剪切波彈性成像技術在肌骨系統及中醫領域的研究進展＊

俞成杰，徐 芳，肖滬生，瞿 岳

（上海中醫藥大學附屬龍華醫院 上海 200032）

1950年，英國醫生Ian Donald首次將超聲波技術應用于臨床，發現超聲波可以探測胎兒的情況，隨后此技術在全世界范圍內迅速開展。近幾十年來，傳統的灰階超聲和多普勒超聲檢查技術已用于肌骨的各種檢查和評估，其效果與磁共振檢查相當[1]。超聲波技術擁有便利性、實時性、低成本等優點，超聲高頻探頭可以更好地顯示肌肉、肌腱、韌帶和軟組織的結構[2]。多普勒超聲可以檢查組織中的血供情況[3]。因此超聲波技術在肌骨檢查中發揮著不可替代的作用[4]。借力于超聲波技術的長足進步，臨床上肌骨超聲的應用越來越廣泛[5]。但是傳統超聲波技術無法顯示組織的生物力學特性，難以評估異常結構與疼痛之間的關系[6]。一些病變組織，尤其是處于疾病早期的病變，因其與正常組織回聲過于類似，醫生亦難以分辨。1991年，Ophir等[7]首次提出超聲彈性成像技術。該技術通過評估各組織間不同的彈性值，進行編碼成像，將組織特性有關的信息疊加在實時兩維聲像圖上，從而輔助診斷[8]。目前，超聲彈性成像技術已經在診斷肝纖維化、甲狀腺癌、乳腺癌中取得了優異的效果[9]。自20世紀90年代以來，該技術還在肌骨領域進行了大量研究[10]，近年來也已經迅速用于臨床實踐中[11]。

1 彈性成像技術

目前彈性成像技術主要有3種主要類型：應變彈性成像（strain elastography，SE）技術、瞬時彈性成像（transient elastography，TE）技術、剪切波彈性成像（shear wave elastography，SWE）技術。應變彈性成像是最常用的方法，它不僅可以獲取組織彈性圖，而且可以疊加在常規的灰階圖像上，但是這項技術需要操作者進行施壓操作，由于每個人的操作會產生偏差，所以不能用來測量絕對彈性模量[12]。瞬時彈性成像不能提供常規的灰階圖像，所以無法準確的將彈性值與解剖結構匹配[13]。

剪切波是彈性介質中受到周期性剪切力發生的橫波。在相互剪切作用之后，最初層恢復原始形狀，而相鄰層開始剪切，隨后剪切波進一步移動，形成了橫向剪切波的傳播[14]。在同一種介質中，生物組織的縱向模量決定了剪切波的傳播速度，因此生物組織的彈性模量可通過測量其速度進行推算。SWE，也稱為動態彈性成像，盡管存在感興趣區域大小、形狀和深度限制[8]，但其無需依賴操作者的主動施壓，因而具有良好的重復性[15]。研究表明，SWE診斷肝纖維化準確率高于TE[16]，是評估慢性乙肝、慢性丙肝患者的肝纖維化程度的重要方法[17]。此外，SWE在評估非酒精性脂肪性肝病及其他的慢性肝病也有較高的臨床應用價值[18-19]。聯合脾臟SWE還可評估肝硬化患者門靜脈高壓的程度[20-22]。在良惡乳腺病灶鑒別方面，SWE與常規超聲聯合使用可以提高的診斷準確率[23]，世界超聲醫學與生物工程聯合會于2015年發布的《超聲彈性成像臨床應用指南》[24]中提出，通過SWE獲得相關定性及定量指標，可以對常規超聲檢查的BI-RADS分類中的3類或4a類的乳腺病灶進行升級與降級。現在，這項技術越來越多地用于各種肌肉骨骼組織彈性的定性和定量，同時也是對普通肌骨二維超聲和彩色多普勒超聲的補充[25]。

2 SWE技術在肌骨領域的應用及中醫領域的研究進展

2.1 肌肉

SWE技術可以實時監測肌肉變化，因此利用該技術對肌肉的研究逐年增多。在面對腦出血、脊髓損傷和肌肉痙攣肢體障礙等疾病以及肌筋膜疼痛和肌肉康復鍛煉的患者時，臨床上給予的僅僅是定性和主觀評估[26]。SWE可在肌肉主動運動或被動運動時觀察肌肉彈性，無需進行有創的肌肉活檢或復雜的實驗室檢測，因此成為評估肌肉組織最有前景的方式[27-28]。但是，Dubois等[29]研究也發現了一些問題，例如在遭遇肌肉自主收縮、疲勞和顫抖、肌肉的脂肪浸潤以及位置改變等情況時，SWE對肌肉組織測量的數值會產生誤差。

