受力腓腸肌剪切波速度的超聲檢測?

劉瑞雪 呂倩 張雪晴 張少哲 郭建中

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西省超聲學重點實驗室 西安 710109)

0 引言

骨骼肌是人體姿態保持及實施運動機能的重要器官，受神經系統的控制進行收縮或伸張運動，完成姿態控制及運動功能[1]。肌肉組織的健康狀態直接關系到人體姿態、體育運動等生活和生產活動，與人類的健康生活關系極大。

不同個體的肌肉發生功能改變或病變時的收縮舒張運動會呈現出不同的彈性特征，通過測量肌肉組織的彈性參量可以對肌肉組織運動機能進行評估[2]。彈性模量作為一種反映物體彈性變形難易程度的物理量，表征肌肉組織的彈性特性，可以較為準確地反映組織的力學功能狀態[3]。

2010年，Shinohara等[4]對肌肉組織放松和收縮狀態的彈性參量進行研究，基于聲輻射力法定量測量正常肌肉組織的彈性參量，結果表明肌肉收縮狀態的楊氏模量大于放松狀態。2011年，溫朝陽等[2]對141例健康男性的肱二頭肌采用剪切波彈性成像法，對其放松和緊張狀態時的楊氏模量進行測量，進一步說明非疲勞狀態下的肌肉組織，其收縮強度與肌肉的彈性參量相關。2013年，Eby等[5]研究了肌肉組織在受力作用下彈性參量的變化，通過對豬肱二頭肌進行實時剪切波彈性成像，發現肌肉彈性參量的測量數值隨肌肉組織受力的增加而增加。2014年，Nakamura等[6]利用測力計和超聲彈性成像技術對腓腸肌肌腹進行實驗，對其進行靜態的漸變拉伸，結果表明肌肉在靜態拉伸后彈性模量小于拉伸前。同年，Yangisawa等[7]利用測力計和壓縮型彈性成像對肱二頭肌在機體運動前、運動結束時刻、運動結束30 min后進行檢測，發現肌肉的應變率呈現先降低再上升的趨勢，而肌肉的彈性參量則先上升再降低。這些研究關注了肌肉組織在運動狀態中的彈性參量以及肌肉組織整體的彈性變化。2016年，Li等[8]對各向同性軟材料中的彈性切倫科夫效應進行研究時，基于聲輻射力測量不同肌肉組織不同方向的剪切模量，結果表明，肱二頭肌的各向異性強于腓腸肌且形變對橫波速度有顯著的影響。2018年，Liu等[9]研究橫波彈性成像間接測量被動肌力的可行性，同時探討肌肉質量和掃描角度對被動肌力的影響。結果表明，肌肉質量對肌肉E-F線性關系無顯著影響，而E-F線性關系隨掃描角的增大而不成比例地減小。

本文主要理論研究肌肉組織彈性特性與超聲傳播的關系，基于低頻振動激勵剪切波的超聲彈性成像法進行受力肌肉組織的參量研究，研究離體牛腓腸肌在不同方向上受力不同時的剪切波傳播速度，探討肌肉組織受力大小及剪切波傳播方向對剪切波速度的影響。

1 軟組織的超聲彈性測量

剪切波在生物組織中橫波(剪切波)Cs的傳播速度[10?11]如下：

式(1)中，μ為剪切模量，ρ為組織的密度。剪切模量μ與體積模量K的關系為

式(2)中的ν為材料的泊松比。剪切模量μ與楊氏模量E的關系為

不同彈性的生物組織的剪切模量μ不同，在其中傳播的剪切波傳播速度也不同。由于肌肉是非均勻結構的連續介質，剪切波傳播速度與剪切波在肌肉中傳播方向、肌肉水分含量等因素有關[9]。

根據產生剪切波方法的不同，超聲剪切波彈性檢測方法可以分為：組織內部的周期運動產生剪切波的靜態壓縮激勵法[12]，組織外部施加低頻振動產生剪切波的低頻振動激勵法[13]，以及聚焦超聲的聲輻射力在組織中激勵剪切波的聲輻射力激勵法[11]。

