剪切波弹性成像在肌肉、肌腱、周围神经病变生物力学定量评估中的应用进展

刘博姬，徐辉雄

1. 同济大学附属第十人民医院超声医学科，上海 200072；

2. 复旦大学附属中山医院超声科，上海 200032

生物力学是生物学、力学和医学结合的交叉学科，通过应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究。疾病中组织发生病变，可引起生物力学特征改变。因此，定量评估生物力学特征，能够帮助诊断疾病和评估治疗效果。剪切波弹性成像（shear wave elastography，SWE）安全无创、操作简便，且能够实时动态地反映组织内生物力学信息，并进行定量测量，已广泛应用于临床。本文就SWE在肌肉、肌腱、周围神经病变的生物力学特征定量的应用进展进行述评。

1 SWE基本原理及分类

SWE基本原理是基于对组织所受应力后变形程度或组织内剪切波速度的测量［1］，获取组织杨氏模量值（单位：kPa）或剪切波速度值（单位：m/s），定量反映组织生物力学特性。SWE包括瞬时弹性成像（transient elastography，TE）、点式剪切波弹性成像（point shear wave elastography，p-SWE）、二维剪切波弹性成像（two-dimension shear wave elastography，2D-SWE）和三维剪切波弹性成像（threedimension shear wave elastography，3D-SWE），目前使用最广泛的是2D-SWE。2D-SWE能够实时动态操作，生成弹性图像，并定量测量杨氏模量或剪切波速度。

2 SWE在肌肉疾病中的应用

SWE可以通过肌肉拉伸、放松或负荷的不同状态来观察和测量其硬度变化，反映正常肌肉组织学结构和生物学特性。另外，临床上许多疾病可累及肌肉组织，造成肌肉组织生物力学特征改变。目前临床上用于肌肉检查的手段如触诊、肌电图、肌张力测试仪等，存在操作复杂、主观依赖性高等缺陷，而SWE能够实时动态、定量测量，并且能针对特定的肌肉或肌肉群进行扫查和测量。

2.1 SWE在正常人群肌肉生物力学特征评估中的应用

多项研究［2-3］结果显示，剪切波在收缩状态的肌肉中传播速度高于放松状态的肌肉。Ward等［4］研究发现，肌肉在松弛状态下其肌肉解剖横截面积越小，杨氏模量值增加的幅度越大，且与增加的被动肌力呈正相关。Hirata等［5］的研究结果表明，人体小腿三头肌松弛状态下的踝关节角度各不相同，SWE可以确定肌肉松弛状态下的关节角度，能更好地帮助判断肌肉是处于松弛还是紧张状态。Wang等［6］的研究发现，在主动力和被动力的产生过程中，主动收缩时，黏度与弹性之比几乎保持不变，而在被动力增加时则显著降低，表明SWE可以区分主动力和被动力。

2.2 肌肉损伤性疾病

肌肉损伤会导致肌肉硬度发生改变，通过硬度测量可以帮助诊断。Lv等［7］对兔子大腿肌肉进行加压损伤，发现受伤区域肌肉组织的硬度均显著高于周边组织，原因可能是损伤后肌肉内炎性反应伴渗出引起组织变硬。郑乙等［8］研究SWE在评价膝关节炎患者股四头肌生物力学特征改变中的价值，结果显示实验组治疗前的肌肉杨氏模量均值均低于对照组（P＜0.05），说明SWE可用于定量评估膝关节炎患者肌肉生物力学性能，这为膝骨关节炎的诊断及疗效评定提供了新的依据。

2.3 肌肉退行性病变

肌肉的结构功能会随年龄增长发生变化，SWE可以观察测量随着年龄变化肌肉硬度的变化［9-10］。Hsiao等［9］的研究结果表明，老年人肌肉杨氏模量值减低，可能与胶原纤维减少和组织化生缺失有关。Du等［11］应用SWE测量帕金森病症状显著患者、帕金森病无自觉症状患者和健康受试者的肱二头肌杨氏模量值，前两组患者杨氏模量值显著高于健康受试者，差异均有统计学意义（P＜0.05），提示SWE可为帕金森病的早期诊断提供客观依据。

