實(shí)時(shí)剪切波彈性成像技術(shù)在骨骼肌中的應(yīng)用進(jìn)展

牛 旺，史鐵梅，張?jiān)?/p>

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院超聲科，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

實(shí)時(shí)剪切波彈性成像技術(shù)在骨骼肌中的應(yīng)用進(jìn)展

牛 旺，史鐵梅*，張?jiān)?/p>

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院超聲科，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和肌肉骨骼疾病常累及骨骼肌，準(zhǔn)確、快速地量化評(píng)估單個(gè)肌肉的力量及硬度，將為運(yùn)動(dòng)功能障礙等病因研究提供基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)剪切波彈性成像(SWE)技術(shù)是近年來(lái)新興的超聲成像技術(shù)，在骨骼肌肉系統(tǒng)尚處初步應(yīng)用階段。本文對(duì)SWE在骨骼肌疾病輔助診斷中的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

彈性成像技術(shù)；骨骼肌；肌肉骨骼疾??；超聲檢查

肌肉是一種冗余系統(tǒng)(采用兩套或兩套以上相同或相對(duì)獨(dú)立的配置來(lái)增加系統(tǒng)的可靠性)，單個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)需多個(gè)肌肉協(xié)同完成，探究中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何調(diào)整不同肌肉的力量分配，是肌肉骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙等領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。為此，準(zhǔn)確、快速地量化評(píng)估單個(gè)肌肉的力量非常必要。目前，肌電圖(electromyography, EMG)和肌肉骨骼模型常用于量化評(píng)估單個(gè)肌肉的力量。雖然EMG可用來(lái)量化評(píng)估神經(jīng)驅(qū)動(dòng)肌肉的過(guò)程[1]，但有諸多因素可限制EMG準(zhǔn)確評(píng)估單個(gè)肌肉的力量。各種肌肉骨骼模型[2]也被用來(lái)評(píng)估單個(gè)肌肉力量，因缺乏驗(yàn)證肌肉力量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，目前尚不能確定其有效性。因此，評(píng)估單個(gè)肌肉的力量仍是生物力學(xué)的主要挑戰(zhàn)之一。

肌肉硬度與主動(dòng)或被動(dòng)肌肉力量呈正相關(guān)，因此檢測(cè)肌肉硬度變化可評(píng)估肌肉力量的改變。實(shí)時(shí)剪切波超聲彈性成像(shear wave elastography, SWE)技術(shù)可用于肌肉硬度的評(píng)估。本文對(duì)SWE的原理、在骨骼肌疾病診斷中的應(yīng)用及其影響因素等進(jìn)行綜述。

1 SWE原理

超聲探頭發(fā)射的聲脈沖在組織不同深度聚焦產(chǎn)生橫向剪切波，利用“馬赫錐”原理，通過(guò)定量分析系統(tǒng)可計(jì)算反映組織內(nèi)剪切波傳播速度的物理量——楊氏模量值[3-5]。楊氏模量與剪切波傳播速度間的關(guān)系為：E=3ρc2(E：楊氏模量；c：剪切波傳播速度；ρ：組織密度)。組織越硬，密度越大，剪切波傳播速度越大，楊氏模量值就越大。

2 SWE在骨骼肌疾病診斷中的應(yīng)用

SWE在肝臟、甲狀腺、乳腺等實(shí)質(zhì)器官中的應(yīng)用已較成熟，但在骨骼肌疾病中的應(yīng)用尚處于起步階段。目前主要用于量化評(píng)估單個(gè)肌肉硬度變化。

2.1 評(píng)估中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起肌肉硬度的改變 上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷可引起痙攣性癱瘓，使肌肉的緊張度增加。評(píng)估受累骨骼肌的肌肉硬度，對(duì)疾病進(jìn)展及預(yù)后十分重要。Du等[6]采用SWE檢測(cè)46例帕金森病患者和31名健康志愿者的肱二頭肌硬度，發(fā)現(xiàn)帕金森病患者肌肉硬度明顯高于健康對(duì)照者，但癥狀重的患肢和癥狀輕的患肢間無(wú)明顯差異；可能因肌肉硬度的改變先于癥狀的出現(xiàn)；或樣本量小，無(wú)法準(zhǔn)確反映二者的差異。Lee等[7]對(duì)8例腦癱患者采用SWE測(cè)量雙側(cè)內(nèi)側(cè)腓腸肌和脛骨前肌的剪切波速度，結(jié)果顯示癥狀重的患肢肌肉硬度明顯增加。

