利用雙向剪切波成像技術可視化成像人體骨骼肌機械各向異性特性

  

利用雙向剪切波成像技術可視化成像人體骨骼肌機械各向異性特性

徐國瑄、陳培煜、Xiaoning Jiang、黃執中

 

       超音波剪切波彈性成像（US shear wave elasticity imaging，SWEI）是一項成熟的技術，用於評估各向同性組織的彈性特性，然而，對於肌肉和肌腱等各向異性組織，SWEI無法正確診斷其彈性，原因在於剪切波速度（shear wave velocity，SWV）會隨著組織纖維方向的不同而變化，近年來，研究人員開始通過旋轉探頭的方式來測量肌肉的異向性特性，然而這種方法在臨床應用上存在一定困難。

 

        為了解決這一問題，本研究提出了一種新穎的雙向剪切波成像（dual-direction shear wave imaging，DDSWI）技術，該技術能夠在不需要旋轉探頭的情況下可視化肌肉的機械各向異性，該方法利用一個特殊設計的外部振動器和超音速推動波束來創建縱向和橫向的剪切波，然後使用超快速超音波成像來追踪SWV，最終，在同一掃描截面獲得兩個方向的SWV圖像，並以每個像素的兩者之間的比率表示為各向異性。

 

利用雙向剪切波成像技術可視化成像人體骨骼肌機械各向異性特性圖1

 

        為了驗證DDSWI的性能，首先使用一個標準仿體進行實驗。實驗結果顯示，DDSWI在SWV測量中表現出高精度和低偏差，其SWV測量的精度為0.81%，偏差低於3.88%。這些結果表明DDSWI是一種可靠的技術，能夠準確測量剪切波的速度。

 

利用雙向剪切波成像技術可視化成像人體骨骼肌機械各向異性特性圖2

 

        接著，進行了人體實驗，研究目標是人體腓腸肌和肱二頭肌，透過DDSWI技術，成功地對這些肌肉的各向異性特性進行了評估，結果顯示，腓腸肌和肱二頭肌的各向異性比率分別為1.54和2.27，這些比率反映了肌肉內部纖維方向的差異，這項研究的結果突顯了DDSWI技術在臨床應用中的潛力，通過使用DDSWI，臨床醫生能夠在實時且準確的情況下評估肌肉和肌腱組織的各向異性特性，這對於診斷和監測肌肉骨骼系統疾病以及評估治療效果具有重要意義。

 

利用雙向剪切波成像技術可視化成像人體骨骼肌機械各向異性特性圖3

 

        未來，進一步的研究可以擴展DDSWI技術的應用範圍，例如探索其在其他各向異性組織（如韌帶和腱鞘）中的應用，以及進一步的臨床試驗用以驗證DDSWI在不同疾病和臨床場景中的可行性和有效性。總之，DDSWI技術為評估肌肉和肌腱組織的各向異性特性提供了一種新的方法。它能夠準確且實時地評估組織內部纖維方向的差異，對於臨床診斷和治療具有重要價值。相信隨著進一步研究和臨床應用的推進，DDSWI技術將在醫學領域發揮更大的作用。

 

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參考文獻

 

  1. G.-X. Xu et al., “Visualization of Human Skeletal Muscle Mechanical Anisotropy by Using Dual-Direction Shear Wave Imaging,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 69, no. 9, pp. 2745-2754, 2022.
  2. J. Bercoff, M. Tanter and M. Fink, "Supersonic shear imaging: A new technique for soft tissue elasticity mapping", IEEE Trans. Ultrasonics Ferroelect. Freq. Control, vol. 51, no. 4, pp. 396-409, Apr. 2004.
  3. P.-Y. Chen et al., "High-Resolution shear wave imaging of the human cornea using dual-element transducer", Sensors, vol. 18, no. 12, 2018.
  4. F.-Y. Lay et al., "Ex vivo evaluation of mouse brain elasticity using high-resolution ultrasound elastography", IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 66, no. 12, pp. 3426-3435, Dec. 2019.
  5. Y.-Y. Hsiao et al., "Characterization of extensor digitorum communis tendon using high frequency ultrasound shear wave elastography", Med. Phys., vol. 47, no. 2, pp. 1610-1618, 2020.
  6. P.-Y. Chen et al., "Evaluation of hand tendon elastic properties during rehabilitation through high-frequency ultrasound shear elastography", IEEE Trans. Ultrasonics Ferroelect. Freq. Control, vol. 68, no. 8, pp. 2716-2726, Aug. 2021.

 

作者資訊

1.徐國瑄 成功大學生物醫學工程學系研究所博士候選人 P88101508@gs.ncku.edu.tw

2.陳培煜 成功大學生物醫學工程學系研究所博士後研究員 payyi.chen@gmail.com

3.Xiaoning Jiang 北卡羅萊納州立大學特聘教授 xjiang5@ncsu.edu

4.黃執中  成功大學生物醫學工程學系研究所特聘教授 cchuang@mail.ncku.edu.tw

姓名

單位

職稱

1

徐國瑄

P88101508@gs.ncku.edu.tw

成功大學生物醫學工程學系研究所

博士候選人

2

陳培煜

payyi.chen@gmail.com

成功大學生物醫學工程學系研究所

博士後研究員

3

Xiaoning Jiang

xjiang5@ncsu.edu

北卡羅萊納州立大學

特聘教授

4

黃執中

cchuang@mail.ncku.edu.tw

成功大學生物醫學工程學系研究所

特聘教授