2.4 治疗效果评价

SWE可以通过比较治疗前后肌肉硬度的变化，达到评估治疗效果的目的。Gao等［12］应用SWE评估骨疗手法治疗后腰大肌的硬度变化，结果显示，骨疗手法治疗后，腰大肌的平均剪切波速度较前显著降低。Yoshida等［13］应用SWE动态观察腓肠肌肌肉损伤患者愈合过程中的硬度值变化，结果显示，受伤一侧肌肉瘢痕处的硬度值在愈合8～12周时明显高于4周时的硬度。此外，Alfuraih等［14］研究了巨细胞动脉炎患者口服大剂量糖皮质激素治疗前后肌肉硬度变化，发现患者在前6个月内近端腿部肌肉硬度明显降低，SWE可以通过评估治疗前后肌肉硬度变化来反映治疗效果，然而目前仍需大样本研究进一步验证。

3 SWE在肌腱疾病中的应用

SWE可准确定位、实时观察并行双侧对比扫查，近年来已应用于检查肌腱正常及异常的患者。肌腱的紧张程度与其弹性测值密切相关，同时，肌腱内部结构复杂，SWE在实际扫查过程中无法时刻保持声束与肌纤维走行完全垂直，从而出现各向异性伪像，因此需要在肌腱不同切面和功能状态下分别评估其弹性值。研究［15］结果表明，剪切波在健康肌腱中的传播速度大于病变肌腱，在收缩状态时传播速度大于放松状态。

3.1 在正常肌腱生物力学特征评估中的应用

Arda等［16］对127名健康志愿者的跟腱进行了横断面和纵断面的SWE扫查，结果显示，男性跟腱平均杨氏模量值在纵断面上高于女性，而在横断面上差异无统计学意义，同时发现测量群体中跟腱的杨氏模量值与年龄无相关性。亦有研究［17］建议跟腱SWE扫查应使用多个体位（静卧位、跖屈位、背屈位），不同体位下其硬度值差异性较大。Aubry等［18］的研究结果表明，踝关节在背屈位下，健康跟腱纵断面剪切波速度为7.03 m/s，横断面为4.76 m/s，各向异性系数为0.33；而在伸展位上，健康跟腱纵断面剪切波速度为15.55 m/s，横断面为5.29 m/s，各向异性系数为0.66，背屈位和伸展位上测量的数据差异有统计学意义。

3.2 肌腱损伤或退行性变

肌腱在正常状态下是一种相对较硬的组织，在发生损伤或退行性变时，肌腱的硬度出现不同程度的改变。Chen等［19］的研究发现，健康跟腱的平均杨氏模量约为291 kPa（范围为261～300 kPa），显著高于跟腱断裂时的平均杨氏模量（56 kPa，范围为3～228 kPa）。Zhang等［20］的研究表明，修复术后跟腱平均杨氏模量及功能评分与术前比较差异均有统计学意义。修复术后跟腱的杨氏模量值与肌腱功能显著相关，表明SWE可用于评估跟腱愈合过程的生物力学信息，并预测肌腱功能状态。

3.3 冈上肌肌腱及髌骨肌腱病变

冈上肌肌腱病变是导致肩关节疼痛和活动受限的常见病因。Rosskopf等［21］对冈上肌肌腱病变患者和健康志愿者进行SWE扫查，结果显示，健康志愿者冈上肌肌腱的剪切波速度明显高于冈上肌肌腱病变患者。Vasishta等［22］的研究发现，冈上肌肌腱杨氏模量值随着肌腱病变程度加重而减低。Yurdaiık等［23］应用SWE检测髌骨肌腱病变，结果表明，SWE评价髌骨肌腱病变的结果与磁共振成像的临床评分一致，SWE可以作为一种安全有效的成像方法用于检测髌骨肌腱病变，但仍需更多研究来探讨SWE在肌腱病变中的潜在作用和应用价值。