2.2 評(píng)估肌肉骨骼疾病引起的肌肉硬度的改變 SWE可用于量化評(píng)估肌肉骨骼疾病導(dǎo)致的肌肉機(jī)械性能變化，如重癥肌無(wú)力、進(jìn)行性肌營(yíng)養(yǎng)不良、周期性癱瘓等外周肌肉骨骼疾病。楊娟等[8]對(duì)52例中度肌萎縮患者及50名健康對(duì)照組的肱二頭肌進(jìn)行SWE檢查，結(jié)果顯示在緊張狀態(tài)下，病例組與對(duì)照組彈性值有顯著差異，其判斷肌萎縮、肌纖維化的敏感度、特異度分別為90.4%、80.0%。Lacourpaille等[9]對(duì)14例假性肥大型肌營(yíng)養(yǎng)不良患者及13名健康成人的6組肌肉(腓腸肌、脛前肌、股外側(cè)肌、肱二頭肌、肱三頭肌、小指展肌)進(jìn)行SWE檢查，結(jié)果顯示2組長(zhǎng)肌硬度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而短肌則無(wú)。這與該類(lèi)患者關(guān)節(jié)僵直肌攣縮而處于持續(xù)緊張狀態(tài)相關(guān)。Lv等[10]采用兔肌肉擠壓傷的動(dòng)物模型，證明SWE可檢測(cè)到肌肉擠壓傷引起的肌肉硬度增加。Lacourpaille等[11]采用SWE檢測(cè)更微小的肌肉損傷導(dǎo)致的肌肉硬度增加，如運(yùn)動(dòng)。目前，雖然此方面研究較少，但為該類(lèi)研究的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.3 評(píng)價(jià)肌肉成分改變 Botar-Jid等[12]對(duì)24例肌炎患者進(jìn)行SWE檢查，包括甲狀腺相關(guān)肌病、多發(fā)性肌炎、皮肌炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等，回顧分析其血清肌酸激酶、乳酸脫氫酶值，結(jié)果顯示二者具有相關(guān)性。傅曉紅等[13]對(duì)12例多發(fā)性肌炎、皮肌炎患者及20名健康志愿者的雙側(cè)股內(nèi)、外、前、后肌群中下部進(jìn)行SWE檢查，結(jié)合肌肉活檢病理改變對(duì)影像學(xué)圖像進(jìn)行分析；結(jié)果顯示，2組病變肌肉彈性值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，患者組病理顯示肌肉組織內(nèi)炎癥浸潤(rùn)，肌細(xì)胞壞死、溶解、萎縮、纖維化，影像學(xué)改變與病理改變相符。表明SWE可反映肌肉成分的改變，但不同肌緊張狀態(tài)亦會(huì)引起肌肉彈性的變化，但與肌肉成分改變直接導(dǎo)致的肌肉硬度改變無(wú)法區(qū)分，需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 SWE應(yīng)用于骨骼肌的影響因素

3.1 不同肌緊張狀態(tài) 骨骼肌是動(dòng)態(tài)組織，具有不同的緊張狀態(tài)。肌張力增加，其肌腹楊氏模量值隨之增加。Nordez等[14]對(duì)6名健康成人的肱二頭肌同時(shí)采用EMG和SWE檢查，顯示楊氏模量值與肌電活動(dòng)水平間存在線性關(guān)系，可用來(lái)反映肌肉力量。溫朝陽(yáng)等[15]對(duì)141名男性健康志愿者，分別在緊張和松弛狀態(tài)下測(cè)量肱二頭肌肌腹楊氏模量值，發(fā)現(xiàn)兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Bouillard等[16]通過(guò)對(duì)食指外展和小指外展運(yùn)動(dòng)的研究，證明其楊氏模量值與肌肉主動(dòng)收縮強(qiáng)度呈線性關(guān)系。MaBsetti等[17]通過(guò)踝關(guān)節(jié)背屈和跖屈的研究表明，肌肉剪切模量和肌肉被動(dòng)收縮強(qiáng)度呈線性關(guān)系。均表明SWE的測(cè)量結(jié)果與不同的肌肉緊張狀態(tài)相關(guān)。

