腓腸肌形態(tài)與力學(xué)性質(zhì)的定量超聲研究.pdf

1、研究背景及目的：
　　近幾年，研究學(xué)者嘗試通過(guò)各種算法對(duì)肌肉超聲圖像進(jìn)行處理分析，以期自動(dòng)獲得這些參數(shù)。Zhou與Zheng等人提出基于迭代霍夫變換(RevotingHough Transform)計(jì)算超聲圖像中肌纖維的羽狀角，并且取得了良好的效果[9]，并進(jìn)一步應(yīng)用該算法在肌肉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取動(dòng)態(tài)的羽狀角。Zhao和Zhang等人采用雷登變換(Radon Transform)實(shí)現(xiàn)了肌肉羽狀角的自動(dòng)跟蹤和計(jì)算。
　　研究方法:

2、針對(duì)目前這種形勢(shì)，我們采用了兩種方法進(jìn)行檢測(cè)人體小腿腓腸肌，這兩種方法分別是:基于超聲剪切波彈性成像檢測(cè)腓腸肌的肌肉剪切模量和基于超聲射頻信號(hào)檢測(cè)腓腸肌的羽狀角。
　　1)基于超聲剪切波彈性成像檢測(cè)腓腸肌的肌肉剪切模量。
　　i.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物
　　本研究選用SD大鼠為研究對(duì)象。6只大鼠實(shí)施脊髓橫切法造脊髓損傷后痙攣模型，為肌肉痙攣模型組，以1只作為正常對(duì)照組，分別在造模后1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月進(jìn)行超聲檢測(cè)。
　　ii

3、.模型的制備
　　所有實(shí)驗(yàn)組大鼠用3.6％水合氯醛腹腔內(nèi)注射麻醉（劑量1ml/100g體重），保持大鼠體溫在37℃。麻醉生效后，予中下段胸椎為手術(shù)區(qū)備皮，俯臥固定于手術(shù)臺(tái)，以T5-6的淺表靜脈為體表定位標(biāo)志，以T10棘突為中心，常規(guī)消毒、鋪巾，背部正中縱切口，顯露T9-T11棘突及椎板。切除T9-T11棘突及椎板，切開(kāi)皮膚及淺筋膜并皮下游離。尖刀片緊貼棘突骨面兩側(cè)做椎旁肌縱行切開(kāi)，咬骨器咬除棘突，顯露椎板，注意避免損傷脊髓中央動(dòng)靜

4、脈，蚊式止血鉗鉗夾椎板直至顯露硬膜外隙。予以1％利多卡因0.1-0.3ml局部麻醉，輕輕提起硬脊膜，切開(kāi)硬脊膜，顯微剪刀剪斷脊髓，并輕輕抽吸，離斷脊髓。為了能更好觀察以確保脊髓完全離斷，通常移除V形1-2mm的脊髓。予以泡沫凝膠填塞局部空腔，用可吸收線逐層縫合，4-0線縫合皮膚。手術(shù)過(guò)程中監(jiān)測(cè)心率的變化，盡量減少大鼠死亡率。待大鼠生活正常后開(kāi)始檢測(cè)。
　　iii.超聲檢測(cè)
　　本研究采用法國(guó)Supersonic Imagin

5、e公司(Supersonic Imagine，AixenProvence，F(xiàn)rance)生產(chǎn)的Aixplorer型實(shí)時(shí)剪切波彈性成像超聲診斷儀，L4-15線陣探頭，頻率4-15 MHz。在成功造模后1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月三個(gè)時(shí)間點(diǎn)觀察，對(duì)大鼠注射鎮(zhèn)靜劑，使之處于安靜狀態(tài)，側(cè)臥伸出后肢，分別在收縮和舒張狀態(tài)下進(jìn)行剪切波彈性成像檢測(cè)。
　　2)基于超聲射頻信號(hào)檢測(cè)腓腸肌的羽狀角。
　　i.超聲系統(tǒng)
　　本文采用開(kāi)放式綜合超

6、聲系統(tǒng)(Sonix RP，Ultrasonix，Canada)，該系統(tǒng)配有主機(jī)箱（包函PIV3.0GHz的雙CPU、80GB的系統(tǒng)硬盤(pán)、及1GB的存儲(chǔ)器）、顯示器、一張內(nèi)置10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換卡(采樣頻率40 MHz)，以及一個(gè)中心頻率10 MHz的線陣超聲探頭(-6dB帶寬5～14 MHz)。該系統(tǒng)采用開(kāi)放式PC平臺(tái)-Microsoft(@)Visual Studio(@)環(huán)境，可以同時(shí)保存超聲圖像、超聲視頻和超聲射頻信號(hào)。
　　i

7、i.超聲檢查與測(cè)量
　　受試者為正常男性，坐姿，膝關(guān)節(jié)成近90度，腳著地，以腳跟為定點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)背屈40度，保持不動(dòng)。腓腸肌內(nèi)側(cè)頭為研究對(duì)象，將超聲探頭沿腓腸肌縱向放置。當(dāng)顯示器清晰地顯示出腓腸肌的羽狀肌束結(jié)構(gòu)時(shí)，采集超聲射頻信號(hào)。
　　通過(guò)自編軟件“肌肉形態(tài)分析軟件”，調(diào)入所采集的腓腸肌的超聲射頻信號(hào)，首先重建超聲圖像，超聲信號(hào)沿縱向方向進(jìn)行降采樣，沿橫向方向進(jìn)行插值，以保證與超聲設(shè)備所顯示的B超圖像大小一致(340×321

