實(shí)時(shí)超聲測(cè)量用于等長(zhǎng)收縮條件下修復(fù)跟腱應(yīng)變的研究

鄭永平，陳艷玲a,2，吳嘉豪， 丁賽君b，李添捷a，李曾慧平b

1.香港理工大學(xué) a.醫(yī)療科技及資訊學(xué)系；b.康復(fù)治療科學(xué)系， 香港； 2.麥理浩康復(fù)院，香港；3.瑪麗醫(yī)院 骨科及創(chuàng)傷外科，香港

0 前言

肌肉通過肌腱與骨骼連接，從而將其收縮產(chǎn)生的力傳至骨骼，產(chǎn)生關(guān)節(jié)和肢體的運(yùn)動(dòng)。肌腱有限的伸長(zhǎng)可以抵抗較高的張力，但是，過度的應(yīng)變就會(huì)造成肌腱的損傷和撕裂。損傷或修復(fù)肌腱的治愈過程可分為三個(gè)階段[1]（Kannus 和 Jozsa 1997），其中逐漸加強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練始于第二階段（術(shù)后第一個(gè)星期），并貫穿整個(gè)第三階段（術(shù)后第三個(gè)星期至一年）[2]（Sandrey 2000）。許多研究表明適當(dāng)?shù)脑缙谶\(yùn)動(dòng)有助于撕裂肌腱術(shù)后的恢復(fù)[3-5]（Kannus 2000；Calder和Saxby 2005；Sorrenti 2006）。通常，治療師會(huì)憑借臨床經(jīng)驗(yàn)決定練習(xí)的強(qiáng)度，而很少通過實(shí)驗(yàn)確定不同康復(fù)階段受損或修復(fù)肌腱對(duì)練習(xí)的耐受度。

肌腱具有類似非線性彈簧的特征，從而保證了肌肉和骨骼間的機(jī)械互動(dòng)。其長(zhǎng)度的變化會(huì)引起關(guān)節(jié)角度和肌肉纖維長(zhǎng)度的改變，因此相應(yīng)力學(xué)特征的測(cè)量具有重要的臨床意義。一些研究小組對(duì)此做了深入的研究。Muraoka等人指出跟腱的力學(xué)特性與肌肉的強(qiáng)度相關(guān)[6]。然而，大多數(shù)的研究都基于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[7-12]（Lieber等人1991；Best等人1993；Trestik和 Lieber1993；Van等人 1996；Steiner M1982；Thermann等人2001），或是尸體的離體組織樣本[13-14]（Jakkola等人2000；Wren等人2001）。然而，動(dòng)物組織與人體組織存在差異，尸體組織保存中也會(huì)造成組織特性的改變。近來越來越多的研究運(yùn)用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）或非侵入式的實(shí)時(shí)超聲成像技術(shù)進(jìn)行在體條件下人體肌腱組織的力學(xué)特性的測(cè)量[15-16]（Magnusson等人 2001；Lichtwark 和 Wilson 2005）。

等長(zhǎng)自主收縮條件下肌腱會(huì)有不同程度的增長(zhǎng)。Mananaris等人采用MRI技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)：最大等長(zhǎng)收縮時(shí)，跟腱力矩臂長(zhǎng)度比靜態(tài)時(shí)增加10~15cm[17]。Fukunaga等人采用超聲的研究則證明了等長(zhǎng)收縮時(shí)脛前肌腱的伸長(zhǎng)[18]。Ito等人利用超聲對(duì)人脛前肌腱進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)：伴隨著力的增加，肌腱將伸長(zhǎng)15±2mm[19]。Finni等人利用MRI技術(shù)發(fā)現(xiàn)在20%和40%最大自主收縮（Maximal Voluntary Contraction, MVC）條件下，比目魚肌的肌腱/肌腱膜分別增長(zhǎng)2.8%和4.7%[20]。Muramatsu等人利用超聲對(duì)等長(zhǎng)收縮條件下肌腱的應(yīng)變進(jìn)行了討論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)受試者以10%MVC/s的速度從松弛到90%MVC的過程中，肌腱發(fā)生最大為5.1%的應(yīng)變[21]。Lichtwark和Wilson最新的基于超聲和運(yùn)動(dòng)分析的研究表明：?jiǎn)文_跳時(shí)在體跟腱的應(yīng)力和應(yīng)變同時(shí)受跟腱長(zhǎng)度的影響，他們報(bào)道了8.3%的平均峰值應(yīng)變[16]。Lee等人則報(bào)道了一種利用超聲圖像在體自動(dòng)測(cè)量肌腱移動(dòng)的方法[22]。

