超声剪切波弹性成像及多模态成像技术分析足底跖腱膜的解剖结构特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0175

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (11): 1756-1761.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0175

• 骨与关节图像与影像 bone and joint imaging • 上一篇下一篇

超声剪切波弹性成像及多模态成像技术分析足底跖腱膜的解剖结构特征

栗平，王兴国，王东海，郭芳芳，武丹妮

内蒙古医科大学第二附属医院功能科，内蒙古自治区呼和浩特市 010030

出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-18
作者简介:栗平，女，1970年生，内蒙古自治区呼和浩特市人，2001年内蒙古医科大学毕业，硕士，主任医师，主要从事超声影像医学方面的研究。
基金资助:
内蒙古自然科学基金项目(2016MS08138)：应用超声/双模态成像技术建立足底跖腱膜解剖结构参数并探讨与跖腱膜炎的相关性；内蒙古自治区科技计划项目(NJZC12676)：实时超声剪切波弹性成像/CT多模态成像技术对足底跖腱膜生物力学结构参数的研究及临床应用；国家自然科学基金项目(H2710)：右归饮对绝经后骨质疏松症骨髓间充质干细胞影响的分子机制实验研究

Real-time shear wave elastography and multimodal imaging for analyzing anatomical features of foot plantar fascia

Li Ping, Wang Xing-guo, Wang Dong-hai, Guo Fang-fang, Wu Dan-ni

Department of Function, Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Online:2018-04-18 Published:2018-04-18
About author:Li Ping, Master, Chief physician, Department of Function, Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Inner Mongolia, No. 2016MS08138; the Science and Technology Plan Project of Inner Mongolia Autonomous Region, No. NJZC12676; the National Natural Science Foundation of China, No. H2710.

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

足底跖腱膜：是起自跟骨结节止于5个跖骨头及近节趾骨基底呈扇形分布的纤维腱性组织，其能够全面地显著增大足底韧带张力，具有承载足底负荷、改变骨骼转动角度及分布跖骨间应力的作用，是维持足弓、缓冲震荡、保护足底肌肉、肌腱和关节的最重要的足底支撑结构。

人体足弓：通过足底韧带、足底腱膜、肌腱及关节囊等软组织结构维持足弓的弹性和稳定性，其具有耐压、耐磨和富有弹性等特点，足弓是社会与环境各方面相互作用的结果，人体在静态条件下足弓形态无明显差异，但当负重后足弓的形变量降低到不能够缓冲足底腱膜水平牵拉力时则会产生足跟痛症状，跟痛症的发生率日益提高，60%-80%的成人有患病史，跟痛症也是患者到骨科门诊就医的主要原因之一。

摘要

背景：临床25%-35%的跟痛症多为足底腱膜炎所致，过去的研究主要集中于扁平足、跟骨骨刺生长导致的足底腱膜炎性跟痛症，而对于足底腱膜炎的其他原因在大样本的系统研究中未见报道。

目的：通过应用实时剪切波弹性成像、CT扫描、X射线等多模态成像技术，确定正常二维超声标准平面足底跖腱膜的解剖部位与厚度，实现对非负重位至负重位状态下足底跖腱膜弹性与足弓角变化的相关性研究，并探讨足底筋膜炎与跖腱膜弹性和足弓角的相关性。

方法：选择健康对照组50例(双足)，临床足底筋膜炎病例组100例(单足)，2组均采用X射线、CT扫描获取非负重位状态至负重位状态下的足弓角，确定足底跖腱膜解剖部位，应用二维超声、实时剪切波弹性成像技术获取足底跖腱膜的厚度及弹性模量值。

结果与结论：①健康对照组从非负重位至负重位弓顶角改变值为(16.4±4.5)°，病例组从非负重位至负重位弓顶角改变值为(10.5±3.5)°，2组足弓角变化差异有显著性意义(P < 0.01)；②健康对照组足底筋膜厚度(2.4±0.3)mm明显小于病例组足底筋膜厚度(3.5±0.9)mm，健康对照组足底筋膜弹性模量(30.1±1.3)kPa明显大于病例组足底筋膜弹性模量(9.1±1.2)kPa，2组足底筋膜厚度与弹性模量值比较差异有显著性意义(P < 0.01)；③综上，实时剪切波弹性成像结合CT成像、X射线等多模态成像技术能够从多个方面实现对足底跖腱膜形态和弹性特征的研究；足弓角变化与足底跖腱膜弹性密切相关，足底跖腱膜弹性减低可能是导致非负重位至负重位状态足弓角改变值减小的原因之一；足底跖腱膜弹性减低可能是导致足底筋膜炎性跟痛症的原因之一。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-0841-3112(栗平)

