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为解决现有非侵入性技术难以准确测量骨骼肌等各向异性组织力学特性的问题，研究人员开展了利用角度分辨超声弹性成像方法量化肌肉拉伸和剪切弹性及各向异性的研究。结果发现骨骼肌具有各向异性，且该方法对组织力学变化敏感。这为临床应用带来希望。
在人体的众多组成部分中，骨骼肌可谓是至关重要的一员，它约占人体质量的 40%，不仅在运动、维持姿势、呼吸以及基础代谢等方面发挥着关键作用，还如同精密的 “动力工厂”，为人体活动提供不可或缺的动力支持 。骨骼肌的机械强度和独特的结构布局，源自其内部错综复杂的交联蛋白网络，像胶原蛋白和弹性蛋白纤维等，它们镶嵌在水合基质中，赋予了肌肉强大的力量和弹性。从早期发育开始，肌肉组织就受到各种物理约束，这些约束引导着应力和应变沿着特定方向分布，进而形成了肌肉纤维独特的排列方式，使得肌肉具有方向依赖性的机械特性，也就是各向异性。
然而，长期以来，肌肉的各向异性这一重要特性却未得到充分的研究，主要原因在于缺乏有效的测量技术，无论是在体内还是体外研究中，都面临着诸多挑战。在肌肉弹性方面，它与肌肉的机电力学和结构紧密相连，在人体运动过程中，随着肌肉的收缩和舒张，弹性也会动态变化 。准确捕捉这些特性对于深入理解肌肉功能，以及肌肉在使用、废用、受伤和患神经肌肉疾病时的适应性变化至关重要。不仅如此，精确表征肌肉的动态机械特性，还能为组织工程提供关键的指导，帮助设计出更符合人体需求的生物材料。
在过去十年里，超声剪切波弹性成像（SWE）成为了软组织生物力学表征的重要非侵入性技术。但传统的 SWE 基于一些假设，在测量骨骼肌这类横向各向同性组织时存在局限性，无法直接测量拉伸弹性（杨氏模量），也难以准确评估肌肉的各向异性。为了突破这些困境，来自国外研究机构的研究人员开展了一项重要研究。
研究人员运用创新的角度分辨超声弹性成像方法，对 14 名健康年轻成年人的肱二头肌在被动和主动轴向加载条件下的力学特性进行了全面深入的研究。他们通过精确测量，揭示了肌肉纤维方向和垂直于纤维方向的剪切和拉伸力学行为差异。研究发现，沿主要纤维方向的拉伸和剪切模量是解耦的，而跨肌肉纤维测量时，模量比始终保持在 3.4 ± 0.2，与轴向加载条件和强度无关。同时，研究还表明，随着肌肉轴向生理加载的增加，剪切和拉伸各向异性都会增强，这充分证明了该方法对各向异性组织力学变化的高度敏感性。
为了开展这项研究，研究人员采用了一系列关键技术方法。在样本选择上，招募了 14 名健康参与者，排除了有神经肌肉疾病或损伤病史的个体。在实验过程中，运用超声引导推波束方法，结合定制的 MATLAB 脚本，精确控制超声探头的位置和角度，采集不同加载条件下的超声数据。通过特定的算法分析数据，计算出肌肉的各种弹性参数和各向异性指标。
在研究结果方面，研究人员详细分析了骨骼肌在轴向拉伸和等长收缩过程中的力学特性。发现随着拉伸强度和等长收缩强度的增加，沿肌肉纤维的剪切模量和弹性参数非线性增加，而跨肌肉纤维的剪切模量在轴向被动拉伸时相对稳定，在等长收缩时仅有少量增加。在肌肉杨氏模量和剪切模量的变化研究中，发现沿肌肉纤维的杨氏模量在轴向加载时大幅增加，跨肌肉纤维的杨氏模量增加较少。并且，跨肌肉纤维的杨氏模量和剪切模量之间存在很强的相关性，沿肌肉纤维的杨氏模量和剪切模量的比值则取决于轴向加载的类型和强度。此外，研究还对体内骨骼肌的拉伸和剪切各向异性进行了精确估计，发现两者都随被动轴向拉伸增加，且在不同加载条件下，剪切和拉伸各向异性的差异显著，它们之间存在中度到强的相关性。
在结论和讨论部分，该研究首次全面地对人体骨骼肌力学进行了体内表征，证实了骨骼肌是高度各向异性的软组织，并揭示了在生理加载条件下剪切和拉伸弹性之间的复杂关系。研究还发现跨肌肉纤维的拉伸弹性与剪切弹性成正比，为相关理论模型提供了实验依据。同时，研究强调了标准化机械加载条件的重要性，因为拉伸和剪切各向异性都依赖于轴向机械加载。此外，研究还指出，该研究成果对于理解肌肉功能、评估肌肉损伤风险以及在临床应用和组织工程领域都具有重要意义。例如，在临床方面，有助于更准确地诊断和监测神经肌肉疾病；在组织工程中，为设计更接近天然肌肉特性的生物材料提供了关键参考。虽然研究存在一些局限性，如未考虑非线性弹性和粘度效应等，但这也为后续研究指明了方向。总体而言，这项研究为深入了解人体骨骼肌的力学特性开辟了新的道路，在生命科学和健康医学领域具有重要的推动作用，相关成果发表在《Acta Biomaterialia》上，为该领域的进一步研究奠定了坚实基础。
