人體中的骨骼肌,是一種很難使用普通軟組織的楊氏模量去描述其生物力學特征的器官,因為骨骼肌是一種既可被動運動,又可以主動運動的器官。造成這種獨特物理現象的基礎就是由骨骼肌纖維平行排列構成的肌細胞。這些肌細胞長且細,可以被激動並主動收縮。收縮的結果導致肌纖維被縮短,整個肌肉會變硬。
我們熟悉的肌電圖僅僅在皮膚表麵,通過記錄肌肉電活動來記錄這種物理變化,是無法精確測量肌肉生物力學特征的。而傳統的超聲灰階圖、核磁成像以解剖學為基礎,僅能粗略地通過肌肉形態的變化來評估肌肉收縮。
肌肉的粘彈性已經被人們公認為是一種有效描述肌肉生物力學特征的物理量,然而其測量方法一直被局限在實驗室裏,無法被人們廣泛使用。
1981年,Fung等人,使用標準的Voigt’s 模體,描述了肌肉的粘彈性(粘性+彈性)特征,其公式如下,並受到廣泛認可:
其中μ為剪切模量(彈性),η為粘度(粘性),σ為施加的壓力。
2004年,Chen等人基於此公式,將剪切波的傳播方式設定為平行和垂直肌纖維兩個方向,每個傳播方向上的剪切波的速度可以表達為以下公式:
從此,不同切麵傳播的剪切波速度Vφ(ω)就與剪切模量(彈性)μ和粘度(粘性)η就緊密聯係在了一起。
上世紀末,科學家首次使用以剪切波為基礎的MRE(magnetic resonance elastography)技術測量到了肌肉的粘彈性,但那時,人們並沒有意識到肌肉的各向異性。隨著相關研究的深入,2005年,Papazoglou等人又利用MRE首次確認了肌肉的各向異性確實存在,即平行於肌纖維,肌肉粘彈性最大,垂直於肌纖維,肌肉粘彈性最小,造成這種現象的原因是:剪切波會沿著肌纖維傳播,不會沿著但是但是受到成本和掃查時間等限製,核磁的這項技術一直沒能在臨床展開。
法國聲科影像的E-成像(SWE™)技術在人體內利用馬赫圓錐原理和分層聚焦原理,首次快速在肌肉內大量產生剪切波,並且其能量ISPTA 僅為266 mW/cm2,遠遠小於FDA推薦的720 mW/cm2,完美地解決了以往單點超聲聚焦產生剪切波時的能量過大問題。
同時,利用20000 HZ每秒的圖像采集幀頻、3GB/S的數據計算速度,法國聲科影像旗下的超聲成像儀器以毫秒為單位,迅速采集並計算出剪切波的傳播速度,形成了一幅與二維灰階圖像貼合的二維彩色硬度圖像,完美解決了肌肉收縮過程中的剪切波信號追蹤和記錄的問題。
2009年,素以嚴格著稱的美國FDA總局,將合格證頒發給法國聲科影像的E-成像(SWE™)技術,這是超聲首次在剪切波產生、采集、測量中獲得 的權威機構認可。
不僅如此,由於聲科影像儀器的剪切波即時速度數值(Cs,單位m/s)真實、可靠,由3 ρCs2計算出的楊氏模量值(單位kPa)也被FDA授權通過,成為軟組織硬度測量的標杆。
綜上所述,在肌肉的粘彈性評估中,剪切波速度測量的準確性起到至關重要的作用,它直接影響著粘彈性評估的可行性、重複性和有效性,是目前物理學界公認的肌肉粘彈性評估的基礎。而聲科影像的E-成像(SWE™),第一次向使用者同時顯示了二維圖像中的的剪切波即時速度和楊氏模量值(kPa),使肌肉粘彈性的評估,更加無創、迅速、精準!真正把肌肉粘彈性測量帶入了“E時代!”