受力腓肠肌剪切波速度的超声检测∗

刘瑞雪 吕倩 张雪晴 张少哲 郭建中

(陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西省超声学重点实验室 西安 710109)

0 引言

骨骼肌是人体姿态保持及实施运动机能的重要器官，受神经系统的控制进行收缩或伸张运动，完成姿态控制及运动功能[1]。肌肉组织的健康状态直接关系到人体姿态、体育运动等生活和生产活动，与人类的健康生活关系极大。

不同个体的肌肉发生功能改变或病变时的收缩舒张运动会呈现出不同的弹性特征，通过测量肌肉组织的弹性参量可以对肌肉组织运动机能进行评估[2]。弹性模量作为一种反映物体弹性变形难易程度的物理量，表征肌肉组织的弹性特性，可以较为准确地反映组织的力学功能状态[3]。

2010年，Shinohara等[4]对肌肉组织放松和收缩状态的弹性参量进行研究，基于声辐射力法定量测量正常肌肉组织的弹性参量，结果表明肌肉收缩状态的杨氏模量大于放松状态。2011年，温朝阳等[2]对141例健康男性的肱二头肌采用剪切波弹性成像法，对其放松和紧张状态时的杨氏模量进行测量，进一步说明非疲劳状态下的肌肉组织，其收缩强度与肌肉的弹性参量相关。2013年，Eby等[5]研究了肌肉组织在受力作用下弹性参量的变化，通过对猪肱二头肌进行实时剪切波弹性成像，发现肌肉弹性参量的测量数值随肌肉组织受力的增加而增加。2014年，Nakamura等[6]利用测力计和超声弹性成像技术对腓肠肌肌腹进行实验，对其进行静态的渐变拉伸，结果表明肌肉在静态拉伸后弹性模量小于拉伸前。同年，Yangisawa等[7]利用测力计和压缩型弹性成像对肱二头肌在机体运动前、运动结束时刻、运动结束30 min后进行检测，发现肌肉的应变率呈现先降低再上升的趋势，而肌肉的弹性参量则先上升再降低。这些研究关注了肌肉组织在运动状态中的弹性参量以及肌肉组织整体的弹性变化。2016年，Li等[8]对各向同性软材料中的弹性切伦科夫效应进行研究时，基于声辐射力测量不同肌肉组织不同方向的剪切模量，结果表明，肱二头肌的各向异性强于腓肠肌且形变对横波速度有显著的影响。2018年，Liu等[9]研究横波弹性成像间接测量被动肌力的可行性，同时探讨肌肉质量和扫描角度对被动肌力的影响。结果表明，肌肉质量对肌肉E-F线性关系无显著影响，而E-F线性关系随扫描角的增大而不成比例地减小。

本文主要理论研究肌肉组织弹性特性与超声传播的关系，基于低频振动激励剪切波的超声弹性成像法进行受力肌肉组织的参量研究，研究离体牛腓肠肌在不同方向上受力不同时的剪切波传播速度，探讨肌肉组织受力大小及剪切波传播方向对剪切波速度的影响。

1 软组织的超声弹性测量

剪切波在生物组织中横波(剪切波)Cs的传播速度[10−11]如下：

式(1)中，µ为剪切模量，ρ为组织的密度。剪切模量µ与体积模量K的关系为

式(2)中的ν为材料的泊松比。剪切模量µ与杨氏模量E的关系为

不同弹性的生物组织的剪切模量µ不同，在其中传播的剪切波传播速度也不同。由于肌肉是非均匀结构的连续介质，剪切波传播速度与剪切波在肌肉中传播方向、肌肉水分含量等因素有关[9]。

根据产生剪切波方法的不同，超声剪切波弹性检测方法可以分为：组织内部的周期运动产生剪切波的静态压缩激励法[12]，组织外部施加低频振动产生剪切波的低频振动激励法[13]，以及聚焦超声的声辐射力在组织中激励剪切波的声辐射力激励法[11]。

本文采用低频振动法产生剪切波，通过剪切波的传播速度，反演组织不同受力情况与剪切波速度的关系。

2 实验研究

利用低频振动器，在离体肌肉组织上施加振动，在肌肉组织中产生剪切波，通过超声高速成像，分别在平行于肌纤维和垂直于肌纤维的方向上采集剪切波传播图像，反演肌肉组织的弹性特性，研究肌肉组织在受不同大小力时的组织弹性及各向异性特征。