关键词: 剪切波弹性成像, 足弓角, 骨科植入物, 足底跖腱膜, 足底筋膜炎, 跟痛症, 多模态成像, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: In the clinic, 25%-35% heel pain is mostly caused by plantar fasciitis. Previous studies mainly focused on plantar fasciitis with heel pain caused by flat foot and the growth of calcaneus bone spur. There are no reports on other reasons for plantar fasciitis in large-sample studies.

OBJECTIVE: Using the real-time shear wave elastography, CT scan and X-ray, the anatomic site and thickness of normal two-dimensional ultrasound standard flat plantar aponeurosis were identified to analyze the relationship between plantar elastic characteristics and plantar arch angle from non-weight-bearing to weight-bearing position so as to explore the correlation of plantar fasciitis with plantar elastics and plantar arch angle.

METHODS: Fifty healthy volunteers (feet) were selected as the healthy control group. 100 cases of plantar fasciitis (one foot) were selected as the case group. Plantar arch angle from non-weight-bearing to weight-bearing position was obtained using X-ray and CT scan to identify anatomic site of plantar aponeurosis in both groups. Two-dimensional ultrasound and real-time shear wave elastography were utilized to obtain thickness and elastic modulus of plantar aponeurosis.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) From non-weight-bearing to weight-bearing, arch angle change value was (16.4±4.5)° in the healthy control group and (10.5±3.5)° in the case group. Significant differences in arch angle change were detected between the two groups (P < 0.01). (2) Thickness of plantar fascia was obviously smaller in the healthy control group (2.4±0.3) mm than in the case group (3.5±0.9) mm. Elastic modulus of plantar fascia was obviously larger in the healthy control group (30.1±1.3) kPa than in the case group (9.1±1.2) kPa. Thickness of plantar fascia and elastic modulus of plantar fascia were significantly different between the two groups (P < 0.01). (3) In summary, real-time shear wave elastography combined with CT and X-ray images can investigate the morphological and elastic characteristics of the plantar aponeurosis from many aspects. Arch angle change is strongly associated with elastic modulus of plantar fascia. The decreased elastic modulus of plantar fascia is possibly one of the reasons for arch angle change from non-weight-bearing to weight-bearing conditions, and is probably one of reasons for plantar fasciitis with heel pain.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Fasciitis, Plantar, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

栗平，王兴国，王东海，郭芳芳，武丹妮. 超声剪切波弹性成像及多模态成像技术分析足底跖腱膜的解剖结构特征[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(11): 1756-1761.

Li Ping, Wang Xing-guo, Wang Dong-hai, Guo Fang-fang, Wu Dan-ni. Real-time shear wave elastography and multimodal imaging for analyzing anatomical features of foot plantar fascia [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1756-1761.

图/表（结果） 2

2.1 参与者数量分析 按意向性处理，病例组纳入足底筋膜炎患者100例(单足)，健康对照组选择健康志愿者50例(双足)，全部进入结果分析，无脱落。

试验流程图见图1。

2.3 非负重位与负重位状态足弓角的比较 2组足弓角在非负重位与负重位状态下的结果显示见表2及图2。非负重位状态下健康对照组足弓角大于病例组，健康对照组从非负重位时至负重位时足弓角改变为(26.4±4.5)°，病例组从非负重位时至负重位时足弓角改变为(13.5±3.5)°，病例组足弓角度改变值明显低于健康对照组(P=0.001)。说明足部从非负重至负重状态，病例组与对照组的足弓角改变值差异有显著性意义。

2.4 足底跖腱膜超声探头位置及CT断层图像、二维超声、SWE成像结果 见图3，4。

X射线、CT断层、图像处理技术精确定位足底跖腱膜的PF1、PF2解剖结构部位，并通过足底矢状面和横断面二维超声，SWE成像测定PF1、PF2足底跖腱膜弹性模量值。健康对照组二维超声显示的足底跖腱膜未见异常回声，PF1点、PF2点两个位置的弹性模量差异无显著性意义(P=0.131)；病例组足底筋膜炎患者二维超声显示跖腱膜增厚、回声减低，PF1点处弹性模量值低于PF2点处的弹性模量值(P=0.000)。2组PF1点、PF2点弹性模量值比较见表3，本研究足底跖腱膜弹性以PF1段为参考。

