超声多模态联合技术评估膝骨性关节炎兔股直肌病变的应用探析

刘晶 林巧璇 宫玉榕

[摘要] 目的 探析利用超聲多模态联合技术观察膝骨性关节炎（KOA）兔股直肌形态学、血液灌注、组织硬度改变，为KOA骨骼肌慢性损伤的评估提供方法和客观依据。 方法 将16只新西兰大白兔采用随机数字表法分为正常组和模型组，每组各8只。正常组常规饲养，模型组采用改良Videman法建立KOA兔模型。造模6周后，在髌上2 cm股直肌处，采用飞利浦EPIQ107超声机测量KOA兔股直肌的肌肉羽状角、肌肉厚度、肌肉周长和肌肉横截面积评估股直肌形态学;采用ACUSON S2000超声机进行造影成像，分析比较达峰时间、渡越时间评估股直肌血流灌注情况;采用Vivid E80超声机进行应变弹性成像，测量股直肌弹性应变率比值评估股直肌组织硬度。结果 与正常组比较，模型组在肌肉厚度、横截面积、肌肉周长、羽状角方面均明显变小，超声弹性应变率比值明显增大，达峰时间、渡越时间均明显缩短，差异均有高度统计学意义（均P < 0.01）。 结论 超声多模态技术联合，优势互补，可从形态学、血液灌注、组织硬度改变等方面客观评估KOA兔股直肌病变情况，值得临床推广运用。

[关键词] 超声多模态;高频超声;超声造影;超声弹性成像;膝骨性关节炎

[中图分类号] R445.1          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）03（a）-0147-05

[Abstract] Objective To provide a method and objective basis for the evaluation of chronic injury of skeletal muscles of knee osteoarthritis （KOA）， the morphological， blood perfusion and tissue hardness changes of rectus femoris muscle in rabbits with KOA were observed by using ultrasound multimodal combined technique. Methods Sixteen New Zealand white rabbits were divided into the normal group and the model group by random number table method， with 8 rabbits in each group. The normal group was fed routinely. The modified Videman method was used to construct the KOA rabbit model in the model group. After 6 weeks of modeling， 2 cm above the iliac at the rectus femoris， the muscle pennation angle， muscle thickness， perimeter and cross-sectional area of KOA rabbit femoral rectus muscle were measured using a Philips EPIQ107 ultrasound machine to evaluate the morphology of rectus femoris; ACUSON S2000 ultrasound machine was used for imaging， and peak time and transit time were analyzed and compared to evaluate the perfusion of rectus femoris; Vivid E80 ultrasound machine was used for strain elastography， and elastic strain rate ratio of rectus femoris was measured to evaluate tissue hardness of rectus femoris. Results Compared with the normal group， muscle thickness， cross-sectional area， perimeter and pennation angle in the model group were significantly decreased， the ratio of ultrasonic elastic strain rate was significantly increased， and the peak time and transit time were significantly shortened in the model group， the differences were highly statistically significant （all P < 0.01）. Conclusion Ultrasonic multimodal combined technique， complements each other's advantages， it can objectively evaluate the condition of KOA rabbit femoral rectus muscle from the aspects of morphology， blood perfusion， and tissue hardness change， which is worthy of clinical application.

[Key words] Ultrasonic multimode; High frequency ultrasound; Contrast ultrasound; Ultrasound elastography; Knee osteoarthritis

膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是最常见慢性骨关节病，我国中老年人群中症状性KOA患病率为8.1%[1]，已成为全球第四大致残性疾病[2]。随着我国人口老龄化加速，KOA发病率也呈上升趋势，严重影响我国居民身心健康与生活质量。笔者所在团队在前期文献梳理中基于经筋体系筋骨平衡理论阐明了KOA“横络痹阻，气血失和、筋骨失衡”的病机特点以及“筋和则骨正，横络解结，调筋以治骨”的治疗思想。并创立针刀“解结法”，即采用针刀对KOA筋骨失衡模式下膝部足三阳、足三阴经筋常见筋结点进行松解，调畅经筋气血、调节经筋力平衡，恢复筋骨平衡，达到“筋柔骨正，调筋治骨”的目的[3]。因此，精准评估肌肉、韧带病灶点具有重要的临床意义。然而目前肌肉、韧带病灶点位置、范围、性质评价还局限于以触诊为主要依据，无法客观定位、定性，影响临床疗效。笔者所在团队前期已经在超声可视化引导针刀治疗上进行了探索研究[4-6]，在超声评估肌肉、韧带病灶点方面积累了丰富经验，提出超声多模态联合技术评估KOA骨骼肌病灶点的构想。本研究开展与KOA发病密切相关的股直肌作为研究对象的动物实验进行验证，证实超声多模态联合技术能够从股直肌形态学、血液灌注、组织硬度等方面客观评价股直肌病变情况，现报道如下：

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

6月龄健康雄性新西兰大白兔16只，体重（2.0±0.5）kg，订购于上海松联实验动物责任有限公司[生产许可证号码：SCXK（沪）2017-0008]，委托福建省中医药研究院实验动物中心[SYXK（闽）2016-0005]代购并饲养。实验动物单笼喂养，饲养房温度20～25℃，湿度30%～60%。利用随机数字表法将实验动物均分为正常组、模型组，每组8只。动物处理方法按照中华人民共和国科技部颁发的《关于善待实验动物的指导性意见》执行，并经福建中医药大学医学伦理委员会审定。

1.2 主要仪器和试剂

1.2.1 仪器  飞利浦EPIQ107超声机，配备5～18 MHz高频探头;ACUSON S2000超声机，配备低机械指数（0.06～0.10）的造影谐波成像软件;Vivid E80超声机，配备弹性成像分析软件。

1.2.2试剂  声诺维（SonoVue，注射用六氟化硫微泡），注射劑，59 mg六氟化硫/支，注册证号：BH20080059，生产厂家：Bracco Imaging B.V.;耦合剂，山东嘉百通生物科技有限公司。

1.3 造模方法及模型评价

正常组常规饲养，不予造模。模型组采用改良Videman法造模，参照Videman法[7]将兔子俯卧于固定架上，操作者牵拉实验兔的左下肢，使之完全伸直（膝关节伸直180°，踝关节60°背曲），将脱脂棉包绕在膝关节周围，然后以膝关节髌骨为中心，髌上2 cm到髌下3 cm的位置放置高分子石膏托（事先按照该长度将3层厚度的高分子石膏置于膝前侧以膝关节髌骨为中心，髌上2 cm到髌下3 cm的位置，塑型备用），再用高分子绷带从上到下由大腿根部向趾尖进行螺旋式缠绕1层。待高分子树脂绷带定型后，缠绕防啃咬绷带从趾端向腹股沟进行套裹。行股骨内外侧髁处软骨组织标本苏木精-伊红（HE）染色光镜观察，检测造模是否成功。

1.4 超声检测

腹腔注射10%水合氯醛溶液（3 mL/kg）麻醉实验兔。左下肢剃毛，在髌上2 cm股直肌正中处用记号笔标记。将实验兔仰卧位，膝部垫软枕保持膝关节稍屈曲。高频超声检查，使用EPIQ7超声诊断仪器，选取肌肉骨骼超声模式，运用高频线阵探头（5～18 MHz）在髌上2 cm股直肌正中处进行短轴和长轴成像，反复测量3次。超声造影检查，使用ACUSON S2000超声机，选取造影模式，运用高频线阵探头（8～12 MHz）探头在髌上2 cm股直肌正中处长轴成像，然后通过耳缘静脉注入1 mL造影剂，记录120 s造影图像。超声弹性成像，运用高频线阵探头（8～12 MHz）探头在髌上2 cm股直肌正中处长轴成像，当出现清晰图像后，选取弹性成像模式，进行弹性成像，反复测量3次。

