SWE技术在脊柱疾病中的应用与研究进展

Application and Research Progress of SWE Technology in Spinal Diseases

摘要: 脊柱疾病一直是医学界备受关注的领域，其中包括脊柱侧凸、骨折和椎间盘突出等多种疾病。传统影像技术在脊柱疾病的诊断和治疗中发挥着重要作用，然而其对于组织弹性特性的捕捉能力有限。近年来，剪切波超声弹性成像(Shear Wave Elastography, SWE)技术作为一种新兴的医学影像技术，因其能够提供组织弹性信息和对组织微观结构的敏感性而备受关注。在脊柱领域，这项技术可能为我们提供更加全面的诊断信息，并且对于指导手术和监测治疗效果也具有参考价值。因此，本综述旨在通过对剪切波弹性成像技术在脊柱疾病中的应用和进展进行综合分析，探讨其在脊柱疾病领域的作用。

Abstract: Spinal disorders have long been an area of concern in the medical community, including conditions as diverse as scoliosis, fractures, and disc herniations. Traditional imaging techniques play an important role in the diagnosis and treatment of spinal diseases, but their ability to capture tissue elastic features is limited. In recent years, shear wave elastography (SWE), as a new medical imaging technology, has attracted much attention because of its sensitivity to tissue elastic information and tissue microstructure. In the field of spinal diseases, this technology can provide us with more comprehensive diagnostic information and can also be useful for guiding surgery and monitoring outcomes. Therefore, this review aims to discuss the role of shear-wave elastography in the field of spinal diseases through a comprehensive analysis of its application and progress in spinal diseases.

1. 前言

随着人口老龄化的到来，脊柱疾病作为老年患者多发病，其中包括脊柱侧凸、椎间盘突出、脊柱骨折、颈椎病、椎旁肌损伤等诸多疾病。患者往往出现颈肩痛、腰背部疼痛、腰腿痛、四肢疼痛、麻木等症状，难以缓解，甚至出现行走困难及瘫痪。对于这些脊柱疾病，传统的影像学方法往往包括X线、CT、MRI等，往往着重于椎体、附件、椎间盘、脊髓神经等改变，这些属于脊柱的静态力学观测，而对于椎旁肌及韧带等这些动态力学观测往往忽视[1]-[3]。限于椎旁肌的无创检测技术条件不足，目前尚缺乏能客观反映椎旁肌生物力学特性的可靠指标[4]-[6]。近年来以剪切波超声弹性成像(Shear Wave Elastography, SWE)技术为主要代表的超声影像技术逐渐广泛应用于肌肉功能学的评估[7]。剪切波弹性成像(SWE)是一种无创、定量和实时的软组织刚度成像，被认为比压缩超声弹性成像更具客观性和可重复性。SWE使用声辐射力脉冲产生垂直于声束传播的剪切波，引起瞬态位移[8]。每个像素点处的剪切波速与剪切弹性模量(刚度)直接相关，而剪切弹性模量是组织弹性的绝对度量[9] [10]。SWE是量化肌肉僵硬变化的有效方法[11]。最近的研究表明，SWE可以有效地测量松弛和收缩状态下肌肉的僵硬度[12]。随着SWE技术在脊柱方面的不断应用，现已不仅局限在椎旁肌及韧带的观察，且对于椎间盘、脊柱侧弯、颈椎病、手术前后的脊柱结构评估均取得较大的成就。本综述主要阐述SWE技术的基本原理，分析SWE技术在脊柱疾病的预防和治疗中的优势，并对近年来SWE技术在脊柱疾病中的应用及发展进行概述。

