基于超聲彈性成像的女性盆底肌肉定量評(píng)估方法

黃 帥 李 靈,2 練 莉 郭 娟 陶 子朱超超 王慧芳 陸敏華*

1(深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)2(上海市東方醫(yī)院吉安醫(yī)院，江西 吉安 343006)3(深圳大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲科，廣東 深圳 518060)

基于超聲彈性成像的女性盆底肌肉定量評(píng)估方法

黃 帥1李 靈1,2練 莉1郭 娟3陶 子1朱超超1王慧芳3陸敏華1*

1(深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)2(上海市東方醫(yī)院吉安醫(yī)院，江西 吉安 343006)3(深圳大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲科，廣東 深圳 518060)

女性盆底功能障礙性疾病是中老年女性的常見疾病，現(xiàn)已成為威脅女性健康的5種常見慢性疾病之一。盆底支撐結(jié)構(gòu)中，盆底肌肉群的支撐作用至關(guān)重要，因此盆底肌肉評(píng)估對(duì)于女性盆底功能障礙性疾病的診療具有重要的臨床價(jià)值。提出一種無創(chuàng)客觀的肌肉運(yùn)動(dòng)分析方法，基于經(jīng)會(huì)陰超聲檢測(cè)手段，同步獲取50例具有不同脫垂程度女性主動(dòng)收縮肌肉時(shí)的超聲視頻數(shù)據(jù)及陰道內(nèi)壓數(shù)據(jù)，應(yīng)用二維彈性成像算法追蹤盆底肌位移場(chǎng)，提取特征點(diǎn)的位移曲線，對(duì)比分析能有效完成指定動(dòng)作的37例不同脫垂程度患者的位移結(jié)果，發(fā)現(xiàn)提取接近恥骨處特征點(diǎn)的切向位移參數(shù)(MPu)與臨床脫垂測(cè)量參數(shù)(LBP)具有相關(guān)性(r=-0.93)，同時(shí)通過在指定的肌肉慢縮運(yùn)動(dòng)中的肌力維持時(shí)間均值和最大厚度均值對(duì)盆底肌的持續(xù)控制能力進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果與被試臨床脫垂分級(jí)表現(xiàn)具有顯著相關(guān)性。結(jié)果表明，這種方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)盆底肌肉自身生物力學(xué)特性的客觀定量評(píng)估，為臨床脫垂診斷提供重要的參考價(jià)值。

盆腔器官脫垂；肛提肌；彈性成像；肌肉評(píng)估

引言

女性盆底功能障礙性疾病(pelvic floor dysfunction, PFD)，是一種由于盆底支撐結(jié)構(gòu)損傷而導(dǎo)致盆底臟器位置和功能異常的中老年女性常見疾病，主要表現(xiàn)為壓力性尿失禁、盆腔器官脫垂和性功能障礙，現(xiàn)已成為威脅女性健康的5種常見慢性疾病之一[1]。1992年，Delancey教授提出了吊床學(xué)說，即“陰道三個(gè)支持水平”理論，將支持陰道的筋膜、韌帶、結(jié)締組織和盆底肌肉分為上、中、下3個(gè)水平以撐托盆底，并指出肛提肌群是盆底3個(gè)支撐水平中最重要的支持結(jié)構(gòu)[2]；一旦發(fā)生松弛或損傷，盆腔器官將無法維持在正常位置，從而出現(xiàn)盆底臟器脫垂等盆底功能障礙性疾病[3]。盆底功能性障礙疾病防治的前提是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確診斷。臨床診斷盆底功能性障礙疾病的主要依據(jù)是婦科檢查結(jié)果，應(yīng)用國(guó)際尿控協(xié)會(huì)推薦的盆腔器脫垂的定量POP-Q分度法，對(duì)盆腔臟器的脫垂及其程度進(jìn)行診斷[1]?，F(xiàn)有的盆底肌肉評(píng)估方法包括觸診、陰道內(nèi)壓力測(cè)試[4-5]、肌電圖測(cè)試[6-7]和影像技術(shù)，具有各自的優(yōu)勢(shì)也各存限制。傳統(tǒng)的陰道觸診(vaginal palpation)是一種目前被理療學(xué)家廣泛用來評(píng)估盆底肌肉收縮能力的方法，測(cè)試者通過指診的方式直接感受陰道收縮的肌力大小，并結(jié)合Oxford評(píng)分系統(tǒng)對(duì)肌肉進(jìn)行分級(jí)評(píng)分。這種方法感性、簡(jiǎn)單、常用，但是由測(cè)試者主觀判斷，需要診斷者具有熟練的經(jīng)驗(yàn)，所以具有一定的測(cè)量誤差。陰道內(nèi)壓力測(cè)試可以間接地獲取盆底肌肉的擠壓力量，但是容易受到肌群(如腹肌、臀肌)收縮對(duì)測(cè)量的干擾[6]。肌電圖測(cè)試(EMG)通過測(cè)肌肉的電位活動(dòng)來對(duì)肌肉進(jìn)行評(píng)估，目前在盆底肌肉康復(fù)治療的肌肉評(píng)估中應(yīng)用較多。隨著影像技術(shù)的快速發(fā)展，超聲成像技術(shù)、磁共振成像技術(shù)及X線成像技術(shù)[8-16]能夠?qū)ε璧准∪獾慕馄式Y(jié)構(gòu)及形態(tài)位置進(jìn)行成像，通過測(cè)量盆膈裂孔面積等量化參數(shù)間接對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。Dietz等通過超聲測(cè)量尿道內(nèi)口在肛提肌從靜息狀態(tài)到最大收縮狀態(tài)時(shí)相對(duì)恥骨聯(lián)合后下邊緣的橫向位移和縱向位移[12]，間接地對(duì)被試的肛提肌的活動(dòng)度進(jìn)行評(píng)估。

