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nba直播超声骨密度仪检测方法的探讨

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  现代测量与实验室管理 文章编号 : 1005 - 3387 (2010) 04 - 0006 - 07 2010 年第 4 期 超声骨密度仪检测方法的探讨 官辉煜 (国家食品药品监督管理局湖北医疗器械质量监督检验中心 ,武汉 430077 ) 摘 : 本文通过介绍骨密度仪的基本原理 ,对其性能指标的几种检测方法进行讨论 , 就存在问题进行了分析 ,并对解决 要 方法提出建议 。 关键词 : 骨密度仪 ; 性能 ; 检测方法 ; 分析 中图分类号 : R47. 39 文献标识码 : A 0 引言 超声骨密度仪测量的是骨中矿物质密度 , 即单 位体积的骨骼中矿物质的含量 。该仪器采用定量超 声测定法 (QUS) ,利用超声波的发射和穿透衰减来 评价骨的力学特性 , 其主要测量的是与骨密度和骨 的微结构密切相关的两个参数声速 ( SOS) 和宽带超 声衰减 ( BUA ) 。实验研究表明超声波在被测骨骼 中传播时会发生衰减 ,频率越高 ,衰减越大 。当骨骼 发生变化时 ,如骨密度降低 、 骨质流失等 , 骨骼对超 声的衰减即 BUA 就会发生变化 , 通常情况下 , BUA 变小 ,代表骨骼的骨密度变小 ,反之亦然 。目前有关 超声骨密度仪的行业标准还未发布 , 对上述两个主 要性能指标检测方法的研究一直在进行 。本文探讨 了现行方法所存在的问题 ,并对解决方法提出建议 。 图 1 检测装置图 1 水中脉冲透射插入取代法 1. 1 声速测量及误差 采用水中脉冲透射插入取代法设计的仪器 , 超 声波从一侧超声换能器发射穿过指定骨质部位到另 一侧超声换能器被接收 , 此方法主要适用于对人体 跟骨测量检查 。检测这种设计方式的超声骨密度仪 声速测量性能可以采用 GB / T 18022 - 2000 和 GB / T 15261 - 2008 介绍的插入取代法 , 即在测试水槽 中 ,将被测样品插在发射换能器与接收换能器之间 的平面波声束路径上 ,令其取代相同长度的水 ,借助 于样品插入前后声脉冲信号传播时间的变化 (即时 差 )求得该材料中声速 ,检测装置见图 1。 插入取代法包括有单样品和双样品两种测量方 式 。声速的测量一般采用单样品的方式 ,公式如下 : C= dcw d + tcw 式中 , c为样品材料中声速 , m / s; cw 为蒸馏水中 声速 , m / s (蒸馏水的声速 cw 与温度的关系可以查 阅资料 ) ; d 为样品厚度 , m; t 为插入样品后引起的 声脉冲传播时间变化 (脉冲波形前移 , 即时间缩短 时取负值 ; 脉冲波形后移 ,即时间延长取正值 ) , s。 声速测量误差的计算 , 可用水听器测量声速作 为校准依据 , 将超声骨密度仪测量结果与之比对 。 测量时需要注意几个问题 , 一是用超声骨密度仪测 量声速与水听器法测量声速时 , 介质的温度偏差不 超过 ± ℃。二是保持探头部分与介质之间的良好 1 耦合 。三是确保声束轴与介质平面垂直 , 减少介质 厚度变化引起的误差 。四是样品材料的选择 , 插入 取代法测量同种材料 , 声速测量的误差随样品厚度 的增大而单调降低 。同时有的仪器允许的时差有 限 ,样品声速与跟骨差异较大的样品都不好测 。 1. 2 宽带超声衰减测量 首先介绍部分超声骨密度仪设计所采用单样品 方式和频谱分析法 。先测量超声穿过水的时域信号 VW ( t) ,如图 2 所示 。 对其采用快速傅里叶变换得其频谱的幅值信息 Vw ( f ) ,如图 3 所示 : 加入样本后再次测量超声穿过样本的时域 — 6 — 图 2 图 4 等媒质衰减系数的测量 ,检测机构一般采用双样品 , 由透射信号幅度求出若干单个频率下的衰减系数 (单位是 dB / cm ) , 再通过直线拟合 , 求出的声衰减 斜率即是声衰减 (单位是 dB / cm ?MHz) 。