2. SWE技术概述

2.1. SWE技术的基本原理

SWE技术的基本原理为使用超声探头发射多点声辐射力脉冲在组织不同深度聚焦产生横向剪切波，利用“马赫锥”原理，通过定量分析系统可计反映组织内剪切波传播速度的物理量——杨氏模量值。杨氏模量与剪切波传播速度间的关系为：E = 3ρc2 (E为杨氏模量；ρ为组织密度；c为剪切波传播速度) [13]。软组织僵硬度越大，组织密度越大，剪切波传播速度就越快，杨氏模量值就越高[13] [14]。SWE基于对组织所受应力后变形程度的测量，获取肌肉的弹性模量值。SWE能够定量、动态评估具体某块肌肉弹性值的变化，通过评估肌肉的弹性特征，可以获取各种状态下静态肌肉硬度、动态肌肉硬度和主动收缩时肌肉硬度的变化，用以评估肌肉的功能学变化[11]。

2.2. SWE技术在脊柱疾病中相较传统影像技术的优势

在脊柱疾病的诊疗过程中，传统的影像技术主要包括X线、CT、MRI等。它们主要从形态学方面进行观察，对于特定解剖结构进行细微分析，但在疾病预测、实时监测、精准测量等方面存在不足。X线对于特定的解剖结构难以显影，如椎间盘、脊髓神经等，CT是临床中常用的检测方式，不仅评价的客观性较高，而且检查时间短，简单便捷，重复性好[15]，对椎间盘、椎体、神经显影好，但是其也存在辐射暴露风险，且对于椎旁肌的评估精确度低[16]。MRI成像相对比较全面，也可用于评价椎旁肌，但操作复杂、价格昂贵、无法即时反馈，且在椎旁肌观测上，需要沿肌肉边缘划定感兴趣区域，这往往存在一定的主观性从而会造成结果的差异，因为对于肌肉成分的微小变化肉眼不能进行清晰的分辨[17]，对于脂肪浸润率的微观变化MRI成像也无法进行定量测量[18]。并且X线、CT、MRI均无法准确定量出肌肉功能的变化。SWE技术可以实时、定量监测椎旁肌的弹性模量值，其弹性模量值可以客观可靠地反映椎旁肌的功能变化[19]。作为较为新颖的测量技术，可以提供定量的组织弹性数据，可精确测量组织硬度，便于疾病的分级与监测，可实时监测、即时反馈。近年来SWE技术在脊柱方面不断应用，现已不仅局限在椎旁肌及韧带的观察，且对于椎间盘退变、神经受压、脊柱侧弯等方面均取得较大的进展，在脊柱疾病的预测、预防方面具有显著优势。

3. SWE技术在脊柱疾病中的研究进展

3.1. 体内外观测椎间盘退变

SWE技术可以用于测量椎间盘(IVD)的弹性特性，帮助评估其健康状况以及可能存在的退行性变化。剪切波超声弹性成像是一种较新颖的测量技术，通过测量剪切波传播速度(SWS)来评估软组织的弹性模量。Vergari等[14]选择体外观测方法来验证SWS可用于评估IVD力学性能。通过对牛尾IVD进行压缩测试，最终得出SWE可用于评估体外椎间盘刚度的测量，且可重复性好。此项研究证实了SWE技术在椎间盘中应用的可靠性，为SWE技术研究椎间盘退变提供了基础。验证体外评估椎间盘可行性后，很多学者开始评估体内IVD力学性能及退变程度。Galinie等[20]验证了SWE技术可用于评估无症状年轻人的纤维环，观察患者椎间盘情况，尤其指出在BMI < 24 kg/m²的受试者中可信程度高，而在BMI > 24 kg/m² (超重)的受试者中，测量具有不确定性。该技术可以深入了解椎间盘的微观结构和机械性能，可用于椎间盘病变的早期检测或随访。而通过对纤维环进行测量，评估IVD的退变程度，对于我们动态监测患者脊柱的退变提供了便利。Vergari等[21]则进一步验证了IVD横波弹性成像的可行性和可靠性。成人颈椎间盘既往测量显示，平均SWS为(3.0 ± 0.4) m/s；年轻人的SWS (22~30岁为(3.3 ± 0.3) m/s)高于老年人(50岁以上为(2.7 ± 0.3) m/s)。Vergari的研究中，儿童腰椎间盘产生了相似的平均值(2.9 ± 0.5) m/s，虽然标准偏差表明儿童腰椎IVD的受试者间变异性更高，但两个人群的极值相似。