3.2 探頭掃查平面與肌纖維走行方向的夾角 骨骼肌具有各向異性，因此骨骼肌中剪切波的傳播速度與肌纖維排列方向有關(guān)[5]。Chino等[18]采用SWE測(cè)量31名健康男性?xún)?nèi)側(cè)腓腸肌、股直肌、肱二頭肌、腹直肌的硬度，均采用橫、縱斷面測(cè)量，對(duì)比同一肌肉不同斷面的測(cè)量值、圖像穩(wěn)定性和測(cè)量可重復(fù)性；結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)腓腸肌、股直肌和肱二頭肌的橫、縱斷面測(cè)量值存在顯著差異；所有被測(cè)肌肉的縱斷面圖像穩(wěn)定性高于橫斷面；除肱二頭肌外，余被測(cè)肌肉兩斷面測(cè)量可重復(fù)性差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。張雋等[19]采用SWE測(cè)量20名健康志愿者肱二頭肌硬度，選取同一位點(diǎn)距體表深度1.7 cm和2.5 cm處，聲束方向與肌纖維走行方向夾角分別為0°、30°、60°、90°，結(jié)果表明同一夾角不同深度下測(cè)量值無(wú)明顯差異；同一深度不同夾角間均有明顯差異，且隨夾角增大，彈性值遞減。姜鑌等[20]對(duì)210名健康志愿者胸鎖乳突肌進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)胸鎖乳突肌彈性值受聲束與肌束夾角角度的影響，但不受性別和年齡的影響。以上均表明聲束與肌束夾角可影響彈性值測(cè)量，因此進(jìn)行SWE檢查時(shí)，需考慮此夾角對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

3.3 ROI選取 SWE成像系統(tǒng)默認(rèn)ROI為圓形，直徑為2～12 mm。ROI范圍越大，其內(nèi)包括肌肉筋膜和致密膠原纖維的可能性越大。肌肉骨骼系統(tǒng)無(wú)明確的病灶，是對(duì)整條骨骼肌進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此對(duì)ROI大小的選擇需進(jìn)一步研究。Kot等[21]用對(duì)股直肌的同一部位分別采用直徑為8、10、12 mm的ROI，結(jié)果顯示ROI直徑為8 mm時(shí)所測(cè)得的楊氏模量最大值低于直徑為10 mm和12 mm，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；對(duì)髕骨肌腱的同一部位分別采用ROI直徑為2、3、4 mm，結(jié)果顯示ROI直徑為2 mm時(shí)所測(cè)得的楊氏模量最大值低于直徑為3 mm和4 mm，差異亦有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但對(duì)于股直肌和髕骨肌腱，不同ROI直徑對(duì)楊氏模量均值的影響差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，ROI的大小對(duì)楊氏模量值的影響并不明顯。

3.4 檢查者施加壓力 Kot等[21]研究發(fā)現(xiàn)，SWE測(cè)量值與檢查者在受試者皮膚上施壓大小呈正相關(guān)，壓力過(guò)大影響剪切模量的準(zhǔn)確性。額外的壓力一方面可導(dǎo)致肌肉被動(dòng)收縮；另一方面將皮下脂肪的彈性值計(jì)算在肌肉的彈性值內(nèi)，影響測(cè)量結(jié)果。因此，進(jìn)行SWE時(shí)應(yīng)施加合適的壓力。

3.5 肌肉疲勞 神經(jīng)肌肉疲勞可明顯改變EMG振幅和肌肉力量間的關(guān)系，相比于受動(dòng)作電位傳播速度等電生理參數(shù)影響的EMG，楊氏模量可反映肌肉的機(jī)械性能，受神經(jīng)肌肉疲勞的影響較小。Bouillard等[22]對(duì)受試者在疲勞前和疲勞后進(jìn)行小指外展，發(fā)現(xiàn)肌肉楊氏模量和肌肉力量間的關(guān)系并不受疲勞的影響。

4 展望

4.1 提高SWE的時(shí)間分辨率 SWE可提供準(zhǔn)確的剪切模量圖像，但時(shí)間分辨率較低，限制了對(duì)等長(zhǎng)收縮和等張收縮過(guò)程中肌肉力量連續(xù)變化的研究?，F(xiàn)有SWE測(cè)量剪切波傳播速度在15 ms內(nèi)完成，時(shí)間分辨率為1幀/秒[23]，可通過(guò)提高硬件和軟件性能克服這一限制。Ates等[24]將SWE的時(shí)間分辨率提高到4幀/秒，并且成功檢測(cè)了等長(zhǎng)肌肉收縮過(guò)程中肌肉硬度的改變。另外，Couade等[25]采用時(shí)間分辨率為30幀/秒的SWE測(cè)量整個(gè)心動(dòng)周期心臟的剪切模量變化。今后有望在行走等肌肉動(dòng)態(tài)收縮過(guò)程中檢測(cè)剪切模量的變化。

