王叢知，鄭永平

香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系，香港

基于振動(dòng)-超聲法測(cè)量肌肉硬度

王叢知，鄭永平

香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系，香港

現(xiàn)有的各種研究肌肉硬度的方法有其各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。在過(guò)去的此類研究中，很少使用肌肉最大自主收縮（Maximum Voluntary Contraction，MVC）扭矩的百分比來(lái)表達(dá)相對(duì)收縮水平，而且缺少高收縮水平（40% MVC以上）下測(cè)量肌肉硬度的手段。本文采用了一種基于振動(dòng)-超聲法測(cè)量剪切波波速，繼而計(jì)算肌肉剪切模量的新方法，解決了高收縮水平下肌肉硬度的測(cè)量問(wèn)題。我們以右腿股中間肌為目標(biāo)，測(cè)量了從0%～100% MVC共11個(gè)不同等長(zhǎng)收縮水平下的肌肉剪切模量。兩組年輕的健康男性和女性受試者（各10名）自愿參加了本次研究。研究結(jié)果表明，股中間肌沿肌纖維方向的剪切模量，與肌肉的相對(duì)收縮水平正相關(guān)，它們之間的擬合結(jié)果接近二次多項(xiàng)式關(guān)系。在相同的相對(duì)收縮水平下，男性的肌肉硬度大于女性。

骨骼??；軟組織硬度；剪切模量；等長(zhǎng)收縮；超聲；聲肌圖

1 研究背景

骨骼肌的硬度，作為可以同時(shí)在主動(dòng)收縮和被動(dòng)拉伸情況下被測(cè)量的肌肉屬性，已經(jīng)被證明對(duì)于肌肉的工作效率起 著非常重要的作 用[1]。肌肉硬 度會(huì)在某些生理 動(dòng)作，如自主收縮，或某些病理?xiàng)l件，如痙攣，抽搐和水腫等情況下發(fā)生變化。因此，量化的肌肉硬度測(cè)量有助于增進(jìn)對(duì)骨骼肌的功能的了解。目前，已經(jīng)有多種方法被用于肌肉硬度測(cè)量。

觸診是一種被廣泛用于臨床檢測(cè)組織硬度變化的方法。模仿觸診而開(kāi)發(fā)的定量硬度測(cè)量設(shè)備很早就已出現(xiàn)[2]。例如，軟 組 織 超 聲 觸 診 系 統(tǒng)（Tissue Ultrasound Palpation System，TUPS），包括一個(gè)由超聲換能器和精密壓力傳感器串聯(lián)而成的手持探頭，被測(cè)組織的硬度由壓力與形變線性關(guān)系的斜率以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型確定[3]。雖然這類設(shè)備在實(shí)用中表現(xiàn)出不錯(cuò)的可靠性，但并不適用于較深的肌肉組織。

一些基于超聲的方法也被用于測(cè)量組織硬度，比如超聲彈性成像（Elastography），通過(guò)施加一個(gè)緩慢和小幅度的壓縮過(guò)程，得到表示組織應(yīng)變的二維圖像[4]。這種方法對(duì)于檢測(cè)正常組織內(nèi)的小塊病變十分有效，但它并不是一個(gè)定量的測(cè)量方法。對(duì)于彌漫性病變引起的組織硬度變化，需要直接測(cè)量組織的彈性系數(shù)，比如楊氏彈性模量或者剪切彈性模量，以確定病變的程度。

理論上，對(duì)于各向同性的胡克彈性材料，剪切模量μ是與剪切波速 c相關(guān)的 ：

其中，ρ是彈性材料的密度。因此，測(cè)量某個(gè)頻率的剪切波波速可以計(jì)算出相應(yīng)的剪切模量。而剪切波速可以由沿著傳播方向的兩點(diǎn)間的距離除以傳播時(shí)間，或者由二維應(yīng)變圖像中波長(zhǎng)來(lái)計(jì)算[5]。

Sonoelastography 方法使用低頻的機(jī)械振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生剪切波，并利用多普勒原理對(duì)組織的應(yīng)變成像。這一方法被用于測(cè)量股四頭肌的硬度，并且證明了肌肉剪切模量與主動(dòng)收縮水平具有正相關(guān)性[6]。然而，Sonoelastography 需要很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，容易導(dǎo)致肌肉疲勞。因此，它并不適合高收縮水平下的肌肉硬度測(cè)量。

