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，我們采用了兩種方法進(jìn)行檢測人體小腿腓腸肌，這兩種方法分別是:基于超聲剪切波彈性成像檢測腓腸肌的肌肉剪切模量和基于超聲射頻信號(hào)檢測腓腸肌的羽狀角。
　　1)基于超聲剪切波彈性成像檢測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。
　　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，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)過程中監(jiān)測心率的變化，盡量減少大鼠死亡率。待大鼠生活正常后開始檢測。
　　iii.超聲檢測
　　本研究采用法國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。
　　2)基于超聲射頻信號(hào)檢測腓腸肌的羽狀角。
　　i.超聲系統(tǒng)
　　本文采用開放式綜合超

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、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)行手工測量，以其結(jié)果作為羽狀角測量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，然后使用本文所提出的互相關(guān)自動(dòng)測量的方法進(jìn)行羽狀角檢測，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)測量的方法進(jìn)行羽狀角檢測，測量值與仿真設(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腓腸肌的肌肉剪切模量
　　實(shí)驗(yàn)檢測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)檢測腓腸肌的羽狀角。
　　利用互相關(guān)自動(dòng)測量方法可準(zhǔn)確測量出體膜中仿真肌束羽狀角，其測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)測量方法與手工測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大鼠肌肉萎縮。結(jié)果與之前肖滬生等檢測肱二頭肌結(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)的測量目前大多是手工標(biāo)注測量的，面對(duì)大量的肌肉超聲圖像，這樣測

13、量工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)測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方法大多是基于超聲灰度圖像，通過對(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)算肌束長度時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因?yàn)榧∈L度可定義為肌束從淺層肌腱膜到深層肌腱膜的長度。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，將斷開的纖維連接起來搜索，以期獲得更準(zhǔn)確的肌束長度。
　　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)追蹤肌束方向并測量羽狀角的算法，通過