剪切波弹性成像技术在肌骨系统及中医领域的研究进展＊

俞成杰，徐 芳，肖沪生，瞿 岳

（上海中医药大学附属龙华医院 上海 200032）

1950年，英国医生Ian Donald首次将超声波技术应用于临床，发现超声波可以探测胎儿的情况，随后此技术在全世界范围内迅速开展。近几十年来，传统的灰阶超声和多普勒超声检查技术已用于肌骨的各种检查和评估，其效果与磁共振检查相当[1]。超声波技术拥有便利性、实时性、低成本等优点，超声高频探头可以更好地显示肌肉、肌腱、韧带和软组织的结构[2]。多普勒超声可以检查组织中的血供情况[3]。因此超声波技术在肌骨检查中发挥着不可替代的作用[4]。借力于超声波技术的长足进步，临床上肌骨超声的应用越来越广泛[5]。但是传统超声波技术无法显示组织的生物力学特性，难以评估异常结构与疼痛之间的关系[6]。一些病变组织，尤其是处于疾病早期的病变，因其与正常组织回声过于类似，医生亦难以分辨。1991年，Ophir等[7]首次提出超声弹性成像技术。该技术通过评估各组织间不同的弹性值，进行编码成像，将组织特性有关的信息叠加在实时两维声像图上，从而辅助诊断[8]。目前，超声弹性成像技术已经在诊断肝纤维化、甲状腺癌、乳腺癌中取得了优异的效果[9]。自20世纪90年代以来，该技术还在肌骨领域进行了大量研究[10]，近年来也已经迅速用于临床实践中[11]。

1 弹性成像技术

目前弹性成像技术主要有3种主要类型：应变弹性成像（strain elastography，SE）技术、瞬时弹性成像（transient elastography，TE）技术、剪切波弹性成像（shear wave elastography，SWE）技术。应变弹性成像是最常用的方法，它不仅可以获取组织弹性图，而且可以叠加在常规的灰阶图像上，但是这项技术需要操作者进行施压操作，由于每个人的操作会产生偏差，所以不能用来测量绝对弹性模量[12]。瞬时弹性成像不能提供常规的灰阶图像，所以无法准确的将弹性值与解剖结构匹配[13]。

剪切波是弹性介质中受到周期性剪切力发生的横波。在相互剪切作用之后，最初层恢复原始形状，而相邻层开始剪切，随后剪切波进一步移动，形成了横向剪切波的传播[14]。在同一种介质中，生物组织的纵向模量决定了剪切波的传播速度，因此生物组织的弹性模量可通过测量其速度进行推算。SWE，也称为动态弹性成像，尽管存在感兴趣区域大小、形状和深度限制[8]，但其无需依赖操作者的主动施压，因而具有良好的重复性[15]。研究表明，SWE诊断肝纤维化准确率高于TE[16]，是评估慢性乙肝、慢性丙肝患者的肝纤维化程度的重要方法[17]。此外，SWE在评估非酒精性脂肪性肝病及其他的慢性肝病也有较高的临床应用价值[18-19]。联合脾脏SWE还可评估肝硬化患者门静脉高压的程度[20-22]。在良恶乳腺病灶鉴别方面，SWE与常规超声联合使用可以提高的诊断准确率[23]，世界超声医学与生物工程联合会于2015年发布的《超声弹性成像临床应用指南》[24]中提出，通过SWE获得相关定性及定量指标，可以对常规超声检查的BI-RADS分类中的3类或4a类的乳腺病灶进行升级与降级。现在，这项技术越来越多地用于各种肌肉骨骼组织弹性的定性和定量，同时也是对普通肌骨二维超声和彩色多普勒超声的补充[25]。

2 SWE技术在肌骨领域的应用及中医领域的研究进展

2.1 肌肉

SWE技术可以实时监测肌肉变化，因此利用该技术对肌肉的研究逐年增多。在面对脑出血、脊髓损伤和肌肉痉挛肢体障碍等疾病以及肌筋膜疼痛和肌肉康复锻炼的患者时，临床上给予的仅仅是定性和主观评估[26]。SWE可在肌肉主动运动或被动运动时观察肌肉弹性，无需进行有创的肌肉活检或复杂的实验室检测，因此成为评估肌肉组织最有前景的方式[27-28]。但是，Dubois等[29]研究也发现了一些问题，例如在遭遇肌肉自主收缩、疲劳和颤抖、肌肉的脂肪浸润以及位置改变等情况时，SWE对肌肉组织测量的数值会产生误差。

