剪切波弹性成像在肌骨系统疾病诊断上的应用进展

徐亦乐, 车艳玲, 刘 洋, 李佳硕

1. 黑龙江中医药大学研究生院, 黑龙江 哈尔滨 150040;2. 黑龙江中医药大学附属第一医院超声医学科, 黑龙江 哈尔滨 150040

由于组织弹性和生物学特性的改变密切相关,弹性成像可通过评估组织硬度来评价生物学特性的改变从而实现诊疗目的。超声剪切波弹性成像(shear wave elastography,SWE)技术为弹性成像的一种新技术路径,可广泛应用于甲状腺、乳腺、肝脏等软组织的诊断。其实时无创动态评估组织弹性的特点,为肌骨超声评估诊断肌肉、肌腱、韧带、神经的生理研究和病理状态提供了技术支持,因而SWE技术在肌骨系统疾病的诊断上有广阔的应用前景。本文就SWE在肌骨疾病系统诊断上的应用进展做简要概述。

1 SWE的基本原理

弹性成像分类如今被广泛认可的分类方式为通过测量原理分类——测量应变的应变成像和测量剪切波速度(shear wave velocity,SWV)的瞬时弹性成像(transient elastography,TE)、声辐射力脉冲成像(acoustic radiation force impulse,ARFI)。应变成像是通过操作员手动压缩产生应力实现弹性成像;TE技术以商品名Fibroscan上市,为使用机械外力推动诱使剪切波通过肝脏而应用于肝脏无创检测的一维成像技术[1];ARFI利用聚焦超声导致局部组织位移的这一过程,对剪切波进行跟踪从而得到硬度值[2]。ARFI下可分为点剪切波弹性成像(point shear wave elastography,p-SWE)、二维剪切波弹性成像(2-D shear wave elastography,2-D SWE)和三维剪切波弹性成像(3-D shear wave elastography,3-D SWE),目前p-SWE技术与2-D SWE技术在临床上使用广泛,而3-D SWE由于技术限制应用尚未成熟[3]。SWE技术是基于马赫锥原理通过声辐射力脉冲成像实现定量测量组织弹性,其简要原理为利用机械装置产生的声辐射力聚焦声束产生组织位移和剪切波,剪切波沿与超声波垂直方向传播,通过监测横向剪切波的位移峰值时间计算SWV,继而通过SWV定量测量组织硬度。根据杨氏模量公式(E):E=3ρCs2,基于胡克定律原理通过剪切波速度反溯硬度值评估组织硬度的大小,ρ为组织密度,Cs为剪切波。由于杨氏模量的单位为kPa,SWV的单位为m/s,E和SWV所代表的意义不同,因而测量组织弹性时需注意计量单位的选择。临床上剪切模量、杨氏模量、剪切波速度均可定义组织弹性。剪切模量为剪切波的阻力(单位:kPa),剪切波速度指横波的速度(单位:m/s)[4],杨氏模量则为衡量材料刚度和弹性的物理量。剪切波速度或杨氏模量越大,材料的刚性越大。杨氏模量公式推导的前提是组织为各向同性,肌肉组织具有各向异性的特点,测量肌肉组织的弹性更为推荐剪切波速度。SWE技术可在超声图上叠加编码彩色的定量弹性图,通常以SWV(m/s)来表示定量数据。SWE技术可与二维灰阶超声协同,进行肌肉结构的诊断同时实时定量定位测量组织弹性。