上述對(duì)盆底肌肉力學(xué)特性的評(píng)估方法具有主觀性或者是有創(chuàng)的，而且所見文獻(xiàn)報(bào)道中的評(píng)估參數(shù)并不能定量地反映盆底肌自身生物力學(xué)特性。本研究提出一種無創(chuàng)、客觀的肌肉運(yùn)動(dòng)分析方法，基于經(jīng)會(huì)陰超聲檢測(cè)手段，以正常無盆腔器官脫垂女性及產(chǎn)后盆腔器官脫垂女性為研究對(duì)象，同步采集被試在肛提肌收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉超聲視頻數(shù)據(jù)和肌力數(shù)據(jù)，應(yīng)用二維彈性成像技術(shù)對(duì)盆底肌的形變進(jìn)行追蹤，提取肌肉自身位移參數(shù)和肌肉厚度參數(shù)，結(jié)合測(cè)得的肌力數(shù)據(jù)，對(duì)盆底肌肉彈性屬性進(jìn)行客觀定量的評(píng)估，探討超聲彈性成像方法在女性盆底功能障礙性疾病診斷和治療中的應(yīng)用價(jià)值。

1 方法

本研究通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同步采集肌肉整個(gè)收縮和松弛過程中連續(xù)變化的肌力數(shù)據(jù)和超聲視頻數(shù)據(jù)。肛提肌在進(jìn)行收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生陰道內(nèi)壓，因此通過測(cè)量陰道內(nèi)壓來獲取盆底肌的肌力數(shù)據(jù)。獲取的超聲視頻數(shù)據(jù)通過彈性成像算法進(jìn)行位移追蹤，通過數(shù)據(jù)處理提取位移參數(shù)和肌肉厚度參數(shù)，從而對(duì)盆底肌的力學(xué)屬性進(jìn)行定量評(píng)估。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)、彈性成像算法和數(shù)據(jù)處理方案將依次進(jìn)行介紹。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在本研究中，肌力數(shù)據(jù)通過經(jīng)陰道方式獲得，超聲數(shù)據(jù)通過經(jīng)會(huì)陰超聲獲得。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)如圖1所示。該平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集對(duì)象、數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)同步采集處理裝置。其中，壓力檢測(cè)裝置用于檢測(cè)女性收縮肛提肌時(shí)產(chǎn)生的陰道內(nèi)壓，并輸出相應(yīng)的壓強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過處理裝置轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)，最后通過波形圖顯示。該部分裝置包括液囊、導(dǎo)管、壓強(qiáng)傳感器、注射器等。盆底肌的超聲數(shù)據(jù)由GE Voluson E8 Expert 超聲診斷儀采集，腔內(nèi)探頭頻率6～12 MHz。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物。(a)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)，包括肌力采集裝置、信號(hào)放大電路、工控機(jī)和顯示器；(b)肌力采集裝置，包括氣囊、導(dǎo)管、壓強(qiáng)傳感器和液體注射器Fig.1 Photos of the experimental system. (a)Photo of data acquisition system, including the data collection part of intravaginal pressure measurement, the amplifier, an industrial personal computer and the monitor;(b) Photo of the intravaginal pressure acquisition device, consists of an air bubble, a pipe, a pressure sensor and a syringe.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，同步采集超聲和肌力數(shù)據(jù)，并在電腦VC++用戶界面上同步顯示。超聲探頭置于被試的會(huì)陰處，當(dāng)被試按醫(yī)生指令進(jìn)行盆底肌肉收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過超聲實(shí)時(shí)觀測(cè)盆底肌最重要的組成部分——恥骨直腸肌的冠狀面運(yùn)動(dòng)情況。超聲圖像數(shù)據(jù)由圖像采集卡(NIPCI-1411, National Instruments Corp. Austin, TX, USA)采集。采集陰道肌力的液囊置于陰道內(nèi)，照顧被試的實(shí)際感受，注入一定量的水，以保證液囊壁完全貼合陰道內(nèi)壁，當(dāng)肌肉收縮時(shí)能獲取更為準(zhǔn)確的擠壓力，同時(shí)還能獲得病人完成一系列動(dòng)作時(shí)陰道肌力的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)。肌力數(shù)據(jù)由壓力傳感器傳輸至數(shù)據(jù)采集卡(NIPCI-6024E, National Instruments Corp. Austin, TX, USA)。