4.2 SWE在肌腱中應(yīng)用 除肌肉硬度測(cè)量，肌腱硬度測(cè)量可能會(huì)為肌肉骨骼生物力學(xué)提供新信息。但肌腱又硬又薄，剪切波波長(zhǎng)比肌腱厚度長(zhǎng)，引起導(dǎo)波傳播，因而測(cè)量會(huì)有誤差，需應(yīng)用軟件進(jìn)行校正，但目前商業(yè)化剪切波彈性成像系統(tǒng)中尚無(wú)類(lèi)似軟件。Brum等[26]的研究表明該問(wèn)題可通過(guò)應(yīng)用剪切波譜學(xué)解決，它包含額外的剪切波傳播的方差分析，結(jié)合一個(gè)簡(jiǎn)單的黏度彈性模型，可提供精確的肌腱彈性和黏性值。因此SWE有望用于肌腱的彈性成像研究。

4.3 三維超聲SWE SWE是在二維圖像上測(cè)量剪切波傳播速度，而剪切波是在三維空間內(nèi)傳播。Provost等[27]研究表明超聲新設(shè)備的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)剪切波的三維實(shí)時(shí)測(cè)量；采用二維矩陣探頭進(jìn)行超音速信號(hào)的測(cè)量和三維空間的SWE測(cè)量，可進(jìn)行評(píng)估肌肉硬度的空間變異。除肌肉硬度，三維彈性成像將提供肌肉各向異性和剪切黏度的信息。由于各向異性和剪切黏度與肌肉結(jié)構(gòu)有關(guān)，三維彈性成像可能將現(xiàn)有的忽略軟組織黏彈性的SWE去理想化，用于評(píng)價(jià)肌肉結(jié)構(gòu)受到影響時(shí)的神經(jīng)肌肉狀況。

4.4 明確各肌肉的正常值范圍 目前，采用SWE進(jìn)行肌肉相關(guān)疾病的研究較少，肌肉組織的彈性正常參考值范圍對(duì)確診有重要意義。近期有學(xué)者[28]試圖確立生理及病理狀態(tài)下彈性值的范圍，但受限于樣本量及技術(shù)原因。這將成為今后的研究方向。另外，SWE缺少統(tǒng)一的測(cè)量和機(jī)器的調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)等；仍需與其他肌力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行橫向比較和大樣本多中心研究，明確其在疾病中的診斷價(jià)值。

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關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞又稱(chēng)主題詞，是位于摘要之后，在論文中起關(guān)鍵作用的、最能說(shuō)明問(wèn)題的、代表論文特征的名詞或詞組。它通常來(lái)自于題目，也可以從論文中挑選。一般每篇論文要求2～5個(gè)關(guān)鍵詞。每個(gè)關(guān)鍵詞都可以作為檢索論文的信息，若選擇不當(dāng)，會(huì)影響他人的檢索效果。醫(yī)學(xué)上現(xiàn)在主要使用美國(guó)《醫(yī)學(xué)索引》(Index Medicus)的醫(yī)學(xué)主題詞表(Medical Subject Headings, MeSH)最新版作為規(guī)范，亦可參考中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院情報(bào)研究所翻譯地英漢對(duì)照《醫(yī)學(xué)主題詞注釋字順表》。非主題詞表的關(guān)鍵詞為自由詞，只有必要時(shí)，才可排列于最后。有些新詞也可選用幾個(gè)直接相關(guān)的主題詞進(jìn)行搭配。

Applicationprogressesofreal-timeshearwaveelastographyinskeletalmuscles

NIUWang,SHITiemei*,ZHANGYuanxi
(DepartmentofUltrasound,ShengjingHospitalofChinaMedicalUniversity,Shenyang110004,China)

The central nervous system disease and musculoskeletal diseases often involve skeletal muscles. Quantitative evaluation of strength and hardness of a single muscle accurately and rapidly are basis for causation analysis of movement dysfunction. Real-time shear wave elastography (SWE) is a new ultrasonic imaging technique developed in recent years, and still has a preliminary application in the skeletal muscle system. The application and research progresses of SWE in auxiliary diagnosis of disease in skeletal muscles were reviewed in this article.

Elasticity imaging techniques; Skeletal muscles; Musculoskeletal disease; Ultrasonography

10.13929/j.1003-3289.201702048

R685.5; R445.1

A

1003-3289(2017)10-1583-04

牛旺(1991—)，女，黑龍江大慶人，在讀碩士。研究方向：超聲診斷。E-mail: 251291417@qq.com

史鐵梅，中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院超聲科，110004。E-mail： shitm@sj-hospital.org

2017-02-14

2017-06-27