徐亦樂(lè), 車艷玲, 劉 洋, 李佳碩

1. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)研究生院, 黑龍江 哈爾濱 150040;2. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科, 黑龍江 哈爾濱 150040

由于組織彈性和生物學(xué)特性的改變密切相關(guān),彈性成像可通過(guò)評(píng)估組織硬度來(lái)評(píng)價(jià)生物學(xué)特性的改變從而實(shí)現(xiàn)診療目的。超聲剪切波彈性成像(shear wave elastography,SWE)技術(shù)為彈性成像的一種新技術(shù)路徑,可廣泛應(yīng)用于甲狀腺、乳腺、肝臟等軟組織的診斷。其實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)動(dòng)態(tài)評(píng)估組織彈性的特點(diǎn),為肌骨超聲評(píng)估診斷肌肉、肌腱、韌帶、神經(jīng)的生理研究和病理狀態(tài)提供了技術(shù)支持,因而SWE技術(shù)在肌骨系統(tǒng)疾病的診斷上有廣闊的應(yīng)用前景。本文就SWE在肌骨疾病系統(tǒng)診斷上的應(yīng)用進(jìn)展做簡(jiǎn)要概述。

1 SWE的基本原理

彈性成像分類如今被廣泛認(rèn)可的分類方式為通過(guò)測(cè)量原理分類——測(cè)量應(yīng)變的應(yīng)變成像和測(cè)量剪切波速度(shear wave velocity,SWV)的瞬時(shí)彈性成像(transient elastography,TE)、聲輻射力脈沖成像(acoustic radiation force impulse,ARFI)。應(yīng)變成像是通過(guò)操作員手動(dòng)壓縮產(chǎn)生應(yīng)力實(shí)現(xiàn)彈性成像;TE技術(shù)以商品名Fibroscan上市,為使用機(jī)械外力推動(dòng)誘使剪切波通過(guò)肝臟而應(yīng)用于肝臟無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的一維成像技術(shù)[1];ARFI利用聚焦超聲導(dǎo)致局部組織位移的這一過(guò)程,對(duì)剪切波進(jìn)行跟蹤從而得到硬度值[2]。ARFI下可分為點(diǎn)剪切波彈性成像(point shear wave elastography,p-SWE)、二維剪切波彈性成像(2-D shear wave elastography,2-D SWE)和三維剪切波彈性成像(3-D shear wave elastography,3-D SWE),目前p-SWE技術(shù)與2-D SWE技術(shù)在臨床上使用廣泛,而3-D SWE由于技術(shù)限制應(yīng)用尚未成熟[3]。SWE技術(shù)是基于馬赫錐原理通過(guò)聲輻射力脈沖成像實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量組織彈性,其簡(jiǎn)要原理為利用機(jī)械裝置產(chǎn)生的聲輻射力聚焦聲束產(chǎn)生組織位移和剪切波,剪切波沿與超聲波垂直方向傳播,通過(guò)監(jiān)測(cè)橫向剪切波的位移峰值時(shí)間計(jì)算SWV,繼而通過(guò)SWV定量測(cè)量組織硬度。根據(jù)楊氏模量公式(E):E=3ρCs2,基于胡克定律原理通過(guò)剪切波速度反溯硬度值評(píng)估組織硬度的大小,ρ為組織密度,Cs為剪切波。由于楊氏模量的單位為kPa,SWV的單位為m/s,E和SWV所代表的意義不同,因而測(cè)量組織彈性時(shí)需注意計(jì)量單位的選擇。臨床上剪切模量、楊氏模量、剪切波速度均可定義組織彈性。剪切模量為剪切波的阻力(單位:kPa),剪切波速度指橫波的速度(單位:m/s)[4],楊氏模量則為衡量材料剛度和彈性的物理量。剪切波速度或楊氏模量越大,材料的剛性越大。楊氏模量公式推導(dǎo)的前提是組織為各向同性,肌肉組織具有各向異性的特點(diǎn),測(cè)量肌肉組織的彈性更為推薦剪切波速度。SWE技術(shù)可在超聲圖上疊加編碼彩色的定量彈性圖,通常以SWV(m/s)來(lái)表示定量數(shù)據(jù)。SWE技術(shù)可與二維灰階超聲協(xié)同,進(jìn)行肌肉結(jié)構(gòu)的診斷同時(shí)實(shí)時(shí)定量定位測(cè)量組織彈性。

