Page 79 - 《应用声学》2021年第1期

第 40 卷 第 1 期 刘瑞雪等： 受力腓肠肌剪切波速度的超声检测 75

本文主要理论研究肌肉组织弹性特性与超声
0 引言 传播的关系，基于低频振动激励剪切波的超声弹性

成像法进行受力肌肉组织的参量研究，研究离体牛
骨骼肌是人体姿态保持及实施运动机能的重
腓肠肌在不同方向上受力不同时的剪切波传播速
要器官，受神经系统的控制进行收缩或伸张运动，完
度，探讨肌肉组织受力大小及剪切波传播方向对剪
成姿态控制及运动功能 [1] 。肌肉组织的健康状态直
切波速度的影响。
接关系到人体姿态、体育运动等生活和生产活动，与
人类的健康生活关系极大。 1 软组织的超声弹性测量
不同个体的肌肉发生功能改变或病变时的收
缩舒张运动会呈现出不同的弹性特征，通过测量肌 剪切波在生物组织中横波 (剪切波)C s 的传播
肉组织的弹性参量可以对肌肉组织运动机能进行 速度 [10−11] 如下：
评估 [2] 。弹性模量作为一种反映物体弹性变形难易 C s = √ µ/ρ, (1)
程度的物理量，表征肌肉组织的弹性特性，可以较为
式(1)中，µ为剪切模量，ρ 为组织的密度。剪切模量
准确地反映组织的力学功能状态 [3] 。
µ与体积模量K 的关系为
2010 年，Shinohara 等 [4] 对肌肉组织放松和收
缩状态的弹性参量进行研究，基于声辐射力法定 K = 2µ(1 + ν)/3(1 − 2ν), (2)
量测量正常肌肉组织的弹性参量，结果表明肌肉收 式 (2) 中的 ν 为材料的泊松比。剪切模量 µ 与杨氏
缩状态的杨氏模量大于放松状态。2011 年，温朝阳 模量E 的关系为
等 [2] 对 141 例健康男性的肱二头肌采用剪切波弹
E = 2µ(1 + ν). (3)
性成像法，对其放松和紧张状态时的杨氏模量进行
测量，进一步说明非疲劳状态下的肌肉组织，其收缩 不同弹性的生物组织的剪切模量 µ 不同，在其
强度与肌肉的弹性参量相关。2013 年，Eby 等 [5] 研 中传播的剪切波传播速度也不同。由于肌肉是非均
究了肌肉组织在受力作用下弹性参量的变化，通过 匀结构的连续介质，剪切波传播速度与剪切波在肌
对猪肱二头肌进行实时剪切波弹性成像，发现肌肉 肉中传播方向、肌肉水分含量等因素有关 [9] 。
弹性参量的测量数值随肌肉组织受力的增加而增 根据产生剪切波方法的不同，超声剪切波弹性
加。2014 年，Nakamura 等 [6] 利用测力计和超声弹 检测方法可以分为：组织内部的周期运动产生剪切
性成像技术对腓肠肌肌腹进行实验，对其进行静态 波的静态压缩激励法 [12] ，组织外部施加低频振动产
的渐变拉伸，结果表明肌肉在静态拉伸后弹性模量 生剪切波的低频振动激励法 [13] ，以及聚焦超声的声
辐射力在组织中激励剪切波的声辐射力激励法 [11] 。
小于拉伸前。同年，Yangisawa 等 [7] 利用测力计和
本文采用低频振动法产生剪切波，通过剪切波
压缩型弹性成像对肱二头肌在机体运动前、运动结
的传播速度，反演组织不同受力情况与剪切波速度
束时刻、运动结束 30 min 后进行检测，发现肌肉的
的关系。
应变率呈现先降低再上升的趋势，而肌肉的弹性参
量则先上升再降低。这些研究关注了肌肉组织在运
2 实验研究
动状态中的弹性参量以及肌肉组织整体的弹性变
化。2016年，Li 等 [8] 对各向同性软材料中的弹性切 利用低频振动器，在离体肌肉组织上施加振动，
伦科夫效应进行研究时，基于声辐射力测量不同肌 在肌肉组织中产生剪切波，通过超声高速成像，分别
肉组织不同方向的剪切模量，结果表明，肱二头肌的 在平行于肌纤维和垂直于肌纤维的方向上采集剪
各向异性强于腓肠肌且形变对横波速度有显著的 切波传播图像，反演肌肉组织的弹性特性，研究肌
影响。2018 年，Liu 等 [9] 研究横波弹性成像间接测 肉组织在受不同大小力时的组织弹性及各向异性
量被动肌力的可行性，同时探讨肌肉质量和扫描角 特征。
度对被动肌力的影响。结果表明，肌肉质量对肌肉 选择牛龄 3 年的陕西关中黄牛离体腓肠肌为
E-F 线性关系无显著影响，而 E-F 线性关系随扫描 研究样品，高速成像由Verasonics超声系统实现，
角的增大而不成比例地减小。 高速采样帧率为 10000 帧/s，振动器为 Mini-Shaker