研究背景—肌痉挛是颈或胸髓损伤而引起的四肢瘫或截瘫患者中是常见的并发症之一,文献报道其发生率65%-78%,严重的痉挛导致关节挛缩、疼痛、活动受限,影响功能的恢复、增加护理难度、降低患者的生活质量,且医疗花费巨大。由于生物组织的力学特性和病理变化都与其硬度变化有关,因此,软组织的弹性信息对疾病的诊断具有重要参考价值。因此触诊是诊断疾病的重要技术,可以将病变组织的硬度作为判断良恶性的指标,但这种诊断方法太过主观,且仅限于较大病灶和浅表结节。近年来超声弹性成像技术的发展,使得病灶的检测更加容易,取代了利用触诊来感知病灶。超声弹性成像最早由J.Ophir等人于1991年提出,一直为医学影像领域研究的热点及重点,它将软组织的病变检测从定性判断提高到定量诊断,在诊断软组织病变方面相当有效,已有相关的临床实验验证了其准确性。弹性成像的基本原理是,用超声探头垂直按压组织表面,分别采集组织压缩前后的射频信号,利用在时间延迟估计中应用非常广泛的互相关分析方法对信号进行分析,计算出组织内部的位移场图像,从而得到组织内部的应变分布。作为一种新的超声成像方法,超声弹性成像通过获取有关组织的弹性信息进行成像,弥补了X射线、超声成像(US)、磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)等传统医学成像模态不能直接提供组织弹性的不足,具有无创、简单、便宜、容易应用等优点,被广泛应用于临床,成为目前医学弹性成像的一个研究热点,目前研究主要应用于乳腺、甲状腺、肝脏、前列腺、血管等部位的病变组织。超声剪切波弹性成像技术是基于组织被压缩产生剪切波振动后,较软的组织比较硬的组织更剪切波的速度更慢这一原则。定量的给出不同位置组织的剪切模量或者剪切波速,将不同位置的剪切波速以彩色图的形式描绘出来,更加直观的同时可以定量区分良性肿瘤与恶性肿瘤。另外由于生物组织的形态学特性和病理变化有关,最近20多年生物力学研究者致力于肌肉的形态参数,这些参数与肌肉结构特征参数可以用于检测检测人体肌肉功能的变化。比如肌肉厚度、羽状角等等。因此及时检测肌肉功能意义重大。科学研究表明羽状角在肌肉被动收缩或者主动收缩是是非常重要的参数。羽状角(PA)的定义就是羽状肌肌束与肌束深层的肌腱膜之间的夹角。它反映了筋膜轴向的力矩以及它的子力矩。羽状角会随着踝关节背屈或跖屈角度的变化而变化。事实证明跟腱力矩臂长度与羽状角有直接关系。当肌肉拉伸的时候,羽状角会随着拉伸变化,也会随着主动收缩固定变化。羽状角的变化可以反映肌肉的功能与状态。近几年,研究学者尝试通过各种算法对肌肉超声图像进行处理分析,以期自动获得这些参数。Zhou与Zheng等人提出基于迭代霍夫变换(Revoting Hough Transform)计算超声图像中肌纤维的羽状角,并且取得了良好的效果[9],并进一步应用该算法在肌肉运动过程中获取动态的羽状角。Zhao和Zhang等人采用雷登变换(Radon Transform)实现了肌肉羽状角的自动跟踪和计算。研究方法一针对目前这种形势,我们采用了两种方法进行检测人体小腿腓肠肌,这两种方法分别是：基于超声剪切波弹性成像检测腓肠肌的肌肉剪切模量和基于超声射频信号检测腓肠肌的羽状角。1)基于超声剪切波弹性成像检测腓肠肌的肌肉剪切模量。i.实验动物本研究选用SD大鼠为研究对象。6只大鼠实施脊髓横切法造脊髓损伤后痉挛模型,为肌肉痉挛模型组,以1只作为正常对照组,分别在造模后1个月、2个月和3个月进行超声检测。ii.模型的制备所有实验组大鼠用3.6%水合氯醛腹腔内注射麻醉(剂量1ml/100g体重),保持大鼠体温在37℃。麻醉生效后,予中下段胸椎为手术区备皮,俯卧固定于手术台,以T5-6的浅表静脉为体表定位标志,以T10棘突为中心,常规消毒、铺巾,背部正中纵切口,显露T9-T11棘突及椎板。切除T9-T11棘突及椎板,切开皮肤及浅筋膜并皮下游离。尖刀片紧贴棘突骨面两侧做椎旁肌纵行切开,咬骨器咬除棘突,显露椎板,注意避免损伤脊髓中央动静脉,蚊式止血钳钳夹椎板直至显露硬膜外隙。予以1%利多卡因0.1-0.3ml局部麻醉,轻轻提起硬脊膜,切开硬脊膜,显微剪刀剪断脊髓,并轻轻抽吸,离断脊髓。为了能更好观察以确保脊髓完全离断,通常移除V形1-2mmm的脊髓。予以泡沫凝胶填塞局部空腔,用可吸收线逐层缝合,4-0线缝合皮肤。手术过程中监测心率的变化,尽量减少大鼠死亡率。待大鼠生活正常后开始检测。iii.超声检测本研究采用法国Supersonic Imagine公司(Supersonic Imagine,Aixen Provence,France)生产的Aixplorer型实时剪切波弹性成像超声诊断仪,L4-15线阵探头,频率4-15 MHz。在成功造模后1个月、2个月和3个月三个时间点观察,对大鼠注射镇静剂,使之处于安静状态,侧卧伸出后肢,分别在收缩和舒张状态下进行剪切波弹性成像检测。