剪切波超声弹性成像对脑卒中患者肱二头肌硬度变化的定量评估

郭雪园，尹飒飒，戈含笑，解 涛，左秀芹，李永各，张立宁，王月香，贾子善

解放军总医院第一医学中心，北京 100853 1 康复医学中心；2 超声医学科

痉挛是脑卒中后上运动神经元损伤的主要表现形式，研究显示30%的脑卒中病人在发病后第1 周出现痉挛[1]。若脑卒中早期痉挛不能得到有效控制，会逐渐发展为持续痉挛状态，甚至导致关节挛缩畸形、疼痛、肌腱回缩、肌肉无力等，严重影响康复进程，降低患者日常生活活动能力。目前临床上对于脑卒中后肢体痉挛的评估有改良Ashworth 分级(Modified Ashworth Scale，MAS)和改良Tardieu 评分等主观的分级量表，缺乏客观定量的评价方法[2]。近年来，剪切波弹性超声(shearwave elastography，SWE)在骨骼肌肉疾病中的研究成为热点，可用于评估肌肉硬度的改变，对于脑卒中后肢体痉挛的评价也有重要的临床价值[3-4]。本研究应用剪切波弹性超声评价脑卒中患者不同姿势下肱二头肌(biceps brachii muscle，BBM)不同肌层的硬度，探讨剪切波弹性超声在脑卒中后肢体痉挛评估中的价值。

对象与方法

1 研究对象 本研究纳入2019 年5 月1 日- 2020年1 月20 日于解放军总医院第一医学中心康复科住院及门诊就诊的脑卒中偏瘫患者20 例，男性16 例，女性4 例，脑出血7 例，脑梗死13 例，平均年龄53.8 岁，平均病程28.9 个月。纳入标准：1)影像学检查结果符合脑卒中偏瘫相关西医诊断标准(中华医学会神经病学分会，《中国脑卒中早期康复治疗指南2017》)；2)年龄≤80 岁；3)上肢有痉挛，屈肘肌Ashworth 分级(1 ～ 3 级)；4)意识清楚，可执行指令，可配合医生治疗与测试；5)坐位平衡1 级以上。排除标准：1)生命体征不稳定、意识不清、交流障碍、不能执行指令；2)肌张力障碍、强直；3)Ashworth 分级大于3 级；4)合并其他器官严重并发症；5)双侧肢体瘫痪；6)既往有上肢骨折、肌肉损伤、臂丛神经损伤或手术史者。所有受试者均在测试前签订了知情同意书。

2 SWE 超声诊断 嘱受试者坐位放松，固定肩关节于外展30°、前臂中立的位置，分别在痉挛侧和健侧上肢屈肘90°和屈肘0°时测量SWE 数据，同时监测BBM 肌腹的表面肌电信号变化，以排除受试者主动收缩BBM 影响硬度测量的可能。超声弹性检测采用法国剪切波弹性成像超声诊断仪(Supersonic Imagine，Aixen Provence，France)，L10-2 线阵探头，使用频率为2 ～ 10 MHz。首先二维超声横切面显示BBM 肌腹最厚处，探头旋转90°显示BBM 纵切面，在SWE 模式下获取彩色组织弹性图。将感兴趣区设置为10 mm×10 mm，当信号稳定后冻结图像，在感兴趣区内分别截取BBM 的浅层和深层肌肉的圆形目标区进行测量，直径设置为7 mm，浅层肌肉深度范围为0.8 ～ 1.8 cm，深层肌肉深度范围2.0 ～ 3.0 cm，系统自动计算出目标区最大、最小和平均杨氏模量值，每侧肢体的单一体位分别测量3 次，计算平均杨氏模量值。所有检测均为同一医师在相同室温下进行。

3 肌张力及运动功能评定 1)肌张力评定：治疗师徒手对受试者的屈肘肌群进行MAS 分级，根据快速牵伸的阻力程度，MAS 分级为0、1、1+、2、3、4 共6 级，0 级为正常，级值越高，肌张力越大，1+级设定为1.5 级便于数据统计。评估由同一名从事神经康复工作5 年以上的治疗师完成。2)Bruunstrom 运动功能评定：Ⅰ期，肌肉呈弛缓状态，肌张力消失；Ⅱ期，出现肌张力、痉挛和联合反应；Ⅲ期，可随意引起不同程度的共同运动或其成分；Ⅳ期，出现脱离共同运动模式的分离运动；Ⅴ期，分离运动进一步改善，可完成较难的功能活动；Ⅵ期，共同运动模式完全消失，协调运动、运动速度大致正常。Bruunstrom 分期等级越高越接近正常。评估由同一名从事神经康复工作5 年以上的治疗师完成。

