实时剪切波弹性成像技术在骨骼肌中的应用进展

牛 旺，史铁梅，张原溪

(中国医科大学附属盛京医院超声科，辽宁 沈阳 110004)

实时剪切波弹性成像技术在骨骼肌中的应用进展

牛 旺，史铁梅*，张原溪

(中国医科大学附属盛京医院超声科，辽宁 沈阳 110004)

中枢神经系统疾病和肌肉骨骼疾病常累及骨骼肌，准确、快速地量化评估单个肌肉的力量及硬度，将为运动功能障碍等病因研究提供基础。实时剪切波弹性成像(SWE)技术是近年来新兴的超声成像技术，在骨骼肌肉系统尚处初步应用阶段。本文对SWE在骨骼肌疾病辅助诊断中的应用及研究进展进行综述。

弹性成像技术；骨骼肌；肌肉骨骼疾病；超声检查

肌肉是一种冗余系统(采用两套或两套以上相同或相对独立的配置来增加系统的可靠性)，单个关节的活动需多个肌肉协同完成，探究中枢神经系统如何调整不同肌肉的力量分配，是肌肉骨骼和神经系统疾病导致的运动功能障碍等领域研究的基础。为此，准确、快速地量化评估单个肌肉的力量非常必要。目前，肌电图(electromyography, EMG)和肌肉骨骼模型常用于量化评估单个肌肉的力量。虽然EMG可用来量化评估神经驱动肌肉的过程[1]，但有诸多因素可限制EMG准确评估单个肌肉的力量。各种肌肉骨骼模型[2]也被用来评估单个肌肉力量，因缺乏验证肌肉力量的实验技术，目前尚不能确定其有效性。因此，评估单个肌肉的力量仍是生物力学的主要挑战之一。

肌肉硬度与主动或被动肌肉力量呈正相关，因此检测肌肉硬度变化可评估肌肉力量的改变。实时剪切波超声弹性成像(shear wave elastography, SWE)技术可用于肌肉硬度的评估。本文对SWE的原理、在骨骼肌疾病诊断中的应用及其影响因素等进行综述。

1 SWE原理

超声探头发射的声脉冲在组织不同深度聚焦产生横向剪切波，利用“马赫锥”原理，通过定量分析系统可计算反映组织内剪切波传播速度的物理量——杨氏模量值[3-5]。杨氏模量与剪切波传播速度间的关系为：E=3ρc2(E：杨氏模量；c：剪切波传播速度；ρ：组织密度)。组织越硬，密度越大，剪切波传播速度越大，杨氏模量值就越大。

2 SWE在骨骼肌疾病诊断中的应用

SWE在肝脏、甲状腺、乳腺等实质器官中的应用已较成熟，但在骨骼肌疾病中的应用尚处于起步阶段。目前主要用于量化评估单个肌肉硬度变化。

2.1 评估中枢神经系统疾病引起肌肉硬度的改变 上运动神经元损伤可引起痉挛性瘫痪，使肌肉的紧张度增加。评估受累骨骼肌的肌肉硬度，对疾病进展及预后十分重要。Du等[6]采用SWE检测46例帕金森病患者和31名健康志愿者的肱二头肌硬度，发现帕金森病患者肌肉硬度明显高于健康对照者，但症状重的患肢和症状轻的患肢间无明显差异；可能因肌肉硬度的改变先于症状的出现；或样本量小，无法准确反映二者的差异。Lee等[7]对8例脑瘫患者采用SWE测量双侧内侧腓肠肌和胫骨前肌的剪切波速度，结果显示症状重的患肢肌肉硬度明显增加。

2.2 评估肌肉骨骼疾病引起的肌肉硬度的改变 SWE可用于量化评估肌肉骨骼疾病导致的肌肉机械性能变化，如重症肌无力、进行性肌营养不良、周期性瘫痪等外周肌肉骨骼疾病。杨娟等[8]对52例中度肌萎缩患者及50名健康对照组的肱二头肌进行SWE检查，结果显示在紧张状态下，病例组与对照组弹性值有显著差异，其判断肌萎缩、肌纤维化的敏感度、特异度分别为90.4%、80.0%。Lacourpaille等[9]对14例假性肥大型肌营养不良患者及13名健康成人的6组肌肉(腓肠肌、胫前肌、股外侧肌、肱二头肌、肱三头肌、小指展肌)进行SWE检查，结果显示2组长肌硬度差异有统计学意义，而短肌则无。这与该类患者关节僵直肌挛缩而处于持续紧张状态相关。Lv等[10]采用兔肌肉挤压伤的动物模型，证明SWE可检测到肌肉挤压伤引起的肌肉硬度增加。Lacourpaille等[11]采用SWE检测更微小的肌肉损伤导致的肌肉硬度增加，如运动。目前，虽然此方面研究较少，但为该类研究的进一步发展奠定了基础。

