剪切波彈性成像在肌骨系統疾病診斷上的應用進展

徐亦樂, 車艷玲, 劉 洋, 李佳碩

1. 黑龍江中醫藥大學研究生院, 黑龍江 哈爾濱 150040;2. 黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院超聲醫學科, 黑龍江 哈爾濱 150040

由于組織彈性和生物學特性的改變密切相關,彈性成像可通過評估組織硬度來評價生物學特性的改變從而實現診療目的。超聲剪切波彈性成像(shear wave elastography,SWE)技術為彈性成像的一種新技術路徑,可廣泛應用于甲狀腺、乳腺、肝臟等軟組織的診斷。其實時無創動態評估組織彈性的特點,為肌骨超聲評估診斷肌肉、肌腱、韌帶、神經的生理研究和病理狀態提供了技術支持,因而SWE技術在肌骨系統疾病的診斷上有廣闊的應用前景。本文就SWE在肌骨疾病系統診斷上的應用進展做簡要概述。

1 SWE的基本原理

彈性成像分類如今被廣泛認可的分類方式為通過測量原理分類——測量應變的應變成像和測量剪切波速度(shear wave velocity,SWV)的瞬時彈性成像(transient elastography,TE)、聲輻射力脈沖成像(acoustic radiation force impulse,ARFI)。應變成像是通過操作員手動壓縮產生應力實現彈性成像;TE技術以商品名Fibroscan上市,為使用機械外力推動誘使剪切波通過肝臟而應用于肝臟無創檢測的一維成像技術[1];ARFI利用聚焦超聲導致局部組織位移的這一過程,對剪切波進行跟蹤從而得到硬度值[2]。ARFI下可分為點剪切波彈性成像(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技術與2-D SWE技術在臨床上使用廣泛,而3-D SWE由于技術限制應用尚未成熟[3]。SWE技術是基于馬赫錐原理通過聲輻射力脈沖成像實現定量測量組織彈性,其簡要原理為利用機械裝置產生的聲輻射力聚焦聲束產生組織位移和剪切波,剪切波沿與超聲波垂直方向傳播,通過監測橫向剪切波的位移峰值時間計算SWV,繼而通過SWV定量測量組織硬度。根據楊氏模量公式(E):E=3ρCs2,基于胡克定律原理通過剪切波速度反溯硬度值評估組織硬度的大小,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,因而測量組織彈性時需注意計量單位的選擇。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。楊氏模量公式推導的前提是組織為各向同性,肌肉組織具有各向異性的特點,測量肌肉組織的彈性更為推薦剪切波速度。SWE技術可在超聲圖上疊加編碼彩色的定量彈性圖,通常以SWV(m/s)來表示定量數據。SWE技術可與二維灰階超聲協同,進行肌肉結構的診斷同時實時定量定位測量組織彈性。

2 SWE在肌肉中的應用

2.1 SWE對肌肉的功能評估

SWE技術目前在肌肉的生物力學和運動力學上有廣闊的應用前景,可通過定量測量肌肉硬度評估肌肉的收縮強度、拉伸水平和關節的運動力學特征。

因肌肉的硬度和肌肉的被動肌力與主動肌力均存在線性關系[5],SWE技術可通過測量肌肉硬度間接評估個體肌肉張力的變化,對肌肉的運動力學特點進行評估。Ma?setti等[6]對腓腸肌腱頭測得的剪切模量值和其單位長度與Hoang的模型得到的被動力-長度曲線進行對比,擬合結果表明SWE技術測得的剪切模量值可間接測量被動肌張力。Koo等[7]通過雞的肌肉離體實驗研究證明所有被測肌肉的SWE彈性與被動肌力之間均呈高度線性關系,這一研究進一步證實了SWE技術間接測量被動肌張力的可靠性。Bouillard等[8]通過研究表明等長收縮時食指外展和小指外展肌肉的剪切模量與力矩呈線性關系,且SWE測量個體肌力比肌電圖更為準確。又有Ate等[9]對等長收縮下小指展肌的剪切模量與力矩的線性關系進行了進一步的驗證,證明小指展肌的主動肌力可通過SWE測量評估。臨床上通常使用表面肌電圖來評估肌肉的活動,但因無法準確定位單個肌肉具有一定的局限性,且肌電圖無法用于估計持續亞極量疲勞運動中的個體肌肉力。通過研究表明剪切波彈性成像的測量不受疲勞收縮成像因素的影響[10],因而SWE技術可作為肌電圖的替代品對關節運動時的肌肉力學分配特點進行評估。