與 之 相 反， 瞬 時(shí)彈 性 成像 法（Transient Elastography）的測(cè)量幾乎可以實(shí)時(shí)完成。它是將一個(gè)一維超聲波換能器串聯(lián)在振動(dòng)頭上，所以其波速測(cè)量方向是與振動(dòng)方向一致的，也就是垂直于組織表面的[7]。這一方法曾被用來(lái)測(cè)量肱二頭肌和腓腸肌的肌肉硬度，并且證明了在垂直于肌纖維的方向上，肌肉硬度也與其收縮水平正相關(guān)。目前，瞬時(shí)彈性成像法已經(jīng)被擴(kuò)展到二維平面上，被稱為超音波剪切成像法（Supersonic Shear Imaging）[8]。它在測(cè)量硬度的同時(shí)，還可以利用頻散曲線估測(cè)組織的粘度。但是，這種技術(shù)需要超聲成像設(shè)備具有很高的幀頻（最高達(dá) 10000 幀 /s），這在現(xiàn)有的商用超聲成像設(shè)備上很難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于成像范圍以及幀頻的限制，它在測(cè)量超過(guò) 100kPa的硬度時(shí)會(huì)飽和，所以依然不足以測(cè)量高收縮水平下的肌肉硬度。

另一種被稱為剪切波離散度超聲測(cè)量計(jì)（Shear-wave Dispersion Ultrasound Vibrometry，SDUV)的技術(shù)則被用來(lái)測(cè)量垂直于振動(dòng)方向上的組織硬度[9]。它使用一道聚焦超聲波束在一定深度的組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，同時(shí)使用另一道探測(cè)波束，在臨近位置探測(cè)剪切波的傳播情況。剪切波速由兩道超聲波束的距離除以剪切波傳播的時(shí)間得出。該技術(shù)已經(jīng)在離體測(cè)量中得到驗(yàn)證，但在使用普通超聲設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生聚焦波束和探測(cè)波束的嘗試中并不成功，原因是聚焦波束受到輻射能量的限制，無(wú)法在較深的組織中產(chǎn)生足夠幅度的剪切波。

磁共振彈性成像技術(shù)（Magnetic Resonance Elastography, MRE）是一種基于相位對(duì)比的磁共振成像技術(shù)，可以探測(cè)組織中微小幅度的剪切波傳播[5]。相對(duì)于超聲，MRE 在穿透深度上沒(méi)有任何限制，而且可以提供高分辨率的圖像。但是，除了成本較高外，MRE完成一次數(shù)據(jù)采集也需要較長(zhǎng)的時(shí)間（大約 1～3min），這極大地限制了其在測(cè)量高收縮水平下肌肉硬度中的應(yīng)用。

如上所述，此前的研究已經(jīng)初步驗(yàn)證了肌肉硬度與收縮水平之間的正相關(guān)關(guān)系。但是，在這些研究中大都使用固定的的重量負(fù)荷來(lái)表示肌肉的收縮水平，比如懸掛1～10kg 的重物。事實(shí)上，不同的人肌肉力量是不同的，從個(gè)人的相對(duì)肌肉收縮水平角度研究，可以使不同人的肌肉硬度情況更容易比較。一個(gè)比較常用的表示肌肉相對(duì)收縮水平的方法是使用最大自主收縮力矩的百分比（% MVC）。這一方法曾被與 MRE技術(shù)一起使用，但是只能在低于20% MVC 的水平上得到可靠的結(jié)果。在較高的 % MVC 水平上，由于較長(zhǎng)的采集時(shí)間造成了肌肉的疲勞，應(yīng)變圖像的信噪比（S/N）大大降低。而使用基于超聲的方法時(shí)，測(cè)量范圍也沒(méi)有超過(guò) 40% MVC。為了克服現(xiàn)有方法在測(cè)量高收縮水平下肌肉硬度的局限性，本研究使用了一種新開(kāi)發(fā)的基于超聲回波測(cè)量剪切波速的方法，以健康男女青年為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量了的其股中間肌的剪切模量，并確定了從 0% MVC 到 100% MVC，11 個(gè)不同的等長(zhǎng)收縮水平與肌肉剪切模量之間的關(guān)系。