這些在體跟腱的研究?jī)H針對(duì)健康受試者，而修復(fù)手術(shù)后跟腱的研究則集中于其形態(tài)特征和診斷可靠性方面[23-30]（Maffulli等人 1990；Rupp等人 1995；Karjalainen等 人 1996；Leppilahti等 人 2000；Hollenberg等 人 2000；Moller等人 2002；Khan等人 2003；Fredberg等人 2008）。康復(fù)過程中跟腱的力學(xué)特征無疑能為治療計(jì)劃的制定提供有用信息，但卻始終難以測(cè)量。一些研究人員利用X射線成像手術(shù)中嵌入肌腱的鈦標(biāo)志物，從而檢測(cè)康復(fù)過程中肌腱的長(zhǎng)度[31-32]（Schepull等人2007；Kangas等人2007）。這種方法不僅需要預(yù)先制備鈦標(biāo)志物，且對(duì)人體有輻射危害，難以在臨床實(shí)踐中推廣。我們的研究旨在利用非侵入的實(shí)時(shí)超聲技術(shù)在體測(cè)量等長(zhǎng)壓縮條件下修復(fù)跟腱的應(yīng)變情況，并與健康跟腱做比較，以期為修復(fù)跟腱術(shù)后運(yùn)動(dòng)方案的制定提供重要的參考。研究采用的聲肌圖技術(shù)（Sonomyography,SMG）曾用于不同收縮條件下肌肉的評(píng)估[33-40]（Zheng等人2006；Huang 等人 2007；Shi等人 2007，2008；Guo等人2008，2009；Xie等人2008）。SMG可實(shí)時(shí)提供肌肉的結(jié)構(gòu)信息，如厚度、肌纖維-肌腱夾角等，并能用于肌肉功能的評(píng)估[35-36,39]（Shi等人2007；2008）。我們會(huì)采集跟腱超聲圖像用于應(yīng)變分析。

1 材料和方法

1.1 受試者

參與研究的六名男性病人平均年齡為41.0±7.6 歲（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）。他們都因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致跟腱撕裂，撕裂距跟腱附著點(diǎn)4.9±1.9cm。他們?cè)谙愀郜旣愥t(yī)院接受了端點(diǎn)到端點(diǎn)的修復(fù)手術(shù)，手術(shù)采用相同的縫合材料并由同一醫(yī)療團(tuán)隊(duì)完成。其中四名患者的損傷發(fā)生在慣用腳，兩名在非慣用腳。術(shù)后12.8±1.3星期由麥理浩復(fù)康院(瑪麗醫(yī)院的合作單位)的治療師依照評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試修復(fù)的跟腱。對(duì)照組為三名健康的男性受試者，平均年齡27±2.6歲。所有受試者均被預(yù)先告知實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試程序，簽署知情同意書，實(shí)驗(yàn)得到作者所在單位有關(guān)人體實(shí)驗(yàn)的倫理許可。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用等速肌力測(cè)量系統(tǒng)（Cybex 6000, Lumex公司Cybex分公司，Rankonkoma，美國(guó)）進(jìn)行等長(zhǎng)收縮測(cè)試；實(shí)時(shí)超聲掃描儀（Sonosite 180 Plus, Sonosite 公司，Bothell, WA, 美國(guó)）采集病人跟腱撕裂處徑向的圖像以及健康受試者相應(yīng)位置的圖像。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置：受試腳置于改進(jìn)的AFO（踝足矯形器，anklefoot-orthosis）內(nèi)，超聲探頭測(cè)試部位位于AFO后側(cè)

病人首先通過5min的踩單車運(yùn)動(dòng)熱身，然后俯臥在測(cè)試臺(tái)上，將受損傷的腳置于定制的踝足矯形器（ankle-footorthosis, AFO）之中，保持膝關(guān)節(jié)完全舒展，繼而用松緊帶將足部固定在與肌力測(cè)量系統(tǒng)杠桿相連接的踏板上，如圖1所示。超聲探頭沿跟腱放置在撕裂處，具體位置參考手術(shù)記錄。在先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，即使探頭固定，其與跟腱的相對(duì)位置也很容易改變，因此收縮測(cè)試中成像平面很難保持在跟腱的相同位置。改進(jìn)的AFO則能在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中保證探頭與跟腱相對(duì)位置的一致，見圖2。實(shí)驗(yàn)中，受試者要求先后兩次在5s內(nèi)從松弛狀態(tài)逐漸增加扭矩到MVC，中間休息2min，等長(zhǎng)收縮過程中跟腱的超聲圖像用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄用以后續(xù)分析。Cybex系統(tǒng)會(huì)在收縮開始時(shí)發(fā)出提示音，便于超聲圖像與扭矩?cái)?shù)據(jù)的同步。相同扭矩條件下受試者健康跟腱的測(cè)試流程與之相同。此外，該流程也用于病人撕裂同位置處健康受試者跟腱的測(cè)試，用以探討慣用腿與否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