8、)。
　　本文聘請(qǐng)一位有經(jīng)驗(yàn)臨床超聲醫(yī)師對(duì)基于超聲射頻信號(hào)的重建圖像進(jìn)行手工測(cè)量，以其結(jié)果作為羽狀角測(cè)量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，然后使用本文所提出的互相關(guān)自動(dòng)測(cè)量的方法進(jìn)行羽狀角檢測(cè)，視為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。
　　iii.仿真實(shí)驗(yàn)
　　編寫(xiě)仿真程序，調(diào)用FieldⅡ程序包，設(shè)計(jì)一塊40mm×10mm×90mm的體模，其中100000個(gè)散射因子隨機(jī)分布在體模內(nèi)部。線陣超聲探頭為128晶振，中心頻率為3MHz，系統(tǒng)采

9、樣頻率為100MHz，然后利用FieldⅡ計(jì)算出128根反射射頻信號(hào)線，圖像動(dòng)態(tài)顯示范圍壓縮到40dB。腓腸肌的仿真超聲結(jié)果如圖1C所示，體模具有5條不同角度的仿真肌束和一條仿真肌腱膜。利用本文所提出的互相關(guān)自動(dòng)測(cè)量的方法進(jìn)行羽狀角檢測(cè)，測(cè)量值與仿真設(shè)計(jì)時(shí)的理論值進(jìn)行比較，分析本文所提出的方法的有效性。
　　研究結(jié)果:
　　1)基于超聲剪切波彈性成像檢測(cè)腓腸肌的肌肉剪切模量
　　實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了健康與肌肉痙攣兩種大鼠，從B型

10、圖上可以看到正常大鼠的肌肉結(jié)構(gòu)紋理清晰，肌肉萎縮大鼠的肌肉結(jié)構(gòu)紋理發(fā)生不同程度的紊亂，同時(shí)由于大鼠脊髓受傷，肌肉發(fā)生萎縮，肌肉層變薄，尤其是腓腸肌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正常大鼠左后肢腓腸肌在收縮狀態(tài)的剪切模量值為(37.64±7.70kPa)大于舒張狀態(tài)剪切模量值(14.42±3.76kPa)，肌肉痙攣組的大鼠的左后肢腓腸肌在造模后2個(gè)月檢查，其收縮狀態(tài)下剪切模量值(90.78±15.54 kPa)大于舒張狀態(tài)剪切模量值(42.42±6.56

11、kPa)。
　　2)基于超聲射頻信號(hào)檢測(cè)腓腸肌的羽狀角。
　　利用互相關(guān)自動(dòng)測(cè)量方法可準(zhǔn)確測(cè)量出體膜中仿真肌束羽狀角，其測(cè)量值的均值與理論值之間的差異小于1°。利用互相關(guān)自動(dòng)測(cè)量方法與手工測(cè)量方法分別獲得腓腸肌羽狀角20.48°±0.47°與21.20°±0.63°，兩種方法的變異系數(shù)CV值均小于3％，均方根誤差均小于1°。Bland-Altman差值法分析結(jié)果表明兩種方法的一致性良好。
　　研究結(jié)論：
　　初步

12、結(jié)果顯示supersonic剪切波彈性成像可以有效地檢測(cè)大鼠肌肉萎縮。結(jié)果與之前肖滬生等檢測(cè)肱二頭肌結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步應(yīng)用到A型肉毒素對(duì)恢復(fù)肌痙攣的的作用研究中。
　　超聲影像技術(shù)已越來(lái)越多地用于肌肉的定量評(píng)價(jià)，所獲取肌肉橫截面積、肌肉厚度、羽狀角和肌纖維長(zhǎng)等肌肉結(jié)構(gòu)化參數(shù)，對(duì)評(píng)估肌肉功能的變化，以及對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練都有著重要的指導(dǎo)意義。然而，這些肌肉結(jié)構(gòu)化參數(shù)的測(cè)量目前大多是手工標(biāo)注測(cè)量的，面對(duì)大量的肌肉超聲圖像，這樣測(cè)

13、量工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)測(cè)量方法的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。目前報(bào)道的腓腸肌羽狀角檢測(cè)方法大多是基于超聲灰度圖像，通過(guò)對(duì)超聲圖像進(jìn)行處理分析，自動(dòng)獲得肌肉的結(jié)構(gòu)參數(shù)，取得了良好的效果。如前所述超聲灰度圖像是超聲射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)多種處理得到的，其目的是為了使圖像更清楚好看，但畢竟丟失了一部分信息，而超聲射頻信號(hào)保留了組織的原始信息，充分利用這些信息可以得到更多的細(xì)節(jié)。
　　然而，這種基于超聲射頻信號(hào)的互相關(guān)自動(dòng)測(cè)量方法也具有局限性，例如對(duì)于連續(xù)性不

14、好的肌肉纖維，雖然依靠小段肌束也可確定肌束方向，對(duì)羽狀角的計(jì)算影響不大，但在計(jì)算肌束長(zhǎng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因?yàn)榧∈L(zhǎng)度可定義為肌束從淺層肌腱膜到深層肌腱膜的長(zhǎng)度。今后的研究可基于本文結(jié)果，嘗試?yán)孟闰?yàn)知識(shí)增大搜索范圍，將斷開(kāi)的纖維連接起來(lái)搜索，以期獲得更準(zhǔn)確的肌束長(zhǎng)度。
　　針對(duì)目前的研究狀況，本文證實(shí)剪切波彈性成像可以及時(shí)檢測(cè)由于肌肉痙攣造成的硬度變化，并且提出一種基于超聲射頻信號(hào)的互相關(guān)自動(dòng)追蹤肌束方向并測(cè)量羽狀角的算法，通過(guò)