研究已經測試了正常骨骼肌舒張時和收縮時的彈性值，例如脛骨前肌（舒張時40.6 kPa、收縮時268 kPa），腓腸肌（舒張時16.5 kPa、收縮時225 kPa）以及比目魚肌（舒張時14.5 kPa、收縮時55 kPa）。收縮的骨骼肌彈性值明顯高于舒張狀態[26]。Wang等[30]研究顯示在舒張狀態下，老年人和年輕女性間股中間肌的楊氏模量均值沒有顯著差異，但在收縮狀態下，年輕女性的股中間肌彈性值高于老年人。Eby等[31]研究表明楊氏模量值隨著年齡增長而增加，而且女性往往高于男性。Pierre等[32]研究顯示長時間運動可影響肌肉彈性值，運動后48 h股四頭肌楊氏模量值顯著降低。肖滬生等[33]通過連續測定肱二頭肌肌腹在收縮過程中的楊氏模量值發現，肌肉收縮前、收縮時的均值不同，發現SWE技術可實時監測肱二頭肌肌腹收縮的楊氏模量值，并表示楊氏模量的變化曲線與骨骼肌收縮的特征相符。Macdonald等[34]一項關于腰痛的研究顯示，腹橫肌有助于控制脊柱運動，而進行軀干穩定性康復訓練可以改善治療效果。SWE技術可以在康復訓練期間提供實時信息反饋并可有選擇性地進行測量，而且在測量深部肌肉時有效地避免了相鄰肌肉干擾。Carpenter等[35]在比較GNE肌病患者和健康組的剪切波速度中發現，疾病組的平均值明顯低于正常組，橫向測量肌肉的速度明顯高于縱向測量的速度，此外，深部肌肉中的速度顯著高于淺表肌肉的速度，因此SWE可以用于評估GNE肌病的程度變化。

2.2 肌腱

在正常情況下，肌腱非常堅韌，但在變性或者損傷狀況下，其彈性值會發生不同程度的改變。肌腱病變主要指膠原結構的變性和解體，與蛋白與含水量的變化、細胞增多、脂肪浸潤和新血管形成有關[36]。近年來，SWE技術廣泛應用于正常及病變肌腱的成像[11]。

研究表明，正常跟腱的平均彈性值約為291 kPa，而跟腱斷裂的平均彈性值約為56 kPa。正常肌腱的彈性圖顯示肌腱是均勻的，但跟腱斷裂患者的彈性圖不均勻[37]。Rox等[38]發現長期運動人群（尤其是頻繁運動人群）非優勢腿的跟腱彈性值會增加，表明SWE可用于評估運動對于運動員的影響和指導對康復患者治療。該研究還表示在正常肌腱中剪切波的傳播速度比在病變肌腱中快，在緊張肌腱中的傳播速度比在放松時快。此外，在正常肌腱中，沿長軸的剪切波傳播速度比短軸快。Dirrichs等[39]發現，病變肌腱的剪切波速度均值比正常肌腱顯著降低。超過三分之二有臨床癥狀的肌腱病患者，在常規超聲檢查中顯示正常，但是使用SWE后可以顯示出變化。SWE使肌腱病變檢出的總體敏感率從67.1%增至94.3%。除了鑒別正常和異常的肌腱，SWE還能夠評估肌腱損傷的程度。肌腱彈性值與各自的臨床癥狀密切相關：臨床癥狀越明顯，肌腱的組織彈性值越低，這表明SWE可用于監測治療期間的疾病進展或消退。研究還發現SWE在三個不同的肌腱（跟腱，髕腱和伸肌總腱）中表現相似的情況，強調了SWE的診斷可靠性，可用于評估肌腱的完整性。Kot[40]等的研究也證明了SWE可以可靠鑒別正常和撕裂肌腱，并且可以基于肌腱彈性值降低來診斷肌腱病。另一些研究顯示當肌腱厚度增加，受影響的肌腱會顯示出柔軟的結構特性[41-45]。Klauser[8]的研究表示肌腱變性與纖維完整性喪失有關，導致肌腱軟化。Sendur[46]等的研究結果顯示，肌腱厚度和彈性值之間存在顯著相關性（r=0.429，P＜0.001），當正常肌腱的厚度增加時，其內部可能包含更多的致密膠原纖維。除了病理性肌腱增厚之外，這可能是使彈性值增加的原因。Zhang L等[47]一項關于跟腱撕裂手術患者的研究中發現，修復后的肌腱彈性與48周隨訪期間肌腱的功能結果呈正相關，表明SWE可用于監測跟腱愈合過程的生物力學信息及評估肌腱功能。Aubry[48]使用SWE評估不同姿勢下正常跟腱的彈性，發現空間位置對跟腱彈性存在影響。Zhang Z J等[49]對比了13名髕腱病患者和20名無癥狀的男性運動員的髕腱，結果發現疼痛側的關節楊氏模量值高于無癥狀側。Hsiao等[50]研究三個不同年齡組人群的健康髕腱發現，剪切波速度隨著年齡的增長而顯著降低，其中老年組髕腱的剪切波速度明顯低于其他年齡組，該研究說明SWE可能對評估肌腱老化有臨床意義。Kwak等[51]關于跟腱、髕腱病變的研究顯示，肌腱的彈性值下降與患者的癥狀程度相關，表明SWE可應用于肌腱病患者的隨訪。Arda等[15]在127名健康志愿者中進行了腓腸肌、咬肌以及岡上肌腱和跟腱的實驗研究，發現在縱向平面中，男性的肌肉組織和跟腱的平均彈性值比女性大，但是橫向平面中跟腱的彈性值沒有明顯的統計學差異。此外，肌肉和跟腱的彈性與年齡在統計學上也沒有明顯的相關性。Yoshiaki[52]一項對岡上肌撕裂患者關節鏡下肩袖修復術后的評估研究中顯示，肩袖回縮增加了關節鏡下肩袖修復的難度，較之MRI，SWE可更好地評估岡上肌肌腱的彈性值并表明其中岡上肌后深部的相關性最高，說明該技術可用于術前評估。