2 SWE在肌肉中的應(yīng)用

2.1 SWE對(duì)肌肉的功能評(píng)估

SWE技術(shù)目前在肌肉的生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)上有廣闊的應(yīng)用前景,可通過(guò)定量測(cè)量肌肉硬度評(píng)估肌肉的收縮強(qiáng)度、拉伸水平和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征。

因肌肉的硬度和肌肉的被動(dòng)肌力與主動(dòng)肌力均存在線性關(guān)系[5],SWE技術(shù)可通過(guò)測(cè)量肌肉硬度間接評(píng)估個(gè)體肌肉張力的變化,對(duì)肌肉的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。Ma?setti等[6]對(duì)腓腸肌腱頭測(cè)得的剪切模量值和其單位長(zhǎng)度與Hoang的模型得到的被動(dòng)力-長(zhǎng)度曲線進(jìn)行對(duì)比,擬合結(jié)果表明SWE技術(shù)測(cè)得的剪切模量值可間接測(cè)量被動(dòng)肌張力。Koo等[7]通過(guò)雞的肌肉離體實(shí)驗(yàn)研究證明所有被測(cè)肌肉的SWE彈性與被動(dòng)肌力之間均呈高度線性關(guān)系,這一研究進(jìn)一步證實(shí)了SWE技術(shù)間接測(cè)量被動(dòng)肌張力的可靠性。Bouillard等[8]通過(guò)研究表明等長(zhǎng)收縮時(shí)食指外展和小指外展肌肉的剪切模量與力矩呈線性關(guān)系,且SWE測(cè)量個(gè)體肌力比肌電圖更為準(zhǔn)確。又有Ate等[9]對(duì)等長(zhǎng)收縮下小指展肌的剪切模量與力矩的線性關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證,證明小指展肌的主動(dòng)肌力可通過(guò)SWE測(cè)量評(píng)估。臨床上通常使用表面肌電圖來(lái)評(píng)估肌肉的活動(dòng),但因無(wú)法準(zhǔn)確定位單個(gè)肌肉具有一定的局限性,且肌電圖無(wú)法用于估計(jì)持續(xù)亞極量疲勞運(yùn)動(dòng)中的個(gè)體肌肉力。通過(guò)研究表明剪切波彈性成像的測(cè)量不受疲勞收縮成像因素的影響[10],因而SWE技術(shù)可作為肌電圖的替代品對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉力學(xué)分配特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。

剪切波彈性成像得到的楊氏模量值是基于胡克定律反溯而來(lái),其基于假設(shè)肌肉是橫觀各向同性固體,準(zhǔn)不可壓縮的彈性介質(zhì),但忽略了肌肉具有各向異性、黏彈性的特點(diǎn)。SWE技術(shù)可利用ARFI技術(shù)對(duì)肌肉的各向異性和黏彈性進(jìn)行量化,對(duì)肌肉復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。Gennisson等[11]的在體研究對(duì)肌肉進(jìn)行了剪切模量、剪切黏度和剪切各向異性的估計(jì)以及它們?cè)诘乳L(zhǎng)收縮或被動(dòng)拉伸過(guò)程中的各自變化,并提供了一套完整的定量數(shù)據(jù)。Rasool等[12]測(cè)量了腦卒中偏癱患者肌肉的剪切波群和相速度(彌散),從而分別量化了肌肉組織的彈性和黏性。

SWE在肌肉生理狀態(tài)下測(cè)得的剪切模量具有顯著的個(gè)體差異性,有關(guān)性別和年齡對(duì)肌肉剪切模量影響的研究目前仍缺乏共識(shí)。Alfuraih等[13]的研究表明在整個(gè)成年期靜息肌肉硬度逐漸降低,在老年(>75歲)組下降最顯著;老年人骨骼肌硬度的降低與肌力下降有關(guān)。這一研究認(rèn)為SWE技術(shù)可能可作為評(píng)估和篩查老年肌少癥患者和潛在風(fēng)險(xiǎn)人群的工具。Eby等[14]使用回歸分析對(duì)性別和年齡與肱二頭肌的剪切模量關(guān)系進(jìn)行分析,得出性別和年齡是影響大于60歲老年人的顯著性因素,剪切模量在其年齡段有隨年齡增長(zhǎng)的趨勢(shì);女性的剪切模量有高于男性的趨勢(shì)。Chino等[15]的研究表明在任何踝關(guān)節(jié)位置上,內(nèi)側(cè)腓腸肌的肌肉硬度在性別上無(wú)顯著差異。由于肌肉結(jié)構(gòu)的多樣性和肌肉的位置差異,正常的各肌肉的剪切模量各異。Arda等[16]將各正常軟組織的剪切模量值進(jìn)行了定量評(píng)估,測(cè)得咬肌、腓腸肌、岡上肌的彈性平均值分別為(10.4±3.7) kPa、(11.1±4.1) kPa、(31.2±13) kPa。

