基于低通道数三维超声系统的在体肌肉弹性与背向散射张量成像研究

《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》：In-vivo muscle characterization by 3D Elastic and Backscatter Tensor Imaging using a low channel count system

本研究针对传统三维超快超声成像系统通道数多、成本高、难以临床转化的问题，开发了一种仅需128通道的低成本矩阵阵列探头系统，成功整合了三维弹性张量成像（3D-ETI）和三维背向散射张量成像（3D-BTI）。研究人员在各项异性体模和人体肱二头肌上验证了该系统的可行性，实现了对肌肉收缩过程中刚度变化（剪切波速度SWV从3.2±0.20 m/s增至6.6±0.58 m/s，弹性分数各向异性EFA从0.26±0.04增至0.49±0.07）和微观结构（纤维取向与相干分数各向异性CFA保持稳定在0.27±0.05）的同步动态量化。该技术为肌肉骨骼疾病和心肌病变的无创诊断与疗效评估提供了新型临床工具。

　　

在生物医学工程领域，对肌肉等软组织进行无创、精准的功能与结构表征一直是研究的重点和难点。骨骼肌、心肌等组织具有复杂的各向异性结构，其力学特性（如刚度）和微观结构（如纤维排列）会随着生理状态（如收缩、病变）发生动态变化。传统超声剪切波弹性成像（Shear Wave Elastography, SWE）技术已在临床用于评估肝脏硬度、乳腺肿块等，但在表征各向异性组织时面临挑战：通常需要旋转探头进行多次二维测量，过程耗时且易因定位误差导致结果不准。此外，能够实现三维力学特性测量的超快超声成像系统通常需要1024个独立通道驱动32x32的矩阵探头，系统复杂、成本高昂，极大地限制了其临床推广应用。

为了解决这些瓶颈，由Touka Meki、Olivier Pedreira等人组成的研究团队在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》上发表了一项创新研究。他们成功开发了一套基于低通道数（128通道）的临床可转化超声系统，将三维弹性张量成像（3D Elastic Tensor Imaging, 3D-ETI）和三维背向散射张量成像（3D Backscatter Tensor Imaging, 3D-BTI）技术融为一体，旨在实现对各项异性软组织的三维力学性能和微观结构进行同步、无创、实时的定量测绘。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术：1）定制化的128元素矩阵阵列探头与128通道超声研究系统（Vantage 128），工作中心频率为2.5 MHz；2）三维弹性张量成像（3D-ETI）技术，通过声辐射力在组织中激发剪切波，并利用发散波进行三维超快成像（体积速率达2475 volumes/s）以追踪波传播，继而基于Christoffel方程反演得到平行（SWV_∥）和垂直（SWV_?）于纤维方向的剪切波速度及弹性分数各向异性（EFA）；3）三维背向散射张量成像（3D-BTI）技术，通过发射81个不同角度的平面波并进行相干复合，在每个体素处计算二维空间相干性函数，通过椭圆拟合确定纤维取向（θ₀）和相干分数各向异性（CFA）。研究在各项异性聚乙烯醇（PVA）体模、尼龙线仿纤维体模以及4名健康志愿者（3女1男，年龄27.5±2.8岁）的肱二头肌上进行了验证，志愿者在肘关节屈曲90°姿势下，通过手持重量（0-3.5 kg）实现不同水平的肌肉收缩。

III. 结果

A. 3D ETI of Transverse isotropic elastic phantom

在各项异性PVA体模实验中，剪切波传播呈现椭圆形，证实了材料的各向异性。3D-ETI测得的平行于拉伸方向的剪切波速度（SWV_∥）随拉伸程度增加而显著升高（从2.91±0.20 m/s增至7.17±0.79 m/s），而垂直于拉伸方向的SWV_?仅轻微增加（从2.27±0.12 m/s到2.84±0.19 m/s）。与商用二维超声弹性成像系统（Aixplorer）的测量结果相比，3D-ETI的结果具有良好的一致性（平行和垂直方向速度的平均差异分别为0.46 m/s和0.30 m/s）。