1.2 數(shù)據(jù)采集方案

本研究對(duì)象為臨床女性被試，分為3組：正常未生育組、陰道分娩初產(chǎn)組和剖腹產(chǎn)組，采集50例被試的超聲和壓力數(shù)據(jù)，其中13例數(shù)據(jù)因被試無法準(zhǔn)確按指令完成動(dòng)作而視為無效。受試者均簽署知情同意書。被試平均年齡為(27.05±3.71)歲，平均體重為(58.43±5.37) kg，平均身高(161.21±5.20) cm，見表1。所有被試都經(jīng)盆底?？漆t(yī)生，通過經(jīng)會(huì)陰超聲診斷前盆腔器官脫垂方法[17-18]評(píng)估診斷其盆腔的脫垂情況。所使用的脫垂程度劃分方法為Ditez等在2001年提出的[17]，以經(jīng)過恥骨聯(lián)合下緣的水平線作為參考線來診斷盆腔器官脫垂程度。王慧芳等也以該方法對(duì)患者進(jìn)行脫垂分期，主要評(píng)估參數(shù)為當(dāng)患者做最大Valsaval動(dòng)作時(shí)膀胱后壁脫垂最下緣距離恥骨聯(lián)合下緣參考線的距離LBP[18]。當(dāng)LBP>10 mm時(shí)，即膀胱后壁脫垂最下緣位于恥骨聯(lián)合下緣參考線以上且距離大于10 mm，為0度；當(dāng)0

表1 患者分組情況

為了避免數(shù)據(jù)采集上的誤差，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，盆底專科醫(yī)生簡(jiǎn)單指導(dǎo)被試學(xué)會(huì)做盆底肌肉收縮運(yùn)動(dòng)。為了保證所采病人數(shù)據(jù)是在同一條件下進(jìn)行的，患者在統(tǒng)一指令下做盆底肌肉收縮運(yùn)動(dòng)，B-mode圖像數(shù)據(jù)傳輸采集、肌力數(shù)據(jù)傳輸采集在指令的指導(dǎo)下開始并結(jié)束。恥骨直腸肌包含大量I型慢顫搐型肌纖維，可以持續(xù)地保持張力性收縮，這對(duì)盆底器官維持在正常位置避免脫垂起到關(guān)鍵性作用。因此，本研究中盆底肌的運(yùn)動(dòng)模式采取慢縮運(yùn)動(dòng)，用于評(píng)估盆底肌維持持續(xù)張力的能力。慢縮運(yùn)動(dòng)要求被試控制肌肉，從靜息狀態(tài)持續(xù)緩慢收縮至最大程度并做短暫保持，然后緩慢放松，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程一般不超過7 s。37例被試能有效完成這種肌肉收縮運(yùn)動(dòng)模式。為了避免因?yàn)榧∪馄诳赡軒淼母蓴_，被試完成收縮模式后休息15～20 min。同時(shí)，由于肛提肌是環(huán)繞直腸連接恥骨，因此所采集的肌肉冠狀面超聲圖像中應(yīng)包含恥骨和直腸部分，以便將恥骨聯(lián)合點(diǎn)和直腸作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析時(shí)的參考點(diǎn)。

1.3 形變追蹤算法

本研究針對(duì)盆底肌的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，擬從超聲圖像中追蹤肌肉在運(yùn)動(dòng)過程中的形變信息。軟組織的形變追蹤有很多算法[19-21]，基于運(yùn)算速度、準(zhǔn)確性和可靠性等多個(gè)因素的綜合考慮，本研究采用光流算法。目前，許多光流算法(optical flow algorithm, Opt)都是以Horn和Shunck提出的數(shù)學(xué)方法[22]為基礎(chǔ)進(jìn)行衍生的，即假設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中圖像灰度不變，則有灰度方程為

(1)

式中：I為灰度值，某點(diǎn)(x，y)在t時(shí)間一幅圖像中的灰度值和該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)后在t+1時(shí)間的圖(即下一幅圖中的灰度值)是一樣的；u、v為該點(diǎn)分別在x、y方向上的位移。

從式(1)可以得到光流約束方程，即經(jīng)典的Horn & Shunck光流方程，有

Ixu+Iyv+It=0

(2)

式中，Ix、Iy和It為圖像亮度的時(shí)空梯度，它們可以通過從圖像上相鄰像素進(jìn)行估計(jì)得到。

但是，求解u、v根據(jù)僅有的這幾個(gè)參數(shù)是不夠的，所以還需要另外附加約束條件。由此，根據(jù)施加不同約束條件的方法，衍生發(fā)展出了不同的光流算法。

本研究采用的位移追蹤算法為學(xué)者Thomas等人提出的一種基于變形扭曲、由粗到精的光流估算法[23]。同樣，此方法也基于Horn提出的光流法中的基本前提，而Thomas的算法使用了式(1)的假設(shè)，同時(shí)還提出了灰度空間梯度恒定不變的假設(shè)，有

(3)

(4)

(5)

(6)