超聲圖像幀率30Hz，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，由Cybex系統(tǒng)采集的音頻信號(hào)，用商用軟件（Premiere, Adobe系統(tǒng)公司，美國(guó)）對(duì)圖像進(jìn)行逐幀同步。圖像分析中操作者需確定跟蹤窗口的位置，并運(yùn)用自主設(shè)計(jì)的超聲運(yùn)動(dòng)彈性測(cè)量軟件（Ultrasound Measurement of Motion and Elasticity, UMME，[33,35]Zheng等人2006；Shi等人2007）進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量計(jì)算。圖3顯示了軟件的界面，該軟件運(yùn)用二維互相關(guān)技術(shù)跟蹤兩個(gè)包含肌腱感興趣區(qū)域之間的位移。

圖2 每位受試者訂制專門的AFO，超聲探頭可沿肌腱方向固定其上

圖3 UMME軟件：上部左側(cè)窗口顯示了典型的瞬時(shí)形變，右側(cè)則為帶位移跟蹤窗口的超聲圖像，測(cè)試通過一組跟蹤窗口計(jì)算應(yīng)變

1.3 超聲測(cè)量的有效性驗(yàn)證

超聲成像的深度為2.2cm，與受試者測(cè)試的表層肌腱深度一致，并利用游標(biāo)卡尺校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取測(cè)試距離，將5次超聲測(cè)量的結(jié)果與數(shù)字式游標(biāo)卡尺的讀數(shù)做比較。由于測(cè)試肌腱沿超聲探頭長(zhǎng)軸方向，因此只需做橫向校準(zhǔn)，且校準(zhǔn)與組織中聲速無關(guān)。

人體實(shí)驗(yàn)前，還需對(duì)基于超聲的跟腱應(yīng)變測(cè)量有效性進(jìn)行確認(rèn)。實(shí)驗(yàn)中，五塊新鮮豬跟腱均預(yù)先浸泡在鹽溶液中。測(cè)試時(shí)，改裝的卡尺通過兩根釘子固定在跟腱上。當(dāng)跟腱表面發(fā)生應(yīng)變時(shí)，插入的釘子可用于識(shí)別數(shù)字?jǐn)z像（光學(xué)方法）和超聲圖像中跟腱的長(zhǎng)度。超聲探頭沿跟腱放置，由定制的夾具與改裝的卡尺固定。圖4為有效性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置。通過調(diào)節(jié)卡尺的兩臂，可改變跟腱的長(zhǎng)度。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄音頻信息的同時(shí)，與超聲掃描儀相連記錄肌腱的超聲圖像序列。另一臺(tái)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)則同時(shí)捕捉肌腱表面的應(yīng)變，內(nèi)置麥克風(fēng)也記下音頻信息。

圖4 驗(yàn)證超聲測(cè)量肌腱應(yīng)變有效性的實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)卡尺拉伸豬肌腱1mm時(shí)，操作者播放音頻提示。實(shí)驗(yàn)中，肌腱拉伸過程的超聲圖像與攝像片段被同時(shí)保存，兩臺(tái)攝像機(jī)記錄的音頻信號(hào)則可用于兩組視頻圖像的同步。視頻片段被導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，用UMME軟件逐幀分析。

實(shí)驗(yàn)中獲得兩組距離測(cè)量值：其一是光學(xué)方法測(cè)得的標(biāo)志物間距離（需先對(duì)相鄰像素代表的距離進(jìn)行校準(zhǔn)）。其二是超聲測(cè)量得到的（將相關(guān)肌腱的長(zhǎng)度定義為兩根釘子間地距離，可通過度量?jī)筛櫞翱诘木嚯x確定其長(zhǎng)度）。對(duì)兩組數(shù)據(jù)做相關(guān)以考察它們之間的關(guān)系。

1.4 數(shù)據(jù)分析

圖5 修復(fù)跟腱收縮前后的超聲圖像，(a)為收縮前，(b)為收縮后。跟蹤窗口中，D為兩跟蹤窗口中感興趣區(qū)域中心的初始距離，d1和d2為等長(zhǎng)收縮中感興趣區(qū)域的位移，兩者之差即收縮引起的形變

跟腱的拉伸量是以受試者從放松腳板到達(dá)到100%MVC來計(jì)算。首先通過扭矩曲線識(shí)別出100%MVC對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，借助UMME軟件（圖3所示）從超聲圖像測(cè)量整個(gè)過程中跟腱的位移。應(yīng)變?chǔ)庞上率蕉x：

其中d1和d2為等長(zhǎng)收縮過程中，兩跟蹤窗口所選跟腱感興趣區(qū)域的位移，D為跟蹤窗口中心的初始距離，如圖5所示。

每幅超聲圖像測(cè)量肌腱位移三次后取平均，方差用以評(píng)估位移跟蹤軟件在復(fù)驗(yàn)中的可靠性。類內(nèi)相關(guān)系數(shù)（Intraclass Correlation Coefficient, ICC）用以評(píng)估每組數(shù)據(jù)的可靠性。配對(duì)t檢驗(yàn)分析修復(fù)跟腱應(yīng)變的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，研究健康側(cè)與受損傷側(cè)跟腱的差異，p值小于0.05被認(rèn)為具有顯著差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 超聲測(cè)量的校準(zhǔn)和有效性

