剪切波超聲彈性成像對腦卒中患者肱二頭肌硬度變化的定量評估

郭雪園，尹颯颯，戈含笑，解 濤，左秀芹，李永各，張立寧，王月香，賈子善

解放軍總醫院第一醫學中心，北京 100853 1 康復醫學中心；2 超聲醫學科

痙攣是腦卒中后上運動神經元損傷的主要表現形式，研究顯示30%的腦卒中病人在發病后第1 周出現痙攣[1]。若腦卒中早期痙攣不能得到有效控制，會逐漸發展為持續痙攣狀態，甚至導致關節攣縮畸形、疼痛、肌腱回縮、肌肉無力等，嚴重影響康復進程，降低患者日常生活活動能力。目前臨床上對于腦卒中后肢體痙攣的評估有改良Ashworth 分級(Modified Ashworth Scale，MAS)和改良Tardieu 評分等主觀的分級量表，缺乏客觀定量的評價方法[2]。近年來，剪切波彈性超聲(shearwave elastography，SWE)在骨骼肌肉疾病中的研究成為熱點，可用于評估肌肉硬度的改變，對于腦卒中后肢體痙攣的評價也有重要的臨床價值[3-4]。本研究應用剪切波彈性超聲評價腦卒中患者不同姿勢下肱二頭肌(biceps brachii muscle，BBM)不同肌層的硬度，探討剪切波彈性超聲在腦卒中后肢體痙攣評估中的價值。

對象與方法

1 研究對象 本研究納入2019 年5 月1 日- 2020年1 月20 日于解放軍總醫院第一醫學中心康復科住院及門診就診的腦卒中偏癱患者20 例，男性16 例，女性4 例，腦出血7 例，腦梗死13 例，平均年齡53.8 歲，平均病程28.9 個月。納入標準：1)影像學檢查結果符合腦卒中偏癱相關西醫診斷標準(中華醫學會神經病學分會，《中國腦卒中早期康復治療指南2017》)；2)年齡≤80 歲；3)上肢有痙攣，屈肘肌Ashworth 分級(1 ～ 3 級)；4)意識清楚，可執行指令，可配合醫生治療與測試；5)坐位平衡1 級以上。排除標準：1)生命體征不穩定、意識不清、交流障礙、不能執行指令；2)肌張力障礙、強直；3)Ashworth 分級大于3 級；4)合并其他器官嚴重并發癥；5)雙側肢體癱瘓；6)既往有上肢骨折、肌肉損傷、臂叢神經損傷或手術史者。所有受試者均在測試前簽訂了知情同意書。

2 SWE 超聲診斷 囑受試者坐位放松，固定肩關節于外展30°、前臂中立的位置，分別在痙攣側和健側上肢屈肘90°和屈肘0°時測量SWE 數據，同時監測BBM 肌腹的表面肌電信號變化，以排除受試者主動收縮BBM 影響硬度測量的可能。超聲彈性檢測采用法國剪切波彈性成像超聲診斷儀(Supersonic Imagine，Aixen Provence，France)，L10-2 線陣探頭，使用頻率為2 ～ 10 MHz。首先二維超聲橫切面顯示BBM 肌腹最厚處，探頭旋轉90°顯示BBM 縱切面，在SWE 模式下獲取彩色組織彈性圖。將感興趣區設置為10 mm×10 mm，當信號穩定后凍結圖像，在感興趣區內分別截取BBM 的淺層和深層肌肉的圓形目標區進行測量，直徑設置為7 mm，淺層肌肉深度范圍為0.8 ～ 1.8 cm，深層肌肉深度范圍2.0 ～ 3.0 cm，系統自動計算出目標區最大、最小和平均楊氏模量值，每側肢體的單一體位分別測量3 次，計算平均楊氏模量值。所有檢測均為同一醫師在相同室溫下進行。

3 肌張力及運動功能評定 1)肌張力評定：治療師徒手對受試者的屈肘肌群進行MAS 分級，根據快速牽伸的阻力程度，MAS 分級為0、1、1+、2、3、4 共6 級，0 級為正常，級值越高，肌張力越大，1+級設定為1.5 級便于數據統計。評估由同一名從事神經康復工作5 年以上的治療師完成。2)Bruunstrom 運動功能評定：Ⅰ期，肌肉呈弛緩狀態，肌張力消失；Ⅱ期，出現肌張力、痙攣和聯合反應；Ⅲ期，可隨意引起不同程度的共同運動或其成分；Ⅳ期，出現脫離共同運動模式的分離運動；Ⅴ期，分離運動進一步改善，可完成較難的功能活動；Ⅵ期，共同運動模式完全消失，協調運動、運動速度大致正常。Bruunstrom 分期等級越高越接近正常。評估由同一名從事神經康復工作5 年以上的治療師完成。