2)基于超声射频信号检测腓肠肌的羽状角。i.超声系统本文采用开放式综合超声系统(Sonix RP, Ultrasonix, Canada),该系统配有主机箱(包函PIV3.0GHz的双CPU、80GB的系统硬盘、及1GB的存储器)、显示器、一张内置10位模／数转换卡(采样频率40 MHz),以及一个中心频率10 MHz的线阵超声探头(-6dB带宽5-14 MHz)。该系统采用开放式PC平台-Microsoft(?) Visual Studio(?)环境,可以同时保存超声图像、超声视频和超声射频信号。ii.超声检查与测量受试者为正常男性,坐姿,膝关节成近90度,脚着地,以脚跟为定点,踝关节背屈40度,保持不动。腓肠肌内侧头为研究对象,将超声探头沿腓肠肌纵向放置。当显示器清晰地显示出腓肠肌的羽状肌束结构时,采集超声射频信号。通过自编软件“肌肉形态分析软件",调入所采集的腓肠肌的超声射频信号,首先重建超声图像,超声信号沿纵向方向进行降采样,沿横向方向进行插值,以保证与超声设备所显示的B超图像大小一致(340×321)。本文聘请一位有经验临床超声医师对基于超声射频信号的重建图像进行手工测量,以其结果作为羽状角测量的“金标准”,然后使用本文所提出的互相关自动测量的方法进行羽状角检测,视为实验结果,最后两组数据进行比较分析。iii.仿真实验编写仿真程序,调用Field Ⅱ程序包,设计一块40mm×10mm×90mm的体模,其中100000个散射因子随机分布在体模内部。线阵超声探头为128晶振,中心频率为3MHz,系统采样频率为100MHz,然后利用Field II计算出128根反射射频信号线,图像动态显示范围压缩到40dB。腓肠肌的仿真超声结果如图1C所示,体模具有5条不同角度的仿真肌束和一条仿真肌腱膜。利用本文所提出的互相关自动测量的方法进行羽状角检测,测量值与仿真设计时的理论值进行比较,分析本文所提出的方法的有效性。实验结果1)基于超声剪切波弹性成像检测腓肠肌的肌肉剪切模量实验检测了健康与肌肉痉挛两种大鼠,从B型图上可以看到正常大鼠的肌肉结构纹理清晰,肌肉萎缩大鼠的肌肉结构纹理发生不同程度的紊乱,同时由于大鼠脊髓受伤,肌肉发生萎缩,肌肉层变薄,尤其是腓肠肌。实验结果表明正常大鼠左后肢腓肠肌在收缩状态的剪切模量值为(37.64±7.70kPa)大于舒张状态剪切模量值(14.42±3.76kPa),肌肉痉挛组的大鼠的左后肢腓肠肌在造模后2个月检查,其收缩状态下剪切模量值(90.78+15.54 kPa)大于舒张状态剪切模量值(42.42±6.56 kPa)。2)基于超声射频信号检测腓肠肌的羽状角。利用互相关自动测量方法可准确测量出体膜中仿真肌束羽状角,其测量值的均值与理论值之间的差异小于1。。利用互相关自动测量方法与手工测量方法分别获得腓肠肌羽状角20.48°±0.47°与21.20°+0.63。,两种方法的变异系数CV值均小于3%,均方根误差均小于1。。Bland-Altman差值法分析结果表明两种方法的一致性良好。研究结论一初步结果显示supersonic剪切波弹性成像可以有效地检测大鼠肌肉萎缩。结果与之前肖沪生等检测肱二头肌结果一致。本实验将进一步应用到A型肉毒素对恢复肌痉挛的的作用研究中。超声影像技术已越来越多地用于肌肉的定量评价,所获取肌肉横截面积、肌肉厚度、羽状角和肌纤维长等肌肉结构化参数,对评估肌肉功能的变化,以及对肌肉运动康复训练都有着重要的指导意义。然而,这些肌肉结构化参数的测量目前大多是手工标注测量的,面对大量的肌肉超声图像,这样测量工作费时费力,自动测量方法的研究具有现实意义。目前报道的腓肠肌羽状角检测方法大多是基于超声灰度图像,通过对超声图像进行处理分析,自动获得肌肉的结构参数,取得了良好的效果。如前所述超声灰度图像是超声射频信号经过多种处理得到的,其目的是为了使图像更清楚好看,但毕竟丢失了一部分信息,而超声射频信号保留了组织的原始信息,充分利用这些信息可以得到更多的细节。然而,这种基于超声射频信号的互相关自动测量方法也具有局限性,例如对于连续性不好的肌肉纤维,虽然依靠小段肌束也可确定肌束方向,对羽状角的计算影响不大,但在计算肌束长度时会产生较大误差,因为肌束长度可定义为肌束从浅层肌腱膜到深层肌腱膜的长度。今后的研究可基于本文结果,尝试利用先验知识增大搜索范围,将断开的纤维连接起来搜索,以期获得更准确的肌束长度。针对目前的研究状况,本文证实剪切波弹性成像可以及时检测由于肌肉痉挛造成的硬度变化,并且提出一种基于超声射频信号的互相关自动追踪肌束方向并测量羽状角的算法,通过仿真数据和人体数据检验了该算法的可重复性和与手工测量方法的一致性。本方法在较严重的噪声情况下仍可准确的跟踪腓肠肌的肌束走向,自动测量腓肠肌的羽状角。在此研究的基础上可进一步改善以自动测量肌肉厚度和肌束长度等参数。总之,通过超声影像中的新技术可以提高肌肉检测的正确率,为人们预防与治疗疾病带来更多便利。