2 方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

10 名健康的年輕男性受試者和 10 名健康的年輕女性受試者自愿參加了本次研究。他們被要求保證大腿肌肉和膝關(guān)節(jié)最近沒(méi)有受過(guò)傷。所有受試者都簽署了由大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)的“參加實(shí)驗(yàn)同意書(shū)”。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

膝關(guān)節(jié)伸肌等長(zhǎng)收縮下的扭矩由 HUMAC NORM 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)（Computer Sports Medicine, Inc., USA）測(cè)量。一個(gè)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器控制的電磁振動(dòng)器 minishaker type 4810（Brüel & Kj?r, Denmark）被用來(lái)產(chǎn)生剪切波。振動(dòng)器在大腿表面以低頻率的正弦波方式（頻率 100Hz，10 個(gè)周期為一個(gè)序列）振動(dòng)。它的最大力量為 10N，最大峰值位移為6mm。這意味著它產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)人體是非常安全的。

剪切波探測(cè)系統(tǒng)是基于一臺(tái)可編程的商用超聲成像設(shè)備 SonixRP（Ultrasonix Medical Corp., Canada） 開(kāi) 發(fā) 的， 使用 5～14MHz線陣列探頭。我們通過(guò)對(duì)探頭上某個(gè)位置的超聲換能器單獨(dú)編程，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特殊的的掃描序列。首先，連續(xù)采集包含 256 條掃描線的普通 B 型超聲圖像（寬度38mm，深度根據(jù)需要設(shè)定，本次實(shí)驗(yàn)中為 65mm），用來(lái)輔助探頭定位，直到圖像上股直肌，股中間肌和股骨可以被很容易地分辨出來(lái)。然后，只有兩條預(yù)先選定的掃描線被保留，它們之間的距離為 15mm。這樣做的目的是為了盡可能的提高幀頻，以提高測(cè)量時(shí)間延遲的分辨率。最終在65mm 的深度，幀頻可以被提高到大約 4.6kHz。同時(shí)，較大的剪切波傳輸距離，也使可測(cè)波速的范圍大大增加，可以滿足高收縮水平下測(cè)量肌肉剪切模量的需要。超聲回波信號(hào)的采樣頻率為 40MHz。振動(dòng)器和超聲采集設(shè)備由外部觸發(fā)信號(hào)同步。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 SonixRP 的硬盤(pán)上，之后再轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)上作進(jìn)一步分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

受試者坐在 HUMAC NORM 康復(fù)系統(tǒng)的坐椅上，右腳踝部用束帶與扭矩測(cè)量機(jī)械臂固定，并將機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)軸位置調(diào)整到與膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸位置一致。膝關(guān)節(jié)角度為90°（關(guān)節(jié)完全伸展時(shí)為 0°）。如圖1 所示，超聲探頭和振動(dòng)器被放置在從膝蓋關(guān)節(jié)向上約 2/3 大腿長(zhǎng)度的肌腹上。通過(guò)調(diào)整支架高度，使接觸位置上的壓力保持適中，避免肌肉由于受壓變形而造成剪切模量明顯改變。在測(cè)試過(guò)程中，100% MVC 時(shí)的扭矩?cái)?shù)值被首先確定，即保持等長(zhǎng)收縮 5s的情況下能達(dá)到的最大扭矩值。接下來(lái)，測(cè)量 5 次放松情況下的肌肉硬度，同時(shí)也給受試者大約 5min 的休息時(shí)間，避免肌肉疲勞的出現(xiàn)。最后，受試者被要求在不同的水平下保持等長(zhǎng)收縮大約 4s，從 10% ～100% MVC，共 10個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別測(cè)量 3 次，2 次測(cè)量間有大約 1min 休息時(shí)間。

