定量超聲評估肌肉功能研究進展

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(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲科，浙江 溫州 325000)

目前，免疫組化、電泳、分子克隆等多領(lǐng)域研究已經(jīng)加深了對肌肉形態(tài)、功能的認(rèn)識。研究肌肉的結(jié)構(gòu)參數(shù)、評估肌肉功能可進一步了解人體運動功能的生物力學(xué)機制，有助于掌握人體運動的力學(xué)規(guī)律。定量超聲可在二維超聲圖像中提取結(jié)構(gòu)性參數(shù)，如羽狀角(pennation angle， PA)、肌纖維長度(fascicle length, FL)、肌肉厚度(muscle thickness, MT)、肌肉橫截面積(cross-sectional area, CSA)和橫斷面厚寬比(thickness-width ratio, TWR)等，以顯示肌肉的狀態(tài)變化，并以此評估肌肉活動時的狀態(tài)變化。本文對定量超聲在肌肉功能評估中的應(yīng)用進展進行綜述。

1 肌肉的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

1.1PA PA是指肌束與深層筋膜所形成的角度，即肌束的方向。人類骨骼肌中PA一般為5°～25°，但不同肌肉群間PA大小有所差異。PA與肌纖維收縮的數(shù)目密切相關(guān)，PA越大，肌纖維收縮的數(shù)目越多，肌肉的發(fā)力能力也越大[1]；同理，當(dāng)肌肉收縮時PA也會增大。因此，PA常被用于評估肌肉的收縮狀況、肌肉狀態(tài)與力量間的關(guān)系等。同時，PA決定著肌纖維收縮力向筋膜的傳遞，PA越小，越有利于收縮力向筋膜傳遞。以45°為界限，PA<45°時收縮力的傳遞效果較好，PA≥45°時收縮力的傳遞較低效，伴隨著肌纖維長度變短，肌肉收縮的速率和筋膜的移動距離范圍縮小。

1.2FL FL是指肌束兩端分別與淺層筋膜和深層筋膜交叉點的連線長度，是重要的肌肉形態(tài)學(xué)參數(shù)。肌肉收縮或體位變化時，F(xiàn)L隨之發(fā)生改變。FL與肌肉收縮的速度和范圍成正比[2]。研究[3]發(fā)現(xiàn)，短跑運動員較中跑運動員和普通人群具有更長的FL和較小的PA。肌纖維較長的肌肉收縮速度更快、范圍更大，肌纖維較短而橫截面積大的肌肉則更易產(chǎn)生力。盡管短的肌纖維和長的肌纖維在力量-長度曲線中峰值一樣，但長的肌纖維肌肉主動收縮的范圍更大，這與關(guān)節(jié)的主動活動度密切相關(guān)。

1.3MT MT指包圍某塊肌肉的上下肌膜之間的距離，其數(shù)值直接反映肌肉含量。測量MT可用于臨床評估神經(jīng)肌肉疾病及腦卒中、小兒腦癱的肌肉強度及選擇治療方案。Thoirs等[4]利用定量超聲測量MT來客觀評價腦卒中患者的肌肉強度。另外，MT的變化是評估肌肉是否處于疲勞狀態(tài)的重要指標(biāo)。Shi等[5]采用定量超聲觀察肱二頭肌等長收縮時的MT，發(fā)現(xiàn)MT隨著肌肉疲勞程度增高而加大。

1.4CSA CSA是指肌肉所含肌纖維橫截面積的總和，分為解剖CSA和生理CSA，肌肉的生理CSA越大，則收縮力越大。同時，肌肉生理CSA與PA和FL關(guān)系密切，腓腸肌從放松到完全收縮的過程中，在PA和FL增加的同時，肌肉生理CSA也會增加。近年，越來越多的臨床醫(yī)師致力于采用超聲研究肌肉骨骼，其中測量骨骼肌生理CSA是其中一項重要的應(yīng)用。Seymour等[6]采用定量超聲測量股直肌的生理CSA，結(jié)果顯示慢性阻塞性肺疾病患者股直肌生理CSA較健康對照組平均下降25%，且股直肌肌力與生理CSA呈線性相關(guān)。

2 定量超聲在肌肉功能狀態(tài)研究的應(yīng)用

2.1定量超聲評估肌肉收縮 肌肉的力學(xué)特性與其結(jié)構(gòu)形態(tài)相關(guān)。定量超聲可獲得FL、PA和MT等肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù),直接或間接反映肌肉力的產(chǎn)生和輸出。人體的運動是在關(guān)節(jié)和肌腱的配合下，由骨骼肌收縮而形成。因此，肌肉收縮是反映肌肉功能和活動狀態(tài)的重要指標(biāo)。當(dāng)肌肉處于放松和收縮兩種不同狀態(tài)時，PA和FL各有不同。Reeves等[7]發(fā)現(xiàn)隨肌肉收縮程度的變化，PA和FL會發(fā)生相應(yīng)改變。最大等長收縮是定量評定肌肉功能的可靠指標(biāo)。范宏娟等[8]運用定量超聲研究放松狀態(tài)與處于不同張力等長收縮狀態(tài)時股四頭肌形態(tài)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)股四頭肌抗阻收縮前后形態(tài)變化大，并認(rèn)為CSA的變化比MT的變化更有意義。