能量Edata用于測(cè)量灰度值恒定假設(shè)和梯度灰度空間梯度恒定假設(shè)之間的全局差異，其中ψ為非平方懲罰函數(shù)，γ為灰度守恒和梯度守恒的權(quán)重。式(5)為平滑光流場(chǎng)的模型假設(shè)，3=(?x，?y，?t)T，由式(4)、(5)可得到式(6)，總能量為兩者的權(quán)重之和(α為平滑項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)，α > 0)。通過尋找能使得E(u，v)值最小的u、v，求解光流矢量。根據(jù)變分原理最小化式(1)，采樣多分辨分層計(jì)算，并用超松弛迭代得到迭代方，有

(7)

式中，k為迭代層數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方案

對(duì)超聲視頻序列進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理方案包括以下步驟。

步驟1：截取感興趣區(qū)域；

步驟2：采用光流法求位移場(chǎng)u和v(其中，u為橫向位移，v為縱向位移)；

步驟3：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求r和q(其中，r為徑向位移，q為切向位移)；

步驟4：選取特征點(diǎn)Pu(靠近恥骨聯(lián)合的特征點(diǎn))和Re(靠近直腸的特征點(diǎn))，特征點(diǎn)的標(biāo)定以恥骨直腸肌總長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)，取近恥骨側(cè)1/4總長(zhǎng)處、位于肌肉橫切中間位置的點(diǎn)為Pu點(diǎn)，取近直腸側(cè)1/4總長(zhǎng)處、位于肌肉橫切中間位置的為Re點(diǎn)，并求這兩點(diǎn)的位移曲線；

步驟5：計(jì)算恥骨直腸肌的厚度變化曲線。

恥骨直腸肌起自恥骨聯(lián)合下部和鄰近恥骨，向后下方延伸，繞過陰道或前列腺的外側(cè)，于肛管直腸連接處的后方，左右二肌連合成U形。按照上述超聲圖像采集方案，圖像中必須包括恥骨聯(lián)合和直腸作為參考坐標(biāo)。受超聲探頭的視野限制，所采集的超聲數(shù)據(jù)皆為被試恥骨直腸肌右位部分(見圖2)。

為了處理重疊峰嚴(yán)重的標(biāo)記熒光蛋白信號(hào)，提出了具有可調(diào)的新閾值函數(shù).經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新可調(diào)閾值函數(shù)去噪質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)的硬、軟閾值函數(shù)，同時(shí)也證實(shí)具有可調(diào)特性的新閾值公式在處理重疊峰較嚴(yán)重的數(shù)據(jù)時(shí)，具有更好的去噪效果.

圖2 一幅典型的盆底肌肉超聲圖：恥骨直腸肌(右側(cè))。其中白色虛線矩形框?yàn)樾巫冏粉櫟母信d趣區(qū)域，紅色虛線部分標(biāo)注區(qū)域?yàn)閻u骨直腸肌右位部分，黃色橢圓區(qū)域分別是恥骨和直腸，Pu和Re分別為靠近恥骨和直腸的特征點(diǎn)Fig.2 A typical ultrasound B-mode image of puborectalis muscle (right side). The white dotted rectangle area is the region of interest for motion tracking, the area in the red dotted lines is the puborectalis muscle (right side), the yellow circles indicate the pubis and rectum, respectively, and the dots labeled as Pu and Re are the feature points neighboring to the pubis and rectum, respectively

為了與臨床基于靜態(tài)超聲的盆底脫垂分級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，求出慢縮過程中的肌肉位移均值。設(shè)被試從接收到收縮盆底肌指令開始，至保持收縮狀態(tài)，再到最后放松盆底肌，將被試的動(dòng)作按照陰道收縮肌力曲線劃分為收縮區(qū)、保持區(qū)和放松區(qū)3個(gè)區(qū)域(見圖3)，計(jì)算肌肉平均位移值，并與肌力數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

為進(jìn)一步評(píng)估肌肉厚度與臨床脫垂分級(jí)的相關(guān)性，計(jì)算各個(gè)被試的肌肉厚度變化曲線，得到不同脫垂程度的被試典型的恥骨直腸肌厚度隨收縮運(yùn)動(dòng)的變化(見圖4)。

為了比較不同脫垂程度被試的肌肉控制能力及肌肉厚度關(guān)系，計(jì)算出各組保持區(qū)的肌力平均保持時(shí)間t0及對(duì)應(yīng)的保持區(qū)肌肉厚度平均值Md。

總體來說，在實(shí)驗(yàn)中，所有被試按醫(yī)生的統(tǒng)一指令完成盆底肌肉慢縮運(yùn)動(dòng)，在此過程中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同步采集陰道肌力和恥骨直腸肌的超聲視頻數(shù)據(jù)。此過程重復(fù)3遍，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。隨后，肌力數(shù)據(jù)和超聲數(shù)據(jù)按上述方法處理，提取包括恥骨直腸肌特征點(diǎn)的位移變化曲線、厚度變化曲線以及肌力變化的曲線。此外，所有被試由盆底專科醫(yī)生，通過靜態(tài)的經(jīng)會(huì)陰超聲方法，診斷其前盆腔器官的脫垂程度，作為臨床分級(jí)的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)。最后分析所得參數(shù)與此分級(jí)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，從而評(píng)估新方法對(duì)女性盆底功能障礙分級(jí)的可行性。