圖1 振動(dòng)器和超聲探頭在實(shí)驗(yàn)中放置的位置

2.4 數(shù)據(jù)處理

MATLAB（The Mathworks, USA） 被 用 來(lái) 對(duì) 采 集 的 超聲數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。使用一種改進(jìn)的互相關(guān)方法，從超聲回波射頻信號(hào)中可以得到剪切波在各個(gè)不同深度的組織中引起的應(yīng)變波形。為了提高應(yīng)變波形的空間分辨率，我們對(duì)互相關(guān)結(jié)果中最大值附近的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了拋物線擬合，再對(duì)擬合曲線進(jìn)行插值并選擇插值后的最大值位置作為最終結(jié)果，使空間分辨率達(dá)到了 0.2μm 的水平。同樣的技術(shù)也被用來(lái)提高時(shí)間分辨率，使其對(duì)應(yīng)的虛擬幀頻達(dá)到460kHz的水平，進(jìn)一步增加了測(cè)量精度。在這項(xiàng)研究中，股直肌下面股中間肌靠近筋膜的部分被選為感興趣區(qū)域（Region Of Interest, ROI）。在 ROI 深度上，采自兩個(gè)位置的波形之間的時(shí)間延遲均值被用來(lái)計(jì)算剪切波速。再使用公式（1），計(jì)算出沿肌纖維方向的肌肉剪切模量，公式中的肌肉密度值被估算為 1000 kg/m3。對(duì)測(cè)得的剪切模量數(shù)值，我們計(jì)算了其與肌肉相對(duì)收縮水平（% MVC）之間的相關(guān)系數(shù) Pr，并通過(guò)回歸分析確定了它們之間的近似代數(shù)表達(dá)式，計(jì)算了確定系數(shù) R2。我們還使用 multi-way ANOVA 方法分析了性別因素和 % MVC 因素對(duì)結(jié)果的影響。所有統(tǒng)計(jì)分析都使用 SPSS（SPSS Inc., USA)軟件完成。統(tǒng)計(jì)顯著性的置信水平被設(shè)為 0.05。

3 結(jié)果

如圖2所示，沿肌纖維方向，股中間肌的剪切模量與其相對(duì)等長(zhǎng)收縮水平（% MVC）是正相關(guān)的（相關(guān)系數(shù) ：男性組，Pr = 0.977 ；女性組，Pr = 0.974）。通過(guò)回歸分析可知，它們之間的關(guān)系接近二次多項(xiàng)式關(guān)系（確定性系數(shù)：男性組，R2= 0.999 ；女性組，R2= 0.9985）。但從圖上看，標(biāo)準(zhǔn)差在大于 60% MVC 的收縮水平后有變大的趨勢(shì)。從multi-way ANOVA 的分析結(jié)果看，性別 ×% MVC 這兩個(gè)因素的交互作用對(duì)結(jié)果沒(méi)有顯著影響（P = 0.91）。性別和 % MVC分別作為主要因素對(duì)結(jié)果都具有顯著影響（性別影響：P = 0.011 ；% MVC 影響 ：P ＜ 0.001）。由估測(cè)邊際均值可知，在相同的相對(duì)收縮水平下，男性組的肌肉硬度大于女性組。同時(shí)，隨著 % MVC 水平的增高，肌肉硬度顯著增加。這一結(jié)果與從圖2得出的直觀結(jié)果是一致的。

圖2 兩組受試者（男性組Male，女性組Female）肌肉剪切模量的均值（標(biāo)準(zhǔn)差）與不同% MVC肌肉相對(duì)收縮水平間的關(guān)系

4 討論

除了使用機(jī)械振動(dòng)器，還可以使用聚焦超聲來(lái)產(chǎn)生剪切波。其優(yōu)點(diǎn)是振源可以比較精確地定位于某一特定的深度，剪切波將從這一點(diǎn)傳播到周圍組織，不易受界面反射的影響。其缺點(diǎn)是受輻射能量的限制，產(chǎn)生的振動(dòng)幅度比較小，在較深的組織中難以被探測(cè)到。機(jī)械振動(dòng)法可以產(chǎn)生更大的振幅，頻率也可以精確地控制。因此，組織中的應(yīng)變波形可以容易地被跟蹤和過(guò)濾以去除噪聲。然而，剪切波從皮膚表面?zhèn)鞑サ絻?nèi)部組織的過(guò)程中，可能發(fā)生折射和反射等現(xiàn)象，特別是當(dāng)骨骼和肌肉呈現(xiàn)比較復(fù)雜的幾何形狀時(shí)[10]。這將改變應(yīng)變波形，增大時(shí)間延遲測(cè)量結(jié)果的誤差。