1.5 观察指标

1.5.1 超声形态学指标  ①羽状角：在高频超声长轴图像中根据股直肌肌束的排列方向和深层肌腱膜的方向可以画出肌束线和深层肌腱膜线，两线的夹角即为羽状角，测量羽状角大小。见图1A。②肌肉厚度：在高频超声长轴图像中测量股直肌浅筋膜与深筋膜的的距离。见图1B。③肌肉周长和横截面积：在高频超声短轴图像中测量股直肌周长和横断面积。见图1C。

1.5.2 超声组织硬度质变  采用超声弹性成像分析软件分析弹性成像图，以股直肌中心位置与皮下组织的应变值比值作为股直肌的弹性应变率比值。见图1D。

1.5.3 超声血流灌注指标  采用超声造影图像分析软件分析120 s造影图像的增强时间-强度曲线（time interensity curve，TIC），得出达峰时间、渡越时间。见图1E。

1.6 统计学方法

采用SPSS 22.0对所得数据进行统计学分析，计量资料采用均数±标准差（x±s）表示，采用两独立样本t检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组股直肌超声形态学结果比较

与正常组比较，模型组在肌肉厚度、横截面积、肌肉周长、羽状角方面均存在不同程度缩小，差异有高度统计学意义（P < 0.01）。见表1。

2.2 两组股直肌超声弹性成像组织硬度比较

与正常组比较，模型组股直肌超声弹性应变率比值明显增大，差异有高度统计学意义（P < 0.01）。见表2。

2.3 两组股直肌超声造影血流灌注结果比较

与正常组比较，模型组股直肌造影达峰时间、渡越时间均明显缩短，差异有高度统计学意义（P < 0.01）。见表3。

3 讨论

现代医学认为KOA发病主要与生物化学因素及生物力学因素有关，是在生物学和力学因素共同作用下导致的软骨细胞、细胞外基质、软骨下骨三者降解和合成正常耦联失衡的结果[8-9]。近年来骨骼肌机能下降造成的膝关节力平衡失调是导致KOA疼痛及功能障碍的重要原因，现已获得广泛共识[10-11]。研究表明异常姿势、外伤等均可引起膝关节骨骼肌慢性损伤[8-9]。当肌肉协调功能下降，会导致膝关节生物力学失衡，在膝关节失衡情况下，肌肉韧带会出现严重代偿作用，为适应膝关节多个平面的运动负荷，通过肌肉收缩力及韧带的力臂变化来维持膝关节的动态稳定性，促使膝关节对不同部位的负荷重新分配[12]。当失代偿时，就会出现严重的畸形，如内侧关节间隙变窄，股胫角度增大，将加重关节软骨与半月板之间的磨损，引起膝关节退变[13]。从中医角度来看，《素问·五脏生成》曰：“诸筋者，皆属于节。”膝为筋之府，足三阳经筋和足三阴经筋循行结聚于膝关节。《灵枢·经脉》曰：“骨为干，脉为营，筋为刚，肉为墙。”骨作为树干支撑起人体结构，筋肉作为“节”提供动力和支撑。《素问·痿论》曰“宗筋主束骨而利机关也”，足三阳经筋和足三阴经筋能约束骨骼，以利于关节屈伸，保持膝关节正常运动功能。《灵枢·刺节真邪》曰：“一经上实下虚而不通者，此必有横络盛加于大经之上，令之不通。”当外邪客居，脏腑气衰，邪气盘踞关节，筋骨失养，关节僵硬变形无法维持力线，膝关节筋骨力平衡失调。因应力集中膝关节受力情况发生改变，出现“筋结”等病理性产物。而经筋失衡与骨损伤变互为因果，当筋骨失衡未达到调整，关节运动紊乱模式没有得到纠正，恶性循环而发为KOA，出现膝关节疼痛、功能障碍。综上，现代医学和中医理论均认为“筋骨失衡，以筋为先”是KOA的主要发病机制。因此，根据KOA“筋骨失衡”的失衡模式，精准评估肌肉、韧带病灶点具有重要的临床意义。