圖6 豬肌腱伸展1mm前后的超聲圖像，圖中標(biāo)明插入針的位置

超聲掃描儀和數(shù)字游標(biāo)卡尺的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明：超聲掃描深度2.2cm時(shí)，水平方向上超聲圖像每個(gè)像素相當(dāng)于0.125mm。圖6顯示了拉伸前后豬肌腱的超聲圖。超聲和光學(xué)方法測(cè)量得到形變值的平均R2為0.953±0.038，如圖7所示，有良好地線性相關(guān)性。

圖7 光學(xué)方法和超聲方法測(cè)得的形變具有良好的線性關(guān)系

2.2 跟腱的力學(xué)特征

三名健康受試者慣用腳與非慣用腳扭矩的峰值分別為27.8±13.0Nm和28.9±14.6Nm。限于受試者數(shù)目沒有做統(tǒng)計(jì)分析，但從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，慣用腳與非慣用腳的峰值扭矩沒有明顯的差異。六名病人MVC條件下，損傷側(cè)跟腱的平均扭矩值為17.4±3.6Nm。如前所述，要求健康側(cè)最大的平均扭矩與之相同，以示比較。事實(shí)上，病人損傷側(cè)能達(dá)到的最大扭矩明顯小于健康受試者。

所選部分跟腱的長(zhǎng)度，即兩跟蹤窗口間的距離為11.1± 3.4 mm。表1為歸一化跟腱長(zhǎng)度后得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，兩次測(cè)試表明健康側(cè)和損傷側(cè)應(yīng)變的ICC分別為0.809和0.956。健康側(cè)跟腱的平均應(yīng)變值為23.7%±12.7%，損傷側(cè)則為14.8%±12.6%。統(tǒng)計(jì)分析表明同水平等長(zhǎng)收縮條件下（即損傷側(cè)MVC），損傷側(cè)應(yīng)變明顯小于健康側(cè)（p=0.017，配對(duì)t檢驗(yàn)）。對(duì)于正常受試者，慣用側(cè)與非慣用側(cè)的應(yīng)變分別為32.6%±4.3%和29.4%±13.0%。限于受試者數(shù)目，無法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩者沒有明顯差異。

表1 相同縮條件下（修復(fù)側(cè)最大等長(zhǎng)收縮），修復(fù)側(cè)與健康側(cè)所選部分AT的應(yīng)變比例，數(shù)值為兩次試驗(yàn)的均值

3 討論

我們采用超聲技術(shù)研究了六名跟腱撕裂患者經(jīng)手術(shù)修復(fù)12.8星期后損傷跟腱的應(yīng)變情況。受試者被要求從放松狀態(tài)逐漸增加修復(fù)跟腱的扭矩至MVC，并與相同扭矩水平下，對(duì)側(cè)健康跟腱做比較。實(shí)驗(yàn)表明修復(fù)跟腱的平均應(yīng)變?yōu)?4.8%±12.6%，明顯小于對(duì)側(cè)健康跟腱23.7%±12.7%的水平。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也表明超聲成像技術(shù)可用于等長(zhǎng)收縮條件下跟腱應(yīng)變的在體測(cè)量。實(shí)驗(yàn)要求受試者損傷側(cè)和健康側(cè)保持相同的扭矩，因此有理由假設(shè)兩側(cè)肌肉具有類似的收縮水平，即相同部位跟腱的伸長(zhǎng)應(yīng)該相同。由于修復(fù)區(qū)域應(yīng)變較小，這就意味著修復(fù)的組織的硬度較健康側(cè)同區(qū)域的組織高。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也表明修復(fù)肌腱的重建無法在術(shù)后12.8星期完成(我們數(shù)據(jù)采集的平均時(shí)間)，這與Kannus和Jozsa的研究結(jié)果一致[1]。今后還可對(duì)修復(fù)跟腱康復(fù)的不同階段進(jìn)行研究，觀察跟腱生物力學(xué)特性的改變，了解修復(fù)跟腱的愈后情況。