2 SWE在肌肉中的应用

2.1 SWE对肌肉的功能评估

SWE技术目前在肌肉的生物力学和运动力学上有广阔的应用前景,可通过定量测量肌肉硬度评估肌肉的收缩强度、拉伸水平和关节的运动力学特征。

因肌肉的硬度和肌肉的被动肌力与主动肌力均存在线性关系[5],SWE技术可通过测量肌肉硬度间接评估个体肌肉张力的变化,对肌肉的运动力学特点进行评估。Maïsetti等[6]对腓肠肌腱头测得的剪切模量值和其单位长度与Hoang的模型得到的被动力-长度曲线进行对比,拟合结果表明SWE技术测得的剪切模量值可间接测量被动肌张力。Koo等[7]通过鸡的肌肉离体实验研究证明所有被测肌肉的SWE弹性与被动肌力之间均呈高度线性关系,这一研究进一步证实了SWE技术间接测量被动肌张力的可靠性。Bouillard等[8]通过研究表明等长收缩时食指外展和小指外展肌肉的剪切模量与力矩呈线性关系,且SWE测量个体肌力比肌电图更为准确。又有Ate等[9]对等长收缩下小指展肌的剪切模量与力矩的线性关系进行了进一步的验证,证明小指展肌的主动肌力可通过SWE测量评估。临床上通常使用表面肌电图来评估肌肉的活动,但因无法准确定位单个肌肉具有一定的局限性,且肌电图无法用于估计持续亚极量疲劳运动中的个体肌肉力。通过研究表明剪切波弹性成像的测量不受疲劳收缩成像因素的影响[10],因而SWE技术可作为肌电图的替代品对关节运动时的肌肉力学分配特点进行评估。

剪切波弹性成像得到的杨氏模量值是基于胡克定律反溯而来,其基于假设肌肉是横观各向同性固体,准不可压缩的弹性介质,但忽略了肌肉具有各向异性、黏弹性的特点。SWE技术可利用ARFI技术对肌肉的各向异性和黏弹性进行量化,对肌肉复杂的运动力学特征进行进一步深入的研究。Gennisson等[11]的在体研究对肌肉进行了剪切模量、剪切黏度和剪切各向异性的估计以及它们在等长收缩或被动拉伸过程中的各自变化,并提供了一套完整的定量数据。Rasool等[12]测量了脑卒中偏瘫患者肌肉的剪切波群和相速度(弥散),从而分别量化了肌肉组织的弹性和黏性。

SWE在肌肉生理状态下测得的剪切模量具有显著的个体差异性,有关性别和年龄对肌肉剪切模量影响的研究目前仍缺乏共识。Alfuraih等[13]的研究表明在整个成年期静息肌肉硬度逐渐降低,在老年(>75岁)组下降最显著;老年人骨骼肌硬度的降低与肌力下降有关。这一研究认为SWE技术可能可作为评估和筛查老年肌少症患者和潜在风险人群的工具。Eby等[14]使用回归分析对性别和年龄与肱二头肌的剪切模量关系进行分析,得出性别和年龄是影响大于60岁老年人的显著性因素,剪切模量在其年龄段有随年龄增长的趋势;女性的剪切模量有高于男性的趋势。Chino等[15]的研究表明在任何踝关节位置上,内侧腓肠肌的肌肉硬度在性别上无显著差异。由于肌肉结构的多样性和肌肉的位置差异,正常的各肌肉的剪切模量各异。Arda等[16]将各正常软组织的剪切模量值进行了定量评估,测得咬肌、腓肠肌、冈上肌的弹性平均值分别为(10.4±3.7) kPa、(11.1±4.1) kPa、(31.2±13) kPa。

2.2 SWE在肌肉相关疾病中的应用

肌肉相关疾病引起肌肉结构功能的异常从而导致肌张力的改变,肌张力和肌肉硬度存在线性关系,因此SWE技术可通过测量肌肉硬度的变化间接对肌肉疾病进行诊断评估。目前通过SWE技术对肌肉相关疾病的研究,表明SWE技术可应用于对肌肉的病理变化下的力学分配特点的评估,与临床评估进行联系对比诊断疾病的严重程度,并且对肌肉相关疾病的治疗疗效进行进一步的判断。根据发病原因可将肌肉疾病简单分为肌骨系统的疾病与中枢神经系统障碍所致肌肉疾病。肌骨系统疾病包括先天性肌疾病、系统性疾病、外伤或运动损伤等;中枢神经系统障碍疾病临床上常见为脑卒中、帕金森病、脑瘫等。

