超声波背向散射技术在肌腱定量表征中的应用

学术背景

肌腱病（tendinopathy）是一种常见的肌肉骨骼系统疾病，其特点是肌腱的微结构、组成和细胞组织发生改变，导致疼痛和功能下降。肌腱病通常由过度使用引发，可能伴随血管增生、炎症、胶原纤维紊乱等多种病理变化。虽然肌腱病的早期诊断至关重要，但现有的诊断方法主要依赖于医生的经验，缺乏定量、客观的评估手段。超声波成像技术在肌腱病的诊断中已有应用，但其依赖医生的主观判断，无法提供定量数据。因此，开发一种非侵入性、定量的诊断方法对于肌腱病的早期诊断和治疗具有重要意义。

超声波背向散射技术（ultrasound backscatter technique）是一种基于超声波信号分析的定量方法，已广泛应用于骨骼、心肌等组织的表征。研究表明，超声波背向散射参数对组织的微结构变化具有高度敏感性，因此在肌腱病的评估中具有潜在应用价值。然而，目前关于超声波背向散射参数与肌腱健康状况之间关系的研究较少，且缺乏标准化的测量方法。本研究的目的是探索超声波背向散射技术在肌腱定量表征中的可行性，并分析其与肌腱弹性及力学性能的相关性。

论文来源

本论文由来自复旦大学信息科学与技术学院生物医学工程系的Qian Zheng、Min He、Ying Li，以及上海交通大学医学院附属仁济医院超声科的Mengyao Liu、Lixin Jiang等研究人员共同完成。论文的第一作者为Qian Zheng，通讯作者为Dean Ta，其来自复旦大学附属华山医院康复医学科。论文于2025年发表在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》期刊上，题目为“Quantitative Ultrasonic Backscatter Evaluation of Elastic and Mechanical Property in a Rabbit Tendinopathy Healing Model”。

研究流程

1. 实验设计与动物模型

研究选取了66只新西兰白兔，随机分为三组：正常对照组（NC组，n=6）、模型对照组（MC组，n=30）和低强度脉冲超声波治疗组（LT组，n=30）。MC组和LT组通过注射前列腺素E2（PGE2）诱导肌腱病模型，NC组则注射等体积的PBS溶液作为对照。LT组在造模后接受低强度脉冲超声波（LIPUS）治疗，MC组则接受假超声波治疗，NC组不接受任何治疗。实验分为五个时间点（1、4、7、14和28天）进行评估，每个时间点每组6只动物。

2. 超声波剪切波弹性成像（SWE）测量

使用Aixplorer超声系统进行剪切波弹性成像，测量兔跟腱的剪切模量（shear modulus）和剪切波速度（shear wave velocity）。通过2D灰度成像评估肌腱结构，并在弹性成像模式下提取定量参数。为确保准确性，多次测量并取平均值用于后续分析。

3. 力学性能测试

在体外对肌腱样本进行力学测试，包括最大负荷（max load）、刚度（stiffness）、最大应力（max stress）和拉伸模量（tensile modulus）的测量。使用Instron 5965电子万能材料试验机进行拉伸实验，记录载荷-位移曲线并计算相关参数。

4. 超声波背向散射测量

使用自制的超声波诊断仪器进行背向散射信号采集，频率为3.5 MHz。通过体外和体内两种方式采集信号，并提取跟腱的信号感兴趣区域（signal of interest, SOI）。利用希尔伯特变换和移动平均滤波处理信号，动态定位反射波峰值并提取SOI。

5. 背向散射参数计算

计算四个背向散射参数：平均积分背向散射（average integrated backscatter, AIB）、频谱中心偏移（spectral centroid shift, SCS）、表观背向散射频率斜率（frequency slope of apparent backscatter, FSAB）和零频率截距（frequency intercept of apparent backscatter, FIAB）。这些参数反映了肌腱的微结构变化及其与弹性、力学性能的相关性。

主要结果

1. 弹性与力学参数的相关性

研究发现，剪切模量与力学参数（如最大负荷、刚度、最大应力和拉伸模量）呈正相关，其中剪切模量与拉伸模量的相关性最强（r = 0.61，p < 0.0001）。这表明超声波弹性参数能够有效表征肌腱的力学性能。

2. 体外背向散射信号评估

背向散射参数（AIB、SCS、FSAB）与剪切模量呈显著负相关，其中AIB的相关性最强（r = -0.72，p < 0.0001）。这表明这些参数能够敏感地反映肌腱的微结构变化，尤其是在肌腱损伤和修复过程中。

3. 体内背向散射信号评估

体内实验结果与体外结果一致，AIB、SCS和FSAB与剪切模量呈显著负相关。值得注意的是，AIB在体内实验中表现出更高的稳定性，能够同时表征肌腱的弹性及力学性能。

结论

本研究验证了超声波背向散射技术作为肌腱定量表征的可行性。AIB、SCS和FSAB等参数能够有效反映肌腱的微结构变化及其与弹性、力学性能的相关性。特别是AIB在体内实验中表现出稳定的评估能力，为肌腱病的非侵入性诊断提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性方法：本研究首次将超声波背向散射技术应用于肌腱的定量表征，并提出了基于多层组织模型的SOI提取方法。
2. 多参数分析：通过综合分析AIB、SCS、FSAB和FIAB等多个背向散射参数，全面评估了肌腱的微结构及其与弹性、力学性能的关系。
3. 临床应用价值：研究结果为肌腱病的早期诊断和治疗提供了定量、客观的评估手段，具有重要的临床应用价值。

其他有价值的信息

本研究的局限性在于缺乏肌腱诊断的金标准，未来研究可以进一步探索不同超声波频率对背向散射信号的影响，并优化SOI提取技术以提高准确性。此外，研究结果为进一步开发基于超声波背向散射的肌腱诊断设备提供了理论基础。

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通过本研究的详细介绍，我们可以清晰地看到超声波背向散射技术在肌腱定量表征中的巨大潜力。这一技术不仅为肌腱病的诊断提供了新的工具，也为未来的临床应用奠定了坚实的基础。