鄭永平，黃燕平，何雯惠，蔡邦智

香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技與資訊學(xué)系，香港

軟組織硬度超聲測試系統(tǒng)用于類風(fēng)濕足底軟組織評估

鄭永平，黃燕平，何雯惠，蔡邦智

香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技與資訊學(xué)系，香港

測量軟組織的硬度能夠評估某些疾病的嚴(yán)重程度，但是臨床上廣泛使用的觸摸診斷只能根據(jù)操作者的感覺定性地給出一個硬度的變化值，結(jié)果很大程度上受制于操作者的經(jīng)驗(yàn)，所以有必要開發(fā)定量客觀評估軟組織硬度的工具。本文介紹一種軟組織硬度超聲測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以超聲探頭作為印壓頭，以超聲信號獲取被測組織的形變，利用印壓實(shí)驗(yàn)測量軟組織的力學(xué)特性。在引言部分我們回顧了該系統(tǒng)到目前為止在各種軟組織測試當(dāng)中的應(yīng)用，正文部分我們主要報導(dǎo)此系統(tǒng)用于測量類風(fēng)濕病人足底軟組織硬度的變化。測試結(jié)果顯示，有足部畸形的類風(fēng)濕病人的第五跖骨頭下軟組織硬度為（67.1±38.1）kPa，明顯高于正常人（46.0±12.1）kPa（p=0.021）。類風(fēng)濕病人第一和第五跖骨頭下面軟組織厚度也明顯小于正常人（p=0.010及p=0.027）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明類風(fēng)濕病人的足部畸形會導(dǎo)致外側(cè)跖骨頭下軟組織硬度的增加。該超聲硬度測試系統(tǒng)還可以用來監(jiān)測類風(fēng)濕病人腳底軟組織力學(xué)特性隨病變時間的變化。

超聲；印壓；觸診；硬度；厚度；軟組織；類風(fēng)濕；足部畸形

觸摸診斷是臨床上經(jīng)常使用的一種檢查組織硬度變化的手段，例如在乳腺癌的自我檢查當(dāng)中[1-2]。觸診通常把組織硬度變化劃分不同的等級，然后操作者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，給出組織硬度的等級[3-4]。這種評估組織硬度的方法雖然簡單易操作，但是判斷基于操作者的個人感覺，所以結(jié)果很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，是一種主觀化的評估方法，其準(zhǔn)確性和可靠性很難控制。為了客觀地評估組織的硬度變化，提高診斷的可靠性和準(zhǔn)確性，有必要開發(fā)定量的評估方法和工具。