肌电图、CT、磁共振成像，超声影像技术均运用于肌肉、韧带病变的评估，但肌电图、CT、磁共振成像都有一定局限性。肌电信号与肌音信号是通过生物电信号改变来评价肌肉功能，无法直观、精准地辨别病灶点所处位置、范围等情况，并且肌电信号与肌音信号容易受到周围干扰因素影響，从而影响对骨骼肌评估[14]。X线、CT检查是通过射线穿透组织强弱能力来反映骨骼相关疾病，但其在肌肉等软组织分辨率上仍存在着不足[15]。磁共振成像技术具有观察软组织最佳分辨率、无辐射等优点，但不能够动态软组织成像以及对血流信号、肌肉弹性等进行判断，且设备及检查费用昂贵[16]。而超声影像技术可对皮下脂肪、肌肉、韧带、神经、血管、骨等组织均有较好分辨力，能清晰显示局部软组织解剖层次和其动态影像，且具有可对比性、无辐射等优点[17-19]。研究表明高频超声可以测量肌肉羽状角、肌肉厚度、肌肉周长和肌肉横截面积，评价肌肉的形态功能变化[20]。超声造影通过比对达峰时间、渡越时间，能有效定量骨骼肌的微循环变化[21]。超声弹性成像通过弹性应变率测量评估病灶区弹性变化[22]。基于此，本研究提出超声多模态联合技术评价KOA经筋病灶点的构想，即通过超声多模态联合，循膝部常见经筋病灶点处的肌肉、韧带、滑囊、软骨等软组织进行探查，从形态学、血流信号、组织硬度等方面评价，从而实现膝骨性关节炎肌肉、韧带病变的精准客观评估。

本研究结果显示，与正常组比较，模型组在肌肉厚度、横截面积、肌肉周长、羽状角方面均明显变小，超声弹性应变率比值明显增大，达峰时间、渡越时间均明显缩短，差异均有高度统计学意义（P < 0.01）。这与KOA的骨骼肌慢性损伤病理相关研究相一致[12-13]。骨骼肌慢性损伤后的愈合过程主要有炎症、再生和纤维化三个阶段，结局是肌纤维走向紊乱，肌纤维束萎缩伴纤维化，肌间隙炎性细胞浸润，影响骨骼肌功能。肌纤维走向紊乱，肌纤维萎缩，则肌肉宽度、周长和横截面均变小;肌纤维束纤维化则硬度增加;炎性细胞浸润，毛细血管扩张，则血流灌注充盈。

综上所述，超声多模态技术联合，优势互补，可评估肌肉等软组织形态学、血液灌注、组织硬度改变，为KOA肌肉等软组织的病变的评估提供客观依据。本研究存在样本量有限，缺乏临床数据等不足。后续研究会进一步设计动物和临床实验研究，规范检测流程，制定KOA分级诊断的量化评定标准，为KOA精准分级诊断及治疗奠定基础。

[参考文献]

[1]  Tang X，Wang S，Zhan S，et al. The prevalence of symptomatic knee osteoarthritis in China：results from China health and retirement longitudinal study [J]. Arthritis Rheum，2016，68（3）：648-653.

[2]  Cross M，Smith E，Hoy D，et al. The global burden of hip and knee osteoarthritis：estimates from the global burden of disease2010 study [J]. Ann Rheum Dis，2014，73（7）：1323-1330.

[3]  刘建民，刘晶.从经筋弓弦特性探析针刀治疗膝骨性关节炎[J].中国医药导报，2017，14（27）：161-164.

[4]  刘洪，修忠标，张良志，等.超声引导下针刀松解疗法治疗颈型颈椎病临床观察[J].福建中医药，2018，49（3）：8-10.