4 统计学分析 采用SPSS25.0 统计学软件分析数据。计数资料采用频数表示。SWE 等计量资料为非正态分布，以中位数(四分位数间距)表示，组间比较采用秩检验。此外，采用Spearman 检验对痉挛侧的杨氏模量值和MAS 分级进行相关性分析。P ＜0.05 为差异有统计学意义。

结 果

1 一般资料 20 名受试者均完成了BBM 剪切波弹性超声测定和肢体功能评估。BBM 肌张力的改良Ashworth 分级：1 级4 例，1+级7 例，2 级7 例，3 级2 例；患者上肢Bruunstrom 分期：Ⅲ期16 例，Ⅳ期4 例。见表1。

2 痉挛侧与健侧不同角度及深度的杨氏模量值比较 屈肘90°时，痉挛侧与健侧BBM 杨氏模量无统计学差异(P ＞0.05)；屈曲0°时，痉挛侧浅层和深层BBM 杨氏模量值均明显大于健侧(P ＜0.01)。不论是BBM 深层或者浅层，痉挛侧肢体在屈肘90°的杨氏模量值均较屈肘0°时小(P ＜0.01)；然而在健侧肢体两种体位的差异没有统计学意义。当患侧肘关节屈曲0°时，BBM 浅层的杨氏模量值明显小于深层；屈肘90°时，BBM 深浅层差异无统计学意义。当健侧屈肘90°和屈肘0°时，BBM浅层的杨氏模量值均明显小于深层，差异有统计学意义(表2)。图1 显示，健侧BBM 由浅入深呈现蓝色至浅蓝色，痉挛侧BBM 由浅入深呈现浅蓝色转黄色至红色，可见无论BBM 否存在痉挛，深层肌的杨氏模量大于浅层肌的数据。

表1 受试者一般资料 (n=20)Tab. 1 Demographic and clinical data of the patients (n=20)

表2 痉挛侧与健侧肱二头肌杨氏模量值(kPa)比较Tab. 2 Comparison of shear modulus of BBM between the affected and the unaffected side (kPa)

图 1 脑卒中偏瘫患者屈肘0°肱二头肌健侧(A)与痉挛侧(B)的彩色组织弹性图Fig. 1 Shear wave ultrasonic elastography images of biceps brachii of the unaffected (A) and the affected (B) side of a representative stroke subject at 0°elbow flexion

3 痉挛侧BBM 杨氏模量值与MAS 分级的相关性 痉挛侧肢体屈肘0° 时，BBM 浅层和深层杨氏模量均与MAS 分级呈线性正相关(r=0.612，P=0.004；r=0.732，P=0.000)。见图2、图3。

图 2 屈肘 0°痉挛侧BBM浅层杨氏模量与MAS分级的相关性Fig. 2 Relationship between the Young modulus of superficial muscle of BBM and the MAS score in the affected side at 0° flexion

图 3 屈肘0°痉挛侧BBM深层杨氏模量与MAS分级的相关性Fig. 3 Relationship between the Young modulus of superficial muscle of BBM and the MAS score in the affected side at 0° flexion

讨 论

脑卒中后通常会伴随肌肉组织特性的变化，这些变化包括肌小节缩短、结缔组织的累积以及肌肉硬度的增加等[5-6]。痉挛肌硬度通常通过关节扭矩测量或者肢体动力学计算等方法估算获得，并不能提供直接的肌肉硬度信息。剪切波弹性成像作为一种量化肌肉特性的手段，已应用于评估神经肌肉疾病的肌肉僵硬程度的研究[7-9]。SWE 测量获得的杨氏模量是描述固体物质抵抗形变能力的物理量，它与物质硬度大小成正比[10]。

本研究发现，当上肢屈肘0°时，无论是浅层或是深层痉挛侧BBM 肌腹的杨氏模量均高于相匹配的健侧数据，这与痉挛后的临床表现和评估结果相符合，也与之前大部分学者的试验结论相统一[6,11]。杨氏模量值与组织硬度密切相关，屈肘0°时痉挛侧BBM 组织的硬度要高于健侧，这可能是反射硬度成分和固有硬度成分共同参与的结果[12]。也就是说，当BBM 处于被拉伸状态时，由于对神经反射活动的抑制调节作用减弱，运动神经元兴奋性增加，使得肌肉产生不随意收缩而导致肌肉硬度的增加，这种增加的硬度我们称之为反射硬度；另一方面，随着时间的推移，痉挛肌肉组织内脂肪和结缔组织增加，肌小节变短使得肌肉发生机械特性变化以及细胞结构性变化而导致肌肉硬度增加，这种增加的硬度称之为固有硬度。然而两种硬度增加的比例如何，尚属未知，这也是以后的研究方向。