印壓測試是測量軟組織力學(xué)特性的一個常用的方法[5]。相對于標(biāo)準(zhǔn)單軸壓縮測試，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是測試之前不需要準(zhǔn)備規(guī)則的樣本，所以此測試方法不僅可以應(yīng)用在離體組織還可以用在活體組織測量上，給臨床的廣泛應(yīng)用帶來可能性。在印壓實(shí)驗(yàn)中，組織的初始厚度是一個比較重要的參數(shù)，特別是當(dāng)其與印壓頭的大小接近的時候[5]。傳統(tǒng)印壓系統(tǒng)通常需要另外的測試方法單獨(dú)測量組織的厚度。例如，在軟骨檢測當(dāng)中，就有研究采用針穿刺方法檢測軟骨厚度[6]。單獨(dú)測試厚度和形變給測量帶來了很大的不便性，為了解決同時測量組織形變和初始厚度的困難，我們提出利用超聲印壓的方法，并設(shè)計(jì)了一個便攜式的筆形軟組織硬度超聲測量系統(tǒng)（TUPS）[7]（如圖1 所示）。該系統(tǒng)利用超聲探頭實(shí)現(xiàn)印壓的功能，同時利用從不同組織邊界面反射接收到的超聲信號獲得組織的形變量，并且可以同時測量組織的初始厚度。熟練掌握該系統(tǒng)操作以后，以該系統(tǒng)進(jìn)行手工印壓測試獲得的上肢軟組織硬度結(jié)果證明該系統(tǒng)測量有效可靠[8]。對測試厚度不同的組織，可以使用不同頻率的超聲來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分辨率。因?yàn)榭梢垣@得組織的壓力/形變曲線，該系統(tǒng)不僅可以用來測試組織的彈性系數(shù)[9]，還可以獲取被測組織的粘彈性參數(shù)[10-12]；不僅可以研究線性彈性系數(shù)[9]，還可以研究組織在大形變量下的非線性彈性特征[11,13]。因?yàn)楸銛y性，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在許多組織的研究上。在下肢軟組織上，我們利用 TUPS證明軟組織硬度具有位置、站姿、性別和個體差異[9]，利用 TUPS 可以評估肌肉訓(xùn)練計(jì)劃的成效[14]和神經(jīng)系統(tǒng)損傷對下肢軟組織的影響[15]。利用 TUPS 測得的放療后頸部肌肉硬度跟觸診結(jié)果相符，證明該系統(tǒng)可用以評估放療后組織的纖維化程度，給放療后的副作用——組織纖維化的評估和治療帶來了一種全新的定量化的測量工具[16-17]。TUPS可用于腕管組織的硬度特征化，可以應(yīng)用在腕管綜合癥的研究上面[18]。利用介入式超聲印壓系統(tǒng)還可以探測人體深部組織如心肌的被動力學(xué)特性[19-21]。

足部軟組織承擔(dān)身體的負(fù)重并吸收運(yùn)動當(dāng)中的沖擊，其力學(xué)特性也很容易受腳底壓力分布的影響。在普通人群當(dāng)中，足底壓力分布和周圍神經(jīng)組織互相反饋形成一個良性循環(huán)：一個正常的壓力分布可以很容易被正常的神經(jīng)系統(tǒng)感知，運(yùn)用合理的步態(tài)，提供合理的足底壓力分布來保護(hù)足部組織。但是在一些病人譬如糖尿病人中，這種平衡會被異常的足底壓力分布所打破，很容易導(dǎo)致足部周圍神經(jīng)組織的壞死，神經(jīng)的壞死導(dǎo)致最優(yōu)步態(tài)自我調(diào)節(jié)能力的降低，最后導(dǎo)致腳部損傷如潰爛的發(fā)生[22-23]。異常的足部壓力范圍也會導(dǎo)致足部組織力學(xué)特性例如硬度和厚度的變化，因此，有必要研究足部關(guān)鍵負(fù)重部位的軟組織的硬度變化以評估相關(guān)疾病對足部組織的影響程度。TUPS 已經(jīng)被成功用于評估糖尿病病人腳部組織的力學(xué)特性的變化[24]。除了糖尿病，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎也是一種嚴(yán)重影響病人腳部組織的疾病，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明類風(fēng)濕病人在常用步態(tài)下的足部壓力分布跟正常人會有明顯的改變，峰值及時間壓力之積分明顯增大[25-26]。很多類風(fēng)濕病人足部還會產(chǎn)生明顯的畸形，這會導(dǎo)致足部各部分壓力重新分布并過于集中在某些部位，影響該處軟組織的生物力學(xué)性質(zhì)。到現(xiàn)在為止，關(guān)于這方面的報導(dǎo)還很少。本文就是利用 TUPS 測量類風(fēng)濕病人的腳底軟組織硬度變化，考察腳部畸形對類風(fēng)濕病人的影響，并跟正常組進(jìn)行相關(guān)比較。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用的軟組織硬度超聲測試系統(tǒng)（TUPS）圖中控制盒的4個按鍵用來控制測試的參數(shù)，探頭后面有一個 按鈕用來啟動測試，系統(tǒng)測試結(jié)果顯示在中間的 LCD 顯示屏上（讀者可瀏覽 www．tups．org 獲得更多相關(guān)信息）。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