本文采用低頻振動法產生剪切波，通過剪切波的傳播速度，反演組織不同受力情況與剪切波速度的關系。

2 實驗研究

利用低頻振動器，在離體肌肉組織上施加振動，在肌肉組織中產生剪切波，通過超聲高速成像，分別在平行于肌纖維和垂直于肌纖維的方向上采集剪切波傳播圖像，反演肌肉組織的彈性特性，研究肌肉組織在受不同大小力時的組織彈性及各向異性特征。

選擇牛齡3年的陜西關中黃牛離體腓腸肌為研究樣品，高速成像由Verasonics超聲系統實現，高速采樣幀率為10000幀/s，振動器為Mini-Shaker Type 4810，振動器激勵為功率放大器(Power Amplifier Type 2718)和信號發生器(RIGOL DG5252)，實驗系統裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system installation

計算剪切波速度時，在檢測區域內選取一行較為清晰的波形像素點，以其每個像素點的r值為縱坐標繪制波形圖。讀取相鄰波谷的橫坐標，即像素點的位置。通過計算上述兩個像素點的位置差，將其轉化為剪切波波長。同時，利用振動器振動頻率計算剪切波速度。

2.1 靜態肌肉組織彈性的方向特性研究

肌肉組織不受力時，采集與肌纖維平行傳播的剪切波，經測試得到的最佳低頻振動頻率為210 Hz，高速B超成像顯示剪切波圖像如圖2(a)所示；采集與肌纖維垂直傳播的剪切波，經測試得到的最佳低頻振動頻率為180 Hz，高速B超成像顯示剪切波圖像如圖2(b)所示。反演得到的剪切波速度如表1所示。

圖2 靜態肌肉剪切波傳播圖像Fig.2 Static muscle shear wave propagation image

2.2 肌肉受力情況下肌肉組織彈性及各向異性研究

對肌肉組織施加不同大小的力，采集與肌纖維平行傳播的剪切波，肌肉組織受力分別為10 N、20 N、30 N和40 N時，最佳低頻振動頻率分別為200 Hz、310 Hz、230 Hz和310 Hz，高速B超成像顯示剪切波圖像分別如圖3所示。反演得到不同受力下與肌纖維平行傳播的剪切波速度如表2所示。

對肌肉組織施加不同大小的力，采集與肌纖維垂直傳播的剪切波，肌肉組織受力分別為10 N、20 N、30 N和40 N時，最佳低頻振動頻率分別為200 Hz、180 Hz、185 Hz和210 Hz，高速B超成像顯示剪切波圖像分別如圖4所示。反演得到不同受力下與肌纖維垂直傳播的剪切波速度如表3所示。

表1 靜態下肌纖維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 平行肌纖維時不同受力下剪切波波速Table 2 Shear wave velocities of parallel muscle fibers under different forces

表3 垂直肌纖維時不同受力下剪切波波速Table 3 Shear wave velocity under d ifferent forces in vertical muscle fibers

3 實驗結果分析

3.1 靜態肌肉組織彈性的方向特性研究

剪切波與肌纖維平行傳播的靜態圖像(圖2(a))，存在兩條幾乎平行的且均勻的波，表明牛肌肉組織部分彈性參量分布較均勻；剪切波與肌纖維垂直傳播的靜態圖像(圖2(b))，條波形雖然基本平行，但振動器的振動頻率從210 Hz降低到180 Hz，波形間距有明顯的減小。肌肉靜態時測得平行肌纖維傳播的剪切波速度為3.137 m/s，垂直肌纖維傳播的剪切波速度為2.705 m/s。可見，靜態時平行于肌纖維傳播的剪切波波速大于超聲探頭垂直于肌纖維的。

3.2 肌肉組織受力時平行肌纖維方向上肌肉彈性特性研究

剪切波與肌纖維平行傳播，組織受力10 N時的剪切波圖像(圖3(a))，仍有兩條幾乎平行傳播的波形，振動器振動頻率僅從210 Hz降低到200 Hz，但波形間距增大。表明當受到一定力的作用時，肌肉組織中剪切波的波長變長，從而使得剪切波波速增加。組織受力20 N時的剪切波圖像(圖3(b))，肌纖維的排列更加緊致，波形輪廓無較大變化。組織受力30 N時的剪切波圖像(圖3(c))，從剪切波視頻中提取每張圖像中都存在一條波形，而且剪切波是不斷均勻向左傳播的。組織受力40 N時的剪切波圖像(圖3(d))，從剪切波視頻中提取出連續兩幀的剪切波波形是相互平行且與肌纖維垂直的。剪切波與肌纖維平行傳播時，組織受力以10 N為步長從10 N增加到40 N，波形從曲線變成了近乎直線。這是由于力的作用導致肌纖維束被迫收縮，導致肌纖維中的肌細胞排列更加緊密，肌肉組織整體表現為彈性參量增大。