2.3 神經

Kantarci[53]等的研究將18名腕管綜合征（carpal tunnel syndrome，CTS）患者和18名健康人腕管入口的正中神經的彈性進行比較，腕管綜合征患者（66.7 kPa）顯著高于正常人（32.0 kPa）。重度組患者的彈性值（101.4 kPa）也高于輕度或中度組（55.1 kPa）。表明SWE可用于診斷腕管綜合癥。Cingoz[54]等的研究也證實了這一點，CTS患者與正常人相比，正中神經在CTS患者中具有更高的彈性值。此外，與CTS癥狀較輕的受試者相比，具有更嚴重CTS的患者具有顯著更高的正中神經彈性值。在另一項定量研究中，Zhang[55]的研究顯示，CTS患者的正中神經剪切波速度（3.857m∕s）顯著高于對照組（2.542 m∕s），準確率達到86.4%。Rempel[56]等的研究表明CTS患者的正中神經增大的彈性值可能與正中神經受壓后的結構變化有關，水腫、脫髓鞘和瓦氏變性所產生的纖維化可能會增加神經的彈性值。此外，如Wang[57]等所證明的，腕管壓力升高可能會增加剪切波速度，導致測得更高的彈性值。Andrade[58]等評估了9名健康人的90°膝關節屈曲和180°踝關節背屈對坐骨神經的剪切波速度的影響。在這項研究中，坐骨神經的剪切波速度在膝關節伸展期間顯著增加，但在90°膝關節屈曲時未發現變化。在踝關節背屈期間，坐骨神經剪切波速度趨于逐漸減小；該研究的結果表明，在被動運動時SWE可能可以非侵入性地評估坐骨神經的彈性特點。

2.4 SWE技術在中醫領域的研究進展

SWE技術在中醫療效評價及量化中亦有探索，因該技術較CT和MRI技術具有精準性、實時性和低成本等優點，在多個領域取得了可觀的結果。陳曉玲[59]在一項關于慢性乙型肝炎的研究中發現，不同中醫證型患者的肝臟SWE值與APRI、FBI-4呈正相關，并能較好地反映出慢性乙型肝炎患者的纖維化狀況。在肌骨領域的研究中，徐芳[60]首次提出用超聲技術定位中醫穴位，通過SWE技術觀察15名健康人的足三里穴位針刺前后的肌張力變化，發現變化差異有統計學意義，為中醫針灸穴位“得氣”的量化提供了新方法。任亞娟等[61]運用SWE技術定量分析了在不同肌張力狀態下正常人足三里肌肉的緊張度，結果顯示臥位肌肉（松弛狀態）的肌張力明顯低于站位（緊張狀態），再次論證了針刺使穴位局部的緊張度明顯增高。郭玲等[62]關于中醫手法治療頸肩肌筋膜疼痛綜合征的研究顯示，患者治療前斜方肌彈性值較正常人及治療后彈性值高，治療后的楊氏模量值高于對照組，說明中醫手法治療的有效性，為中醫治療的療效評估提供了一種有效可行的檢測方法。王季等[63]運用SWE評估針刺治療腦中風后肌痙攣的療效，結果顯示，針刺組的腦功能狀態指數（Cerebral State Index，CSI）值、楊氏模量均值均明顯低于對照組，CSI值與楊氏模量均值呈正相關，表明SWE可直觀顯示腦中風后肌痙攣患者的肌肉狀態，利于醫師實時監測患者病情并進一步提高患者的治療療效。

3 總結

SWE提供與傳統超聲相輔相成的診斷信息，可在圖像上再現肌肉、肌腱及神經等組織的彈性情況，能發現一些以往不能發現的早期病變，對預后判斷和病情監測起到重要的臨床作用，在診斷各種創傷及評估肌肉、肌腱及神經狀況時作為傳統超聲的補充。此外，SWE對康復理療療效的評價、傳統醫學的量化研究也有深遠的意義，是一種很有前景的肌肉骨骼系統的診斷方法。目前，SWE是基于將檢測目標假設為均勻彈性介質的而實現的，尚未考慮到粘彈性因素，因此換算成楊氏模量不準確，同時使用不同商家的SWE設備所測得數據也有差別，但仍可顯著提高診斷準確性。隨著技術的不斷成熟，相信SWE超聲彈性成像將更統一、更準確、臨床應用更廣泛。