30 名正常人和 28 名類風(fēng)濕病患者參與了本研究，10名病人有足部畸形的情況，所以我們總共測試了 30只正常腳，10 只帶有畸形的病人腳和 18 只沒有畸形的病人腳。所有招募的類風(fēng)濕病人都符合美國風(fēng)濕病學(xué)會 1987 年修改版的類風(fēng)濕病診斷標(biāo)準(zhǔn)[27]。正常組包括 25 女、5 男，年齡介于 19～57 歲，平均年齡（36.1±13.3）歲；病人組有 23 女、5 男，年齡介于 25～75 歲，平均年齡（55.0±10.8）歲。本研究得到香港理工大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)倫理委員會的批準(zhǔn)，在測試之前，會給測試者講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮瓦^程，并且每個參與者都簽授了測試同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及測試過程

我們在以前的論文當(dāng)中已經(jīng)報導(dǎo)過 TUPS 的組成、測試 有 效 性 驗(yàn) 證 和 其 在 足 部 軟 組 織 測 量 方 面 的 應(yīng) 用[7,8,24,28]，這里只作簡要介紹。便攜式的 TUPS 系統(tǒng)主要由一個探頭和一個主控制盒組成（如圖1所示），它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。手握式探頭包括一個頻率為 5 MHz的超聲探頭，直徑為 9 mm，并連接著一個測試范圍為 10N 的力傳感器。主控制盒包括超聲發(fā)射 /接收儀、力傳感器的驅(qū)動 /放大單元、數(shù)模轉(zhuǎn)化器還有微型處理器。當(dāng)探頭作用在組織表面進(jìn)行壓縮和減壓過程時，超聲探頭持續(xù)發(fā)出脈沖，被接收處理電路所放大并記錄在微型處理器里面，用來測量軟組織厚度的初始值和變化。力傳感器用來測量探頭在印壓過程當(dāng)中對組織的作用力。超聲速度選用超聲在軟組織里面的平均值 1540m/s。楊氏模量是一個反映組織應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的基本物理量，可以利用印壓解析方程（1）求出[5,13]。

此式當(dāng)中E是楊氏模量，P是印壓作用力，w是印壓頭印壓深度，ν是軟組織的泊松比，a=4.5mm，是印壓頭的半徑，h是組織初始厚度，κ是一個跟泊松比、縱橫比a/h、相對印壓度w/h有關(guān)的校正因子。泊松比選用0.45，認(rèn)為組織在快變壓縮下（大約1mm/s）體積基本不可壓[8]，此假設(shè)在文獻(xiàn)當(dāng)中被廣泛采用。除了跟ν和a/h有關(guān)，還跟相對印壓度w/ h有關(guān)的校正因子κ可以查表獲得，它能保證在線性均勻彈性、大印壓形變情況下依然能夠獲得正確的楊氏模量[13]。印壓力與形變比P/w根據(jù)印壓過程當(dāng)中獲得的印壓力和印壓形變數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸運(yùn)算得到。所有這些計(jì)算都利用內(nèi)嵌在微處理當(dāng)中的程序完成。

圖2 TUPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成手持探頭用來對組織進(jìn)行印壓，系統(tǒng)主控制盒負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計(jì)算和結(jié)果顯示。

我們選取了三個點(diǎn)——腳后跟、第一跖骨頭和第五跖骨頭下面的軟組織進(jìn)行測量，它們都是在行走和站立時腳部主要的負(fù)重點(diǎn)[29]。實(shí)驗(yàn)要求受試者以坐姿進(jìn)行，膝關(guān)節(jié)180°伸直，后跟腱區(qū)域放置在一個腳支架上（如圖3 所示）。測試中要求受試者放松心情，身體姿勢盡量保持不變，這是因?yàn)橐郧暗难芯匡@示坐姿的改變或者肌肉的收縮狀態(tài)對軟組織的硬度有很大的影響[9,30]。