研究的初衷還包括確定修復(fù)跟腱的應(yīng)變情況是否與其康復(fù)情況關(guān)聯(lián)。通過研究受試者的病例，我們注意到受試者D和F在測(cè)試時(shí)已恢復(fù)了正常的活動(dòng)能力。因此我們預(yù)期他們受損側(cè)的應(yīng)變水平與健康側(cè)接近。事實(shí)上，受試者D受損側(cè)的應(yīng)變?yōu)榻】祩?cè)的75%，而受試者F的這一數(shù)值僅為17%，見表1。對(duì)于受試者F，有可能的情況是受損跟腱完好區(qū)域長(zhǎng)度的增加，補(bǔ)償了撕裂修復(fù)區(qū)域在臨床背屈評(píng)估中的緊張，以維持跟腱整體的增長(zhǎng)。如果這樣的話，那么非修復(fù)區(qū)域跟腱再次受損的可能性將變大。之前的一些研究在一定程度上也支持這一發(fā)現(xiàn)。Rupp等人報(bào)道肌腱的超聲形態(tài)與其臨床上的治療效果不存在統(tǒng)計(jì)相關(guān)性[24]。Moller等人也報(bào)道臨床參數(shù)(肌力、肌耐力和運(yùn)動(dòng)范圍)與放射檢查中的陽(yáng)性發(fā)現(xiàn)(肌腱缺陷、增厚、均勻度、水腫)無明顯的相關(guān)性[28]。如果這個(gè)發(fā)現(xiàn)今后被大樣本的研究證實(shí)，那么對(duì)于那些聲稱踝部恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)能力病人的治療方案就需要重新考量，同時(shí)康復(fù)治療中修復(fù)區(qū)域應(yīng)變能力的量化也十分必要。

我們?cè)谘芯恐袦y(cè)得的應(yīng)變較其它文獻(xiàn)中報(bào)道的正常受試者高。Magusson等人用MRI和超聲在體研究了人小腿三頭肌腱的負(fù)載位移特性，測(cè)量得到的最大應(yīng)變?yōu)?.6%[15]。Muramatsu等人（2001）用類似方法測(cè)得的跟腱應(yīng)變?yōu)?.1%[21]。Magusson等人2003年的研究則報(bào)道了8.0%±1.2%的應(yīng)變，但仍小于我們的研究[41]。這可能與兩個(gè)潛在的因素有關(guān)。首先，Magnusson等人定義的肌腱長(zhǎng)度為靜息條件下超聲圖上足底到肌腱起點(diǎn)(肌束肌腱交叉點(diǎn))的距離[15]。這個(gè)值是從外部測(cè)量的，且沒有扣除足底到肌腱附著點(diǎn)的距離，因此偏大的肌腱長(zhǎng)度會(huì)造成應(yīng)變估計(jì)的不足。其次，正常情況下，跟腱的應(yīng)變并非均勻分布。這些早期的研究根據(jù)腱腱整體的形變和原始厚度計(jì)算得到平均應(yīng)變，而我們的研究則針對(duì)受損修復(fù)后的腱腱部位進(jìn)行測(cè)量，并與對(duì)側(cè)相同位置的健康腱腱做比照。較平均應(yīng)變大的局部應(yīng)變暗示受損區(qū)域的腱腱，甚至是健康側(cè)同等位置的腱腱相比其他位置可能產(chǎn)生更大的應(yīng)變。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明跟腱的應(yīng)變可以為病人的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃的制定提供有用的信息。

跟腱向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生纏繞。旋轉(zhuǎn)始于比目魚肌趨于融合的位置，當(dāng)融合程度最小時(shí)，旋轉(zhuǎn)最為明顯。這可能會(huì)造成跟腱上的應(yīng)力集中區(qū)，約在腱腱附著點(diǎn)之上2至5cm[42]（Simon 1994）。這些區(qū)域血管最少，是跟腱撕裂易發(fā)的部位[1]（Kannus 1997）。我們研究中受試者跟腱撕裂的平均位置正是附著點(diǎn)之上5cm，從一定程度上證實(shí)了以上發(fā)現(xiàn)。之前的研究沒有考慮肌腱上應(yīng)變的異質(zhì)性，只是在Magnusson等人（2003）的研究中提及用兩根針插入肌腱，來測(cè)量肌腱特定區(qū)域應(yīng)變的設(shè)想，卻未付諸實(shí)施[41]。Muramatsu等人[21]和Magnusson等人[15]還報(bào)道了跟腱橫截面積存在差異性。Karjalainen等人(1996)的研究中，修復(fù)肌腱的橫截面積是健康側(cè)的4.2倍，而且形狀更圓。橫截面積的差異會(huì)使得相同扭矩時(shí)，沿肌腱方向所受張力有所不同。因此，肌腱所受張力會(huì)因所處位置和力學(xué)特性而有所差別。由于更接近應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的極限，那些產(chǎn)生較大應(yīng)變的區(qū)域可能更易受到損傷。壓縮條件下跟腱的應(yīng)變分布，尤其是康復(fù)過程中修復(fù)跟腱的應(yīng)變分布值得進(jìn)一步的研究。