2.3 评价肌肉成分改变 Botar-Jid等[12]对24例肌炎患者进行SWE检查，包括甲状腺相关肌病、多发性肌炎、皮肌炎、系统性红斑狼疮等，回顾分析其血清肌酸激酶、乳酸脱氢酶值，结果显示二者具有相关性。傅晓红等[13]对12例多发性肌炎、皮肌炎患者及20名健康志愿者的双侧股内、外、前、后肌群中下部进行SWE检查，结合肌肉活检病理改变对影像学图像进行分析；结果显示，2组病变肌肉弹性值差异有统计学意义，患者组病理显示肌肉组织内炎症浸润，肌细胞坏死、溶解、萎缩、纤维化，影像学改变与病理改变相符。表明SWE可反映肌肉成分的改变，但不同肌紧张状态亦会引起肌肉弹性的变化，但与肌肉成分改变直接导致的肌肉硬度改变无法区分，需进行进一步研究。

3 SWE应用于骨骼肌的影响因素

3.1 不同肌紧张状态 骨骼肌是动态组织，具有不同的紧张状态。肌张力增加，其肌腹杨氏模量值随之增加。Nordez等[14]对6名健康成人的肱二头肌同时采用EMG和SWE检查，显示杨氏模量值与肌电活动水平间存在线性关系，可用来反映肌肉力量。温朝阳等[15]对141名男性健康志愿者，分别在紧张和松弛状态下测量肱二头肌肌腹杨氏模量值，发现两者差异有统计学意义。Bouillard等[16]通过对食指外展和小指外展运动的研究，证明其杨氏模量值与肌肉主动收缩强度呈线性关系。MaBsetti等[17]通过踝关节背屈和跖屈的研究表明，肌肉剪切模量和肌肉被动收缩强度呈线性关系。均表明SWE的测量结果与不同的肌肉紧张状态相关。

3.2 探头扫查平面与肌纤维走行方向的夹角 骨骼肌具有各向异性，因此骨骼肌中剪切波的传播速度与肌纤维排列方向有关[5]。Chino等[18]采用SWE测量31名健康男性内侧腓肠肌、股直肌、肱二头肌、腹直肌的硬度，均采用横、纵断面测量，对比同一肌肉不同断面的测量值、图像稳定性和测量可重复性；结果表明，内侧腓肠肌、股直肌和肱二头肌的横、纵断面测量值存在显著差异；所有被测肌肉的纵断面图像稳定性高于横断面；除肱二头肌外，余被测肌肉两断面测量可重复性差异无统计学意义。张隽等[19]采用SWE测量20名健康志愿者肱二头肌硬度，选取同一位点距体表深度1.7 cm和2.5 cm处，声束方向与肌纤维走行方向夹角分别为0°、30°、60°、90°，结果表明同一夹角不同深度下测量值无明显差异；同一深度不同夹角间均有明显差异，且随夹角增大，弹性值递减。姜镔等[20]对210名健康志愿者胸锁乳突肌进行检测，发现胸锁乳突肌弹性值受声束与肌束夹角角度的影响，但不受性别和年龄的影响。以上均表明声束与肌束夹角可影响弹性值测量，因此进行SWE检查时，需考虑此夹角对测量数据的影响。

3.3 ROI选取 SWE成像系统默认ROI为圆形，直径为2～12 mm。ROI范围越大，其内包括肌肉筋膜和致密胶原纤维的可能性越大。肌肉骨骼系统无明确的病灶，是对整条骨骼肌进行评价，因此对ROI大小的选择需进一步研究。Kot等[21]用对股直肌的同一部位分别采用直径为8、10、12 mm的ROI，结果显示ROI直径为8 mm时所测得的杨氏模量最大值低于直径为10 mm和12 mm，差异有统计学意义；对髌骨肌腱的同一部位分别采用ROI直径为2、3、4 mm，结果显示ROI直径为2 mm时所测得的杨氏模量最大值低于直径为3 mm和4 mm，差异亦有统计学意义，但对于股直肌和髌骨肌腱，不同ROI直径对杨氏模量均值的影响差异无统计学意义。因此，ROI的大小对杨氏模量值的影响并不明显。