研究已经测试了正常骨骼肌舒张时和收缩时的弹性值，例如胫骨前肌（舒张时40.6 kPa、收缩时268 kPa），腓肠肌（舒张时16.5 kPa、收缩时225 kPa）以及比目鱼肌（舒张时14.5 kPa、收缩时55 kPa）。收缩的骨骼肌弹性值明显高于舒张状态[26]。Wang等[30]研究显示在舒张状态下，老年人和年轻女性间股中间肌的杨氏模量均值没有显著差异，但在收缩状态下，年轻女性的股中间肌弹性值高于老年人。Eby等[31]研究表明杨氏模量值随着年龄增长而增加，而且女性往往高于男性。Pierre等[32]研究显示长时间运动可影响肌肉弹性值，运动后48 h股四头肌杨氏模量值显著降低。肖沪生等[33]通过连续测定肱二头肌肌腹在收缩过程中的杨氏模量值发现，肌肉收缩前、收缩时的均值不同，发现SWE技术可实时监测肱二头肌肌腹收缩的杨氏模量值，并表示杨氏模量的变化曲线与骨骼肌收缩的特征相符。Macdonald等[34]一项关于腰痛的研究显示，腹横肌有助于控制脊柱运动，而进行躯干稳定性康复训练可以改善治疗效果。SWE技术可以在康复训练期间提供实时信息反馈并可有选择性地进行测量，而且在测量深部肌肉时有效地避免了相邻肌肉干扰。Carpenter等[35]在比较GNE肌病患者和健康组的剪切波速度中发现，疾病组的平均值明显低于正常组，横向测量肌肉的速度明显高于纵向测量的速度，此外，深部肌肉中的速度显著高于浅表肌肉的速度，因此SWE可以用于评估GNE肌病的程度变化。

2.2 肌腱

在正常情况下，肌腱非常坚韧，但在变性或者损伤状况下，其弹性值会发生不同程度的改变。肌腱病变主要指胶原结构的变性和解体，与蛋白与含水量的变化、细胞增多、脂肪浸润和新血管形成有关[36]。近年来，SWE技术广泛应用于正常及病变肌腱的成像[11]。

研究表明，正常跟腱的平均弹性值约为291 kPa，而跟腱断裂的平均弹性值约为56 kPa。正常肌腱的弹性图显示肌腱是均匀的，但跟腱断裂患者的弹性图不均匀[37]。Rox等[38]发现长期运动人群（尤其是频繁运动人群）非优势腿的跟腱弹性值会增加，表明SWE可用于评估运动对于运动员的影响和指导对康复患者治疗。该研究还表示在正常肌腱中剪切波的传播速度比在病变肌腱中快，在紧张肌腱中的传播速度比在放松时快。此外，在正常肌腱中，沿长轴的剪切波传播速度比短轴快。Dirrichs等[39]发现，病变肌腱的剪切波速度均值比正常肌腱显著降低。超过三分之二有临床症状的肌腱病患者，在常规超声检查中显示正常，但是使用SWE后可以显示出变化。SWE使肌腱病变检出的总体敏感率从67.1%增至94.3%。除了鉴别正常和异常的肌腱，SWE还能够评估肌腱损伤的程度。肌腱弹性值与各自的临床症状密切相关：临床症状越明显，肌腱的组织弹性值越低，这表明SWE可用于监测治疗期间的疾病进展或消退。研究还发现SWE在三个不同的肌腱（跟腱，髌腱和伸肌总腱）中表现相似的情况，强调了SWE的诊断可靠性，可用于评估肌腱的完整性。Kot[40]等的研究也证明了SWE可以可靠鉴别正常和撕裂肌腱，并且可以基于肌腱弹性值降低来诊断肌腱病。另一些研究显示当肌腱厚度增加，受影响的肌腱会显示出柔软的结构特性[41-45]。Klauser[8]的研究表示肌腱变性与纤维完整性丧失有关，导致肌腱软化。Sendur[46]等的研究结果显示，肌腱厚度和弹性值之间存在显着相关性（r=0.429，P＜0.001），当正常肌腱的厚度增加时，其内部可能包含更多的致密胶原纤维。除了病理性肌腱增厚之外，这可能是使弹性值增加的原因。Zhang L等[47]一项关于跟腱撕裂手术患者的研究中发现，修复后的肌腱弹性与48周随访期间肌腱的功能结果呈正相关，表明SWE可用于监测跟腱愈合过程的生物力学信息及评估肌腱功能。Aubry[48]使用SWE评估不同姿势下正常跟腱的弹性，发现空间位置对跟腱弹性存在影响。Zhang Z J等[49]对比了13名髌腱病患者和20名无症状的男性运动员的髌腱，结果发现疼痛侧的关节杨氏模量值高于无症状侧。Hsiao等[50]研究三个不同年龄组人群的健康髌腱发现，剪切波速度随着年龄的增长而显著降低，其中老年组髌腱的剪切波速度明显低于其他年龄组，该研究说明SWE可能对评估肌腱老化有临床意义。Kwak等[51]关于跟腱、髌腱病变的研究显示，肌腱的弹性值下降与患者的症状程度相关，表明SWE可应用于肌腱病患者的随访。Arda等[15]在127名健康志愿者中进行了腓肠肌、咬肌以及冈上肌腱和跟腱的实验研究，发现在纵向平面中，男性的肌肉组织和跟腱的平均弹性值比女性大，但是横向平面中跟腱的弹性值没有明显的统计学差异。此外，肌肉和跟腱的弹性与年龄在统计学上也没有明显的相关性。Yoshiaki[52]一项对冈上肌撕裂患者关节镜下肩袖修复术后的评估研究中显示，肩袖回缩增加了关节镜下肩袖修复的难度，较之MRI，SWE可更好地评估冈上肌肌腱的弹性值并表明其中冈上肌后深部的相关性最高，说明该技术可用于术前评估。