在實(shí)驗(yàn)之前，用手觸摸以確定測試點(diǎn)，并作上記號（如圖3a 所示）。 實(shí)驗(yàn)前先調(diào)整探頭跟骨頭的垂直度以獲得最大的超聲反射信號，然后當(dāng)主控單元顯示 0.3N 的時候，測量軟組織的初始厚度。厚度測試之后，繼續(xù)增大壓力直到0.5N 的時候，主機(jī)會發(fā)出一聲“嘀”表示已達(dá)到測試預(yù)壓力，此時提示系統(tǒng)正式開始采集數(shù)據(jù)并用于參數(shù)的計(jì)算。之后要求操作者繼續(xù)穩(wěn)定增加壓力進(jìn)行印壓一直到系統(tǒng)發(fā)出另外一聲“嘀”，表示測試壓力到了 1.5N，此時測試結(jié)束，松開探頭。系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算完成之后會在 LCD 上顯示測試的結(jié)果，包括初始厚度、楊氏模量和平均壓縮的速度。實(shí)驗(yàn)中我們根據(jù) LCD 顯示的印壓速度值，結(jié)合以前對頸部、下肢和足部軟組織的測試經(jīng)驗(yàn)，采用大約 1mm/s 的印壓速度，這是因?yàn)檫@個速度易于被測試者所掌握，并能夠提供穩(wěn)定的測試結(jié)果。每個受試者被測量5次，平均值作為結(jié)果進(jìn)行分析。TUPS 的數(shù)據(jù)經(jīng)過 RS232 串口連接到個人電腦上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)(a) 實(shí)驗(yàn)前先用手觸摸相關(guān)骨頭確定對應(yīng)位置并作上記號 ；(b)實(shí)驗(yàn)中受試者腳部姿勢。測試中，腳跟腱部位放在腳支架上，印壓操作者再用手輕輕按住以固定測試腳。

除了測試正常組和類風(fēng)濕病人組，我們還在3個類風(fēng)濕病人和3個正常人身上進(jìn)行了同一操作者的內(nèi)信度（intra-rater）可靠性和不同操作者之間的間信度（inter-rater）可靠性測試。這些受試者（共測試6足）被兩個不同的操作者分別測試了兩次，結(jié)果進(jìn)行分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用 SPSS（10.0 版本，美國伊州 SPSS 公司）獨(dú)立樣本二因子變異數(shù)檢驗(yàn)（Two-way mixed ANOVA）和獨(dú)立樣本 t檢驗(yàn)分析樣本厚度和硬度在3個受試組（正常組，無足部畸形的類風(fēng)濕病人組和有足部畸形的類風(fēng)濕病人組）之間的差異。使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）來分析測試的同一操作者的內(nèi)信度可靠性和不同操作者的間信度可靠性。統(tǒng)計(jì)分析都以 p ＜ 0.05 作為判斷有無明顯區(qū)別的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果

對于不同操作者的測試可靠性，組織厚度和硬度測量的 ICC 值分別為 0.96 和 0.86。對于同一操作者的測試，組織厚度和硬度測量的 ICC 值分別為 0.93 和 0.75。實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好，表明 TUPS 系統(tǒng)適合于相關(guān)參數(shù)的測試。

所有受試者腳底軟組織平均厚度為：（15.49±3.26）mm（腳后跟），(8.50±2.59)mm（第一跖骨頭）和 (7.06±1.12)mm（第五跖骨頭），與以前的結(jié)果接近[24]。不同組在不同位置的軟組織厚度如圖4所示。在腳后跟，類風(fēng)濕病人軟組織厚度為（15.93±3.06）mm，略大于正常人（15.07±3.43）mm，但是沒有達(dá)到顯著差異的統(tǒng)計(jì)水平（p = 0.320）。在第一跖骨頭，類風(fēng)濕病人軟組織厚度（7.61±2.15）mm 明顯小于正常人（9.33±2.72）mm（p= 0.010）。在第五跖骨 頭， 類風(fēng)濕病人軟組織厚度（6.72±1.12）mm 也明顯小于正常人（7.37±1.05）mm（p = 0.027）。沒有足部畸形的類風(fēng)濕病人在第五跖骨頭位置的軟組織厚度也明顯小于正常人（p = 0.022）?？傮w來說，在跖骨區(qū)域類風(fēng)濕病人的腳底軟組織厚度有小于正常人的趨勢，而在腳后跟區(qū)域趨向于厚過正常人。