B. 3D-BTI of fibrous phantom

在尼龙线仿纤维体模中，3D-BTI计算出的二维空间相干性函数呈现明显的椭球形。通过椭圆拟合得到的纤维取向与尼龙线实际摆放角度的参考值高度吻合，平均差异仅为3.77°（4.37%），证明了3D-BTI在识别纤维取向方面的准确性。

C. Biceps Brachii

1) 3D-ETI

在体实验中，3D-ETI成功捕捉到肱二头肌在不同收缩水平下剪切波的三维传播。随着手持重量的增加，平行于肌纤维方向的SWV_∥显著上升（志愿者#1：从2.54±0.53 m/s增至8.04±2.15 m/s），而垂直于纤维方向的SWV_?仅轻微增加（从1.89±0.31 m/s到2.81±0.72 m/s）。这与商用二维系统的测量趋势一致，两者在SWV_∥和SWV_?上的平均差异分别为0.55 m/s（9.50%）和0.82 m/s（28.83%）。对所有志愿者的数据平均后显示，SWV_∥从3.21±0.45 m/s增至6.48±1.44 m/s，SWV_?从2.07±0.18 m/s增至2.74±0.37 m/s。弹性分数各向异性（EFA）随收缩显著增加，从0.27±0.10升至0.49±0.17，反映了肌肉收缩时刚度的方向依赖性增强。个体内重复性测量显示平均变异为10.87%。

2) 3D-BTI

3D-BTI生成的纤维跟踪体积显示，在肌肉收缩过程中，肌纤维的宏观排列方向（θ₀）保持稳定。相干分数各向异性（CFA）在所有志愿者和不同收缩水平下均保持相对恒定（0.28±0.16）。三维B模式图像显示了肱二头肌在收缩时的增厚现象（从12mm到20mm），但微观结构取向未发生明显改变。

通过比较3D-ETI和3D-BTI对纤维方向的估计值，发现两者具有良好的一致性，平均差异为8.36°。这进一步验证了两种模态在表征组织各向异性方面的互补性和可靠性。

IV. 讨论与结论

本研究成功开发并验证了一种基于低通道数（128通道）矩阵探头的混合成像系统，它能够同步实现三维弹性张量成像（3D-ETI）和三维背向散射张量成像（3D-BTI），为各向异性软组织的功能和结构表征提供了强大的临床转化工具。该系统显著降低了传统三维超快超声成像的复杂度和成本。

研究结果表明，3D-ETI能够动态量化肌肉收缩过程中的刚度变化，特别是平行于纤维方向的剪切波速度（SWV_∥）显著增加，而弹性分数各向异性（EFA）的升高则反映了肌肉收缩的功能状态。相比之下，3D-BTI所揭示的纤维微观结构排列（由相干分数各向异性CFA表征）在收缩过程中保持稳定。这两种模态提供了互补的信息：EFA更侧重于反映组织的功能状态（如收缩能力），而CFA则更倾向于表征其固有的微观结构组成（如细胞外基质和结缔组织的特性）。

该技术的潜在应用前景广阔。EFA可用于诊断与肌肉收缩功能相关的疾病，如杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy）、术后肌肉状态评估或肌肉疲劳分析。而CFA则可能更适用于识别与纤维排列紊乱相关的病症，如炎症性肌病。将这两种参数结合，可以在不同肌肉收缩状态下对肌肉活动进行全面的实时监测，这对于肌肉疾病的诊断和治疗效果随访至关重要。

当然，本研究也存在一些局限性，如样本量较小且均为健康志愿者，研究仅针对单羽状肌（肱二头肌）等。未来的研究将扩大样本量，并探索该技术在其他各向异性组织（如心脏）中的应用。尽管探头阵元间距较大限制了B模式成像的视野，且目前3D-SWS图生成需要多次激发（约7秒），但通过优化探头设计（如使用256通道）和减少激发次数，这些限制有望得到克服。

总之，这项研究标志着在临床环境中无创、实时、三维定量绘制软组织弹性和微观结构的技术取得了重要进展，为肌肉骨骼系统乃至心脏疾病的精准诊疗开辟了新的途径。