通过回波模式稳定性量化对人类跟腱进行超声组织表征

摘要

超声成像是临床环境中最常用于评估跟腱大小和结构的方法。为了更全面地评估跟腱，近年来提出并在临床研究中验证了超声组织特征分析（UTC）方法。

摘要

跟腱尺寸和结构的评估通常被纳入健康运动员及各类患者的临床管理中，以实现训练或康复方案的个性化。本文所述的跟腱结构定量分析可通过一种新近推出的系统完成，该系统具有无创、相对经济、便携、无辐射等优点，并可快速获取准确且可重复的数据。该系统采用标准超声探头，由追踪器以0.2 mm的精确步长在目标区域自动移动，采集连续的二维超声图像，随后将这些图像整合为三维数据块。测量过程简便：受试者可在10至15分钟内完成检测，并自动生成一份全面的报告。通过对四种不同回声类型的量化，可评估组织完整性；该量化方法对于跟腱病患者的诊断和预后评估具有重要价值。

引言

跟腱是肌腱病的常见部位，可引起疼痛、身体功能障碍和残疾^1,2。跟腱病是一种由过度使用引起的常见疾病，尤其多见于运动员，但在久坐人群以及患有风湿性和内分泌疾病³的患者中也较为普遍。临床上可诊断出两种不同类型的跟腱病：一种是影响跟腱中段、位于其跟骨止点上方2-7 cm处的中段肌腱病，另一种是累及跟骨近端2 cm范围内远端肌腱的止点性肌腱病⁴。其中，中段跟腱病的发生率高于止点性跟腱病^5,6，而后者通常发生于患有风湿性疾病⁷、内分泌疾病⁸的患者以及患有Haglund畸形⁹的患者中。

在评估跟腱的诊断方法中，超声检查目前是最常用的手段，但其在临床实践中的应用通常局限于对跟腱尺寸（即厚度和横截面积）的定量测量以及对跟腱结构的定性评估^10,11。此外，超声检查存在操作者间和操作者内变异性强以及采集方案缺乏标准化等问题¹²。因此，在尝试对使用不同设备和不同采集方案所获得的数据进行比较或分析时，会面临诸多挑战。

超声组织表征（Ultrasound Tissue Characterization, UTC）是一种新提出的技术，旨在量化肌腱的结构完整性，并克服传统超声方法的一些局限性¹³。该方法通过分析连续横断面超声图像中回声模式（强度和分布）的三维稳定性，实现对跟腱 超微结构排列的定量评估¹³。UTC可对肌腱完整性进行定量评价，结果以四种不同的回声类型表示。回声I型反映完整且排列有序的肌腱束；回声II型对应轻度紊乱并呈波浪状的肌腱束；回声III型主要来源于纤维状组织；回声IV型则代表主要由无定形基质构成的区域，伴有明显的小纤维丢失、细胞成分增多或液体积聚^13,14。

近期研究表明，超声组织定征（UTC）具有良好的可重复性^15,16,17,18，可用于监测精英运动员单次运动后¹⁹以及长期运动负荷下跟腱的变化²⁰，也可用于健康个体²¹和患有跟腱病的个体在接受冲击波治疗后²²，以及中段跟腱病患者^23,24的监测。此外，UTC已被证实能够检测并量化轻度的组织结构紊乱，而常规超声检查往往无法发现此类变化。事实上，Docking 等人²⁵在单侧跟腱病（中段或止点性）患者中发现，双侧跟腱均存在结构异常，支持了跟腱病具有双侧性特征的证据。我们最近在患有止点性跟腱病的银屑病关节炎患者中也发现，即使症状为单侧性，UTC分析仍能检测到双侧跟腱的结构改变²⁶。与此一致，一项近期的系统综述²⁷得出结论：UTC还可为跟腱病患者的预后提供信息——回声类型I和II百分比的下降可能先于并预测临床症状的发生。本方案的目的是描述通过UTC方法评估跟腱的操作流程。

方案

本方案遵循都灵理工大学的研究诚信指南²⁸。超声图像的采集是在经当地伦理委员会（“Comitato Etico Interaziendale”：方案编号 0001612/30/12/2021）批准的研究项目范围内进行的，受试者已签署书面知情同意书（同意参与研究及发表匿名化图像）。