4 SWE在周围神经病变中的应用

SWE通过对周围神经的生物力学特征进行定量测量，可为周围神经病变的诊断和疗效评估提供帮助。周围神经的生物力学特征与病变及功能改变相关，而SWE可以通过获取硬度值以及动态观察硬度值变化来反映其生物力学特征的变化，以达到定量评估周围神经病变的目的［24］。

4.1 糖尿病周围神经病变

糖尿病可改变周围神经的微结构，引起糖尿病周围神经病变，是糖尿病患者的常见并发症之一。He等［25］研究结果表明，糖尿病周围神经病变患者的正中神经和胫神经剪切波速度均显著高于健康志愿者。穆晶晶等［26］应用SWE分别对糖尿病合并周围神经病变患者、糖尿病不合并周围神经病变患者和健康志愿者的腓肠神经进行了评估，结果发现，糖尿病周围神经病变患者腓肠神经的杨氏模量值显著高于另外两组，当取截断值为51.65 kPa时，SWE诊断糖尿病周围神经病变的灵敏度、特异度和曲线下面积分别为86.9%、89.7%和0.925。上述研究结果为SWE帮助早期诊断糖尿病周围神经病变提供了依据。

4.2 腕管综合征

腕管综合征是最常见的神经卡压性疾病。当腕管长期受压，正中神经外膜增厚，瘢痕增生、神经纤维变性发生水肿或纤维化，导致神经硬度值增加。而SWE可动态实时获取弹性值，客观反映组织的病理生理学状态。Kantarci等［27］使用SWE测量腕管入口处正中神经的硬度，结果发现，腕管综合征患者的正中神经硬度明显高于对照组（P＜0.05），且当正中神经杨氏模量值＞40.4 kPa时可高度怀疑腕管综合征，诊断腕管综合征的灵敏度、特异度分别为93.3%、88.9%。由此可知，SWE评估正中神经硬度用于腕管综合征的诊断具有较高的可行性及较好的临床应用价值。

4.3 视神经病变

此外，亦有学者将SWE用于视神经病变的评估。Şahan等［28］应用SWE测量偏头痛患者和健康志愿者视神经的硬度，结果发现，偏头痛患者视神经的硬度显著高于健康志愿者（P＜0.05），且偏头痛患者视神经的杨氏模量值与病程呈正相关（r=0.496，P＜0.01）。此外，还有相关研究［29-31］发现，白塞病患者、青光眼患者及子痫前期患者的视神经杨氏模量值均显著高于健康志愿者。以上研究就SWE作为一种评估视神经病变的手段进行了验证，但目前研究样本量较小，需进一步对其可靠性及有效性进行探讨。

5 SWE不足与小结

随着临床需求的不断扩大，SWE的应用也在不断扩展，然而SWE使用仍存在一些局限性，例如如何获取高质量的SWE图像、操作者主观性、组织间各向异性的影响等。解决方案：一是要规范操作。SWE操作过程中应避免操作者人为造成的影响，避免探头加压，观察有无加压伪像，同时嘱咐患者配合，观察不同的状态或体位。二是要注意图像识别。操作者应经过多次培训，对于不同疾病或状态的SWE图像有较好的识别能力，包括判断是否为合格图像、感兴趣区的判定等。三是要考虑各向异性的影响。各向异性是肌骨超声中常见的伪像，SWE扫查时应尽量保证探头平面与肌纤维平行，保证测量数值的可信度［32-33］。

目前SWE用于肌肉、肌腱、周围神经病变的研究样本量较小，难免存在偏倚或误差。并且，此类功能性疾病缺乏诊断金标准作为参考，SWE的应用价值需要进一步验证。另外，肌骨软组织大多位置表浅，不可避免地受到外力等因素干扰，影响弹性测值。最后，SWE反映的是组织硬度，当病变组织内部处于钙化、纤维化、出血或坏死等病理状态时，则会导致部分病变无法根据现有的标准进行评估，导致假阳性或假阴性结果的产生。

综上所述，SWE在定量评估肌肉、肌腱、周围神经病变生物力学特征时具有较好的应用前景，可以作为诊断疾病和评估治疗效果的辅助手段，但需要减少或避免上述各类因素的影响，同时需要前瞻性、大样本、多中心的研究进一步验证。