4 統計學分析 采用SPSS25.0 統計學軟件分析數據。計數資料采用頻數表示。SWE 等計量資料為非正態分布，以中位數(四分位數間距)表示，組間比較采用秩檢驗。此外，采用Spearman 檢驗對痙攣側的楊氏模量值和MAS 分級進行相關性分析。P ＜0.05 為差異有統計學意義。

結 果

1 一般資料 20 名受試者均完成了BBM 剪切波彈性超聲測定和肢體功能評估。BBM 肌張力的改良Ashworth 分級：1 級4 例，1+級7 例，2 級7 例，3 級2 例；患者上肢Bruunstrom 分期：Ⅲ期16 例，Ⅳ期4 例。見表1。

2 痙攣側與健側不同角度及深度的楊氏模量值比較 屈肘90°時，痙攣側與健側BBM 楊氏模量無統計學差異(P ＞0.05)；屈曲0°時，痙攣側淺層和深層BBM 楊氏模量值均明顯大于健側(P ＜0.01)。不論是BBM 深層或者淺層，痙攣側肢體在屈肘90°的楊氏模量值均較屈肘0°時小(P ＜0.01)；然而在健側肢體兩種體位的差異沒有統計學意義。當患側肘關節屈曲0°時，BBM 淺層的楊氏模量值明顯小于深層；屈肘90°時，BBM 深淺層差異無統計學意義。當健側屈肘90°和屈肘0°時，BBM淺層的楊氏模量值均明顯小于深層，差異有統計學意義(表2)。圖1 顯示，健側BBM 由淺入深呈現藍色至淺藍色，痙攣側BBM 由淺入深呈現淺藍色轉黃色至紅色，可見無論BBM 否存在痙攣，深層肌的楊氏模量大于淺層肌的數據。

表1 受試者一般資料 (n=20)Tab. 1 Demographic and clinical data of the patients (n=20)

表2 痙攣側與健側肱二頭肌楊氏模量值(kPa)比較Tab. 2 Comparison of shear modulus of BBM between the affected and the unaffected side (kPa)

圖 1 腦卒中偏癱患者屈肘0°肱二頭肌健側(A)與痙攣側(B)的彩色組織彈性圖Fig. 1 Shear wave ultrasonic elastography images of biceps brachii of the unaffected (A) and the affected (B) side of a representative stroke subject at 0°elbow flexion

3 痙攣側BBM 楊氏模量值與MAS 分級的相關性 痙攣側肢體屈肘0° 時，BBM 淺層和深層楊氏模量均與MAS 分級呈線性正相關(r=0.612，P=0.004；r=0.732，P=0.000)。見圖2、圖3。

圖 2 屈肘 0°痙攣側BBM淺層楊氏模量與MAS分級的相關性Fig. 2 Relationship between the Young modulus of superficial muscle of BBM and the MAS score in the affected side at 0° flexion

圖 3 屈肘0°痙攣側BBM深層楊氏模量與MAS分級的相關性Fig. 3 Relationship between the Young modulus of superficial muscle of BBM and the MAS score in the affected side at 0° flexion

討 論

腦卒中后通常會伴隨肌肉組織特性的變化，這些變化包括肌小節縮短、結締組織的累積以及肌肉硬度的增加等[5-6]。痙攣肌硬度通常通過關節扭矩測量或者肢體動力學計算等方法估算獲得，并不能提供直接的肌肉硬度信息。剪切波彈性成像作為一種量化肌肉特性的手段，已應用于評估神經肌肉疾病的肌肉僵硬程度的研究[7-9]。SWE 測量獲得的楊氏模量是描述固體物質抵抗形變能力的物理量，它與物質硬度大小成正比[10]。

本研究發現，當上肢屈肘0°時，無論是淺層或是深層痙攣側BBM 肌腹的楊氏模量均高于相匹配的健側數據，這與痙攣后的臨床表現和評估結果相符合，也與之前大部分學者的試驗結論相統一[6,11]。楊氏模量值與組織硬度密切相關，屈肘0°時痙攣側BBM 組織的硬度要高于健側，這可能是反射硬度成分和固有硬度成分共同參與的結果[12]。也就是說，當BBM 處于被拉伸狀態時，由于對神經反射活動的抑制調節作用減弱，運動神經元興奮性增加，使得肌肉產生不隨意收縮而導致肌肉硬度的增加，這種增加的硬度我們稱之為反射硬度；另一方面，隨著時間的推移，痙攣肌肉組織內脂肪和結締組織增加，肌小節變短使得肌肉發生機械特性變化以及細胞結構性變化而導致肌肉硬度增加，這種增加的硬度稱之為固有硬度。然而兩種硬度增加的比例如何，尚屬未知，這也是以后的研究方向。