新的測(cè)量方法要求剪切波在被測(cè)肌肉中的傳播模式為較規(guī)整的平面波。根據(jù)文獻(xiàn)，在不同位置使用不同形狀的振動(dòng)頭激勵(lì)肌肉時(shí)，剪切波的傳播模式是不同的。平面波模式出現(xiàn)在用短棒狀的振動(dòng)頭直接激勵(lì)大尺寸肌肉的肌腹時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)肌纖維是平行排列并且被同時(shí)激勵(lì)[11]。股中間肌具有較大的尺寸，平坦的形狀，肌纖維幾乎沿同一軸線平行排列，研究方向上的折射和反射現(xiàn)象可大大減少。在研究中，我們發(fā)現(xiàn)，相比股直肌，在股中間肌的深度觀察到的平面波形態(tài)更加均勻規(guī)整，這可能與剪切波在股直肌深度受到從皮膚和筋膜兩個(gè)界面反射回波的影響有關(guān)。所以最終我們選擇了股中間肌作為研究目標(biāo)。

在我們的結(jié)果中，收縮水平超過(guò) 60% MVC 之后，兩組受試者剪切模量的標(biāo)準(zhǔn)差都有增大的趨勢(shì)。這可能是由于，在高收縮水平下，隨著剪切波速的增大，所測(cè)時(shí)間延遲縮短，時(shí)間分辨率受到幀頻的限制，對(duì)結(jié)果的影響相應(yīng)增加。但也有可能是由于肌肉為了保持高水平的等長(zhǎng)收縮，其活躍程度本身的變化區(qū)間增加所致。我們還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，來(lái)確定這一偏差增長(zhǎng)的趨勢(shì)是由肌肉的固有屬性引起的，還是由測(cè)量系統(tǒng)的局限性造成的。

綜上所述，我們的研究結(jié)果表明，股中間肌沿肌纖維方向上的剪切彈性模量與其相對(duì)等長(zhǎng)收縮水平（% MVC）是正相關(guān)的。此外，男性的肌肉硬度在同樣的 % MVC 收縮水平上大于女性。這些結(jié)果有助于增進(jìn)我們對(duì)肌肉功能和屬性的進(jìn)一步了解，同時(shí)新的測(cè)量方法也提供了用于力量訓(xùn)練或者臨床情況下肌肉評(píng)估的又一工具。我們進(jìn)一步的目標(biāo)是在肌肉收縮過(guò)程中實(shí)時(shí)提供肌肉的彈性值，從而得到彈性聲肌圖（sonomyography）[12-14]。

致謝

本研究由香港研究資助局（PolyU 5331/06E）和香港理工大學(xué)（J-BB69）資助完成。筆者同時(shí)向所有參加本研究的志愿受試者表示衷心感謝。

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Measurement of Muscle Stiffness Based on a Vibro-ultrasound Method

WANG Cong-zhi, ZHENG Yong-ping
Department of Health Technology and Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China

Existing methods for muscle stiffness measurement have their unique features and limitations in in vivo studies. Few studies have been reported to evaluate the muscle stiffness at the higher percentage of maximum voluntary contraction levels (＞40% MVC). In this study, using a newly developed vibro-ultrasound method, we assessed the shear modulus of vastus intermedius from 0% to 100% MVC. Ten young healthy male subjects and ten young healthy female subjects volunteered to participate. Our results demonstrated that the stiffness of vastus intermedius in the direction along the muscle fibers is positively correlated with the isometric contraction levels at both joint angles and there is a quadratic relationship between them. At the same contraction level, the muscle shear modulus of males was larger than that of females.

skeletal muscle; soft tissue stiffness; shear modulus; isometric contraction; ultrasound; sonomyography

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.008

1674-1633(2011)01-0030-04

2010-11-01

香港研究資助局（PolyU 5331/06E）和香港理工大學(xué)（J-BB69）基金項(xiàng)目支持。

鄭永平，教授。

通訊作者郵箱：ypzheng@ieee．org