2.3 神经

Kantarci[53]等的研究将18名腕管综合征（carpal tunnel syndrome，CTS）患者和18名健康人腕管入口的正中神经的弹性进行比较，腕管综合征患者（66.7 kPa）显着高于正常人（32.0 kPa）。重度组患者的弹性值（101.4 kPa）也高于轻度或中度组（55.1 kPa）。表明SWE可用于诊断腕管综合症。Cingoz[54]等的研究也证实了这一点，CTS患者与正常人相比，正中神经在CTS患者中具有更高的弹性值。此外，与CTS症状较轻的受试者相比，具有更严重CTS的患者具有显着更高的正中神经弹性值。在另一项定量研究中，Zhang[55]的研究显示，CTS患者的正中神经剪切波速度（3.857m∕s）显著高于对照组（2.542 m∕s），准确率达到86.4%。Rempel[56]等的研究表明CTS患者的正中神经增大的弹性值可能与正中神经受压后的结构变化有关，水肿、脱髓鞘和瓦氏变性所产生的纤维化可能会增加神经的弹性值。此外，如Wang[57]等所证明的，腕管压力升高可能会增加剪切波速度，导致测得更高的弹性值。Andrade[58]等评估了9名健康人的90°膝关节屈曲和180°踝关节背屈对坐骨神经的剪切波速度的影响。在这项研究中，坐骨神经的剪切波速度在膝关节伸展期间显着增加，但在90°膝关节屈曲时未发现变化。在踝关节背屈期间，坐骨神经剪切波速度趋于逐渐减小；该研究的结果表明，在被动运动时SWE可能可以非侵入性地评估坐骨神经的弹性特点。

2.4 SWE技术在中医领域的研究进展

SWE技术在中医疗效评价及量化中亦有探索，因该技术较CT和MRI技术具有精准性、实时性和低成本等优点，在多个领域取得了可观的结果。陈晓玲[59]在一项关于慢性乙型肝炎的研究中发现，不同中医证型患者的肝脏SWE值与APRI、FBI-4呈正相关，并能较好地反映出慢性乙型肝炎患者的纤维化状况。在肌骨领域的研究中，徐芳[60]首次提出用超声技术定位中医穴位，通过SWE技术观察15名健康人的足三里穴位针刺前后的肌张力变化，发现变化差异有统计学意义，为中医针灸穴位“得气”的量化提供了新方法。任亚娟等[61]运用SWE技术定量分析了在不同肌张力状态下正常人足三里肌肉的紧张度，结果显示卧位肌肉（松弛状态）的肌张力明显低于站位（紧张状态），再次论证了针刺使穴位局部的紧张度明显增高。郭玲等[62]关于中医手法治疗颈肩肌筋膜疼痛综合征的研究显示，患者治疗前斜方肌弹性值较正常人及治疗后弹性值高，治疗后的杨氏模量值高于对照组，说明中医手法治疗的有效性，为中医治疗的疗效评估提供了一种有效可行的检测方法。王季等[63]运用SWE评估针刺治疗脑中风后肌痉挛的疗效，结果显示，针刺组的脑功能状态指数（Cerebral State Index，CSI）值、杨氏模量均值均明显低于对照组，CSI值与杨氏模量均值呈正相关，表明SWE可直观显示脑中风后肌痉挛患者的肌肉状态，利于医师实时监测患者病情并进一步提高患者的治疗疗效。

3 总结

SWE提供与传统超声相辅相成的诊断信息，可在图像上再现肌肉、肌腱及神经等组织的弹性情况，能发现一些以往不能发现的早期病变，对预后判断和病情监测起到重要的临床作用，在诊断各种创伤及评估肌肉、肌腱及神经状况时作为传统超声的补充。此外，SWE对康复理疗疗效的评价、传统医学的量化研究也有深远的意义，是一种很有前景的肌肉骨骼系统的诊断方法。目前，SWE是基于将检测目标假设为均匀弹性介质的而实现的，尚未考虑到粘弹性因素，因此换算成杨氏模量不准确，同时使用不同商家的SWE设备所测得数据也有差别，但仍可显着提高诊断准确性。随着技术的不断成熟，相信SWE超声弹性成像将更统一、更准确、临床应用更广泛。