[5]  林瀚洋.超声引导下针刀神经触激术治疗腰椎间盘突出症的临床疗效观察[D].福州：福建中医药大学，2016.

[6]  袁梦微.超声引导下针刀软组织松解治疗颈型颈椎病的疗效观察[D].福州：福建中医药大学，2015.

[7]  Videman T. Experimental osteoarthritis in the rabbit：comparison of different periods of repeated immobilization [J]. Acta Orthpo Scand，1982，53（3）：339-347.

[8]  Zhang ZJ，Ng GYF，Lee WC，et al. Increase in passive muscle tension of the quadriceps muscle heads in jumping athletes with patellar tendino pathy [J]. Scand J Med Sci Sports，2017，27（10）：1099-1104.

[9]  Wu D，Wang C，Wang Z E et al. Effects of glutamine on skeletal muscle membrane repair in severely burned mice and the functional mechanism [J]. Zhonghua Shao Shang Za Zhi，2019，35（5）：341-350.

[10]  Zanotti S，Gibertini S，Blasevich F，et al. Exosomes and exosomal miRNAs from muscle-derived fibroblasts promote skeletal muscle fibrosis [J]. Matrix Biol，2018，74：77-100.

[11]  Chen XM，Cui LG，He P，et al. Shear wave elastographic characterization of normal and torn achilles tendons：a pilot study [J]. J Ultrasond Med，2013，32（3）：449-455.

[12]  Cisternas P，Henriquez JP，Brandan E，et al. Wnt signaling in skeletal muscle dynamics：myogenesis， neuromuscular synapse and fibrosis [J]. Mol Neurobiol，2014，49（1）：574-589.

[13]  Cisternas P，Vio CP，Inestrosa NC. Role of Wnt signaling in tissue fibrosis，lessons from skeletal muscle and kidney [J]. Curr Mol Med，2014，14（4）：510-522.

[14]  Hébert-Losier K，Yin NS，Beaven CM，et al. Physiological，kinematic，and electromyographic responses to kinesiology-type patella tape in elite cyclists [J]. J Electromyogr Kinesiol，2019，44：36-45.

[15]  劉敏，李敬伟.膝关节骨性关节炎高频超声与X线表现的分析与比较[J].医学理论与实践，2018，31（17）：2642-2644.

[16]  刘坤，贾惠惠，陈艳丽.X线、超声及MRI影像诊断膝骨关节炎的价值对比分析[J].临床医药文献电子杂志，2018，5（66）：117-118.

[17]  薛浩，刘岩，冉博，等.膝关节骨性关节炎治疗现状[J].医学综述，2018，24（2）：321-325，330.

[18]  Turo D，Otto P，Shah JP，et al. Ultrasonic tissue characterization of the upper trapezius muscle in patients with myofascial pain syndrome [J]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2012，2012：4386-4389.

[19]  Taheri N，Okhovatian F，Rezasoltani A，et al. Ultrasonography in Diagnosis of Myofascial Pain Syndrome and Reliability of Novel Ultrasonic Indexes of Upper Trapezius Muscle [J]. Ortop Traumatol Rehabil，2016，18（2）：149-154.

[20]  Ticinesi A，Narici MV，Lauretani F，et al. Assessing sarcopenia with vastus lateralis muscle ultrasound： an operative protocol [J]. Aging Clin Exp Res，2018，30（1）：1437-1443.

[21]  Greco S，Cardinali B，Falcone G，et al. Circular RNAs in Muscle Function and Disease [J]. Int J Mol Sci，2018，19（11）：pii： E3454

[22]  王月香，唐杰，梅兴国，等.灰阶超声造影定量分析骨骼肌血流灌注的实验研究[J].中国超声医学杂志，2008， 24（7）：591-593.

（收稿日期：2019-09-19  本文编辑：顾家毓）