剪切波彈性成像在肌肉、肌腱、周?chē)窠?jīng)病變生物力學(xué)定量評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)展

劉博姬，徐輝雄

1. 同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，上海 200072；

2. 復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院超聲科，上海 200032

生物力學(xué)是生物學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)結(jié)合的交叉學(xué)科，通過(guò)應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行定量研究。疾病中組織發(fā)生病變，可引起生物力學(xué)特征改變。因此，定量評(píng)估生物力學(xué)特征，能夠幫助診斷疾病和評(píng)估治療效果。剪切波彈性成像（shear wave elastography，SWE）安全無(wú)創(chuàng)、操作簡(jiǎn)便，且能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地反映組織內(nèi)生物力學(xué)信息，并進(jìn)行定量測(cè)量，已廣泛應(yīng)用于臨床。本文就SWE在肌肉、肌腱、周?chē)窠?jīng)病變的生物力學(xué)特征定量的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行述評(píng)。

1 SWE基本原理及分類(lèi)

SWE基本原理是基于對(duì)組織所受應(yīng)力后變形程度或組織內(nèi)剪切波速度的測(cè)量［1］，獲取組織楊氏模量值（單位：kPa）或剪切波速度值（單位：m/s），定量反映組織生物力學(xué)特性。SWE包括瞬時(shí)彈性成像（transient elastography，TE）、點(diǎn)式剪切波彈性成像（point shear wave elastography，p-SWE）、二維剪切波彈性成像（two-dimension shear wave elastography，2D-SWE）和三維剪切波彈性成像（threedimension shear wave elastography，3D-SWE），目前使用最廣泛的是2D-SWE。2D-SWE能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)操作，生成彈性圖像，并定量測(cè)量楊氏模量或剪切波速度。

2 SWE在肌肉疾病中的應(yīng)用

SWE可以通過(guò)肌肉拉伸、放松或負(fù)荷的不同狀態(tài)來(lái)觀察和測(cè)量其硬度變化，反映正常肌肉組織學(xué)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性。另外，臨床上許多疾病可累及肌肉組織，造成肌肉組織生物力學(xué)特征改變。目前臨床上用于肌肉檢查的手段如觸診、肌電圖、肌張力測(cè)試儀等，存在操作復(fù)雜、主觀依賴(lài)性高等缺陷，而SWE能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)、定量測(cè)量，并且能針對(duì)特定的肌肉或肌肉群進(jìn)行掃查和測(cè)量。

2.1 SWE在正常人群肌肉生物力學(xué)特征評(píng)估中的應(yīng)用

多項(xiàng)研究［2-3］結(jié)果顯示，剪切波在收縮狀態(tài)的肌肉中傳播速度高于放松狀態(tài)的肌肉。Ward等［4］研究發(fā)現(xiàn)，肌肉在松弛狀態(tài)下其肌肉解剖橫截面積越小，楊氏模量值增加的幅度越大，且與增加的被動(dòng)肌力呈正相關(guān)。Hirata等［5］的研究結(jié)果表明，人體小腿三頭肌松弛狀態(tài)下的踝關(guān)節(jié)角度各不相同，SWE可以確定肌肉松弛狀態(tài)下的關(guān)節(jié)角度，能更好地幫助判斷肌肉是處于松弛還是緊張狀態(tài)。Wang等［6］的研究發(fā)現(xiàn)，在主動(dòng)力和被動(dòng)力的產(chǎn)生過(guò)程中，主動(dòng)收縮時(shí)，黏度與彈性之比幾乎保持不變，而在被動(dòng)力增加時(shí)則顯著降低，表明SWE可以區(qū)分主動(dòng)力和被動(dòng)力。