2.2 SWE在肌肉相關(guān)疾病中的應(yīng)用

肌肉相關(guān)疾病引起肌肉結(jié)構(gòu)功能的異常從而導(dǎo)致肌張力的改變,肌張力和肌肉硬度存在線性關(guān)系,因此SWE技術(shù)可通過(guò)測(cè)量肌肉硬度的變化間接對(duì)肌肉疾病進(jìn)行診斷評(píng)估。目前通過(guò)SWE技術(shù)對(duì)肌肉相關(guān)疾病的研究,表明SWE技術(shù)可應(yīng)用于對(duì)肌肉的病理變化下的力學(xué)分配特點(diǎn)的評(píng)估,與臨床評(píng)估進(jìn)行聯(lián)系對(duì)比診斷疾病的嚴(yán)重程度,并且對(duì)肌肉相關(guān)疾病的治療療效進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。根據(jù)發(fā)病原因可將肌肉疾病簡(jiǎn)單分為肌骨系統(tǒng)的疾病與中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙所致肌肉疾病。肌骨系統(tǒng)疾病包括先天性肌疾病、系統(tǒng)性疾病、外傷或運(yùn)動(dòng)損傷等;中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙疾病臨床上常見(jiàn)為腦卒中、帕金森病、腦癱等。

2.2.1肌骨系統(tǒng)疾病

杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥(Duchenne muscular dystrophy,DMD)是最常見(jiàn)的先天性X連鎖遺傳性肌疾病,其臨床特征為進(jìn)行性肌肉無(wú)力伴假性腓腸肌肥大[17]。DMD患者的下肢肌肉硬度相比正常人有所增加,Lin等[18]研究發(fā)現(xiàn)大腿和小腿的剪切模量值隨疾病進(jìn)程有不同模式的變化,可能與疾病進(jìn)程中患者步態(tài)補(bǔ)償有關(guān)。Yu等[19]的研究表明在多個(gè)拉伸水平下腓腸肌內(nèi)側(cè)頭肌肉硬度均顯著增高;在踝關(guān)節(jié)背屈10°時(shí)和對(duì)照組的曲線下面積(area under the curve,AUC)最大;運(yùn)動(dòng)功能等級(jí)為被動(dòng)肌肌肉硬度的決定因素。GNE肌病是一種罕見(jiàn)的因GNE基因突變引起的常染色體隱性遺傳肌病,發(fā)病通常為青年時(shí)期或成年早期,臨床表現(xiàn)一般為下肢肢體遠(yuǎn)端肌無(wú)力。GNE肌病的SWV測(cè)量結(jié)果與正常人相比顯著減低,且肌肉的各向異性減弱,可能與GNE肌病患者失去正常肌束結(jié)構(gòu)有關(guān)[20]。Li等[21]的研究表明高頻超聲和剪切波彈性成像可通過(guò)檢測(cè)肌肉異常變薄、肌肉回聲強(qiáng)度增強(qiáng)和肌肉SWV降低,作為診斷多發(fā)性肌炎和皮肌炎的影像學(xué)生物標(biāo)志物。Lv等[22]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)使用SWE技術(shù)對(duì)四肢肌肉擠壓傷測(cè)量的信度進(jìn)行評(píng)估證實(shí),與未粉碎區(qū)域相比,擠壓傷區(qū)域的硬度增大。

