劉瑞雪 呂倩 張雪晴 張少哲 郭建中

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西省超聲學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710109)

0 引言

骨骼肌是人體姿態(tài)保持及實(shí)施運(yùn)動(dòng)機(jī)能的重要器官，受神經(jīng)系統(tǒng)的控制進(jìn)行收縮或伸張運(yùn)動(dòng)，完成姿態(tài)控制及運(yùn)動(dòng)功能[1]。肌肉組織的健康狀態(tài)直接關(guān)系到人體姿態(tài)、體育運(yùn)動(dòng)等生活和生產(chǎn)活動(dòng)，與人類的健康生活關(guān)系極大。

不同個(gè)體的肌肉發(fā)生功能改變或病變時(shí)的收縮舒張運(yùn)動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出不同的彈性特征，通過測(cè)量肌肉組織的彈性參量可以對(duì)肌肉組織運(yùn)動(dòng)機(jī)能進(jìn)行評(píng)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(zhǔn)確地反映組織的力學(xué)功能狀態(tài)[3]。

2010年，Shinohara等[4]對(duì)肌肉組織放松和收縮狀態(tài)的彈性參量進(jìn)行研究，基于聲輻射力法定量測(cè)量正常肌肉組織的彈性參量，結(jié)果表明肌肉收縮狀態(tài)的楊氏模量大于放松狀態(tài)。2011年，溫朝陽(yáng)等[2]對(duì)141例健康男性的肱二頭肌采用剪切波彈性成像法，對(duì)其放松和緊張狀態(tài)時(shí)的楊氏模量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步說明非疲勞狀態(tài)下的肌肉組織，其收縮強(qiáng)度與肌肉的彈性參量相關(guān)。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(duì)豬肱二頭肌進(jìn)行實(shí)時(shí)剪切波彈性成像，發(fā)現(xiàn)肌肉彈性參量的測(cè)量數(shù)值隨肌肉組織受力的增加而增加。2014年，Nakamura等[6]利用測(cè)力計(jì)和超聲彈性成像技術(shù)對(duì)腓腸肌肌腹進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)的漸變拉伸，結(jié)果表明肌肉在靜態(tài)拉伸后彈性模量小于拉伸前。同年，Yangisawa等[7]利用測(cè)力計(jì)和壓縮型彈性成像對(duì)肱二頭肌在機(jī)體運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)刻、運(yùn)動(dòng)結(jié)束30 min后進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)肌肉的應(yīng)變率呈現(xiàn)先降低再上升的趨勢(shì)，而肌肉的彈性參量則先上升再降低。這些研究關(guān)注了肌肉組織在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(duì)各向同性軟材料中的彈性切倫科夫效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，基于聲輻射力測(cè)量不同肌肉組織不同方向的剪切模量，結(jié)果表明，肱二頭肌的各向異性強(qiáng)于腓腸肌且形變對(duì)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(cè)量被動(dòng)肌力的可行性，同時(shí)探討肌肉質(zhì)量和掃描角度對(duì)被動(dòng)肌力的影響。結(jié)果表明，肌肉質(zhì)量對(duì)肌肉E-F線性關(guān)系無顯著影響，而E-F線性關(guān)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(guān)系，基于低頻振動(dòng)激勵(lì)剪切波的超聲彈性成像法進(jìn)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(shí)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?qū)羟胁ㄋ俣鹊挠绊憽?/p>

1 軟組織的超聲彈性測(cè)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)的連續(xù)介質(zhì)，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(guān)[9]。

根據(jù)產(chǎn)生剪切波方法的不同，超聲剪切波彈性檢測(cè)方法可以分為：組織內(nèi)部的周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生剪切波的靜態(tài)壓縮激勵(lì)法[12]，組織外部施加低頻振動(dòng)產(chǎn)生剪切波的低頻振動(dòng)激勵(lì)法[13]，以及聚焦超聲的聲輻射力在組織中激勵(lì)剪切波的聲輻射力激勵(lì)法[11]。

本文采用低頻振動(dòng)法產(chǎn)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(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)研究

利用低頻振動(dòng)器，在離體肌肉組織上施加振動(dòng)，在肌肉組織中產(chǎn)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(shí)的組織彈性及各向異性特征。

選擇牛齡3年的陜西關(guān)中黃牛離體腓腸肌為研究樣品，高速成像由Verasonics超聲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，高速采樣幀率為10000幀/s，振動(dòng)器為Mini-Shaker Type 4810，振動(dòng)器激勵(lì)為功率放大器(Power Amplifier Type 2718)和信號(hào)發(fā)生器(RIGOL DG5252)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system installation