脑卒中后各种因素会导致复杂的生理学变化，利用SWE 同一时间点截取的图像发现，多数脑卒中患者痉挛侧BBM 的图像颜色随着深度增加而由蓝色过渡到橙色甚至红色，意味着随着深度增加肌肉的硬度增大(图3)。Chen 等[13]曾对健康人的BBM 做过研究，发现在同样屈肘0°的体位下，深度1.5 cm 和2 cm 的肌肉硬度并没有显著差异。本研究显示，在屈肘0°时，相对于解剖位置浅表的肱二头肌，更深层的肱二头肌的杨氏模量增加在更为显著。可合理推测，发生慢性痉挛的肌肉的硬度增幅可能与肌肉所在的深度有关，肌层越深痉挛后肌肉硬度变化越大。

当屈肘90°时BBM 处于放松状态时，研究发现痉挛侧BBM 的杨氏模量与健侧比较并无统计学差异，然而以往研究表明，脑卒中后痉挛侧BBM硬度比健侧大，患侧腓肠肌硬度比健侧大[6,14-15]。也许之前研究纳入的患者病程较长(脑卒中病程1.9 ～ 42.2 年，平均11.9 年；小儿脑瘫病程平均58.7 个月)，由于肌肉长时间痉挛，肌肉内脂肪组织浸润和结缔组织纤维化，从而导致杨氏模量增加，肌肉硬度也增加[5,16]。而本研究纳入的受试者脑卒中发病时间跨度比较大(2 ～ 168 个月)，试验中屈肘90°时出现痉挛侧杨氏模量小于健侧的3号、9 号、14 号、15 号、18 号、20 号受试者，病程分别为3 个月、2 个月、2.5 个月、2 个月、2 个月和5 个月，可能与相对病程较短、慢性痉挛程度低有关。另外，由于健侧代偿理论和过度使用引起的健侧肌肉组织肥大，可能进一步减少痉挛侧与健侧BBM 杨氏模量值间的差异[17]。

本研究发现，不论浅层或者深层，痉挛侧屈肘0°时的杨氏模量值均大于同侧屈肘90°时的数据。Phan 等[18]发现健康人在屈肘0°时，BBM 的硬度显著高于屈肘30°；Wu 等[19]对健康人和脑卒中病程小于6 个月的BBM 研究发现，在健康的、痉挛侧的和非痉挛侧肌肉中，屈肘0°时的肌肉硬度均大于屈肘90°。以上文献均证明，当肌肉处于牵伸状态时，硬度比放松状态时大。牵伸使得肌肉拉紧而硬度增加是显而易见的，这与肌肉牵伸时的不适感而引起的轻微肌肉收缩有关。尤其在中枢神经损伤的前提下，痉挛肌肉的拉伸导致牵张反射亢进，使肌肉产生更强烈的不随意收缩，加剧了痉挛侧BBM 在屈肘90°和屈肘0°时的硬度差异[20]。而我们的试验中健侧并没有随角度发生硬度变化，原因可能是本试验不同于以往试验的仰卧位，而是采取坐位这种抗重力体位，使得肌肉肌活动增加，减少了健侧屈肘90°和屈肘0°时硬度的差异。体位的变化会影响脑卒中患者肌肉张力以及功能的发挥。本试验之所以采用坐位，是因为相对于仰卧位，坐位与日常生活活动更为相关。当痉挛患者处于坐位时，由于需要克服部分重力以及保持身体平衡，需要组织肌肉间协调以及多感觉整合等复杂情况，这种前提下进行痉挛肌肉硬度的检查，显然会与仰卧位的放松状态有所不同，可更准确地评估《国际功能，残疾和健康分类》框架下患者的参与水平。

另外，肘关节屈曲0°时，BBM 浅层和深层杨氏模量均与MAS 分级呈正相关(浅层：r=0.612，P=0.004；深层：r=0.732，P=0.000)，说明屈肘0°时杨氏模量值越高，关节被动运动产生的阻力就越大，痉挛程度越高，为SWE 定量评估痉挛提供了支持。

本研究的局限性：1)样本量较小，没有设立健康对照组，尽管有报道显示健康人的BBM 与脑卒中患者非痉挛侧BBM 硬度相似。本研究仅将脑卒中患者非瘫痪侧作为对照组进行比较。2)有文献称65 岁以上肌肉的硬度才开始发生变化[21]，年龄的跨度较大依然是本试验的局限性。3)本研究中脑卒中病程时间跨度较大，弹性超声评估BBM痉挛和弹性特性可能受发病时间长短影响。值得注意的是，本研究中的超声弹性成像仅显示静息状态下痉挛肌的硬度，这是肌肉的力学特性，然而肌肉的动态痉挛，即肌肉的运动依赖性并没有直接测量。利用特殊装置以测量动态肌肉的弹性超声是未来的研究方向。

总之，弹性超声在评估脑卒中后肌肉痉挛方面具有潜在的应用价值，可用于评估上臂肌肉的痉挛程度，为肌肉不同层次的痉挛程度提供客观依据。