2.2.2中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙繼發(fā)性肌肉疾病

中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙的疾病繼發(fā)引起骨骼肌功能肌的肌張力改變,改變趨勢(shì)為肌張力增高,常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)障礙疾病如帕金森病、腦卒中、腦癱等均可引起肌肉痙攣或強(qiáng)直,SWE技術(shù)對(duì)其有診斷價(jià)值,并且可評(píng)估治療的療效,還可通過(guò)引入松弛角、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等因素的變化觀察肌肉硬度的改變,從而對(duì)肌肉的運(yùn)動(dòng)力學(xué)的病理性改變進(jìn)行評(píng)估研究。帕金森病患者除表現(xiàn)為靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩?fù)?還會(huì)出現(xiàn)肌肉強(qiáng)直,可通過(guò)臨床檢查標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估肌肉病理變化的嚴(yán)重程度。Du等[23]研究表明帕金森病的顯著癥狀組、輕度癥狀組、健康組的肱二頭肌硬度存在顯著差異,帕金森病患者的肌肉剪切模量增高,剪切模量與臨床運(yùn)動(dòng)評(píng)分存在線性相關(guān)。Yin等[24]通過(guò)動(dòng)態(tài)SWE測(cè)量帕金森病組和對(duì)照組被動(dòng)拉伸時(shí)腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的踝關(guān)節(jié)松弛角度,研究表明帕金森病患者的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭松弛角小于健康對(duì)照者,并且與僵直的嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)。Oppold等[25]研究表明帕金森病患者的肌肉硬度改變可通過(guò)SWE的客觀變化來(lái)反映,肌肉SWV與量化強(qiáng)直性的臨床標(biāo)準(zhǔn)顯著相關(guān)。腦卒中由于腦血管的急性破裂或血管堵塞可能導(dǎo)致永久性腦損傷,引發(fā)肌肉痙攣,其表現(xiàn)為癱瘓、肌張力增加和過(guò)度反射。Eby等[26]的研究表明肱二頭肌的力矩和被動(dòng)硬度隨肘關(guān)節(jié)伸展的增加而增加,在對(duì)照組中增加幅度最小,而在腦卒中患者的對(duì)側(cè)肢體中增加最明顯。唐曉曉等[27]研究表明腦卒中患者的手指肌肉的SWV數(shù)值與改良Ashworth量表(MAS)等級(jí)有明顯相關(guān)性,偏癱側(cè)指淺屈肌和指伸肌剪切模量值明顯高于非偏癱側(cè)。黃珊珊等[28]研究表明動(dòng)態(tài)留針?lè)ㄖ委熀蟮募∪鈼钍夏Ａ恐档陀谥委熐?SWE技術(shù)可早期、動(dòng)態(tài)評(píng)估治療痙攣肌肉的療效,相較于MAS評(píng)分更敏感。

3 SWE在韌帶上的應(yīng)用

SWE技術(shù)可對(duì)正常情況的韌帶的力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)估,也對(duì)韌帶的疾病或損傷和修復(fù)具有診斷價(jià)值。Rougereau等[29]的研究表明,SWE技術(shù)測(cè)量腓骨前韌帶和跟骨腓骨韌帶是可靠且可重復(fù),其韌帶的硬度隨內(nèi)翻的程度而增加。Wu等[30]通過(guò)剪切波彈性成像技術(shù)測(cè)量正常人和單側(cè)肩周炎患者喙肱韌帶的彈性,研究結(jié)果表明肩周炎患者韌帶較正常人僵硬。Hotfiel等[31]通過(guò)SWE技術(shù)對(duì)健康成年人的距腓前韌帶的彈性進(jìn)行了評(píng)估,具有可靠性和重復(fù)性,并測(cè)量了在體力學(xué)特性,證實(shí)了SWE技術(shù)對(duì)距腓前韌帶的急性和慢性損傷有診斷價(jià)值。