3.2. 辅助诊断脊柱侧弯

SWE技术可用于测量脊柱侧凸患者的纤维环，对脊柱侧凸的诊断提供参考。SWE技术可用于无创测量纤维环体内剪切波速度(SWS)，这是一个与纤维环力学性能相关的参数。Langlais等[22]指出特发性脊柱侧弯患者纤维环僵硬度较健康人更大，椎间盘受累更明显。然而，现在对于脊柱侧凸的评估并不仅局限在纤维环的力学变化上。既往研究指出，青少年特发性脊柱侧凸(AIS)所致的脊柱畸形可诱发肋骨畸形，这种骨骼畸形会对胸壁肌肉(包括肋间肌)产生直接影响，导致严重病例的个体呼吸障碍[23]。Pietton [24]等将SWE技术用于测量健康儿童和AIS儿童的肋间肌剪切波速度。他们指出两组在呼吸暂停期间的SWS均显著高于正常呼吸(p < 0.01)。在呼吸暂停或正常呼吸方面，两组之间未观察到显著差异。无论是健康个体还是脊柱侧凸的患者，SWE技术在其生物力学评估是可行的。由此可见，SWE技术可作为脊柱侧凸诊断的重要辅助手段。此外，SWE技术也能对于脊柱侧弯术后恢复情况及手术预后提供参考。对于神经肌肉性脊柱侧弯(NMS)，非融合手术(FBF)后对于椎间盘硬度没有既定的标准。Gaume等[25]纳入了19例进行FBF手术的NMS患者，使用SWE技术评估非融合固定术(FBF)后腰椎间盘的机械反应，并与健康对照组进行比较。分别测量L3/L4、L4/L5和L5/S1的椎间盘纤维环的横波速度(SWS)，在健康受试者中，平均SWS (所有椎间盘水平合并)为(7.5 ± 2.6) m/s。在NMS患者中，SWS显著高于(9.9 ± 1.4) m/s (p < 0.05)。研究表明，接受FBF治疗的NMS患者在治疗后腰椎间盘硬度显著增加，从而可以判断脊柱侧弯固定的疗效及预后情况。SWE技术可成为评估脊柱硬度方面的有效辅助手段。