圖3 典型的慢縮肌力曲線。慢縮過程包括肌肉收縮區(qū)(A-B)，保持區(qū)(B-C)和放松區(qū)(C-D)Fig.3 The contraction force measured during vaginal contraction, and was regarded as the contraction period (from point A to B), retaining period (from point B to C)and relaxing period (from point C to D)

圖4 不同脫垂被試肌肉厚度及肌力曲線。(a)0度患者；(b)Ⅰ度患者；(c)Ⅱ度患者；(d)Ⅲ度患者Fig.4 Typical muscle thickness and muscle contraction force curves of different subjects.(a)～(d) Graded at degree 0, I, II and Ⅲ according to clinical standard, respectively

2 結(jié)果

圖2為采集的超聲視頻數(shù)據(jù)中提取的一幅典型的恥骨直腸肌超聲圖。經(jīng)超聲盆底?？漆t(yī)生確認(rèn)，圖中紅色虛線(曲線)部分標(biāo)注區(qū)域?yàn)閻u骨直腸肌右位部分，黃色橢圓區(qū)域分別是恥骨和直腸，Pu和Re分別為靠近恥骨和直腸的特征點(diǎn)。

圖3為一個(gè)典型的慢縮運(yùn)動(dòng)過程中采集的陰道收縮肌力曲線。根據(jù)該曲線，把得到的時(shí)間采樣點(diǎn)分為收縮區(qū)、保持區(qū)和放松區(qū)，如圖3虛線所示。4個(gè)分界點(diǎn)A、B、C和D分別對(duì)應(yīng)各區(qū)分界的時(shí)間點(diǎn)。取第(A+B)/2個(gè)時(shí)間點(diǎn)至第(C+D)/2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)的位移求平均值，通過該方法分別求出這37例被試特征點(diǎn)Pu和Re的位移均值，分別記為MPu和MRe。計(jì)算出被試特征點(diǎn)的位移均值以及根據(jù)臨床標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量所得的LBP均值，見表2。

表2給出了37例被試的臨床測(cè)量參數(shù)LBP及恥骨直腸肌上兩個(gè)特征點(diǎn)Pu和Re點(diǎn)在圖3所示的保持區(qū)時(shí)間段內(nèi)的切向和徑向位移均值。由表2可知：特征點(diǎn)的切向位移量總體大于徑向位移量；在切向位移中，Re點(diǎn)的位移量總體大于Pu點(diǎn)的位移量；兩個(gè)特征點(diǎn)的位移均值都與臨床結(jié)果表現(xiàn)出一定相關(guān)性。

表2 各組位移均值和臨床測(cè)量參數(shù)LBP對(duì)照

為了進(jìn)一步探討這一相關(guān)性，將37例被試的徑向位移MPu和切向位移MRe與臨床參數(shù)LBP進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析。結(jié)果表明，Pu和Re兩點(diǎn)的徑向位移均值與臨床參數(shù)LBP無顯著相關(guān)性，而切向位移均值與LBP均表現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)，尤其是MPu與LBP表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.93，P<0.01)，即LBP越小、MPu越大，脫垂程度越嚴(yán)重。

圖4給出了不同脫垂程度被試在盆底肌慢縮過程中恥骨直腸肌厚度與陰道肌力同步隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，肌肉的厚度變化完整地反映出了肌肉收縮、保持和放松的整個(gè)階段，并且與肌力的變化同步性較好。在被試收縮肌肉的過程中，肌力增大，肌肉的厚度也不斷增大。

由表3可見，隨著盆底肌脫垂程度增大，肌力平均保持時(shí)間減小，即肌肉持續(xù)控制力減小，對(duì)應(yīng)的肌肉厚度平均值減小?？梢?，無脫垂被試的肌肉持續(xù)控制力總體最好，肌肉在保持區(qū)所能達(dá)到厚度均值最大((13.32±0.24)mm)；重度脫垂被試的肌肉持續(xù)控制能力較弱，所能達(dá)到肌肉厚度均值最小

((5.34.32±0.38)mm)。

表3 各組保持區(qū)的平均時(shí)間及肌肉厚度均值

Tab.3 The average time of retaining the max contraction force and mean muscle thickness during the retaining period in each group

組別0度Ⅰ度Ⅱ度Ⅲ度t0/s4.37±0.323.92±0.543.56±0.703.16±0.32Md/mm13.32±0.2411.86±0.189.88±0.245.34±0.38

通過以上統(tǒng)計(jì)分析，切向位移均值MPu與Md均與臨床結(jié)果表現(xiàn)出很好的相關(guān)性。為了對(duì)比兩個(gè)參數(shù)對(duì)盆底肌生物力學(xué)特性的評(píng)估能力，筆者畫出兩者的箱線分布圖，并通過t檢驗(yàn)進(jìn)行組間差異分析，計(jì)算出P值和H(P<0.05時(shí)表示差異顯著，H=1時(shí)表示組間具有區(qū)分度)。結(jié)果如圖5所示，4組脫垂程度被試切向位移均值MPu組間差異顯著(P值都小于0.05)，具有組間區(qū)分度。對(duì)于參數(shù)Md，組間差異顯著(P值都小于0.01)，其不同脫垂組之間的區(qū)分度優(yōu)于MPu的組間區(qū)分度。