4 SWE在肌腱上的應(yīng)用

肌腱為連接肌肉和骨骼的纖維結(jié)締組織,起到牽引和穩(wěn)定的作用。SWE技術(shù)既可對(duì)正常肌腱進(jìn)行生物力學(xué)評(píng)估,也可對(duì)肌腱損傷和退行性病變進(jìn)行定位和診斷。Arda等[16]對(duì)正常成年人的各項(xiàng)軟組織進(jìn)行定量評(píng)估,其中包括跟腱。該研究對(duì)跟腱的橫切面和縱切面進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)在縱切面上男性硬度值大于女性,橫切面上硬度值男女差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,橫縱切面上的跟腱硬度值與年齡無(wú)顯著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。肌腱的斷裂引起肌腱膠原纖維結(jié)構(gòu)的變性,進(jìn)而引起肌腱的纖維化,生物學(xué)性能的改變反映在剪切波成像上為斷裂肌腱的硬度增高。黃家興等[32]對(duì)岡上肌肌腱部分撕裂進(jìn)行對(duì)側(cè)和患側(cè)及健康組對(duì)照進(jìn)行診斷評(píng)估,岡上肌肌腱部分撕裂的硬度值相比健康者增高。Wada等[33]對(duì)32名凍結(jié)肩患者進(jìn)行分期測(cè)量肌腱硬度,凍結(jié)肩的各階段下的岡上肌肌腱和岡下肌肌腱硬度值均高于健側(cè)。

5 SWE在神經(jīng)上的應(yīng)用

SWE技術(shù)可量化評(píng)估正常周圍神經(jīng)的硬度,也為周圍神經(jīng)病變的傳統(tǒng)神經(jīng)診斷技術(shù)提供了一種新的替代方法。正常人周圍神經(jīng)的硬度具有個(gè)體性差異,李伶俐等[34]的研究表明正常成人正中神經(jīng)在腕部不同區(qū)域的剪切波速度不同,性別、年齡均會(huì)影響剪切波速度測(cè)值。陳超等[35]的研究表明實(shí)時(shí)剪切波超聲彈性成像技術(shù)可準(zhǔn)確量化評(píng)估出健康人利手側(cè)以及非利手側(cè)正中神經(jīng)彈性模量特征,且可信度較高。在周圍神經(jīng)病的背景下,無(wú)論病因如何,神經(jīng)的硬度都為增加趨勢(shì)。糖尿病的周圍神經(jīng)病變?cè)谂R床上為常見(jiàn)的并發(fā)癥,宋揚(yáng)等[36]的研究表明2型糖尿病并下肢周圍神經(jīng)病變患者的平均剪切波速度大于正常值,SWE技術(shù)可用于評(píng)估下肢神經(jīng)的病變。在臨床應(yīng)用中,周圍神經(jīng)卡壓綜合征也可通過(guò)SWE技術(shù)評(píng)估,其中腕管綜合征為最常見(jiàn)的周圍神經(jīng)卡壓綜合征。Lin等[37]的Meta分析結(jié)果顯示,在SWE成像模式下的腕關(guān)節(jié)水平正中神經(jīng)的硬度比健康對(duì)照組的顯著增高。

6 局限性及展望

SWE技術(shù)雖在肌骨超聲的應(yīng)用上有更廣闊前景,但也存在著一定的局限性,具體為以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:(1)SWE的技術(shù)原理基于胡克定律,假設(shè)肌肉的特點(diǎn)為橫觀各向同性固體、準(zhǔn)不可壓縮、彈性介質(zhì),但肌肉的生物學(xué)標(biāo)志為各向異性。據(jù)劉瑞雪等[38]研究表明,與肌纖維平行傳播的剪切波速度能較為準(zhǔn)確地反映肌肉組織的受力情況,因而SWE技術(shù)對(duì)探頭軸線與肌纖維的夾角敏感,垂直于肌纖維的測(cè)量結(jié)果最為準(zhǔn)確,并且無(wú)法測(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的肌肉硬度。(2)由于深層肌肉的衰減效應(yīng),干擾剪切波的采集,剪切波彈性成像無(wú)法測(cè)得深層肌肉的剪切模量,SWE技術(shù)測(cè)量肌肉有深度的限制。Wang等[39]研究表明,離體肌肉的SWS隨深度變化而增加,在6 cm處由于未能檢測(cè)到剪切波而無(wú)法獲得剪切模量值。(3)肌肉為可變形組織,對(duì)換能器的壓力較為敏感,可能影響SWV參數(shù)的準(zhǔn)確性?？偟膩?lái)說(shuō),SWE技術(shù)在肌肉運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征的研究上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在肌肉骨骼系統(tǒng)疾病上的評(píng)估也具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力,但在研究中需注意保證影響剪切波彈性成像測(cè)量評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化因素,對(duì)剪切波的專業(yè)術(shù)語(yǔ)特別是楊氏模量值和剪切波速度的使用進(jìn)行規(guī)范化和統(tǒng)一。