我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)在相同的收縮水平下，修復(fù)跟腱的應(yīng)變明顯小于對(duì)側(cè)健康跟腱。通過對(duì)三名健康受試者的測(cè)試，我們認(rèn)為該差異并非慣用腳與否造成，慣用腳的定義參考Ying等人的研究[43]。實(shí)驗(yàn)中觀察到健康受試者慣用側(cè)與非慣用側(cè)產(chǎn)生的峰值扭矩不存在明顯差異，這暗示慣用與否可能與扭矩?zé)o關(guān)，同樣也與應(yīng)變大小無關(guān)，今后的研究需要更多的受試者來研究慣用腳與非慣用腳的統(tǒng)計(jì)差異。正因?yàn)榇耍欣碛赏茢嘤^察到健康側(cè)與非健康側(cè)跟腱應(yīng)變的差異可能來自其它生理或生物力學(xué)因素。Maffulli等人的研究發(fā)現(xiàn)術(shù)后修復(fù)的跟腱會(huì)增厚[44]（2001），膠原纖維方向性的混亂也可能造成生物力學(xué)特征的改變[45]（1999,lost）。因此可能的情況是，術(shù)后疼痛和廢用性萎縮造成修復(fù)側(cè)肌肉拉力下降，跟腱的應(yīng)變較健康側(cè)小。

Muramatsu等人[21]和 Magnusson等人[41]（2003）的研究中，用膠帶將超聲探頭固定在皮膚表面，這種方法很難用于我們的實(shí)驗(yàn)。由于在肌肉收縮的同時(shí)采集同一橫截面的跟腱超聲圖像存在困難，我們起先制作了一個(gè)夾具用以將探頭固定在Cybex肌力測(cè)量系統(tǒng)上。然而，等長(zhǎng)收縮中跟腱向內(nèi)和向外的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成跟骨內(nèi)翻和外翻，使肌腱脫離超聲掃描位置而難以跟蹤。Maganaris和Paul的研究也報(bào)道了跟腱向內(nèi)和向外的運(yùn)動(dòng)[46-47]。我們改進(jìn)了AFO，使之固定全足的同時(shí)，后側(cè)的窗口可用于固定探頭，防止肌腱向內(nèi)和向外的運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。由于需向AFO制作師解釋新器材的制作要求，并且為每條腿特制AFO的工序十分復(fù)雜，多少造成我們受試者數(shù)目比較有限。除了AFO保證超聲探頭和跟腱相對(duì)穩(wěn)定的位置，還需考慮如何將足部產(chǎn)生的力傳至Cybex扭矩傳感器。我們記錄受試者修復(fù)側(cè)達(dá)到MVC時(shí)Cybex扭矩傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，并要求受試者健康側(cè)產(chǎn)生相同的扭矩，以避免扭矩傳導(dǎo)過程造成應(yīng)變測(cè)量的誤差。但是，我們?nèi)匀唤ㄗh在今后的實(shí)驗(yàn)中，尤其是需要記錄足部產(chǎn)生的絕對(duì)扭矩時(shí)，對(duì)AFO做進(jìn)一步的改進(jìn)，例如去除其足底部分。

對(duì)于超聲圖像跟蹤位移的可靠性，我們計(jì)算得到方差為0.69%，與Magnusson等人[41]（2003）研究中用相似方法計(jì)算得到的0.3%~0.9%相近。然而，跟蹤恒定的低回聲或高回聲區(qū)域仍存在挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于健康跟腱。受試者受損側(cè)手術(shù)留下的針腳可用作跟蹤的標(biāo)志。然而，健康受試者肌腱不同區(qū)域的膠原纖維十分相似，為了可靠跟蹤，需仔細(xì)調(diào)整跟蹤窗口，使之始終與初始時(shí)聚焦在同一位置。如果收縮速度很快或者圖像模糊，跟蹤的難度也就更大，而健康受試者產(chǎn)生的扭矩較大，難免收縮速度較大。健康側(cè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的ICC為0.809，相對(duì)損傷側(cè)的0.956低，正反映了這個(gè)問題。測(cè)試中，我們要求受試者放緩收縮速度以便獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Magnusson的研究中，通過局部麻醉將針插入健康受試者的跟腱，用作標(biāo)志[41]（2003）。這種侵入式技術(shù)不僅涉及倫理問題，而且當(dāng)收縮速度過快時(shí)仍會(huì)影響超聲圖像的跟蹤。隨著幀率的提高，跟蹤窗口中圖像的相關(guān)性會(huì)有所提高，因此采用較高幀率的超聲成像設(shè)備（如100幀/s），將有望在不插入針做標(biāo)記的情況下，提高跟蹤效果。

4 結(jié)論

我們采用超聲成像技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了修復(fù)跟腱的應(yīng)變的在體測(cè)量。研究中發(fā)現(xiàn)撕裂修復(fù)后跟腱的應(yīng)變?yōu)?4.8%±12.6%，明顯小于對(duì)側(cè)健康跟腱的23.7%±12.7%。實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)的AFO可以有效防止跟腱向內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)引起的超聲成像平面的改變。今后的研究將著力于修復(fù)跟腱上的應(yīng)變分布，以及康復(fù)過程中應(yīng)變分布的變化。我們的研究將最終協(xié)助治療師優(yōu)化跟腱修復(fù)手術(shù)后病人運(yùn)動(dòng)方案的制定。

致謝

作者衷心感謝香港麥理浩復(fù)康院義肢和矯形科同事對(duì)此研究的支持，尤其感謝Edward Tang先生、Kenneth Wong先生、香港西醫(yī)院聯(lián)網(wǎng)義肢和矯形科的合作人。本項(xiàng)目得到香港研究資助局(PolyU5354/08E)和香港理工大學(xué)(J-BB69)的支持。

[1]Kannus P,Jozsa L.Human tendons anatomy,physiology,and pathology[M].Champaign,III: Human Kinetics,1997:526-554.