2.2 肌肉損傷性疾病

肌肉損傷會(huì)導(dǎo)致肌肉硬度發(fā)生改變，通過(guò)硬度測(cè)量可以幫助診斷。Lv等［7］對(duì)兔子大腿肌肉進(jìn)行加壓損傷，發(fā)現(xiàn)受傷區(qū)域肌肉組織的硬度均顯著高于周邊組織，原因可能是損傷后肌肉內(nèi)炎性反應(yīng)伴滲出引起組織變硬。鄭乙等［8］研究SWE在評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)炎患者股四頭肌生物力學(xué)特征改變中的價(jià)值，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組治療前的肌肉楊氏模量均值均低于對(duì)照組（P＜0.05），說(shuō)明SWE可用于定量評(píng)估膝關(guān)節(jié)炎患者肌肉生物力學(xué)性能，這為膝骨關(guān)節(jié)炎的診斷及療效評(píng)定提供了新的依據(jù)。

2.3 肌肉退行性病變

肌肉的結(jié)構(gòu)功能會(huì)隨年齡增長(zhǎng)發(fā)生變化，SWE可以觀察測(cè)量隨著年齡變化肌肉硬度的變化［9-10］。Hsiao等［9］的研究結(jié)果表明，老年人肌肉楊氏模量值減低，可能與膠原纖維減少和組織化生缺失有關(guān)。Du等［11］應(yīng)用SWE測(cè)量帕金森病癥狀顯著患者、帕金森病無(wú)自覺(jué)癥狀患者和健康受試者的肱二頭肌楊氏模量值，前兩組患者楊氏模量值顯著高于健康受試者，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），提示SWE可為帕金森病的早期診斷提供客觀依據(jù)。

2.4 治療效果評(píng)價(jià)

SWE可以通過(guò)比較治療前后肌肉硬度的變化，達(dá)到評(píng)估治療效果的目的。Gao等［12］應(yīng)用SWE評(píng)估骨療手法治療后腰大肌的硬度變化，結(jié)果顯示，骨療手法治療后，腰大肌的平均剪切波速度較前顯著降低。Yoshida等［13］應(yīng)用SWE動(dòng)態(tài)觀察腓腸肌肌肉損傷患者愈合過(guò)程中的硬度值變化，結(jié)果顯示，受傷一側(cè)肌肉瘢痕處的硬度值在愈合8～12周時(shí)明顯高于4周時(shí)的硬度。此外，Alfuraih等［14］研究了巨細(xì)胞動(dòng)脈炎患者口服大劑量糖皮質(zhì)激素治療前后肌肉硬度變化，發(fā)現(xiàn)患者在前6個(gè)月內(nèi)近端腿部肌肉硬度明顯降低，SWE可以通過(guò)評(píng)估治療前后肌肉硬度變化來(lái)反映治療效果，然而目前仍需大樣本研究進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 SWE在肌腱疾病中的應(yīng)用

SWE可準(zhǔn)確定位、實(shí)時(shí)觀察并行雙側(cè)對(duì)比掃查，近年來(lái)已應(yīng)用于檢查肌腱正常及異常的患者。肌腱的緊張程度與其彈性測(cè)值密切相關(guān)，同時(shí)，肌腱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，SWE在實(shí)際掃查過(guò)程中無(wú)法時(shí)刻保持聲束與肌纖維走行完全垂直，從而出現(xiàn)各向異性偽像，因此需要在肌腱不同切面和功能狀態(tài)下分別評(píng)估其彈性值。研究［15］結(jié)果表明，剪切波在健康肌腱中的傳播速度大于病變肌腱，在收縮狀態(tài)時(shí)傳播速度大于放松狀態(tài)。

3.1 在正常肌腱生物力學(xué)特征評(píng)估中的應(yīng)用

Arda等［16］對(duì)127名健康志愿者的跟腱進(jìn)行了橫斷面和縱斷面的SWE掃查，結(jié)果顯示，男性跟腱平均楊氏模量值在縱斷面上高于女性，而在橫斷面上差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，同時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量群體中跟腱的楊氏模量值與年齡無(wú)相關(guān)性。亦有研究［17］建議跟腱SWE掃查應(yīng)使用多個(gè)體位（靜臥位、跖屈位、背屈位），不同體位下其硬度值差異性較大。Aubry等［18］的研究結(jié)果表明，踝關(guān)節(jié)在背屈位下，健康跟腱縱斷面剪切波速度為7.03 m/s，橫斷面為4.76 m/s，各向異性系數(shù)為0.33；而在伸展位上，健康跟腱縱斷面剪切波速度為15.55 m/s，橫斷面為5.29 m/s，各向異性系數(shù)為0.66，背屈位和伸展位上測(cè)量的數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.2 肌腱損傷或退行性變

