剪切波彈性成像評估骨骼肌生物力學特征的應用進展

李元子（綜述）杜麗娟（審校）

骨骼肌是人體運動的動力器官，異常的肌肉狀態(tài)或疾病會對人體活動產生極大影響，因此有關骨骼肌生物力學特征的研究十分重要。目前常用的骨骼肌檢查方法包括肌電圖、超聲、MRI及肌張力計等。但肌電圖不提供任何肌肉力學信息；MRI對儀器要求高、價格高昂且有輻射，不能實時反映肌肉組織的彈性變化；肌張力計通過測量肌肉組織內的運動來評估其力學性質中的彈性和粘性，不適用于深層肌肉［1］。剪切波彈性成像（shear wave elastography，SWE）費用低廉、操作簡便，還能實時動態(tài)反映肌肉內部彈性，在臨床及科研方面已廣泛應用，本文就其評估骨骼肌生物力學特征的應用進展進行綜述。

一、SWE的基本原理及分類

SWE包括一維瞬時彈性成像（one-dimensional transient elastography，1D-TE）、點剪切波彈性成像（point shear wave elastography，p-SWE）和二維剪切波彈性成像（two-dimension shear wave elastography，2D-SWE），其基本原理均基于對組織所受應力后變形程度的測量。SWE可以通過肌肉活動、負荷和扭矩觀察其硬度變化，通過分析肌肉的彈性相關參數(shù)，進一步獲取病變肌肉的組織信息。SWE為骨骼肌疾病的無創(chuàng)診斷提供了新思路，并可用于康復過程中肌肉功能的監(jiān)測。目前最常用的彈性成像技術是2D-SWE，可以實時測量骨骼肌剪切波速度或楊氏模量值，并生成定量的二維彈性圖像。

二、SWE在正常人群骨骼肌生物力學特征評估中的應用

1.評估骨骼肌主動收縮與肌力：骨骼肌收縮特性由肌節(jié)長度決定，Lieber等［2］發(fā)現(xiàn)當病理狀態(tài)下肌節(jié)長度不均勻時，肌肉收縮功能也將受到影響，Bouillard等［3］發(fā)現(xiàn)食指與小指外展活動等距收縮過程中肌肉彈性模量值與主動肌力呈正向線性相關（均P＜0.05），且相較于肌電圖可以更準確地估測肌力。Kim等［4］應用SWE評估正常人群的三角肌、岡上肌及岡下肌，發(fā)現(xiàn)彈性模量值與關節(jié)扭矩在上述肩袖肌肉和各超聲平面中均呈明顯正向線性相關（均r2＞0.8，均P＜0.001），提示應用SWE可無創(chuàng)評估肌肉活動狀況，有助于創(chuàng)傷后評估及指導康復。

2.評估骨骼肌被動拉伸與肌張力：被動拉伸是評估肌張力的常用方法，通常應用等速運動的測力裝置通過被動拉伸肌肉-肌腱單元完成。應用SWE可以觀察肌肉-肌腱單元彈性模量值隨著長度變化而變化的規(guī)律。Ward等［5］研究發(fā)現(xiàn)松弛狀態(tài)下肌肉靜息彈性模量值綜合了被動肌力-肌肉長度關系的參數(shù)和肌肉各向異性程度的函數(shù)，肌肉解剖橫截面積越小，彈性模量值增加的幅度越大，且與增加的被動肌力呈正相關。有關被動運動時的肌力研究［6］可更精準地顯示骨骼肌運動特征，運動曲線及部分參數(shù)可為肌肉疾病的診斷提供更可靠的臨床指標。

3.評估松弛狀態(tài)下骨骼肌長度及角度：松弛狀態(tài)的肌肉長度為松弛長度，當肌肉長度超過某一松弛長度時，肌肉從松弛狀態(tài)開始緊張，骨骼肌彈性模量值開始增加，此時的關節(jié)角度為松弛角［7］，松弛角有助于臨床醫(yī)師了解肌肉耐受被動力影響能力。由于活體肌肉與神經、筋膜、肌腱等連接，為處于多關節(jié)、多肌肉協(xié)同拮抗狀態(tài)下的復合結構，故不同肌肉的松弛角均不同。Hirata等［8］研究表明人體小腿三頭肌松弛狀態(tài)下的踝關節(jié)角度各不相同，當膝關節(jié)保持伸展時，腓腸肌內側頭的松弛角出現(xiàn)于跖屈位而比目魚肌松弛角出現(xiàn)于背屈位，說明SWE可以確定肌肉松弛狀態(tài)下的關節(jié)角度。臨床能更好地通過松弛角判斷肌肉處于松弛或緊張狀態(tài)。

4.評估靜態(tài)拉伸后的骨骼肌變化：靜態(tài)拉伸通常是作為運動前的熱身程序，即將肢體活動到肌肉感受到拉伸的狀態(tài)并維持該姿勢，其可以降低肌肉剛度，增加關節(jié)的活動范圍。Akagi等［9-10］研究顯示，在2 min內進行3組踝關節(jié)背屈靜態(tài)拉伸后，腓腸肌的彈性模量值明顯降低。Hirata等［11］提出靜態(tài)拉伸可以減低肌束剛度，并改變松弛角，伸展后腓腸肌內側頭的松弛角明顯向背屈方向移動，導致被動背屈時扭矩-關節(jié)角度關系的變化。以上研究對運動與康復訓練均有較好的指導作用。