圖4 足底軟組織厚度的對比誤差線代表測量的標(biāo)準(zhǔn)方差，‘?’表示顯著差異（p ＜ 0．05）。

圖5 足底軟組織硬度的對比誤差線代表測量的標(biāo)準(zhǔn)方差，‘?’表示顯著差異（p ＜ 0．05）。

所有受試者的腳底軟組織平均硬度為 ：（44.8±8.9）kPa（腳后跟），(56.7±25.4)kPa（第一跖骨頭）和 (50.5±21.7) kPa（第五跖骨頭），硬度范圍跟以前在足部的測試結(jié)果相近[24]。不同組的腳部軟組織硬度如圖5 所示。類風(fēng)濕病人在腳后跟為（46.1±9.3）kPa 和第五跖骨頭部位（55.4±28.0）kPa 的軟組織硬度大于正常人腳后跟 ：(43.6±8.6) kPa，第五跖骨頭 ：(46.0±12.1) kPa。在第一跖骨頭處，類風(fēng)濕病人的 軟 組 織 硬度（53.4±26.4）kPa 略 小 于 正常人 的 數(shù) 值（59.7±24.4）kPa。只有在第五跖骨頭處，帶有足部畸形的類風(fēng)濕病人的軟組織硬度為（67.1±38.1）kPa 明顯大于正常人（46.0±12.1） kPa （p = 0.021）。在第一跖骨頭（p = 0.349）和腳后跟 （p = 0.291），區(qū)別都沒有達(dá)到顯著差異的統(tǒng)計(jì)水平。

3 討論及總結(jié)

在一個正常步態(tài)當(dāng)中，著地時腳后跟承受較大的壓力，當(dāng)腳后跟離地時，人體的重心就會沿著外側(cè)弓轉(zhuǎn)移到跖骨區(qū)，然后再從第五跖骨頭區(qū)轉(zhuǎn)移到第一跖骨頭區(qū)，最后在腳 尖 離 地 之 前 轉(zhuǎn) 移 到 腳 趾 頭 區(qū) 域[31]。 所 以 腳 后 跟 和 跖 骨頭區(qū)域在正常的步態(tài)當(dāng)中起到很重要的負(fù)重作用，有必要研究腳部這些區(qū)域軟組織的生物力學(xué)特性及隨疾病的變化情況。

在類風(fēng)濕病人中，跖趾關(guān)節(jié)經(jīng)常有發(fā)炎的情況。跖趾關(guān)節(jié)的發(fā)炎伴隨著滑膜炎容易導(dǎo)致足部組織的畸形和破壞。除了這些炎癥以外，還有其他許多的原因例如在距骨下關(guān)節(jié)和中跗骨關(guān)節(jié)里面軟骨、骨頭或者軟組織的變化都有可能導(dǎo)致足部的畸形和破壞。這些情況都有可能使后腳外翻并且使負(fù)重聚集點(diǎn)從第一跖骨頭轉(zhuǎn)到最外面的三個跖骨頭上，從而增加足部畸變的程度[32]。類風(fēng)濕比較嚴(yán)重、抗風(fēng)濕效果不明顯或者類風(fēng)濕治療太晚的病人，往往都伴隨足部的畸形，如本研究所顯示，腳底軟組織在第五跖骨頭處呈現(xiàn)明顯增加的硬度。這些病人腳部的負(fù)重線很有可能已經(jīng)從第一跖骨線轉(zhuǎn)到了第五跖骨線。

