量受试者腰椎L2-L4段BMD值，与桡骨、胫骨部位骨密度超声参量SOSFAS-radius和SOSFAS-tibia测量结果进行相关性分析，研究该设备的有效性。

1.5　数据分析

皮尔森相关系数和P 值用来评估超声特征参量SOSFAS和骨密度BMD之间的相关性。P< 0.05被认为具有统计学意义。所有的参数指标采用平均值±标准差(mean±SD)方式，使用SPSS 19.0软件对测量结果进行统计分析。

2　结果与分析

表1是受试者QUS测量与DEXA测量结果。结果显示25名受试者的桡骨远端1/3处的超声测量结果为(3 956±63)m/s，胫骨1/2处为(3 758±64)m/s，这与同类产品临床测量结果一致，即普通成人桡骨远端1/3处SOSFAS-radius在3 600～4 200 m/s之间，胫骨1/2处SOS FAS-tibia在3 500～4 000 m/s之间[6,11-12]。25名受试者的BMD测量结果为(1.0±0.18)g/cm2。

唐玉烟的苏醒很大程度上要归功于天葬院外的战斗。她事后对青辰说，那战斗闹出的动静惊天地泣鬼神，将昏迷中的她带入了一个极其恐怖的噩梦中，然后又让她从噩梦中惊醒。她出了院子，便看到了唐飞霄，于是随手取了他的命。

表1　QUS测量结果和DEXA测量结果 (n=25) Table 1　Results of QUS and DEXAmeasurements (n=25)

参数mean±SD(range)SOSFAS⁃radius/(m/s)3956±63(3799～4047)SOSFAS⁃tibia/(m/s)3758±64(3611～3833)BMD/(g/cm2)　10±018(070～139)

表2是QUS测量和DEXA测量结果的相关性比较。数据显示，腰椎BMD与桡骨SOSFAS-radius和胫骨SOS FAS-tibia的相关性分别为r=0.68(P<0.001)，r=0.77(P<0.001)，表明超声测量结果与DEXA测量结果显著相关。

表2　QUS和DEXA测量结果相关性 (n=25) Table 2　Correlation of QUS and DEXAmeasurements (n=25)

项目相关系数PBMD与SOSFAS⁃radius068<0001BMD与SOSFAS⁃tibia077<0001

3　讨论与结论

尽管DEXA仍是骨密度评价的最有效方法，骨质疏松症仍然是当今世界被低诊断或诊断不足的疾病之一。《2013中国骨质疏松骨折防治蓝皮书》指出，在中国因测量设备昂贵和稀缺，导致约有4/5的骨质疏松患者得不到有效诊断[1]。

本研究设计了一款便携式多部位超声骨密度仪，该仪器可以分别测量桡骨超声参量SOSFAS-radius和胫骨超声参量SOSFAS-tibia。与DEXA测量的脊椎L2-L4段的BMD值做相关性对比，二者的相关性分别为0.68和0.77，这比同类超声测量桡骨、胫骨的临床结果相关性更高，如Muller等[12]比较了市场上三款桡骨/胫骨骨密度仪，与BMD的相关性均在0.5～0.7之间。这是因为：(1)采用了动态时间窗算法获取超声特征参量值，该方法有效消除了超声探头的位置、软组织厚度及系统时间误差对SOS测量精度的影响[8]；(2)超声探头内置的体表温度传感器对超声参量进行的线性修正，使得温度对SOS测量结果的影响进一步减小，提高了测量精度。因此，超声测量结果与DEXA的测量结果的相关性比同类产品与DEXA的相关性有明显提高。

本研究设计的超声骨密度仪具有测量精度高、成本低、便携等优点，为大样本人群骨质筛查提供了一种科学且可行的解决方案，使得广大基层社区卫生服务机构甚至家庭进行日常的骨质普查成为可能，对大幅提升骨质疏松症普查率，减少骨质疏松性骨折带来的家庭和社会经济负担具有重要意义。

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