3.3. 测量椎旁肌刚度

剪切波弹性成像(SWE)技术可以精确测量椎旁肌及韧带的弹性特征，从而通过评估椎旁肌的僵硬度来判断脊柱疾病的严重程度并预测疾病的发生与进展。椎旁肌肉在脊柱疾病的发生与发展中扮演着至关重要的角色，某些关键椎旁肌对于脊柱稳定性及病理状态的影响尤为显著。例如，脊柱最内侧的多裂肌，作为附着面积最大的椎旁肌，负责控制脊柱节段间的旋转运动与剪切力，对脊柱的核心稳定性起着重要作用[3]。多裂肌不仅参与脊柱三轴运动，维持节段稳定和正常生理曲度，还能够调节各椎体间负荷与压力的均匀分布。随着多裂肌的退变，其收缩力量下降，可能导致脊柱力学紊乱，从而引发脊柱不稳定和其他相关疾病。因此，椎旁肌的结构与功能评估对于研究脊柱退变及脊柱失稳具有重要意义。Moreau等[26]对10名健康个体进行SWE测量，评估了L2-L3和L4-L5右侧多裂肌的弹性模量，并验证了该技术在被动伸展与静息姿势下的可重复性和可靠性。研究发现，SWE技术能够有效测量腰椎多裂肌的弹性模量，并且这种测量方法可以方便地应用于临床常规检测。此外，Sadeghi等[27]使用SWE技术对健康个体在不同姿势下的多裂肌刚度进行评估。研究考虑了三种姿势：俯卧、坐起和抬起右臂坐起，分析了剪切模量的变化及其可重复性。结果显示，腰椎多裂肌在不同姿势下的刚度显著变化，从俯卧(16.15 kPa)到坐起(27.28 kPa)，再到右臂抬起、坐起(45.02 kPa)，证明了姿势对肌肉刚度的显著影响。Masaki等[28]进一步研究了腰竖脊肌和腰多裂肌在不同体位下的弹性模量变化。研究表明，腰竖脊肌在屈曲–侧屈位时的刚度显著高于静息、屈曲或屈曲–旋转位。而腰多裂肌在屈曲、屈曲–侧屈和屈曲–旋转位的刚度相似，然而在静息位时显著降低。这表明，腰竖脊肌在侧屈位时拉伸效果更为显著，而腰多裂肌则在躯干屈曲位置受到更有效的拉伸。长期处于侧屈、屈曲等体位时，腰多裂肌和竖脊肌的牵拉将导致肌肉僵硬度增加，进而可能引发腰椎及椎旁肌的相关疾病。此外，脊柱区域的肌肉刚度对于维持脊髓功能至关重要，可能与多种脊髓肌肉骨骼疾病的发生密切相关。然而，尽管有这些发现，现有研究的样本量相对较小，尚无法得出不同姿势下腰椎肌肉刚度的普遍结论。为了解决这一问题，Ma等[29]使用SWE技术和组织超声触诊系统(TUPS)对64名健康个体的胸部和腰椎区域进行背部肌肉刚度测量。结果显示，在L4水平，背部肌肉的僵硬度在胸部和腰椎区域最大(p < 0.05)。另外，研究还发现男性的背部肌肉刚度在躺下和站立姿势下均明显大于女性(p < 0.03)，且站立姿势的SWE刚度明显大于平躺姿势(p < 0.001)。这表明，腰椎旁肌的僵硬度受体位及性别差异影响较大，这一发现可为未来脊柱侧弯、腰痛等患者的研究提供参考。Koppenhaver等[30]对120名无症状个体进行了腰椎旁肌的僵硬度测量，并使用方差分析(ANOVA)对性别、肌肉状况进行了统计比较。结果表明，竖脊肌的静息剪切模量约为4 kPa，而腰椎多裂肌的静息剪切模量约为6 kPa。剪切模量在肌肉收缩过程中显著增加，且根据性别、BMI和活动水平的不同，椎旁肌的僵硬度呈现显著差异。男性和更活跃的个体通常椎旁肌的僵硬度更高，而老年男性、BMI较高及长期活动较大的人群更容易出现腰椎旁肌的损伤而导致脊柱疾病的发生。在使用SWE技术与MRI成像技术评估2型和3型脊髓性肌萎缩症(SMA)患者的一项研究中，Karacabey [31]等指出，在上肢肌肉中，病程较长的患者肱三头肌SWE值最高(r = 0.67, p = 0.003)。在下肢肌肉中，髂腰肌的SWE值显着高于臀大肌(p < 0.001)，且SWE值与椎旁肌肉的MRI评分呈正相关(r = 0.49, p = 0.045; r = 0.67, p = 0.003)。由此证明SWE技术是一种替代的无创实用方法，可用于评估SMA患者的各项肌肉受累程度，更好地了解节段性受累的发病机制。椎旁肌在脊柱稳定性中起着至关重要的作用，但脊柱筋膜的作用同样不可忽视。Creze等[32]在研究中指出，胸腰筋膜(TLF)和竖脊肌腱膜(ESA)在脊柱的生物力学中扮演着重要角色，它们可能是引发腰痛的潜在源头。胸腰筋膜通过包裹和支撑脊柱相关肌肉，尤其是椎旁肌，对脊柱的稳定性具有重要影响。因此，脊柱筋膜的变化或损伤可能在一定程度上影响脊柱的力学性能，导致脊柱失稳和相关疾病的发生。Blain等[33]教授进一步研究了胸腰筋膜与椎旁肌的关系，认为胸腰筋膜封装腰椎旁肌(LPM)，并通过这种封装创建了腰椎旁肌隔室(PMC)。他们提出，通过拉伸背阔肌以张紧胸腰筋膜可能会增加PMC内的刚度，从而影响脊柱的稳定性。为了验证这一假设，Blain等使用SWE技术在俯卧位和原位测量了多裂肌和竖脊肌的刚度，并得出了可行性结论。在进一步的实验中，当背阔肌被拉伸时，研究发现腰椎旁肌的SWE值显著增加，这表明胸腰筋膜的张力变化确实会影响腰椎旁肌的僵硬度。通过统计分析，Blain等发现，竖脊肌的SWE测量可靠性明显高于多裂肌，而坐位的SWE测量可靠性也高于静息位。此外，他们还观察到，竖脊肌的刚度显著高于多裂肌，而在坐位时，竖脊肌的刚度较静息位更为显著。值得注意的是，尽管背阔肌拉伸可以改变胸腰筋膜的张力，但并未导致腰椎旁肌刚度的显著变化，这表明脊柱筋膜和椎旁肌之间的相互作用需要更为细致的分析。