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,其基于假設肌肉是橫觀各向同性固體,準不可壓縮的彈性介質,但忽略了肌肉具有各向異性、黏彈性的特點。SWE技術可利用ARFI技術對肌肉的各向異性和黏彈性進行量化,對肌肉復雜的運動力學特征進行進一步深入的研究。Gennisson等[11]的在體研究對肌肉進行了剪切模量、剪切黏度和剪切各向異性的估計以及它們在等長收縮或被動拉伸過程中的各自變化,并提供了一套完整的定量數據。Rasool等[12]測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在肌肉生理狀態下測得的剪切模量具有顯著的個體差異性,有關性別和年齡對肌肉剪切模量影響的研究目前仍缺乏共識。Alfuraih等[13]的研究表明在整個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。這一研究認為SWE技術可能可作為評估和篩查老年肌少癥患者和潛在風險人群的工具。Eby等[14]使用回歸分析對性別和年齡與肱二頭肌的剪切模量關系進行分析,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的趨勢;女性的剪切模量有高于男性的趨勢。Chino等[15]的研究表明在任何踝關節位置上,內側腓腸肌的肌肉硬度在性別上無顯著差異。由于肌肉結構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行了定量評估,測得咬肌、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在肌肉相關疾病中的應用

肌肉相關疾病引起肌肉結構功能的異常從而導致肌張力的改變,肌張力和肌肉硬度存在線性關系,因此SWE技術可通過測量肌肉硬度的變化間接對肌肉疾病進行診斷評估。目前通過SWE技術對肌肉相關疾病的研究,表明SWE技術可應用于對肌肉的病理變化下的力學分配特點的評估,與臨床評估進行聯系對比診斷疾病的嚴重程度,并且對肌肉相關疾病的治療療效進行進一步的判斷。根據發病原因可將肌肉疾病簡單分為肌骨系統的疾病與中樞神經系統障礙所致肌肉疾病。肌骨系統疾病包括先天性肌疾病、系統性疾病、外傷或運動損傷等;中樞神經系統障礙疾病臨床上常見為腦卒中、帕金森病、腦癱等。

2.2.1肌骨系統疾病

杜氏肌營養不良癥(Duchenne muscular dystrophy,DMD)是最常見的先天性X連鎖遺傳性肌疾病,其臨床特征為進行性肌肉無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]研究發現大腿和小腿的剪切模量值隨疾病進程有不同模式的變化,可能與疾病進程中患者步態補償有關。Yu等[19]的研究表明在多個拉伸水平下腓腸肌內側頭肌肉硬度均顯著增高;在踝關節背屈10°時和對照組的曲線下面積(area under the curve,AUC)最大;運動功能等級為被動肌肌肉硬度的決定因素。GNE肌病是一種罕見的因GNE基因突變引起的常染色體隱性遺傳肌病,發病通常為青年時期或成年早期,臨床表現一般為下肢肢體遠端肌無力。GNE肌病的SWV測量結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構有關[20]。Li等[21]的研究表明高頻超聲和剪切波彈性成像可通過檢測肌肉異常變薄、肌肉回聲強度增強和肌肉SWV降低,作為診斷多發性肌炎和皮肌炎的影像學生物標志物。Lv等[22]通過動物實驗對使用SWE技術對四肢肌肉擠壓傷測量的信度進行評估證實,與未粉碎區域相比,擠壓傷區域的硬度增大。

2.2.2中樞神經系統障礙繼發性肌肉疾病

中樞神經系統障礙的疾病繼發引起骨骼肌功能肌的肌張力改變,改變趨勢為肌張力增高,常見的神經系統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直,SWE技術對其有診斷價值,并且可評估治療的療效,還可通過引入松弛角、關節運動等因素的變化觀察肌肉硬度的改變,從而對肌肉的運動力學的病理性改變進行評估研究。帕金森病患者除表現為靜止性震顫、運動遲緩外,還會出現肌肉強直,可通過臨床檢查標準化評估肌肉病理變化的嚴重程度。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,剪切模量與臨床運動評分存在線性相關。Yin等[24]通過動態SWE測量帕金森病組和對照組被動拉伸時腓腸肌內側頭的踝關節松弛角度,研究表明帕金森病患者的腓腸肌內側頭松弛角小于健康對照者,并且與僵直的嚴重程度呈負相關。Oppold等[25]研究表明帕金森病患者的肌肉硬度改變可通過SWE的客觀變化來反映,肌肉SWV與量化強直性的臨床標準顯著相關。腦卒中由于腦血管的急性破裂或血管堵塞可能導致永久性腦損傷,引發肌肉痙攣,其表現為癱瘓、肌張力增加和過度反射。Eby等[26]的研究表明肱二頭肌的力矩和被動硬度隨肘關節伸展的增加而增加,在對照組中增加幅度最小,而在腦卒中患者的對側肢體中增加最明顯。唐曉曉等[27]研究表明腦卒中患者的手指肌肉的SWV數值與改良Ashworth量表(MAS)等級有明顯相關性,偏癱側指淺屈肌和指伸肌剪切模量值明顯高于非偏癱側。黃珊珊等[28]研究表明動態留針法治療后的肌肉楊氏模量值低于治療前,SWE技術可早期、動態評估治療痙攣肌肉的療效,相較于MAS評分更敏感。