2.2.1肌骨系统疾病

杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy,DMD)是最常见的先天性X连锁遗传性肌疾病,其临床特征为进行性肌肉无力伴假性腓肠肌肥大[17]。DMD患者的下肢肌肉硬度相比正常人有所增加,Lin等[18]研究发现大腿和小腿的剪切模量值随疾病进程有不同模式的变化,可能与疾病进程中患者步态补偿有关。Yu等[19]的研究表明在多个拉伸水平下腓肠肌内侧头肌肉硬度均显著增高;在踝关节背屈10°时和对照组的曲线下面积(area under the curve,AUC)最大;运动功能等级为被动肌肌肉硬度的决定因素。GNE肌病是一种罕见的因GNE基因突变引起的常染色体隐性遗传肌病,发病通常为青年时期或成年早期,临床表现一般为下肢肢体远端肌无力。GNE肌病的SWV测量结果与正常人相比显著减低,且肌肉的各向异性减弱,可能与GNE肌病患者失去正常肌束结构有关[20]。Li等[21]的研究表明高频超声和剪切波弹性成像可通过检测肌肉异常变薄、肌肉回声强度增强和肌肉SWV降低,作为诊断多发性肌炎和皮肌炎的影像学生物标志物。Lv等[22]通过动物实验对使用SWE技术对四肢肌肉挤压伤测量的信度进行评估证实,与未粉碎区域相比,挤压伤区域的硬度增大。

2.2.2中枢神经系统障碍继发性肌肉疾病

中枢神经系统障碍的疾病继发引起骨骼肌功能肌的肌张力改变,改变趋势为肌张力增高,常见的神经系统障碍疾病如帕金森病、脑卒中、脑瘫等均可引起肌肉痉挛或强直,SWE技术对其有诊断价值,并且可评估治疗的疗效,还可通过引入松弛角、关节运动等因素的变化观察肌肉硬度的改变,从而对肌肉的运动力学的病理性改变进行评估研究。帕金森病患者除表现为静止性震颤、运动迟缓外,还会出现肌肉强直,可通过临床检查标准化评估肌肉病理变化的严重程度。Du等[23]研究表明帕金森病的显著症状组、轻度症状组、健康组的肱二头肌硬度存在显著差异,帕金森病患者的肌肉剪切模量增高,剪切模量与临床运动评分存在线性相关。Yin等[24]通过动态SWE测量帕金森病组和对照组被动拉伸时腓肠肌内侧头的踝关节松弛角度,研究表明帕金森病患者的腓肠肌内侧头松弛角小于健康对照者,并且与僵直的严重程度呈负相关。Oppold等[25]研究表明帕金森病患者的肌肉硬度改变可通过SWE的客观变化来反映,肌肉SWV与量化强直性的临床标准显著相关。脑卒中由于脑血管的急性破裂或血管堵塞可能导致永久性脑损伤,引发肌肉痉挛,其表现为瘫痪、肌张力增加和过度反射。Eby等[26]的研究表明肱二头肌的力矩和被动硬度随肘关节伸展的增加而增加,在对照组中增加幅度最小,而在脑卒中患者的对侧肢体中增加最明显。唐晓晓等[27]研究表明脑卒中患者的手指肌肉的SWV数值与改良Ashworth量表(MAS)等级有明显相关性,偏瘫侧指浅屈肌和指伸肌剪切模量值明显高于非偏瘫侧。黄珊珊等[28]研究表明动态留针法治疗后的肌肉杨氏模量值低于治疗前,SWE技术可早期、动态评估治疗痉挛肌肉的疗效,相较于MAS评分更敏感。

3 SWE在韧带上的应用

SWE技术可对正常情况的韧带的力学特性进行评估,也对韧带的疾病或损伤和修复具有诊断价值。Rougereau等[29]的研究表明,SWE技术测量腓骨前韧带和跟骨腓骨韧带是可靠且可重复,其韧带的硬度随内翻的程度而增加。Wu等[30]通过剪切波弹性成像技术测量正常人和单侧肩周炎患者喙肱韧带的弹性,研究结果表明肩周炎患者韧带较正常人僵硬。Hotfiel等[31]通过SWE技术对健康成年人的距腓前韧带的弹性进行了评估,具有可靠性和重复性,并测量了在体力学特性,证实了SWE技术对距腓前韧带的急性和慢性损伤有诊断价值。