为了更好地评估SWE技术在脊柱疾病中的实际应用，我们团队进行了小规模的临床试验，采用回顾性研究的方法，收集自2022年1月至2023年2月在我院微创经椎间孔腰椎间融合术(MIS-TLIF)与经椎间孔腰椎间融合术(TLIF)治疗的单节段腰椎管狭窄症患者61例，其中MIS-TLIF组31例，TLIF组30例。使用SWE技术分别测量术前、术后1周、术后3个月的手术部位腰椎多裂肌弹性模量值。SWE弹性模量组内对比：MIS-TLIF组术前、术后1周、术后3个月差异显著(p < 0.05)，其中术后1周明显低于术前(p < 0.05)，术后3个月的弹性模量水平明显低于术前和术后1周；TLIF组术前、术后1周、术后3个月的弹性模量对比差异具有统计学意义(p < 0.05)，其中术后1周的弹性模量明显低于术前(p < 0.05)，术后3个月的弹性模量水平明显低于术前(p < 0.05)，术后1周和术后3个月的弹性模量对比无明显差异(p > 0.05)。SWE弹性模量值组间对比：术前与术后1周，两组无差异(p > 0.05)；术后3个月，MIS-TLIF组明显低于TLIF组(p < 0.05)。在此试验中我们认为SWE技术可无创、实时、定量评估腰椎多裂肌功能，而SWE弹性模量值表明MIS-TLIF与TLIF在治疗单节段腰椎管狭窄症患者中，MIS-TLIF对腰椎多裂肌损伤更小，功能恢复更好，故SWE技术可以为腰椎退行性疾病患者的诊治方案制定、临床疗效评估和术后康复训练提供参考。综上所述，SWE是评估腰椎旁肌刚度的可靠工具，椎旁肌及脊柱筋膜对脊柱稳定有着不可替代的作用，但脊柱筋膜在脊柱疾病的发生发展中极易被忽视，将SWE技术运用于脊柱筋膜层面的研究未来可能成为热点。