2.2定量超聲評估肌肉狀態(tài)和力量之間的關(guān)系 運用定量超聲分析靜態(tài)和動態(tài)時肌肉狀態(tài)與力量的關(guān)系可了解肌肉力量和其相關(guān)的身體運動和性能。從生理角度看，根據(jù)CSA能有效預(yù)測肌肉的力量和輸出的功率，CSA越大，肌肉力量就越大。Maganaris[9]通過比較脛骨前肌與比目魚肌FL和力量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CSA決定肌肉力量的大小，且這兩種肌肉的FL和力量之間呈先上升后平緩的曲線關(guān)系；不僅肌肉力量與CSA呈線性相關(guān)，MT與CSA也密切相關(guān)，因此認(rèn)為MT可評估肌肉功能。超聲測量厚度是估計軀干和肢體肌肉功能和力量的有效、可靠方法[10-12]。Abe等[13]研究老年男性大腿前、后部MT與膝關(guān)節(jié)等長伸直和屈曲強度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大腿前部的MT與伸膝強度有較強的相關(guān)性。既往研究[14]表明，超聲測量大腿前部肌肉的MT是評估膝關(guān)節(jié)最大伸直強度的有效的預(yù)測因子，這與MRI測量肌肉CSA的結(jié)果相似。

2.3定量超聲評估肌肉狀態(tài)的影響因素 肌肉功能狀態(tài)受多種因素的影響，如年齡、性別、姿勢及肌肉是否處于疲勞狀態(tài)等。童年時期MT增加迅速，性別差異并不會影響MT；青春期男性MT增長較女性快；青春期之后，MT進一步增加，25～50歲達(dá)高峰，此后，MT逐漸減低，且隨著年齡增長MT的減低加速。年齡和性別對MT的影響與神經(jīng)、代謝、內(nèi)分泌、營養(yǎng)和物理等間復(fù)雜的作用有關(guān)。Narici等[15]采用定量超聲比較青年人和老年人的肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)青年人FL和CAS均大于老年人，表明肌肉功能狀態(tài)與年齡有關(guān)。Thom等[16]利用定量超聲測量正常老年人的肌肉，發(fā)現(xiàn)其肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)均較年輕時減少。此外，肌肉的回聲也隨年齡而改變。兒童時期男性與女性肌肉回聲強度相同，16歲以后男性肌肉回聲強度低于女性；40歲以后男性與女性肌肉回聲強度均增加，可能是由于隨著年齡增長，肌肉被脂肪和纖維組織取代導(dǎo)致。因此，超聲評估不同人群不同時期的不同肌肉時，應(yīng)該綜合考慮其影響因素[17-18]。

2.4定量超聲在人體運動研究中的應(yīng)用 定量超聲可量化肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)，為訓(xùn)練前后的肌肉狀況提供客觀依據(jù)。Rostami等[19]利用定量超聲和肌力測定裝置測量無癥狀越野自行車運動員和腰痛患者在靜息和收縮狀態(tài)下L4兩側(cè)多裂肌CSA及背部伸肌肌力，發(fā)現(xiàn)腰痛患者多裂肌CSA在兩種不同的狀態(tài)下均顯著降低。多裂肌CSA降低與背部伸肌肌力降低呈正相關(guān)。Ghasemi等[20]對慢性腦卒中者進行為期4周的功能性伸展運動訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)該訓(xùn)練不僅對腓腸肌的神經(jīng)性有改善作用，還對肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)有促進作用。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者鍛煉后手指總伸肌CSA增加，這可能意味著訓(xùn)練能對抗肌肉萎縮，增大肌肉體積。既往研究骨骼肌運動的生物力學(xué)機制僅采用單一技術(shù)，導(dǎo)致提供肌肉特性的信息有限；而多種手段相結(jié)合的方式為研究肌肉的運動特性提供了更大幫助。Aggeloussis等[21]將人體運動分析系統(tǒng)與超聲儀器相結(jié)合，以驗證肌肉結(jié)構(gòu)性參數(shù)的重現(xiàn)性，證實PA、FL和MT均可用于分析人體的運動。多種手段及新的成像技術(shù)為更深層次地理解人體運動中肌肉的生物力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)[22]。

2.5定量超聲在運動功能障礙患者研究的應(yīng)用 定量超聲能評估和量化肌肉結(jié)構(gòu)的變化，故可用于評估骨骼肌的變化情況。近年來，有學(xué)者[23]開始通過定量超聲觀察中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷所致肌張力異常。Gao等[24]通過定量超聲發(fā)現(xiàn)病程超過1年的慢性腦卒中患者患側(cè)腓腸肌MT較正常人薄且FL變短、FA變??；之后又利用定量超聲發(fā)現(xiàn)腦癱兒童腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的FL較正常兒童變短且CSA縮小，肌腱變長[25]。

通過訓(xùn)練可使中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷患者的肌肉形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生適應(yīng)性改變。Lee等[26]采用定量超聲觀察腦癱患兒接受綜合性手功能重復(fù)強化訓(xùn)練后上肢肌肉的變化，發(fā)現(xiàn)患側(cè)肱三頭肌和橈側(cè)腕伸肌的CSA均增大，且相關(guān)運動功能得到很大提高。Liu等[27]對亞急性腦卒中患者進行為期3周的減重步行訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)脛骨前肌的FA、MT及腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的FL均顯著增加，下肢運動功能也得到提高。

3 小結(jié)與展望

定量超聲是可視化的肌肉組織成像技術(shù)，其優(yōu)勢為：①能簡便、無創(chuàng)、實時、無輻射地測量肌肉的結(jié)構(gòu)參數(shù)；②可動態(tài)成像，為運動過程中肌肉結(jié)構(gòu)變化提供可靠的定量數(shù)據(jù)；③有效觀察肌肉收縮和舒張過程中的動態(tài)特性，指導(dǎo)康復(fù)計劃的制定、評估康復(fù)治療效果，提高人體的運動效率。隨著超聲成像技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲彈性成像、全景超聲、三維超聲等新技術(shù)的出現(xiàn)，今后將出現(xiàn)更多不同的模式用于肌肉形態(tài)學(xué)研究。