計(jì)算剪切波速度時(shí)，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)選取一行較為清晰的波形像素點(diǎn)，以其每個(gè)像素點(diǎn)的r值為縱坐標(biāo)繪制波形圖。讀取相鄰波谷的橫坐標(biāo)，即像素點(diǎn)的位置。通過計(jì)算上述兩個(gè)像素點(diǎn)的位置差，將其轉(zhuǎn)化為剪切波波長(zhǎng)。同時(shí)，利用振動(dòng)器振動(dòng)頻率計(jì)算剪切波速度。

2.1 靜態(tài)肌肉組織彈性的方向特性研究

肌肉組織不受力時(shí)，采集與肌纖維平行傳播的剪切波，經(jīng)測(cè)試得到的最佳低頻振動(dòng)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(jīng)測(cè)試得到的最佳低頻振動(dòng)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(tài)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(duì)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(shí)，最佳低頻振動(dòng)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(duì)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(shí)，最佳低頻振動(dòng)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(tài)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)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(tài)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(tài)圖像(圖2(b))，條波形雖然基本平行，但振動(dòng)器的振動(dòng)頻率從210 Hz降低到180 Hz，波形間距有明顯的減小。肌肉靜態(tài)時(shí)測(cè)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?？梢?，靜態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)的剪切波圖像(圖3(a))，仍有兩條幾乎平行傳播的波形，振動(dòng)器振動(dòng)頻率僅從210 Hz降低到200 Hz，但波形間距增大。表明當(dāng)受到一定力的作用時(shí)，肌肉組織中剪切波的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，從而使得剪切波波速增加。組織受力20 N時(shí)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(shí)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(shí)的剪切波圖像(圖3(d))，從剪切波視頻中提取出連續(xù)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(shí)，組織受力以10 N為步長(zhǎng)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(dǎo)致肌纖維束被迫收縮，導(dǎo)致肌纖維中的肌細(xì)胞排列更加緊密，肌肉組織整體表現(xiàn)為彈性參量增大。

圖3 探頭與肌纖維平行時(shí)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(shí)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(shí)的剪切波圖像(圖4(a))，肌纖維呈零散無序分布的狀態(tài)，但剪切波間距明顯變小；組織受力20 N時(shí)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(shí)的間距變小。組織受力30 N時(shí)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(xiàn)上小下大的趨勢(shì)；與其他受力大小的剪切波圖像相比較，組織受力40 N時(shí)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(shí)，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(guī)律。這是由于雖然在力的作用下，肌肉組織收縮導(dǎo)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(guī)律。

圖4 探頭與肌纖維垂直時(shí)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(cè)方向?qū)羟胁ㄋ俣扔绊懙难芯?/h3>

對(duì)比不同方向受力的剪切波速度(表2、表3)，發(fā)現(xiàn)在組織受力為10～40 N范圍內(nèi)，當(dāng)組織受到相同大小力的作用時(shí)，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(shí)產(chǎn)生色散效應(yīng)，在垂直于肌纖維方向上，色散效應(yīng)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(yīng)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(duì)圖5(a)進(jìn)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(shù)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(xiàn)是肌肉組織的受力?？梢姡c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(guān)于組織受力的一次函數(shù)。因此，在受力為10～40 N的范圍內(nèi)，剪切波速度與肌肉組織受力幾乎呈正相關(guān)。

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(nèi)，剪切波速度隨受力的增加也逐漸增加，但兩者不呈正相關(guān)。當(dāng)組織受力以10 N的步長(zhǎng)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(guī)律，從而，隨著受力的增加，剪切波速度變化無顯著規(guī)則。因此，與肌纖維平行傳播的剪切波速度能更準(zhǔn)確地反映肌肉組織的受力情況。

4 結(jié)論

通過振動(dòng)器在實(shí)驗(yàn)組織中產(chǎn)生剪切波的低頻振動(dòng)超聲彈性成像法，定性研究剪切波圖像并且定量計(jì)算剪切波在組織靜態(tài)和不同受力情況下的傳播速度。

通過研究，發(fā)現(xiàn)肌肉組織在一定的受力范圍內(nèi)，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(shí)，與肌纖維平行傳播的剪切波波形更有規(guī)律，順肌纖維方向傳播的剪切波速度與受力大小呈正相關(guān)，波速具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，由此說明，與肌纖維平行傳播的剪切波速度能較為準(zhǔn)確地反映肌肉組織的受力情況。為今后進(jìn)行剪切波彈性實(shí)驗(yàn)，評(píng)估肌肉組織的彈性特征，探頭方向的選擇提供了思路。