[2]Sandrey MA.Effects of acute and chronic pathomechanics on the normal histology and biomechanics of tendons: a review[J]. J Sport Rehabil,2000,9:339-352.

[3]Kannus P.Immobilization or early mobilization after an acute soft-tissue injury?[J]. Physician and Sportsmedicine,2000,28:55-63.

[4]Calder JDF, Saxby TS.Early, active rehabilitation following mini-open repair f Achilles tendon rupture:a prospective study[J].British Journal of Sports Medicine,2005,39:857-859.

[5]Sorrenti SJ.Achilles tendon rupture:Effect of early mobilization in rehabilitation after surgical repair[J].Foot and Ankle International,2006,27:407-410.

[6]Muraoka T,Muramatsu T,Fukunaga,et al.Elastic properties of human Achilles tendon are correlated to muscle strength[J].Journal of Applied Physiology,2005,99:665-669.

[7]Lieber RL,Leonard ME,Brown CG,et al.Frog semitendinosis tendon load-strain and sress-strain properties during passive loading[J].American Journal of Physiology,1991,261:C86-C92.

[8]Best TM,Collins A,Lilly EG,et al.Achilles tendon healing: a correlation between functional and mechanical performance in the rat[J].J Orthop Res,1993,11:897-906.

[9]Trestik C L,Lieber R L.Relationship between Achilles-tendon mechanical properties and Gastrocnemius-muscle function[J].Journal of Biomechanical Engineering- Transactions of the ASME,1993,115:225-230.

[10]Van BH,Drost MR,Wielders JD,et al.Strain distribution on rat medial gastrocnemius (MG)during passive stretch[J].J Biomech,1996,29:1069-1074.

[11]Steiner M.Biomechanics of tendon healing[J].J Biomechanics,1982,15: 951-958.

[12]Thermann H,Frerichs O,Blewener A,et al.Healing of the Achilles tendon:an experimental study[J].Foot & Anke Int,2001,22:479-483.

[13]Jaakkola J I,Huttin W C,Beskin J L,et al.Achilles tendon rupture repair: biomechanical comparison of the triple bundle technique versus the Krakow locking loop technique[J].Foot Ankle Int,2000,21:14-17.

[14]Wren YAL,Yerby SA,Beaspre GS,et al.Mechanical properties of the human Achilles tendon[J].Clin Biomechanics,2001,16:245-251.

[15]Magnusson SP,Aagaard P,Rosager S,at al.Load-displacement properties of the human triceps surae aponeurosis in vivo[J].J Physiology,2001,531:277-288.

[16]Lichtwark GA,Wilson AM. In vivo mechanical properties of the human Achilles tendon during one-legged hopping[J].The Journal of Experimental Biology,2005,208:4715-4725.

[17]Maganaris CN,Baltzopoulos V,Sargeant AJ.Changes in Achilles tendon moment arm from rest to maximum isometric planter flexion: in vivo observations in man[J].Journal of Physiology,1998,510:977-985.

[18]Fukunaga T,Ito M,Ichinose Y,et al.Tendinous movement of a human muscle during voluntary contractions determined by real-time ultrasonography[J].J Appl Physiol,1996,81:1430-1433.

[19]Ito M,Kawakami Y,Ichinose Y,et al.Nonisometric behavior of fascicles during isometric contractions of a human muscle[J].J Appl Physiol,1998,85:1230-1235.

[20]Finni T,Hodgson JA,Lai AM,et al.Nonuniform strain of human soleus aponeurosis-tendon complex during submaximal voluntary contractions in vivo[J].J Appl Physiol,2003,95:829-837.

[21]Muramatsu T,Muraoka T,Takeshita D,et al.Mechanical properties of tendon and aponeurosis of human gastrocnemius muscle in vivo[J].J Appl Physiol,2001,90:1671-1678.

[22]Lee SSM,Lewis GS,Piazza SJ.An algorithm for automated analysis of ultrasound images to measure tendon excursion in vivo[J].Journal of Applied Biomechanics,2008,24:75-82.

[23]Maffulli N,Dymond NP,Regine R.Surgical repair of ruptured Achilles tendon in sportsmen and sedentary patients: a longitudinal ultrasound assessment[J].Int J Sports Med,1990,11:78-84.

[24]Rupp S,Tempelhof S,Fritsch E.Ultrasound of the Achilles tendon after surgical repair: morphology and function[J].British J Radiol,1995,68:454-458.