3 SWE在韌帶上的應用

SWE技術可對正常情況的韌帶的力學特性進行評估,也對韌帶的疾病或損傷和修復具有診斷價值。Rougereau等[29]的研究表明,SWE技術測量腓骨前韌帶和跟骨腓骨韌帶是可靠且可重復,其韌帶的硬度隨內翻的程度而增加。Wu等[30]通過剪切波彈性成像技術測量正常人和單側肩周炎患者喙肱韌帶的彈性,研究結果表明肩周炎患者韌帶較正常人僵硬。Hotfiel等[31]通過SWE技術對健康成年人的距腓前韌帶的彈性進行了評估,具有可靠性和重復性,并測量了在體力學特性,證實了SWE技術對距腓前韌帶的急性和慢性損傷有診斷價值。

4 SWE在肌腱上的應用

肌腱為連接肌肉和骨骼的纖維結締組織,起到牽引和穩定的作用。SWE技術既可對正常肌腱進行生物力學評估,也可對肌腱損傷和退行性病變進行定位和診斷。Arda等[16]對正常成年人的各項軟組織進行定量評估,其中包括跟腱。該研究對跟腱的橫切面和縱切面進行了測量,發現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統計學意義,橫縱切面上的跟腱硬度值與年齡無顯著正相關或負相關。肌腱的斷裂引起肌腱膠原纖維結構的變性,進而引起肌腱的纖維化,生物學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]對岡上肌肌腱部分撕裂進行對側和患側及健康組對照進行診斷評估,岡上肌肌腱部分撕裂的硬度值相比健康者增高。Wada等[33]對32名凍結肩患者進行分期測量肌腱硬度,凍結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。

5 SWE在神經上的應用

SWE技術可量化評估正常周圍神經的硬度,也為周圍神經病變的傳統神經診斷技術提供了一種新的替代方法。正常人周圍神經的硬度具有個體性差異,李伶俐等[34]的研究表明正常成人正中神經在腕部不同區域的剪切波速度不同,性別、年齡均會影響剪切波速度測值。陳超等[35]的研究表明實時剪切波超聲彈性成像技術可準確量化評估出健康人利手側以及非利手側正中神經彈性模量特征,且可信度較高。在周圍神經病的背景下,無論病因如何,神經的硬度都為增加趨勢。糖尿病的周圍神經病變在臨床上為常見的并發癥,宋揚等[36]的研究表明2型糖尿病并下肢周圍神經病變患者的平均剪切波速度大于正常值,SWE技術可用于評估下肢神經的病變。在臨床應用中,周圍神經卡壓綜合征也可通過SWE技術評估,其中腕管綜合征為最常見的周圍神經卡壓綜合征。Lin等[37]的Meta分析結果顯示,在SWE成像模式下的腕關節水平正中神經的硬度比健康對照組的顯著增高。

6 局限性及展望

SWE技術雖在肌骨超聲的應用上有更廣闊前景,但也存在著一定的局限性,具體為以下幾個方面的問題:(1)SWE的技術原理基于胡克定律,假設肌肉的特點為橫觀各向同性固體、準不可壓縮、彈性介質,但肌肉的生物學標志為各向異性。據劉瑞雪等[38]研究表明,與肌纖維平行傳播的剪切波速度能較為準確地反映肌肉組織的受力情況,因而SWE技術對探頭軸線與肌纖維的夾角敏感,垂直于肌纖維的測量結果最為準確,并且無法測量復雜結構的肌肉硬度。(2)由于深層肌肉的衰減效應,干擾剪切波的采集,剪切波彈性成像無法測得深層肌肉的剪切模量,SWE技術測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處由于未能檢測到剪切波而無法獲得剪切模量值。(3)肌肉為可變形組織,對換能器的壓力較為敏感,可能影響SWV參數的準確性?？偟膩碚f,SWE技術在肌肉運動力學特征的研究上具有獨特的優勢,在肌肉骨骼系統疾病上的評估也具有廣闊的應用前景和潛力,但在研究中需注意保證影響剪切波彈性成像測量評估的標準化因素,對剪切波的專業術語特別是楊氏模量值和剪切波速度的使用進行規范化和統一。