本研究結(jié)果顯示類風(fēng)濕病人的第一跖骨頭和第五跖骨頭位置的軟組織厚度明顯小于正常人，但是在腳后跟部位就稍微大于正常人。這說明正常人和類風(fēng)濕病人腳部組織的厚度有區(qū)別，類風(fēng)濕病人的后腳軟組織變厚而前腳組織變薄，這其中的原因有待于以后招募更多的病人并結(jié)合他們的病史等更多因素綜合進(jìn)行研究。

總的說來，本研究證明類風(fēng)濕病人的足部軟組織硬度增加，特別是當(dāng)足部伴隨有畸形的時候，外側(cè)跖骨頭位置硬度的增加更加明顯。在跖骨區(qū)域病人的軟組織厚度明顯小于正常受試者。將來還可以利用 TUPS 密切跟蹤類風(fēng)濕病人腳部組織硬度隨病史的變化情況。利用便攜式的 TUPS系統(tǒng)，可以在各種不同的環(huán)境當(dāng)中比較方便的測得腳部軟組織的厚度和硬度值。實(shí)際上，本研究對受試者的實(shí)驗(yàn)是在醫(yī)院、私家診所、大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、一個本地類風(fēng)濕協(xié)會的辦公室或者受試者家庭等各種不同地方完成的，代表測試環(huán)境的靈活性。我們期望通過更多的研究，可以讓便攜式的 TUPS 系統(tǒng)成為一種常規(guī)的測試工具，用來密切監(jiān)視類風(fēng)濕病人腳部問題的變化情況，同時給腳部矯形墊的設(shè)計(jì)提供參考信息，評估口服類藥物或者關(guān)節(jié)內(nèi)皮質(zhì)類固醇注射[33]等類風(fēng)濕疾病治療手段的效果。

致謝

作者感謝瑪麗醫(yī)院的 Dr． Temy Mok 在招募病人參與本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的幫助 ；同時感謝 Miss Jenny Lau、 Dr． C．L． Siu 和其他在香港康復(fù)會社區(qū)康復(fù)網(wǎng)絡(luò)的同事在本研究中給予的幫助和提出的寶貴意見。

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Tissue Ultrasound Palpation System (TUPS) for Evaluation of Plantar Soft Tissues in Patients with Rheumatoid Arthritis (RA)

ZHENG Yong-ping, HUANG Yanping, HO Man-Wai Jane, CHOI Pong-Chi Alex
Department of Health Technology and Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China

Measurement of soft tissue stiffness can be used to assess the severity of some diseases. This is usually performed by hand palpation in clinics and the operators try to give a qualitative or at most semi-quantitative value of stiffness according to their feelings from the finger. The results are quite subjective and very depend on the experience of the operators. Therefore, it is necessary to develop some quantitative and objective tools to assess the stiffness of soft tissues. In this study, we introduce the tissue ultrasound palpation system (TUPS), which measures the soft tissue stiffness by utilizing the ultrasound transducer itself to indent the tissue and the ultrasound signal to extract the deformation of the tested tissue during indentation. The various applications of TUPS for soft tissue assessment that have been investigated up to date are reviewed in the introduction part. Then we report the application of this system to assess the mechanical properties of plantar soft tissues in patients with rheumatoid arthritis (RA). Results showed that stiffness of soft tissues at the fifth metatarsal head of the rheumatoid feet with deformity[ (67.1±38.1) kPa]was significantly larger than that in normal subjects [（46.0±12.1kPa)](p=0.021). The thickness at the first and fifth metatarsal heads in rheumatoid feet was significantly smaller than that in normal subjects (p=0.010 and p=0.027, respectively). Our study showed that foot deformity in RA patients significantly increases the stiffness of plantar soft tissues in the lateral metatarsal region. The TUPS can also be used for a longitudinal follow-up of change of the plantar soft tissue stiffness as an indicator of the progression of rheumatoid feet.

ultrasound; indentation; palpation; stiffness; thickness; soft tissues; rheumatoid arthritis (RA); foot deformities

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.007

1674-1633(2011)01-0025-05

2010-11-01

本文作者：鄭永平，教授。

作者郵箱：ypzheng@ieee．org