4 SWE在肌腱上的应用

肌腱为连接肌肉和骨骼的纤维结缔组织,起到牵引和稳定的作用。SWE技术既可对正常肌腱进行生物力学评估,也可对肌腱损伤和退行性病变进行定位和诊断。Arda等[16]对正常成年人的各项软组织进行定量评估,其中包括跟腱。该研究对跟腱的横切面和纵切面进行了测量,发现在纵切面上男性硬度值大于女性,横切面上硬度值男女差异无统计学意义,横纵切面上的跟腱硬度值与年龄无显著正相关或负相关。肌腱的断裂引起肌腱胶原纤维结构的变性,进而引起肌腱的纤维化,生物学性能的改变反映在剪切波成像上为断裂肌腱的硬度增高。黄家兴等[32]对冈上肌肌腱部分撕裂进行对侧和患侧及健康组对照进行诊断评估,冈上肌肌腱部分撕裂的硬度值相比健康者增高。Wada等[33]对32名冻结肩患者进行分期测量肌腱硬度,冻结肩的各阶段下的冈上肌肌腱和冈下肌肌腱硬度值均高于健侧。

5 SWE在神经上的应用

SWE技术可量化评估正常周围神经的硬度,也为周围神经病变的传统神经诊断技术提供了一种新的替代方法。正常人周围神经的硬度具有个体性差异,李伶俐等[34]的研究表明正常成人正中神经在腕部不同区域的剪切波速度不同,性别、年龄均会影响剪切波速度测值。陈超等[35]的研究表明实时剪切波超声弹性成像技术可准确量化评估出健康人利手侧以及非利手侧正中神经弹性模量特征,且可信度较高。在周围神经病的背景下,无论病因如何,神经的硬度都为增加趋势。糖尿病的周围神经病变在临床上为常见的并发症,宋扬等[36]的研究表明2型糖尿病并下肢周围神经病变患者的平均剪切波速度大于正常值,SWE技术可用于评估下肢神经的病变。在临床应用中,周围神经卡压综合征也可通过SWE技术评估,其中腕管综合征为最常见的周围神经卡压综合征。Lin等[37]的Meta分析结果显示,在SWE成像模式下的腕关节水平正中神经的硬度比健康对照组的显著增高。

6 局限性及展望

SWE技术虽在肌骨超声的应用上有更广阔前景,但也存在着一定的局限性,具体为以下几个方面的问题:(1)SWE的技术原理基于胡克定律,假设肌肉的特点为横观各向同性固体、准不可压缩、弹性介质,但肌肉的生物学标志为各向异性。据刘瑞雪等[38]研究表明,与肌纤维平行传播的剪切波速度能较为准确地反映肌肉组织的受力情况,因而SWE技术对探头轴线与肌纤维的夹角敏感,垂直于肌纤维的测量结果最为准确,并且无法测量复杂结构的肌肉硬度。(2)由于深层肌肉的衰减效应,干扰剪切波的采集,剪切波弹性成像无法测得深层肌肉的剪切模量,SWE技术测量肌肉有深度的限制。Wang等[39]研究表明,离体肌肉的SWS随深度变化而增加,在6 cm处由于未能检测到剪切波而无法获得剪切模量值。(3)肌肉为可变形组织,对换能器的压力较为敏感,可能影响SWV参数的准确性。总的来说,SWE技术在肌肉运动力学特征的研究上具有独特的优势,在肌肉骨骼系统疾病上的评估也具有广阔的应用前景和潜力,但在研究中需注意保证影响剪切波弹性成像测量评估的标准化因素,对剪切波的专业术语特别是杨氏模量值和剪切波速度的使用进行规范化和统一。