圖5 箱線分布圖。(a)最大肌力保持區(qū)切向位移MPu箱線分布圖；(b)最大肌力保持區(qū)肌肉平均厚度Md箱線分布圖Fig.5 Box plots. (a)Tangential displacement MPuduring the retaining period; (b) Muscle mean thickness Md during the retaining period

3 討論

筆者首次通過自行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，同步檢測(cè)女性盆底肌收縮時(shí)的陰道內(nèi)肌力和恥骨直腸肌的運(yùn)動(dòng)信息，用以評(píng)估盆底肌的健康狀況。通過光流法，從盆底超聲數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)追蹤肛提肌位移場(chǎng)，得到肌肉收縮時(shí)各點(diǎn)的位移運(yùn)動(dòng)情況。通過收縮過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)陰道肌力，求取特征點(diǎn)在肌力最大保持區(qū)的位移均值。對(duì)于所有被試，均由臨床醫(yī)生采用臨床診斷參數(shù)LBP進(jìn)行盆底脫垂程度分級(jí)。結(jié)果顯示，肌力最大維持區(qū)間內(nèi)，恥骨直腸肌的徑向位移均值與LBP無相關(guān)性，而切向位移均值MPu和MRe與臨床脫垂評(píng)估參數(shù)LBP具有顯著的負(fù)相關(guān)性，由此發(fā)現(xiàn)參數(shù)MPu對(duì)于肛提肌的定量評(píng)估在盆底脫垂診斷中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

另外，肌肉厚度變化也能反映肌肉的力學(xué)性能，根據(jù)追蹤出的位移，計(jì)算出被試的肌肉厚度變化曲線。在被試收縮肌肉的過程中，肌肉的厚度隨著肌力的增大而增大。肌肉產(chǎn)生收縮力時(shí)，為了維持運(yùn)動(dòng)，彌補(bǔ)肌肉收縮力的不足，會(huì)有越來越多的運(yùn)動(dòng)單位被募集，參與的肌纖維數(shù)量也越來越多，肌肉厚度也隨之增加。為了比較不同脫垂組對(duì)肌肉的控制力，計(jì)算出各組在最大肌力保持區(qū)所維持的時(shí)間長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)的最大厚度維持均值。結(jié)果顯示，隨著脫垂程度增大，肌力平均維持時(shí)間減小，最大厚度維持均值也減小，說明被試對(duì)肛提肌的持續(xù)控制力就越弱。由此對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無脫垂被試的肌肉持續(xù)控制能力較好，脫垂越嚴(yán)重被試的肌肉持續(xù)控制能力越弱。

通過對(duì)比厚度均值Md與切向位移MPu的箱線圖和t檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩參數(shù)的組間差異都較顯著，而Md對(duì)不同脫垂程度的區(qū)分度優(yōu)于MPu對(duì)組之間的區(qū)分度。這為臨床分析肛提肌自身生物力學(xué)特性提供重要價(jià)值，同時(shí)表明本研究的方法可為臨床脫垂診斷提供重要的參考價(jià)值。

臨床現(xiàn)有的基于超聲的實(shí)時(shí)檢測(cè)盆底肌生物力學(xué)性能的方法，多數(shù)是利用經(jīng)陰道超聲測(cè)量盆膈裂孔的周長(zhǎng)、面積以及肛提肌的厚度等參數(shù)在松弛、最大收縮狀態(tài)和Valsava 動(dòng)作時(shí)的改變量，定量地判定肛提肌的力學(xué)性能。這種方法雖然在一定程度上能反映盆底肌的力學(xué)性質(zhì)，然而組織的變形受其內(nèi)部彈性分布、幾何形狀和尺寸、載荷以及邊界條件的影響，并不是組織的內(nèi)在力學(xué)特性。另外，肌肉作為典型的黏彈性組織，盆膈裂孔周長(zhǎng)、面積以及肛提肌厚度等參數(shù)的改變量，很大程度取決于肌肉狀態(tài)的變化速度。因此，靜態(tài)地測(cè)量這些參數(shù)，并不能真正反映組織的病理生理學(xué)的改變。

與現(xiàn)有方法相比，本研究提出的方法，首次在監(jiān)測(cè)盆底肌肉運(yùn)動(dòng)變形的同時(shí)，記錄了肌群的整體肌力變化曲線，從而為活體肌肉的力學(xué)分析提供了力和形變兩大不可或缺的重要參數(shù)。但是，受盆底肌群的解剖結(jié)構(gòu)限制，無法直接測(cè)定每塊肌肉主動(dòng)收縮時(shí)的肌力。因此，在實(shí)時(shí)檢測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，監(jiān)測(cè)陰道內(nèi)力，作為盆底肌力的一個(gè)間接的指標(biāo)。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)盆底肌肉在主動(dòng)收縮時(shí)肌力的定量無創(chuàng)測(cè)量，還需繼續(xù)深入研究。