肌腱在正常狀態(tài)下是一種相對(duì)較硬的組織，在發(fā)生損傷或退行性變時(shí)，肌腱的硬度出現(xiàn)不同程度的改變。Chen等［19］的研究發(fā)現(xiàn)，健康跟腱的平均楊氏模量約為291 kPa（范圍為261～300 kPa），顯著高于跟腱斷裂時(shí)的平均楊氏模量（56 kPa，范圍為3～228 kPa）。Zhang等［20］的研究表明，修復(fù)術(shù)后跟腱平均楊氏模量及功能評(píng)分與術(shù)前比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。修復(fù)術(shù)后跟腱的楊氏模量值與肌腱功能顯著相關(guān)，表明SWE可用于評(píng)估跟腱愈合過(guò)程的生物力學(xué)信息，并預(yù)測(cè)肌腱功能狀態(tài)。

3.3 岡上肌肌腱及髕骨肌腱病變

岡上肌肌腱病變是導(dǎo)致肩關(guān)節(jié)疼痛和活動(dòng)受限的常見(jiàn)病因。Rosskopf等［21］對(duì)岡上肌肌腱病變患者和健康志愿者進(jìn)行SWE掃查，結(jié)果顯示，健康志愿者岡上肌肌腱的剪切波速度明顯高于岡上肌肌腱病變患者。Vasishta等［22］的研究發(fā)現(xiàn)，岡上肌肌腱楊氏模量值隨著肌腱病變程度加重而減低。Yurdai?k等［23］應(yīng)用SWE檢測(cè)髕骨肌腱病變，結(jié)果表明，SWE評(píng)價(jià)髕骨肌腱病變的結(jié)果與磁共振成像的臨床評(píng)分一致，SWE可以作為一種安全有效的成像方法用于檢測(cè)髕骨肌腱病變，但仍需更多研究來(lái)探討SWE在肌腱病變中的潛在作用和應(yīng)用價(jià)值。

4 SWE在周?chē)窠?jīng)病變中的應(yīng)用

SWE通過(guò)對(duì)周?chē)窠?jīng)的生物力學(xué)特征進(jìn)行定量測(cè)量，可為周?chē)窠?jīng)病變的診斷和療效評(píng)估提供幫助。周?chē)窠?jīng)的生物力學(xué)特征與病變及功能改變相關(guān)，而SWE可以通過(guò)獲取硬度值以及動(dòng)態(tài)觀察硬度值變化來(lái)反映其生物力學(xué)特征的變化，以達(dá)到定量評(píng)估周?chē)窠?jīng)病變的目的［24］。

4.1 糖尿病周?chē)窠?jīng)病變

糖尿病可改變周?chē)窠?jīng)的微結(jié)構(gòu)，引起糖尿病周?chē)窠?jīng)病變，是糖尿病患者的常見(jiàn)并發(fā)癥之一。He等［25］研究結(jié)果表明，糖尿病周?chē)窠?jīng)病變患者的正中神經(jīng)和脛神經(jīng)剪切波速度均顯著高于健康志愿者。穆晶晶等［26］應(yīng)用SWE分別對(duì)糖尿病合并周?chē)窠?jīng)病變患者、糖尿病不合并周?chē)窠?jīng)病變患者和健康志愿者的腓腸神經(jīng)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，糖尿病周?chē)窠?jīng)病變患者腓腸神經(jīng)的楊氏模量值顯著高于另外兩組，當(dāng)取截?cái)嘀禐?1.65 kPa時(shí)，SWE診斷糖尿病周?chē)窠?jīng)病變的靈敏度、特異度和曲線下面積分別為86.9%、89.7%和0.925。上述研究結(jié)果為SWE幫助早期診斷糖尿病周?chē)窠?jīng)病變提供了依據(jù)。