选择牛龄3年的陕西关中黄牛离体腓肠肌为研究样品，高速成像由Verasonics超声系统实现，高速采样帧率为10000帧/s，振动器为Mini-Shaker Type 4810，振动器激励为功率放大器(Power Amplifier Type 2718)和信号发生器(RIGOL DG5252)，实验系统装置示意图如图1所示。

图1 实验系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system installation

计算剪切波速度时，在检测区域内选取一行较为清晰的波形像素点，以其每个像素点的r值为纵坐标绘制波形图。读取相邻波谷的横坐标，即像素点的位置。通过计算上述两个像素点的位置差，将其转化为剪切波波长。同时，利用振动器振动频率计算剪切波速度。

2.1 静态肌肉组织弹性的方向特性研究

肌肉组织不受力时，采集与肌纤维平行传播的剪切波，经测试得到的最佳低频振动频率为210 Hz，高速B超成像显示剪切波图像如图2(a)所示；采集与肌纤维垂直传播的剪切波，经测试得到的最佳低频振动频率为180 Hz，高速B超成像显示剪切波图像如图2(b)所示。反演得到的剪切波速度如表1所示。

图2 静态肌肉剪切波传播图像Fig.2 Static muscle shear wave propagation image

2.2 肌肉受力情况下肌肉组织弹性及各向异性研究

对肌肉组织施加不同大小的力，采集与肌纤维平行传播的剪切波，肌肉组织受力分别为10 N、20 N、30 N和40 N时，最佳低频振动频率分别为200 Hz、310 Hz、230 Hz和310 Hz，高速B超成像显示剪切波图像分别如图3所示。反演得到不同受力下与肌纤维平行传播的剪切波速度如表2所示。

对肌肉组织施加不同大小的力，采集与肌纤维垂直传播的剪切波，肌肉组织受力分别为10 N、20 N、30 N和40 N时，最佳低频振动频率分别为200 Hz、180 Hz、185 Hz和210 Hz，高速B超成像显示剪切波图像分别如图4所示。反演得到不同受力下与肌纤维垂直传播的剪切波速度如表3所示。

表1 静态下肌纤维不同受力下剪切波波速Table 1 Shear wave velocities of muscle fibers under different forces under static cond itions

表2 平行肌纤维时不同受力下剪切波波速Table 2 Shear wave velocities of parallel muscle fibers under different forces

表3 垂直肌纤维时不同受力下剪切波波速Table 3 Shear wave velocity under d ifferent forces in vertical muscle fibers

3 实验结果分析

3.1 静态肌肉组织弹性的方向特性研究

剪切波与肌纤维平行传播的静态图像(图2(a))，存在两条几乎平行的且均匀的波，表明牛肌肉组织部分弹性参量分布较均匀；剪切波与肌纤维垂直传播的静态图像(图2(b))，条波形虽然基本平行，但振动器的振动频率从210 Hz降低到180 Hz，波形间距有明显的减小。肌肉静态时测得平行肌纤维传播的剪切波速度为3.137 m/s，垂直肌纤维传播的剪切波速度为2.705 m/s。可见，静态时平行于肌纤维传播的剪切波波速大于超声探头垂直于肌纤维的。

3.2 肌肉组织受力时平行肌纤维方向上肌肉弹性特性研究

剪切波与肌纤维平行传播，组织受力10 N时的剪切波图像(图3(a))，仍有两条几乎平行传播的波形，振动器振动频率仅从210 Hz降低到200 Hz，但波形间距增大。表明当受到一定力的作用时，肌肉组织中剪切波的波长变长，从而使得剪切波波速增加。组织受力20 N时的剪切波图像(图3(b))，肌纤维的排列更加紧致，波形轮廓无较大变化。组织受力30 N时的剪切波图像(图3(c))，从剪切波视频中提取每张图像中都存在一条波形，而且剪切波是不断均匀向左传播的。组织受力40 N时的剪切波图像(图3(d))，从剪切波视频中提取出连续两帧的剪切波波形是相互平行且与肌纤维垂直的。剪切波与肌纤维平行传播时，组织受力以10 N为步长从10 N增加到40 N，波形从曲线变成了近乎直线。这是由于力的作用导致肌纤维束被迫收缩，导致肌纤维中的肌细胞排列更加紧密，肌肉组织整体表现为弹性参量增大。