腦卒中后各種因素會導致復雜的生理學變化，利用SWE 同一時間點截取的圖像發現，多數腦卒中患者痙攣側BBM 的圖像顏色隨著深度增加而由藍色過渡到橙色甚至紅色，意味著隨著深度增加肌肉的硬度增大(圖3)。Chen 等[13]曾對健康人的BBM 做過研究，發現在同樣屈肘0°的體位下，深度1.5 cm 和2 cm 的肌肉硬度并沒有顯著差異。本研究顯示，在屈肘0°時，相對于解剖位置淺表的肱二頭肌，更深層的肱二頭肌的楊氏模量增加在更為顯著。可合理推測，發生慢性痙攣的肌肉的硬度增幅可能與肌肉所在的深度有關，肌層越深痙攣后肌肉硬度變化越大。

當屈肘90°時BBM 處于放松狀態時，研究發現痙攣側BBM 的楊氏模量與健側比較并無統計學差異，然而以往研究表明，腦卒中后痙攣側BBM硬度比健側大，患側腓腸肌硬度比健側大[6,14-15]。也許之前研究納入的患者病程較長(腦卒中病程1.9 ～ 42.2 年，平均11.9 年；小兒腦癱病程平均58.7 個月)，由于肌肉長時間痙攣，肌肉內脂肪組織浸潤和結締組織纖維化，從而導致楊氏模量增加，肌肉硬度也增加[5,16]。而本研究納入的受試者腦卒中發病時間跨度比較大(2 ～ 168 個月)，試驗中屈肘90°時出現痙攣側楊氏模量小于健側的3號、9 號、14 號、15 號、18 號、20 號受試者，病程分別為3 個月、2 個月、2.5 個月、2 個月、2 個月和5 個月，可能與相對病程較短、慢性痙攣程度低有關。另外，由于健側代償理論和過度使用引起的健側肌肉組織肥大，可能進一步減少痙攣側與健側BBM 楊氏模量值間的差異[17]。

本研究發現，不論淺層或者深層，痙攣側屈肘0°時的楊氏模量值均大于同側屈肘90°時的數據。Phan 等[18]發現健康人在屈肘0°時，BBM 的硬度顯著高于屈肘30°；Wu 等[19]對健康人和腦卒中病程小于6 個月的BBM 研究發現，在健康的、痙攣側的和非痙攣側肌肉中，屈肘0°時的肌肉硬度均大于屈肘90°。以上文獻均證明，當肌肉處于牽伸狀態時，硬度比放松狀態時大。牽伸使得肌肉拉緊而硬度增加是顯而易見的，這與肌肉牽伸時的不適感而引起的輕微肌肉收縮有關。尤其在中樞神經損傷的前提下，痙攣肌肉的拉伸導致牽張反射亢進，使肌肉產生更強烈的不隨意收縮，加劇了痙攣側BBM 在屈肘90°和屈肘0°時的硬度差異[20]。而我們的試驗中健側并沒有隨角度發生硬度變化，原因可能是本試驗不同于以往試驗的仰臥位，而是采取坐位這種抗重力體位，使得肌肉肌活動增加，減少了健側屈肘90°和屈肘0°時硬度的差異。體位的變化會影響腦卒中患者肌肉張力以及功能的發揮。本試驗之所以采用坐位，是因為相對于仰臥位，坐位與日常生活活動更為相關。當痙攣患者處于坐位時，由于需要克服部分重力以及保持身體平衡，需要組織肌肉間協調以及多感覺整合等復雜情況，這種前提下進行痙攣肌肉硬度的檢查，顯然會與仰臥位的放松狀態有所不同，可更準確地評估《國際功能，殘疾和健康分類》框架下患者的參與水平。

另外，肘關節屈曲0°時，BBM 淺層和深層楊氏模量均與MAS 分級呈正相關(淺層：r=0.612，P=0.004；深層：r=0.732，P=0.000)，說明屈肘0°時楊氏模量值越高，關節被動運動產生的阻力就越大，痙攣程度越高，為SWE 定量評估痙攣提供了支持。

本研究的局限性：1)樣本量較小，沒有設立健康對照組，盡管有報道顯示健康人的BBM 與腦卒中患者非痙攣側BBM 硬度相似。本研究僅將腦卒中患者非癱瘓側作為對照組進行比較。2)有文獻稱65 歲以上肌肉的硬度才開始發生變化[21]，年齡的跨度較大依然是本試驗的局限性。3)本研究中腦卒中病程時間跨度較大，彈性超聲評估BBM痙攣和彈性特性可能受發病時間長短影響。值得注意的是，本研究中的超聲彈性成像僅顯示靜息狀態下痙攣肌的硬度，這是肌肉的力學特性，然而肌肉的動態痙攣，即肌肉的運動依賴性并沒有直接測量。利用特殊裝置以測量動態肌肉的彈性超聲是未來的研究方向。

總之，彈性超聲在評估腦卒中后肌肉痙攣方面具有潛在的應用價值，可用于評估上臂肌肉的痙攣程度，為肌肉不同層次的痙攣程度提供客觀依據。