圖3 探頭與肌纖維平行時不同受力下的剪切波傳播圖像Fig.3 Shear wave propagation images under different forces when the probe is parallel to the muscle fiber

3.3 肌肉組織受力時垂直肌纖維方向上肌肉彈性特性研究

剪切波與肌纖維垂直傳播，組織受力10 N時的剪切波圖像(圖4(a))，肌纖維呈零散無序分布的狀態，但剪切波間距明顯變小；組織受力20 N時的剪切波圖像(圖4(b))，肌纖維排列依然無序，但剪切波間距比組織受力10 N時的間距變小。組織受力30 N時的剪切波圖像(圖4(c))，存在兩條剪切波波形，有明顯的變形但不再平行，使得波形間隔呈現上小下大的趨勢；與其他受力大小的剪切波圖像相比較，組織受力40 N時的剪切波圖像(圖4(d))，波形存在較為明顯的彎曲變形。可見，剪切波與肌纖維垂直傳播時，剪切波波形變形程度隨肌肉組織受力的增大而增大，但增幅無明顯規律。這是由于雖然在力的作用下，肌肉組織收縮導致彈性參量變大，但是在垂直肌纖維方向上肌纖維排列雜亂無章，使其收縮無規律。

圖4 探頭與肌纖維垂直時不同受力下的剪切波傳播圖像Fig.4 Shear wave propagation images under different forces when the probe is perpendicular to the muscle fiber

3.4 探測方向對剪切波速度影響的研究

對比不同方向受力的剪切波速度(表2、表3)，發現在組織受力為10～40 N范圍內，當組織受到相同大小力的作用時，平行于肌纖維方向上傳播的剪切波速度均快于垂直肌纖維方向。這是由于肌肉組織的流變特性，剪切波在其中傳播時產生色散效應，在垂直于肌纖維方向上，色散效應最大，因此剪切波傳播的最慢，而在平行于肌纖維方向上，色散效應最小，因此剪切波傳播的更快。

3.5 不同方向剪切波傳播速度隨組織受力變化的研究

與肌纖維平行傳播的剪切波速度隨受力變化如圖5(a)所示，對圖5(a)進行擬合，得到平行肌纖維方向傳播的剪切波速度與肌肉組織受力的函數式：

圖5 不同方向剪切波傳播速度隨受力變化圖像Fig.5 The propagation velocity of shear wave with the force in different directions varies

其中，v是剪切波的傳播速度，F是肌肉組織的受力。可見，與肌纖維平行傳播的剪切波速度隨著肌肉組織受力的增加而增加，且剪切波傳播速度是關于組織受力的一次函數。因此，在受力為10～40 N的范圍內，剪切波速度與肌肉組織受力幾乎呈正相關。

與肌纖維垂直傳播的剪切波速度隨受力變化圖像如圖5(b)所示，可見受力為10～40 N的范圍內，剪切波速度隨受力的增加也逐漸增加，但兩者不呈正相關。當組織受力以10 N的步長從10 N增加到40 N，剪切波速度比之前增加了1.5%～3.6%，但增幅無明顯規律，從而，隨著受力的增加，剪切波速度變化無顯著規則。因此，與肌纖維平行傳播的剪切波速度能更準確地反映肌肉組織的受力情況。

4 結論

通過振動器在實驗組織中產生剪切波的低頻振動超聲彈性成像法，定性研究剪切波圖像并且定量計算剪切波在組織靜態和不同受力情況下的傳播速度。

通過研究，發現肌肉組織在一定的受力范圍內，剪切波速度隨著受力的增加而增加，與肌纖維平行傳播的剪切波速度，普遍快于與肌纖維垂直傳播的剪切波速度。同時，與肌纖維平行傳播的剪切波波形更有規律，順肌纖維方向傳播的剪切波速度與受力大小呈正相關，波速具有統計學意義，由此說明，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。為今后進行剪切波彈性實驗，評估肌肉組織的彈性特征，探頭方向的選擇提供了思路。