4.2 腕管綜合征

腕管綜合征是最常見(jiàn)的神經(jīng)卡壓性疾病。當(dāng)腕管長(zhǎng)期受壓，正中神經(jīng)外膜增厚，瘢痕增生、神經(jīng)纖維變性發(fā)生水腫或纖維化，導(dǎo)致神經(jīng)硬度值增加。而SWE可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲取彈性值，客觀反映組織的病理生理學(xué)狀態(tài)。Kantarci等［27］使用SWE測(cè)量腕管入口處正中神經(jīng)的硬度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腕管綜合征患者的正中神經(jīng)硬度明顯高于對(duì)照組（P＜0.05），且當(dāng)正中神經(jīng)楊氏模量值＞40.4 kPa時(shí)可高度懷疑腕管綜合征，診斷腕管綜合征的靈敏度、特異度分別為93.3%、88.9%。由此可知，SWE評(píng)估正中神經(jīng)硬度用于腕管綜合征的診斷具有較高的可行性及較好的臨床應(yīng)用價(jià)值。

4.3 視神經(jīng)病變

此外，亦有學(xué)者將SWE用于視神經(jīng)病變的評(píng)估。?ahan等［28］應(yīng)用SWE測(cè)量偏頭痛患者和健康志愿者視神經(jīng)的硬度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，偏頭痛患者視神經(jīng)的硬度顯著高于健康志愿者（P＜0.05），且偏頭痛患者視神經(jīng)的楊氏模量值與病程呈正相關(guān)（r=0.496，P＜0.01）。此外，還有相關(guān)研究［29-31］發(fā)現(xiàn)，白塞病患者、青光眼患者及子癇前期患者的視神經(jīng)楊氏模量值均顯著高于健康志愿者。以上研究就SWE作為一種評(píng)估視神經(jīng)病變的手段進(jìn)行了驗(yàn)證，但目前研究樣本量較小，需進(jìn)一步對(duì)其可靠性及有效性進(jìn)行探討。

5 SWE不足與小結(jié)

隨著臨床需求的不斷擴(kuò)大，SWE的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展，然而SWE使用仍存在一些局限性，例如如何獲取高質(zhì)量的SWE圖像、操作者主觀性、組織間各向異性的影響等。解決方案：一是要規(guī)范操作。SWE操作過(guò)程中應(yīng)避免操作者人為造成的影響，避免探頭加壓，觀察有無(wú)加壓偽像，同時(shí)囑咐患者配合，觀察不同的狀態(tài)或體位。二是要注意圖像識(shí)別。操作者應(yīng)經(jīng)過(guò)多次培訓(xùn)，對(duì)于不同疾病或狀態(tài)的SWE圖像有較好的識(shí)別能力，包括判斷是否為合格圖像、感興趣區(qū)的判定等。三是要考慮各向異性的影響。各向異性是肌骨超聲中常見(jiàn)的偽像，SWE掃查時(shí)應(yīng)盡量保證探頭平面與肌纖維平行，保證測(cè)量數(shù)值的可信度［32-33］。

目前SWE用于肌肉、肌腱、周?chē)窠?jīng)病變的研究樣本量較小，難免存在偏倚或誤差。并且，此類(lèi)功能性疾病缺乏診斷金標(biāo)準(zhǔn)作為參考，SWE的應(yīng)用價(jià)值需要進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，肌骨軟組織大多位置表淺，不可避免地受到外力等因素干擾，影響彈性測(cè)值。最后，SWE反映的是組織硬度，當(dāng)病變組織內(nèi)部處于鈣化、纖維化、出血或壞死等病理狀態(tài)時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致部分病變無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，導(dǎo)致假陽(yáng)性或假陰性結(jié)果的產(chǎn)生。

綜上所述，SWE在定量評(píng)估肌肉、肌腱、周?chē)窠?jīng)病變生物力學(xué)特征時(shí)具有較好的應(yīng)用前景，可以作為診斷疾病和評(píng)估治療效果的輔助手段，但需要減少或避免上述各類(lèi)因素的影響，同時(shí)需要前瞻性、大樣本、多中心的研究進(jìn)一步驗(yàn)證。