1. 系统准备

注意：该系统由四个组件构成（参见材料表）：配备超声扫描软件的智能系统；分析软件；多频（5-16 MHz）192阵元线性阵列换能器，成像宽度为4 cm，标称中心频率为11 MHz；跟踪器：支架（预安装）和垫块（预安装）。

1. 换能器准备
   注意：换能器必须以横向位置安装在追踪器上，此时框架和垫块已就位（补充图 S1A）。
   1. 通过拧下追踪器下方的两个金属螺丝，将垫块从追踪器上松开，然后在垫块的上表面覆盖一层厚厚的声学耦合凝胶。将两个部件重新组装在一起。
   2. 拧下换能器固定带的两个黑色螺丝以及换能器支架底座的锁紧螺丝。将换能器插入支架底座中，并拧紧锁紧螺丝。将固定带完全下压至换能器颈部，并拧紧两个螺丝。
   3. 拆下固定换能器支架的两个黑色螺丝，调节换能器支架的高度，使其与框架和垫块之间保持（0.5 毫米至 1 毫米）的间隙，仅与声学耦合凝胶接触。
   4. 将追踪器（使用 USB 线缆）和换能器均连接至 Smart System。连接 Smart System 的电源适配器。
2. 系统启动
   1. 按下设备左上角的电源按钮，开启 Smart System，直至旋钮上出现蓝色指示灯。
      注意：将听到数声蜂鸣声。
   2. 在桌面双击超声软件图标 ，然后将 Smart System 工具栏上的超声界面最小化。
   3. 按下 ON/OFF 按钮，开启追踪器。
      注意：将听到两声蜂鸣，表示 Smart System 已成功连接追踪器：系统现已准备就绪，可进行数据采集。

2. 受试者准备

1. 让受试者以舒适的俯卧位躺下，赤脚自然下垂于检查台末端。
2. 在小腿后侧远端皮肤上涂抹足量超声耦合剂，形成较厚的一层，以确保皮肤与探头之间实现最佳接触。
3. 通过推动受试者的膝盖抵住跖骨头，被动地使其踝关节背屈（直至达到最大背屈角度）（补充图 S1B）。

3. 图像采集

1. 在智能系统上，双击分析软件图标 . 点击红色按钮 （采集）位于上方工具栏。当出现消息“Tracker 初始化完成”时，单击 好的.
2. 当采集控制窗口出现时，点击 启动美国 显示超声软件中的超声图像。
   注意：使用以下采集预设参数：穿透深度为30 mm，4个焦点，中心光束焦点位于20 mm处。保持横向和轴向像素大小均为0.0925926 mm。采集过程中，将步长（即连续切片之间的距离）设置为0.2 mm。
3. 点击 数据采集 在采集控制窗口上。当 按下追踪器上的开始按钮以启动数据采集 消息出现后，单击 好的.
4. 将追踪器垂直于跟腱长轴放置于跟骨区域。
   注意：确保在超声扫描仪屏幕上观察到跟骨，作为骨性标志用作参考点。
5. 按压 开始 点击追踪器上的按钮以开始采集。通过智能系统上的超声扫描仪屏幕全程监控扫描过程。
   注意：换能器开始自动沿追踪器从远端到近端移动，覆盖肌腱全长。到达近端位置后，经过数秒暂停，换能器返回至远端位置，同时采集肌腱的横断面灰阶图像（每0.2 mm采集1帧图像，共12 cm，总计600帧图像，耗时约45秒）。
6. 在数据采集周期结束时，单击 好的 在采集控制窗口上，然后 退出.
7. 单击分析软件菜单中屏幕左上方的横截面图以刷新屏幕并显示已获取的图像。使用以下方法将图像保存至相应文件夹 保存扫描 从“文件”下拉菜单中选择一行。

4. 图像分析

注意：可选择对已获取的图像进行分析，或通过从下拉菜单中点击“打开扫描”（OPEN SCAN）来打开先前保存的图像。文件打开可能需要数秒时间，图像将在全部四个视图中显示，可通过滚动查看实现三维断层可视化（补充图 S2）。