当样品 足够厚 ,与声束轴垂直方向两界面间不出现驻波 ,且 不考虑水中声衰减的影响 (水的声衰减系数甚小 , 在大多数情况下不必进行修正 ) 。双样品法计算声 衰减系数公式如下 : 图 3 α= 信号 VB ( t) , 对其采用快速傅里叶变换得其频域信 号 V b ( f ) , 依据两频谱由超声骨密度仪逐个频率点 相减 ,并将得到的结果拟和成直线 。通过频域信号 计算衰减曲线的公式为 : Vw ( f ) A ( f ) = 201g = 201g H ( f ) Vb ( f) 用最小二乘法对其进行线性拟合 , 拟合时其频 谱区间应为制造商公布的声工作频谱 , 拟合后该直 线的斜率即为 BUA ,最后比较超声骨密度仪与水听 器测量结果的误差 。声工作频谱是指超声骨密度仪 计算 BUA 时 , 在频谱图上其所采用频谱的频率范 围 ,用起点频率和终点频率表示 ,见图 4 所示 。nba直播BUA 的测量与计算各个制造商可能有所不同 , 频谱分析 时需要注意几个问题 : 选择适当的域信号采样频率 (见奈奎斯特频率 )消减采样导致的信号混叠 ; 选择 适当的线性拟合的区间频段并加窗抑制截断信号引 起的频谱泄漏 ; 选择适当的探头带宽减小由于中心 频率之外其他频率的信噪比不高导致的分析结果的 偏差 。采用单样品法未考虑界面反射损失及对软组 织的影响予以修正 , 超声骨密度仪测得的实际是插 入损失 ,即样品内的衰减和界面处的反射损失之合 , BUA 计算实际得到的是“ 插入损失除以频率 ”而 , BUA 定义的是“ 总衰减除以频率 ” 。制定检测方法 时还同时需要考虑部分超声骨密度仪测量 BUA 并 非单纯依靠物理公式计算 ,而是将所测声速 、 衰减与 骨的成分及结构联系起来 , 与其临床经验统计库进 行比对得出最终结果 。 对于液体 、 一般固体 、 橡胶塑料以及仿组织材料 AS 20 log dl - ds Al 式中 ,α为被测材料的声衰减系数 ; dl 为较厚样 品的厚度 ; ds 为较薄样品的厚度 ; A l 为插入较厚样品 时接受信号幅度 ; As 为插入较薄样品时接受信号幅度。 以 f 为自变量 ,α为因变量 ,进行过坐标原点直 线拟和 ,即 α =α f , 求的声衰减系数斜率 α , f 为仪 0 0 器换能器的工作频率 。也可进行曲线拟和 , 即 α = α fn ,求取其系数 α 和指数 n。因基于猝发音脉冲 0 0 的脉冲透射插入取代法所用设备复杂 , 不太可能在 医院临床应用 ,所以制造商利用频谱分析技术在一 台仪器上解决问题 。由于仪器并未采用双样品设 计 ,实际求得的 BUA 单位是 dB /MHz, 难以直接使 用这种方法检测仪器性能 。 由于直接采用双样品法检测难以实施 ,不同制造 商频谱分析及临床经验统计库有所差异 ,产品对同一 样品的测量结果难以严格比较。为此专家提出一种检 测方法 ,超声骨密度仪使用同一发射信号频率和幅度 , 测量三个同一材料不同厚度样品 ,限定样品材料声速 在 1500m / s附近 ,声衰减系数与频率关系最好接近直 线个样品的 BUA 与样品厚度成单调关系 为符合要求。此方法的原理可以从双样品法的公式看 出 ,声衰减系数与样品厚度成单调关系。通过检测仪 器接受脉冲信号的幅值变化评价性能 ,避免了后续频 谱分析及经验统计库比对的差异性。从该方法的测量 原理考虑 ,样品厚度至少应大于半个脉宽 ,最大厚度必 须小于两探头之间的距离 ,而且要有足够的透射信号 幅度 (信噪比 ) 。主要问题是仪器需要显示接受脉冲信 (下转第 5页 ) 号的幅值或直接显示衰减量。 — 7 — 186. 6 189. 2 185. 9 185. 9 184. 6 SD 178. 1 181. 0 177. 8 177. 2 176. 5 178. 5 1. 2% 211. 2 214. 6 210. 8 210. 3 209. 1 211. 9 1. 3% 198. 6 201. 1 198. 6 198. 3 197. 6 199. 4 1. 1% 203. 9 206. 7 203. 9 203. 9 202. 8 204. 6 1. 0% 210. 6 213. 0 210. 7 210. 9 210. 0 211. 4 1. 