4 結(jié)論

女性盆底功能障礙是中老年女性的常見慢性病，研究發(fā)現(xiàn)妊娠和分娩是女性盆底功能障礙的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，因此越來越多的女性意識(shí)到這個(gè)問題，并積極地參與產(chǎn)后的盆底肌評(píng)估和康復(fù)治療。但是，目前尚沒有一個(gè)無創(chuàng)、快捷的方法可以對(duì)盆底肌的生物力學(xué)特性進(jìn)行定量評(píng)估。本研究提出的方案可以滿足臨床需求，并且與臨床現(xiàn)有的盆底脫垂分級(jí)結(jié)果有高度相關(guān)性。

近年來，基于超聲和磁共振成像的組織彈性成像技術(shù)越來越多地用于臨床腫瘤的檢出、良惡性的鑒別等，最新的研究也用于骨骼肌、心肌等各向異性組織的彈性測(cè)量。在臨床常見的彈性成像技術(shù)中，基于直接按壓的準(zhǔn)靜態(tài)彈性成像技術(shù)和基于外加振子振動(dòng)的彈性成像技術(shù)不適用于盆底肌的彈性測(cè)量，因?yàn)榕璧准∈芘韫钦趽酰瑹o法接觸施壓?；诼曒椛淞Φ募羟胁◤椥猿上窦夹g(shù)有望用于盆底肌的彈性測(cè)量，并且能提供直接反映肌肉本身生物力學(xué)屬性的剪切模量[24-27]，但是剪切波彈性測(cè)量的結(jié)果高度依賴于聲輻射力所產(chǎn)生的剪切波傳播方向與肌纖維走向的夾角[28-29]。因此，在將基于聲輻射力的剪切波彈性成像應(yīng)用于女性盆底肌的生物力學(xué)測(cè)量之前，如何調(diào)控產(chǎn)生合適的剪切波，并檢測(cè)其傳播方向與肌纖維走向的夾角，是需要解決的問題。

[1] Haylen BT, De Ridder D, Freeman RM, et al. An International Urogynecological Association (IUGA)/International Continence Society (ICS) joint report on the terminology for female pelvic floor dysfunction[J]. International Urogynecology Journal, 2010, 21(1): 5-26.

[2] DeLancey JO. Anatomie aspects of vaginal eversion after hysterectomy[J]. American Journal of Obstetrics and Gynecology, 1992, 166(6): 1717-1728.

[3] Dietz HP, Shek C. Levator avulsion and grading of pelvic floor muscle strength[J]. International Urogynecology Journal, 2008, 19(5): 633-636.

[4] Kegel AH. Progressive resistance exercise in the functional restoration of the perineal muscles [J]. American Journal of Obstetrics & Gynecology, 1948, 56(2): 238-248.

[5] Kegel AH. Stress incontinence and genital relaxation[J]. Ciba Clin Sympos, 1952, 2: 35-51.

[6] B? K, Sherburn M. Evaluation of female pelvic-floor muscle function and strength[J]. Physical Therapy,2005,85(3):269-282.

[7] 海寧,朱蘭,郎景和. 盆底障礙性疾病盆底自主收縮肌肉力量研究[J]. 生殖醫(yī)學(xué)雜志, 2008, 17(5): 321-324.

[8] B? K, Lille?s F, Talseth T, et al. Dynamic MRI of the pelvic floor muscles in an upright sitting position[J]. Neurourology and Urodynamics, 2001, 20(2): 167-174.

[9] Petri E, Koelbl H, Schaer G. What is the place of ultrasound in urogynecology? A written panel [J]. International Urogynecology Journal, 1999, 10(4): 262-273.

[10] Dietz HP, Jarvis SK, Vancaillie TG. The assessment of levator muscle strength: a validation of three ultrasound techniques[J]. International Urogynecology Journal, 2002, 13(3): 156-159.

[11] Stoker J, Halligan S, Bartram CI. Pelvic floor imaging 1[J]. Radiology, 2001, 218(3): 621-641.

[12] Dietz HP, Wilson PD, Clarke B. The use of perineal ultrasound to quantify levator activity and teach pelvic floor muscle exercises[J]. International Urogynecology Journal, 2001, 12(3): 166-169.

[13] Schoenenberger AW, Debatin JF, Guldenschuh I, et al. Dynamic MR defecography with a superconducting, open-configuration MR system[J]. Radiology, 1998, 206(3): 641-646.

[14] Christensen LL, Djurhuus JC, Constantinou CE. Imaging of pelvic floor contractions using MRI [J]. Neurourology and Urodynamics, 1995, 14(3): 209-216.

[15] B? K, Sherburn M, Allen T. Transabdominal ultrasound measurement of pelvic floor muscle activity when activated directly or via a transversus abdominis muscle contraction[J]. Neurourology and Urodynamics, 2003, 22(6): 582-588.

[16] Peschers UM, Gingelmaier A, Jundt K, et al. Evaluation of pelvic floor muscle strength using four different techniques[J]. International Urogynecology Journal, 2001, 12(1): 27-30.

[17] Dietz HP,Haylen BT, Broome J. Ultrasound in the quantification of female pelvic organ prolapse[J]. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology, 2001, 18(5): 511-514.

