實時超聲彈性成像測量訓(xùn)練模式對跟腱生物力學(xué)特性影響

程杰 周凌

（成都體育學(xué)院附屬體育醫(yī)院 四川 成都 610041）

1.材料與方法

1.1 實驗動物

新西蘭大白兔21只，雄性，體重1.5±0.1kg，5月齡自由進(jìn)食，飲水，以國家標(biāo)準(zhǔn)嚙齒類動物飼料喂養(yǎng)[1]。

1.2 設(shè)備

采用DSPT-202動物專用跑臺脈沖電刺激籠實施訓(xùn)練；iMago C21彩色多普勒超聲診斷儀、B超機（彩超）、2D和3D線陣探頭。利用Matlab軟件、信號處理軟件、圖像處理軟件等。

1.3 實驗分組、干預(yù)

按體重均衡原則將新西蘭大白兔隨機分為三組，每組7只，即對照組C組、中等強度訓(xùn)練的A組和高強度訓(xùn)練的B組。預(yù)先對實驗組大白兔進(jìn)行跑臺適應(yīng)性訓(xùn)練1周，按25m/min的速度在跑臺上跑步訓(xùn)練；對照組自由活動。A組訓(xùn)練4周，B組訓(xùn)練8周，B組訓(xùn)練4周后，A組開始訓(xùn)練，這樣訓(xùn)練可同時結(jié)束、同時取材。A組每天跑步40min，B組每天跑步40min-休息40min-跑步40min，每周訓(xùn)練5天；標(biāo)準(zhǔn)飼料飼養(yǎng)，自由進(jìn)食、水[1]。

1.4 測試方法

1.4.1 肌肉組織彈性圖像評分標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)HITACHI公司的彈性成像標(biāo)準(zhǔn)加以修改，HITACHI公司的彈性成像標(biāo)準(zhǔn)主要為5分法[2]，由于肌肉組織組成成分的特殊性，肌肉組織主要由肌纖維組成，而乳腺組織則主要由脂肪組織和纖維組織組成，相比較而言，跟腱本身組織稍硬，因此對標(biāo)準(zhǔn)評分法加以修改，修改后的肌肉組織彈性圖像評分標(biāo)準(zhǔn)為4級分法∶彈性圖像顯示為藍(lán)綠相間，兼有少許紅色，評分為O分；彈性圖像顯示為藍(lán)綠相間，綠色為主，評分為1分；彈性圖像顯示為藍(lán)綠相間，藍(lán)綠相當(dāng)，評分為2分；彈性圖像顯示藍(lán)綠相間，藍(lán)色為主，評分為3分。

1.4.2 實時組織超聲彈性成像測試 應(yīng)用具有彈性成像功能的iMago C21彩色多普勒超聲診斷儀，應(yīng)用線陣探頭，頻率10MHz。將兔用兔板俯臥位固定，將雙后肢分別固定在一定角度，隨機分組，實驗前先對本組21只大白兔右側(cè)跟腱行彈性成像掃查，先觀察常規(guī)二維灰階圖像，再應(yīng)用雙幅實時顯像功能，同時觀察二維灰階圖像與彈性圖像，獲得穩(wěn)定的彈性圖像后，選擇感興趣區(qū)(regionofinterest，Rol)，選取的ROI面積大致相同，選取的部位盡量處在距體表相同水平，計算兩者應(yīng)變率的比值(Ratlo)，即比較兩者產(chǎn)生應(yīng)變的大小，應(yīng)變(strain)為外力作用于物體后物體內(nèi)部產(chǎn)生的形態(tài)或體積的改變[3，4]。根據(jù)彈性圖像評分標(biāo)準(zhǔn)予以評分，彈性圖像中顯示的紅黃綠藍(lán)代表從軟到硬。儀器顯示屏上壓力指數(shù)1～7代表所加外力的大小，即壓力從小到大。實驗結(jié)束后，再次測量與評分。使用實驗室研發(fā)的B超機（彩超）進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，使用MatLab和VC++進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對各項實驗中收集到的超聲B-Mode數(shù)據(jù)和RF數(shù)據(jù)進(jìn)行運動追蹤和彈性成像，驗證成像算法的可行性、實時性及成像效果，并進(jìn)行信噪比、分辯力、對比度噪聲比進(jìn)行分析。

2.統(tǒng)計學(xué)處理

3.實驗及結(jié)果

對大白兔跟腱在不同訓(xùn)練模式下生物力學(xué)特性的改變，我們使用系統(tǒng)計算得到的原始位移數(shù)據(jù)，在相同作用力的條件下，位移越大表示該組織彈性模量越小。

以下的跟腱區(qū)域位移是由每只兔子跟腱區(qū)域選擇3個ROI框平均得到的（表1）。

實驗結(jié)果：

表1 跟腱區(qū)域位移（um）

圖1 為A組圖像及位移示意圖

圖2 為B組圖像及位移示意圖

圖3 為C組圖像及位移示意圖

由表1可看出經(jīng)過訓(xùn)練后三組大白兔的跟腱位移均出現(xiàn)變化；其中高強度訓(xùn)練組位移變化明顯，低強度訓(xùn)練組較對照組也出現(xiàn)變化，但無B組明顯，說明訓(xùn)練強度大小對跟腱的生物力學(xué)特性影響明顯。ABC組間均存在顯著性差異。ABC三組的平均位移是通過在跟腱區(qū)域選擇3個不同采樣ROI平均得到的，如圖1-3所示，可以看到不同組別得到的位移有明顯差異，分別為0.617，1.724和0.23，高強度訓(xùn)練組由于跟腱水腫更為嚴(yán)重，組織彈性模量降低，利用ARFI成像得到的位移最大，而無損傷的對照組則位移最小對應(yīng)較大的彈性模量。

4.結(jié)論

（1）實時超聲彈性成像對跟腱的生物力學(xué)變化非常明感，可以直觀的觀察到不同訓(xùn)練狀態(tài)下的大白兔跟腱位移之間的區(qū)別，通過組間比較，不同訓(xùn)練強度下大白兔跟腱的ARFI圖像位移存在明顯差異，能夠清晰反映出不同訓(xùn)練強度對跟腱的生物力學(xué)特性的影響。

（2）實時超聲彈性成像能夠直觀、簡潔測量跟腱組織跟腱位移從而得出其彈性模量。