[25]Karjalainen PT,Ahovuo J,Pihalajamaki HK,et al.Postoperative MR imaging and ultrasonography of surgically repaired Achilles tendon ruptures[J].Acta Radiologica,1996,37:639-646.

[26]Leppilahti J,Lahde S,Forsman K,et al.Relationship between calf muscle size and strength after Achilles rupture repair[J].Foot ankle Int,2000,21(4):330-335.

[27]Hollenberg GM,Adams MJ,Weinberg EP.Sonographic appearance of nonoperatively treated Achilles tendon ruptures[J].Skeletal Radiology,2000,29:259-264.

[28]Moller M,Kalebo PG,Movin T,et al.The ultrasonograpnic appearance of the ruptured Achilles tendon during healing: a longitudinal evaluation of surgical and nonsurgical treatment,with comparisons to MRI appearance[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthosc,2002,10:49-56.

[29]Khan KM,Forster BB,Robinson J,et al.Are ultrasound and magnetic resonance imaging of value in assessment of Achilles tendon disorders? A two year prospective study[J].Br J Sports Med,2003,37:149-153.

[30]Fredberg U,Bolvig L,Andersen NT,et al.Ultrasonography in evaluation of Achilles and patella tendon thickness[J].Ultraschall in Der Medizin,2008,29:60-65.

[31]Schepull T,Kvist J,Andersson C,et al.Mechanical Properties during healing of Achilles tendon ruptures to predict final outcome:A pilot Roentgen stereophotogrammetric analysis in 10 patients. BMC Musculoskeletal Disorders 8: Article No.116,2007.

[32]Kangas J,Pajala A,Ohtonen P,et al.Achilles tendon elongation after rupture repair-A randomized comparison of 2 postoperative regimens[J].American Jounral of Sports Medicine,2007,35:59-64.

[33]Zheng YP,Chan MMF,Shi J,et al.Sonomyography: Monitoring morphological changes of forearm muscles in actions with feasibility for the control of powered prosthesis[J].Medical Engineering and Physics,2006,28:405-415.

[34]Huang QH,Zheng YP,Chen X,et al.Development of a Frame-Synchronized System for Continuous Acquisition and Analysis of Sonomyography, Surface EMG and Corresponding Joint Angle[J].The Open Biomedical Engineering Journal,2007,1:77-84.

[35]Shi J,Zheng YP,Chen X,et al.Measurement of muscle fatigue with sonomyography: Dimensional change of muscles detected from ultrasound images[J].Medical Engineering and Physics,2007,29:472-479.

[36]Shi J,Zheng YP,Huang QH,et al.Relationships among continuous sonomyography, electromyography and torque generated by normal upper arm muscles during isometric contraction[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2008,55:1191-1198.

[37]Guo JY,Zheng YP,Huang QH,et al.Dynamic monitoring of forearm muscles using one-dimensional sonomyography(SMG)System[J].Journal of Rehabilitation Research and Development,2008,45:187-196.

[38]Guo JY,Zheng YP,Huang QH,et al.Performances of one dimensional sonomyography and surface electromyography in tracking guided patterns of wrist extension[J].Ultrasound in Medicine and Biology,2009,35:894-902.

[39]Guo JY,Zheng YP,Chen X,et al.Continuous monitoring of electromyography (EMG), mechanomyography (MMG),sonomyography (SMG)and torque output during ramp and step isometric contractions[J].Medical Engineering and Physics,2010,32(9):1032-1042.

[40]Xie HB,Zheng YP,Guo JY,et al.Estimation of wrist angle from sonomyography using support vector machine and artificial neural network models[J].Medical Engineering and Physics,2009,31(3):384-391.

[41]Magnusson SP,Aagaard P,Brond J,et al.Differential strain patterns of the human gastrocnemius aponeurosis and free tendon, in vivo[J].Acta Physiologica Scandinavica,2003,177(2):185-195.

[42]Simon SR.Orthopaedic Basic Science[M].American Academy of Orthopaedic Surgeons,1994:582-612.

[43]Ying M,Yeung E,Li B,et al.Sonographic evaluation of the size of Achilles tendon:the effect of exercise and dominance of the ankle[J].Ultrasound in Med & Biol,2003,29(5):637-642.

[44]Maffulli N,Thorpe AP,Smith FW.Magnetic resonance imaging after operative repair of Achilles tendon rupture[J].Scand J Med Sci Sports,2001,11:156-162.

[45]Maffulli N.Current concepts review: Rupture of the Achilles tendon[J].J Bone & Joint Surgery,1999,81:1019-1045.

[46]Maganaris CN,Paul JP.In vivo human tendon mechanical properties[J].J Physiol (Lond),1999,521:307-313.

[47]Maganaris CN.Tensile properties of in vivo human tendinous tissue[J].J Biomechanics,2002,35:1019-1027.