图3 探头与肌纤维平行时不同受力下的剪切波传播图像Fig.3 Shear wave propagation images under different forces when the probe is parallel to the muscle fiber

3.3 肌肉组织受力时垂直肌纤维方向上肌肉弹性特性研究

剪切波与肌纤维垂直传播，组织受力10 N时的剪切波图像(图4(a))，肌纤维呈零散无序分布的状态，但剪切波间距明显变小；组织受力20 N时的剪切波图像(图4(b))，肌纤维排列依然无序，但剪切波间距比组织受力10 N时的间距变小。组织受力30 N时的剪切波图像(图4(c))，存在两条剪切波波形，有明显的变形但不再平行，使得波形间隔呈现上小下大的趋势；与其他受力大小的剪切波图像相比较，组织受力40 N时的剪切波图像(图4(d))，波形存在较为明显的弯曲变形。可见，剪切波与肌纤维垂直传播时，剪切波波形变形程度随肌肉组织受力的增大而增大，但增幅无明显规律。这是由于虽然在力的作用下，肌肉组织收缩导致弹性参量变大，但是在垂直肌纤维方向上肌纤维排列杂乱无章，使其收缩无规律。

图4 探头与肌纤维垂直时不同受力下的剪切波传播图像Fig.4 Shear wave propagation images under different forces when the probe is perpendicular to the muscle fiber

3.4 探测方向对剪切波速度影响的研究

对比不同方向受力的剪切波速度(表2、表3)，发现在组织受力为10～40 N范围内，当组织受到相同大小力的作用时，平行于肌纤维方向上传播的剪切波速度均快于垂直肌纤维方向。这是由于肌肉组织的流变特性，剪切波在其中传播时产生色散效应，在垂直于肌纤维方向上，色散效应最大，因此剪切波传播的最慢，而在平行于肌纤维方向上，色散效应最小，因此剪切波传播的更快。

3.5 不同方向剪切波传播速度随组织受力变化的研究

与肌纤维平行传播的剪切波速度随受力变化如图5(a)所示，对图5(a)进行拟合，得到平行肌纤维方向传播的剪切波速度与肌肉组织受力的函数式：

图5 不同方向剪切波传播速度随受力变化图像Fig.5 The propagation velocity of shear wave with the force in different directions varies

其中，v是剪切波的传播速度，F是肌肉组织的受力。可见，与肌纤维平行传播的剪切波速度随着肌肉组织受力的增加而增加，且剪切波传播速度是关于组织受力的一次函数。因此，在受力为10～40 N的范围内，剪切波速度与肌肉组织受力几乎呈正相关。

与肌纤维垂直传播的剪切波速度随受力变化图像如图5(b)所示，可见受力为10～40 N的范围内，剪切波速度随受力的增加也逐渐增加，但两者不呈正相关。当组织受力以10 N的步长从10 N增加到40 N，剪切波速度比之前增加了1.5%～3.6%，但增幅无明显规律，从而，随着受力的增加，剪切波速度变化无显著规则。因此，与肌纤维平行传播的剪切波速度能更准确地反映肌肉组织的受力情况。

4 结论

通过振动器在实验组织中产生剪切波的低频振动超声弹性成像法，定性研究剪切波图像并且定量计算剪切波在组织静态和不同受力情况下的传播速度。

通过研究，发现肌肉组织在一定的受力范围内，剪切波速度随着受力的增加而增加，与肌纤维平行传播的剪切波速度，普遍快于与肌纤维垂直传播的剪切波速度。同时，与肌纤维平行传播的剪切波波形更有规律，顺肌纤维方向传播的剪切波速度与受力大小呈正相关，波速具有统计学意义，由此说明，与肌纤维平行传播的剪切波速度能较为准确地反映肌肉组织的受力情况。为今后进行剪切波弹性实验，评估肌肉组织的弹性特征，探头方向的选择提供了思路。