0% 由表 2 可以看出此方法测量的尼泊金酯混标在 浓度 1 ~100 mg /L 的范围内具有良好的线 结语 无论是检测食品 、 化妆品或是药品中的尼泊金 酯 ,其区别便在于前处理方法的不同 ,而最终定值的 手段是相似的。本文讨论了利用气相色谱法和液相 色谱法对六种最常用的尼泊金酯类进行分离 ,为多种 尼泊金酯类同时检测提供了方法 。该方法快速、 可 靠、 分离度佳 、 精密度和线性好 ,可作为测定多种尼泊 金酯类添加剂的有效方法 ,具有非常重要的意义 。 参考文献 : [1] 龙朝阳 ,许秀敏 . 食品中 4 种常用尼泊金酯的高效液 相色谱法测定 [ J ]. 中国卫生检验杂志 , 2005, 15 ( 1 ) [2] 鲍忠定 ,许佳飞 ,许荣年 ,顾秀英 . 毛细管气相色谱内 标法同 时 测 定 食 品 中 8 种 防 腐 剂 [ J ]. 分 析 化 学 , 2004, 32 ( 2 ) [3] 张显久 ,苏德俏 ,沈健 ,陈国安. 尼泊金复合酯作为防腐剂 在食品中的应用 [J ]. 中国食品添加剂 , 2007 (Z1) [4] 钱毅 ,庄无忌 , 等 . 出口商品中农药 、 兽药残留量及生 物毒素检验方法标准编写的基本规定 . 北京 : 中国标 准出版社 , 1995 2. 198122 2. 169206 2. 659617 2. 224434 2. 144478 2. 011256 187. 0 1. 2% 平均值 RSD 由表 1 可以看出此方法具有良好的重复性 。 2. 4 标准曲线 mg /L、 m g /L、 m g / 50 10 L、 mg /L、 mg /L ) 的尼泊金酯混标 , 对其进行测 5 1 定 ,利用色谱峰面积 A 测定数据对相应组分的含量 c进行线性回归 ,所得线 表 物质名称 尼泊金甲酯 尼泊金乙酯 尼泊金异丙酯 尼泊金丙酯 尼泊金异丁酯 尼泊金丁酯 线. 73 Y = 10. 14x + 8. 71 Y = 9. 95x + 6. 56 Y = 9. 33x + 6. 71 Y = 9. 47x + 7. 59 相关系数 0. 9999 0. 9995 0. 9997 0. 9999 0. 9999 0. 9999 (上接第 7 页 ) 2 斜探头脉冲发射法 采用斜探头脉冲发射法设计的仪器 , 测量声波 在骨骼中传播速度 , 将换能器通过耦合与检测面接 触 ,利用声脉冲入射到两种不同介质交界面上发生 发射的原理进行检测 , 见图 5 所示 。斜探头脉冲发 射法指将压电晶片安放在具有一定倾斜角的有机玻 璃楔块上 ,利用纵波斜入射到被测物中产生波形转 换的原理获得横波的检查方法 , 此种方法多用于测 量胫骨 。由于设计原理的差异 , 被测骨质部分未被 插在发射换能器与接收换能器之间的平面波声束路 径上 ,无法用插入取代法测量 SOS 和 BUA , 一般还 是由企业提供声速已知的标准模块校准 。 3 小结 不同制造商生产超声骨密度仪的设计原理并不 唯一 ,频谱分析过程有所差异 ,测量过程还采用了比 对临床经验统计库的处理 , 检测方法难以寻求统一 量化的计算公式 ,制造商专门为检测而设计一套测 试程序需要时间推广 ,现有的方法均存在一定缺陷 。 今后最为可行的解决方法是设计仿人体骨骼的体 模 ,体模的 SOS和 BUA 参数经过计量作为检测判断 依据 。期望科技工作者将其作为一项重要的科研课 题研究 ,作好必要的积累工作 ,及时跟踪超声骨密度 测量技术的发展 ,在将来开发出标准化的仿人体骨 骼体模 。 参考文献 : [1] 中国科学院声学研究所 . GB / T 15261 - 2008 超声仿组 织材料声学特性的测量方法 [ S ]. 北京 : 中国标准出版 社 , 2008 L: 探头入射纵波 , P2T :纵波进入胫骨皮质骨中的折射波 , T:皮质骨厚度 , d:入射点和接受点的距离 [2] 甄晓晖 ,王明泉 ,葛晶晶 . 超声波检测骨密度技术研究 [ J ]. 生物医学工程学研究 , 2009, 30 (1) 图 5 斜探头脉冲发射法检测原理图 — 5 —

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