3.4 检查者施加压力 Kot等[21]研究发现，SWE测量值与检查者在受试者皮肤上施压大小呈正相关，压力过大影响剪切模量的准确性。额外的压力一方面可导致肌肉被动收缩；另一方面将皮下脂肪的弹性值计算在肌肉的弹性值内，影响测量结果。因此，进行SWE时应施加合适的压力。

3.5 肌肉疲劳 神经肌肉疲劳可明显改变EMG振幅和肌肉力量间的关系，相比于受动作电位传播速度等电生理参数影响的EMG，杨氏模量可反映肌肉的机械性能，受神经肌肉疲劳的影响较小。Bouillard等[22]对受试者在疲劳前和疲劳后进行小指外展，发现肌肉杨氏模量和肌肉力量间的关系并不受疲劳的影响。

4 展望

4.1 提高SWE的时间分辨率 SWE可提供准确的剪切模量图像，但时间分辨率较低，限制了对等长收缩和等张收缩过程中肌肉力量连续变化的研究。现有SWE测量剪切波传播速度在15 ms内完成，时间分辨率为1帧/秒[23]，可通过提高硬件和软件性能克服这一限制。Ates等[24]将SWE的时间分辨率提高到4帧/秒，并且成功检测了等长肌肉收缩过程中肌肉硬度的改变。另外，Couade等[25]采用时间分辨率为30帧/秒的SWE测量整个心动周期心脏的剪切模量变化。今后有望在行走等肌肉动态收缩过程中检测剪切模量的变化。

4.2 SWE在肌腱中应用 除肌肉硬度测量，肌腱硬度测量可能会为肌肉骨骼生物力学提供新信息。但肌腱又硬又薄，剪切波波长比肌腱厚度长，引起导波传播，因而测量会有误差，需应用软件进行校正，但目前商业化剪切波弹性成像系统中尚无类似软件。Brum等[26]的研究表明该问题可通过应用剪切波谱学解决，它包含额外的剪切波传播的方差分析，结合一个简单的黏度弹性模型，可提供精确的肌腱弹性和黏性值。因此SWE有望用于肌腱的弹性成像研究。

4.3 三维超声SWE SWE是在二维图像上测量剪切波传播速度，而剪切波是在三维空间内传播。Provost等[27]研究表明超声新设备的发展可实现剪切波的三维实时测量；采用二维矩阵探头进行超音速信号的测量和三维空间的SWE测量，可进行评估肌肉硬度的空间变异。除肌肉硬度，三维弹性成像将提供肌肉各向异性和剪切黏度的信息。由于各向异性和剪切黏度与肌肉结构有关，三维弹性成像可能将现有的忽略软组织黏弹性的SWE去理想化，用于评价肌肉结构受到影响时的神经肌肉状况。

4.4 明确各肌肉的正常值范围 目前，采用SWE进行肌肉相关疾病的研究较少，肌肉组织的弹性正常参考值范围对确诊有重要意义。近期有学者[28]试图确立生理及病理状态下弹性值的范围，但受限于样本量及技术原因。这将成为今后的研究方向。另外，SWE缺少统一的测量和机器的调节标准等；仍需与其他肌力评价方法进行横向比较和大样本多中心研究，明确其在疾病中的诊断价值。

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关键词

关键词又称主题词，是位于摘要之后，在论文中起关键作用的、最能说明问题的、代表论文特征的名词或词组。它通常来自于题目，也可以从论文中挑选。一般每篇论文要求2～5个关键词。每个关键词都可以作为检索论文的信息，若选择不当，会影响他人的检索效果。医学上现在主要使用美国《医学索引》(Index Medicus)的医学主题词表(Medical Subject Headings, MeSH)最新版作为规范，亦可参考中国医学科学院情报研究所翻译地英汉对照《医学主题词注释字顺表》。非主题词表的关键词为自由词，只有必要时，才可排列于最后。有些新词也可选用几个直接相关的主题词进行搭配。

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，黑龙江大庆人，在读硕士。研究方向：超声诊断。E-mail: 251291417@qq.com

史铁梅，中国医科大学附属盛京医院超声科，110004。E-mail： shitm@sj-hospital.org

2017-02-14

2017-06-27