1. 勾画轮廓
   1. 在分析软件中，点击上方工具栏的 按钮，从定性参数集切换至定量参数集。
   2. 点击上方工具栏的 按钮以设置分析参数：窗口将打开。
   3. 勾选 CUSTOMIZED 1，并将样本窗口设为 25，然后点击 SAVE ALL SETTINGS 按钮保存设置。
      注：样本窗口设为 25 是绘制轮廓的理想选择。
   4. 关闭窗口，并点击上方工具栏的 按钮启动分析。
   5. 按下上方工具栏的 按钮，选择轮廓绘制/编辑模式，并在弹出窗口中选择 CONTOUR（补充图 S3 和 补充图 S4）。从跟骨边缘开始（通过在矢状面扫描图像中滑动），移动光标并在规则间隔处点击鼠标，以在横截面上绘制围绕肌腱的轮廓。
   6. 每隔 25 张图像绘制一个轮廓，在矢状面上移动至下一个位置，并在分析模式与超声模式之间切换。
   7. 当所有轮廓均覆盖目标区域后，再次按下上方工具栏的 按钮以关闭窗口。
   8. 通过点击 FILE 下拉菜单中的 SAVE CONTOUR 选项保存轮廓。
2. 统计分析
   1. 在分析软件中，点击上方工具栏的 按钮，启动新的分析。
      注： 按钮对应于适用于一般分析的样本窗口设置。
   2. 点击上方工具栏的 按钮，以显示包含统计数据的图表：窗口将打开。点击 CONTOUR 以显示所有已绘制及插值轮廓的统计图表（补充图 S5）。

5. 报告

注意：该程序具备报告功能。为准备用于报告的数据，必须执行一些步骤。

1. 在分析软件中，选择矢状面截面上的适当位置，然后单击上方工具栏中的 STAR 按钮，以选定参考图像的位置。
2. 单击上方工具栏中的 按钮，将图像和统计数据显示导入 PDF 编辑器。在报告的相关部分编辑内容，填入患者信息、评估日期、操作人员、选定的参考图像以及结果解读（补充文件 1）。

结果

图1 显示了正常跟腱的代表性图像。对肌腱结构的定性评估（包括纵向和横向扫描）显示回声均匀；对肌腱大小的定量评估（厚度测量的目标位置取自位置#2，对应于横向视图中肌腱最厚的部分）记录到正常厚度（4 mm）。

超声组织定征（UTC）分析显示肌腱结构正常：图1的下排图中，在三个代表性位置（近端：#1；中央：#2；远端：#3）可见大量绿色像素（对应回声类型I）。

图2 显示了病理性跟腱的代表性图像。对肌腱结构的定性评估（包括纵向和横向扫描）显示，近端区域存在中度结构改变（即上部出现一些边界清晰的低回声区），而中段和远端区域则表现为重度结构改变（即广泛存在的低回声区）。对肌腱尺寸的定量评估（厚度测量的目标位置取自位置#3，对应于横向视图中肌腱最厚的部分）记录到肌腱增厚（9 mm）。

UTC分析显示肌腱结构...

讨论

本文介绍的方法可用于评估跟腱的尺寸和结构，所用技术基于一种已开发并验证的商业化解决方案^13,14，该方案在健康和病变跟腱中均已得到验证^{14,15,16,17,18}。该技术具有多项优势：设备便携、成本相对较低，且无辐射，因此可安全地用于重复扫描。例如，若受试者在扫描过程中发生移动，或皮肤与探头之间接触不良导致产生混响伪影时，可方便地重复进行图像采集。为确保图像质量最佳且结果可重复，必须仔细考虑采集方案中的若干关键环节。首先，应特别注意避免探头与皮肤表面之间存在气泡，尤其是超声耦合剂中被困住的气泡，因其会显著降低图像质量。其次，应优先采用头尾方向的扫描方式，以便将追踪器准确放置于肌腱连接处皮肤上方，从而...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
5 – 16 MHz 线性阵列探头	Terason	16L5	"换能器" 在文稿中
uSmart 3200T 超声扫描仪	Terason	Terason TAB3	"智能系统" 在文稿中
UTC 软件	UTC Imaging	版本 1.0.0	"分析软件" 在文稿中
UTC Tracker	UTC Imaging		"Tracker" 在文稿中