3.4. 评估脊柱韧带结构与功能

SWE技术提供了一种新方式，可以无创和定量地评估脊柱韧带的功能负荷和刚度。腰椎的棘间韧带和棘上韧带在维持脊柱稳定方面发挥着重要作用，但目前对其动态生物力学知之甚少。Yancey等[34]使用SWE技术测量了尸体躯干、离体韧带和健康志愿者在腰椎屈曲与伸直时棘间/棘上韧带复合体的长度，获得了剪切波速度测量值。他们认为，尸体的棘上/棘间韧带复合体在腰椎(23%~43%)和胸椎(0%~50%)的平均剪切波速度增加，这对应腰椎(19%~63%)和胸椎(3%~8%)从伸展到屈曲的棘突间距离的同趋势增加。而健康个体显示腰椎(L2~L3为195%)和胸椎(T10~T11为31%)从伸展到屈曲的剪切波速度增加，对应腰椎(L2~L3为93%)和胸椎(T10~T11为11%)从伸展到屈曲的棘突间距离同趋势增加。由此可见，在腰椎屈曲时，棘间/棘上韧带的SWE数值更高，韧带的功能负荷及刚度更大。相较传统的影像技术来说，SWE可以作为一种非侵入性技术来量化韧带的结构与功能，并为实时和动态评估韧带负荷提供了可能。

3.5. 评估脊柱手术疗效和预后

SWE技术可对手术前后脊柱稳定性与神经受压程度进行评估，从而对手术患者疗效、预后提供参考价值。Burulday等[35]使用B型超声、SE和SWE技术，对接受了单侧脊柱减压手术的腰椎间盘突出症患者进行观察，比较他们术前和术后两侧坐骨神经受累情况。结果显示，与非患侧相比，患侧坐骨神经的横截面积(CSA)、直径、SWE值显著升高。尽管如此，患侧坐骨神经的CSA、直径和SWE值均在手术后有所下降，但在非患侧并没有明显差异。由此可见，腰椎减压手术可降低患者坐骨神经的直径、CSA和僵硬度。

4. SWE技术的不足

尽管剪切波弹性成像技术(SWE)在脊柱疾病的诊断中展现了广泛的应用潜力，但仍存在一些不足之处。首先，SWE技术的精确度高度依赖于操作者的经验和技术水平。操作人员经验不足或技术不熟练，可能导致数据采集的准确性下降，进而影响结果的可靠性。因此，操作者培训和标准化操作流程的建立显得尤为重要。其次，脊柱的解剖结构复杂，涵盖椎体、椎间盘、脊髓神经、韧带和椎旁肌[36]等多种组织。由于这些结构在空间上的位置和性质差异，SWE技术在精准分析这些脊柱结构时面临较大的挑战。此外，脊柱大部分由骨性结构组成，而骨组织的超声传播特性与软组织存在显著差异，这使得SWE在骨性结构弹性成像方面的应用受到限制。再者，由于超声检查的特性，患者的体位变化和呼吸运动对结果可能产生较大影响，容易导致运动伪影和数据偏倚[37] [38]。尽管SWE技术在软组织成像、动态力学观察和脊柱疾病的预测方面显示出一定优势。然而，受限于操作难度、对体位和呼吸运动的敏感性、深部组织穿透力不足等因素，SWE技术在目前仍难以取代传统影像学检查来作为常规辅助检查的手段。

5. 展望

SWE技术作为一种先进的超声检查技术，通过测量特定区域内剪切波传播速度来评估组织的弹性及硬度。其既往常规应用在肝脏、乳腺、心血管、肿瘤、肌肉等疾病方面[39]-[43]，近年来随着研究的深入，在脊柱疾病领域的应用也越来越广泛。如对于椎间盘退变的评估、脊柱侧凸、脊柱畸形的测量、脊柱手术前后组织硬度的对比、术后康复及手术疗效的评估、骨质疏松、脊椎骨折患者的组织硬度差异等等问题取得重大的突破，对脊柱疾病预测、诊断、治疗、手术指导、手术方式选择、治疗成效带来了极大的帮助和参考价值[44]-[47]。随着SWE技术的不断发展，未来可能出现3D-SWE技术[48]，能极大减轻人为因素、技术层面、结果偏倚上的干扰，从而使SWE技术更精确便捷地应用于脊柱疾病中，发挥巨大的临床推动作用，帮助临床医生解决实际问题，甚至成为脊椎疾病领域新的辅助检查手段。

基金项目

湖南省教育厅科学研究项目(项目编号：21C0041)。

NOTES

^*通讯作者。