三、SWE在骨骼肌相關疾病診療中的應用

1.肌肉退行性變：骨骼肌的結構功能會隨年齡增長發(fā)生變化，SWE可以觀察老齡化對骨骼肌硬度的改變。Hsiao等［12］研究表明老年人骨骼肌彈性模量值減低，可能與老齡化引起膠原纖維減少和組織化生的缺失有關。Eby等［13］研究發(fā)現(xiàn)肱二頭肌的彈性模量值與年齡呈正相關（P＜0.05），即肌肉硬度隨年齡增長而增加。Evie等［14］通過檢查胸大肌、前三角肌、肱二頭肌等上肢肌肉，發(fā)現(xiàn)肌肉平均彈性模量值隨年齡增長而增加，且肌肉內彈性分布的不均勻性增加。但Alfuraih等［15］研究發(fā)現(xiàn)腓腸肌和比目魚肌的彈性模量值隨年齡增長而減少或不發(fā)生變化，因此骨骼肌彈性模量值與年齡的相關性可能具有肌肉選擇性，尚不明確是否有其他影響因素。

2.中樞神經系統(tǒng)疾病導致肌張力改變：神經系統(tǒng)疾病如腦卒中、脊髓感染或損傷、腦癱等均會引起肌肉的強直與攣縮，帕金森病也會引起肌僵直，導致患者行動不便，嚴重影響生活質量。SWE可以量化病理情況下肌肉的力學特性。研究［16］提示腦卒中、脊髓損傷和腦癱患者腓腸肌長度縮短，肌肉硬度增加，其機制可能與細胞外基質的纖維化有關［17］。Chardon等［16］應用SWE獲取帕金森病患者在踝關節(jié)被動勻速背屈運動下腓腸肌彈性模量-踝關節(jié)角度的曲線，發(fā)現(xiàn)其松弛角小于正常對照組（P＜0.05），說明帕金森病患者較正常成人在被動拉伸過程中更早出現(xiàn)肌緊張狀態(tài)，為臨床量化肌強直程度提供可行性。

3.肌肉損傷：運動性或創(chuàng)傷性肌肉損傷會導致肌肉硬度的改變。Lv等［18］對家兔大腿后肌肉進行加壓損傷，發(fā)現(xiàn)受傷區(qū)域的肌肉組織均較周邊組織明顯變硬，原因可能是損傷后肌肉血管分布增加，肌細胞肥大與細胞間液滲出增加，炎癥反應導致白細胞增多滲出加重。Lacourpaille等［19］采用偏心運動的方法，發(fā)現(xiàn)經過1 h鍛煉后肱二頭肌的彈性模量值明顯增加（P＜0.05），分析原因可能與偏心收縮期間肌肉內鈣含量升高有關。

四、SWE的局限性及注意事項

隨著臨床需求的日益增加，SWE也在不斷發(fā)展，但仍有其局限，如依賴操作者手法、忽視肌肉肌腱組織各向異性特性的數(shù)據(jù)差異性較大、感興趣區(qū)的界定具有一定主觀性等。有關彈性成像的研究在組內往往有較好的一致性和可靠性，但由于不同廠商的設備因為設計和設置并未統(tǒng)一，故研究者間的數(shù)據(jù)無法進行比較。因此操作過程中應注意以下幾點。①手法：在保證圖像清晰的前提下，將探頭壓力降至最?。?0］，可以通過超聲觀測局部有無擠壓變形。②聲束角度：各向異性偽像是肌骨超聲中最常見也最重要的偽像，只有當探頭平面基本平行于肌纖維時，測量出的彈性模量值才與楊氏模量值相關，平行于纖維束方向的剪切波波速度也顯著增高［21］。因此在操作前需熟知不同肌肉的解剖結構，注意探頭位置及相對肌纖維的方向，探頭與肌纖維方向之間的角度應＜20°，以保證數(shù)值的可信度［22-23］。③感興趣區(qū)：其大小應與所測組織相適應，減少混雜組織，因為肌肉組織的不均質性，建議多次測量取平均值，方可得到更可靠的結果。④可重復性：不同個體間肌肉硬度可能差異較大，平均彈性模量值變化通常為2～3倍［24］。因此為了進行可重復測量，必須在嚴格標準化和可重復的關節(jié)位置進行評估。⑤其他：當結果中包含具體彈性數(shù)據(jù)時，應注明所使用的設備名稱和型號。

五、展望與總結

SWE在分析肌肉生物力學特征方面有較好的應用前景，但仍有一定的局限性，今后需要規(guī)范肌骨彈性成像的專業(yè)用語與標準，進一步降低偽像和衰減效應影響，增加測值的可靠性和可重復性?？傊?，SWE在測量骨骼肌力學特性方面有良好的發(fā)展?jié)摿?，有望為臨床提供一種可靠的骨骼肌力學特性定量評估新方法。