[18] 王慧芳,陳華,折瑞蓮,等. 經(jīng)會(huì)陰超聲評(píng)估前盆腔器官脫垂程度與臨床盆腔器官脫垂定量分期的相關(guān)性研究[J]. 中華超聲影像學(xué)雜志, 2013, 22(8): 684-687.

[19] Luo Jianwen, Konofagou EE. A fast normalized cross-correlation method for motion estimation [J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2010, 57(6):1347-1357.

[20] Zhang Qi, Li Chaolun, Zhou Moli, et al. Quantification of carotid plaque elasticity and intraplaque neovascularization using contrast-enhanced ultrasound and image registration-based elastography[J]. Ultrasonics,2015,62:253-262.

[21] Lu Minhua, Tang Yanan, Sun Ruichao, et al. A real time displacement estimation algorithm for ultrasound elastography[J]. Computers in Industry, 2015,69: 61-71.

[22] Horn BKP, Schunck BG. Determining optical flow[J]. Artificial Intelligence, 1981, 17(1-3): 185-203.

[23] Brox T, Bruhn A, Papenberg N, et al. High accuracy optical flow estimation based on a theory for warping[C]//European Conference on Computer Vision. Beilin: Springer Berlin Heidelberg, 2004: 25-36.

[24] Ringleb SI, Bensamoun SF, Chen Q, et al. Applications of magnetic resonance elastography to healthy and pathologic skeletal muscle[J]. Journal of Magnetic Resonance Imaging, 2007, 25(2): 301-309.

[25] Green MA, Sinkus R, Gandevia SC, et al. Measuring changes in muscle stiffness after eccentric exercise using elastography[J]. NMR in Biomedicine, 2012, 25(6): 852-858.

[26] Gennisson JL, Cornu C, Catheline S, et al. Human muscle hardness assessment during incremental isometric contraction using transient elastography[J].Journal of Biomechanics, 2005, 38: 1543-1550.

[27] Urban MW, Pislaru C, Nenadic IZ, et al. Measurement of viscoelastic properties of in vivo swine myocardium using lamb wave dispersion ultrasound vibrometry (LDUV) [J]. IEEE transactions on medical imaging, 2013, 32(2): 247-261.

[28] 范春芝,安力春,徐建紅,等.實(shí)時(shí)定量超聲彈性成像技術(shù)檢測(cè)肱二頭肌橫切面與縱切面彈性差異[J].中華醫(yī)學(xué)超聲雜志, 2011, 8 (5): 56-59.

[29] Guo Min, Abbott D, Lu Minhua, et al. Quasi-plane shear wave propagation induced by acoustic radiation force with a focal line region: a simulation study[J]. Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine, 2016, 39(1): 187-197.

A Novel Method for Quantitative Evaluation of Female Pelvic Floor Muscle Using Ultrasound Elastography

Huang Shuai1Li Ling1,2Lian Li1Guo Juan3Tao Zi1Zhu Chaochao1Wang Huifang3Lu Minhua1*

1(SchoolofBiomedicalEngineering,ShenzhenUniversity,GuangdongKeyLaboratoryforBiomedicalMeasurementsandUltrasoundImaging,Shenzhen518060,Guangdong,China)2(EasternHospitalofShanghaiatJi′an,Jiangxi343006,Jiangxi,China)3(DepartmentofUltrasound,theFirstAffiliatedHospitalofShenzhenUniversity,Shenzhen518060,Guangdong,China)

Female pelvic floor dysfunction is a common disease which has become one of the five common chronic diseases threatening women′s health. As one of supporting structures, pelvic floor muscle is critical to support the pelvic organs, maintain continence and prevent prolapse. Quantitative evaluation of pelvic floor muscle biomechanics is of great value for the diagnosis and treatment of female pelvic floor dysfunction. Our study aims to propose a noninvasive, quantitative and objective method for motion analysis of the pelvic floor muscles. Ultrasound data and force data during continuous contractive activities were simultaneously collected based on transperineal ultrasound scanners from 50 subjects. A two-dimensional motion tracking algorithm was used to monitor the motion of the pelvic floor muscles. Muscle displacement field was then computed. The parameter defined asMPuthat is the tangential displacements of one interested point near pubis from the valid data of 37 subjects, showed good correlation with clinical measurement parameter (LBP) (r=-0.93). The continuous control ability of the pelvic muscles was further evaluated by measuring the average maintain time of the maximal contraction force and the maximum muscle thickness. Both of them were computed from the valid data of 37 subjects and showed good correlation with the clinical grading result of prolapse. It is concluded that ultrasound measurements of tissue motions and biomechanics are of great value for clinical pelvic floor prolapse diagnosis.

pelvic organ prolapse; pelvic floor muscle; elastography; muscle assessment

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 04.003

2016-08-14， 錄用日期:2016-12-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(61471243)；深圳市科技計(jì)劃(SGLH20131010163759789, JCYJ20150731160834611, JCYJ20140414170821323)

R318

A

0258-8021(2017) 04-0401-09

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: luminhua@szu.edu.cn