2.5 健康志愿者与足底筋膜炎患者的可变因素比较 足底筋膜炎病例组足底筋膜厚度明显大于健康对照组，弹性模量值明显小于健康对照组，2组跖腱膜厚度和弹性模量值比较有显著差异性意义(P < 0.01)，见表4。

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引言

正常人体足弓是一个极其复杂的三维立体“弹性结构体”，足是通过其特殊的“弹性结构体”以其非常精细的连续运动方式完成其异常复杂的功能，其弹性和稳定性主要是通过足底韧带、足底腱膜、肌腱及周围关节囊等软组织维持。足底腱膜是维持足纤维腱性弓形的主要结构，其中足底跖腱膜是起自跟骨结节止于5个跖骨头及近节趾骨基底呈扇形分布的纤维腱性组织，其能够全面地显著增大足底韧带张力，具有承载足底负荷、改变骨骼转动角度及分布跖骨间应力的作用，是维持足弓、缓冲震荡、保护足底肌肉、肌腱和关节的最重要的足底筋膜结构。

随着老龄化的发展以及体育健身运动的普及，跟痛症的发生率日益提高，60%-80%的成人有患病史，跟痛症也是患者到骨科门诊就医的主要原因之一。综述国内外文献足底筋膜炎是由于人类长期行走、站立、跑跳等动作导致足底腱膜起点的劳损进而发生退行性改变性疾病，是引起跟痛症最常见的原因之一^[1-6]。足底筋膜炎狭义上又称跟跖腱膜炎、足底腱膜炎、足跖腱膜炎。目前许多学者认为临床上导致足底筋膜炎发病的根本原因是足的生物力学机制异常，有研究者推测引起足底筋膜病变的本质原因在于负重后足弓的形变弹性应力出现了异常。还有研究者证明扁平足在步态周期中跖腱膜承受的交变应力比正常组大，容易发生过劳性损伤^[7]。另有研究者报道足弓力学性能的改变与足底软组织在不同静态和动态下压缩变形、应力应变相关，特别是在跟骨下方和跖骨头下方的弹性改变直接影响足的活动功能^[8]。

近年来随着实时超声剪切波弹性成像技术(shear wave elastography，SWE)在临床中的广泛应用，其能够在二维超声基础上直接定量评估足底筋膜弹性，是一种无创性快速、准确评价软组织硬度的技术，其能够客观地评价足底筋膜生物力学特点，反映足底筋膜形变的吸收应力。文章是通过应用SWE结合CT成像、X射线等多模态成像技术从多个方面研究足底跖腱膜形态结构，探索足底跖腱膜的弹性特性，评估其在维持足弓稳定性所起的力学作用，并为足底筋膜炎的预防、诊断和治疗提供理论依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 病例-对照试验。

1.2 时间及地点 于2014年3月至2016年12月在内蒙古医科大学第二附属医院功能科完成。

1.3 对象 病例组均选自2014至2016年在内蒙古医科大学第二附属医院确诊为足底筋膜炎的患者100例(单足)，病程4周以上，其中男42例，女58例。选择健康志愿者50例(双足)，其中男18例，女32例。本研究经过医院伦理委员会通过，所有患者和志愿者同时签署知情同意书。2组患者一般资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)。

1.3.1 纳入标准

病例组：足底筋膜炎患者纳入标准：①压痛点局限于跟骨前下结节及跖腱膜附着处，其他部位无压痛；②晨起疼痛明显或休息一段时间后负重时疼痛加重；③疼痛持续时间超过4周；④目测类比评分4-10分；⑤患者没有经过皮质激素注射或冲击波治疗及手术治疗；⑥X射线证实无跟骨骨刺。

健康对照组：①既往无跟痛症病史及足踝部手术史；②跖腱膜跟骨附着处无跟骨骨刺；③无系统性炎性病变，如风湿性关节炎、脊柱关节病变，无高血脂、糖尿病等；④进行超声检查前1周避免进行长期的站立、行走和体育活动。

1.3.2 排除标准已接受过其他相关治疗，可能影响本研究效果指标观测者，如足部骨折、脱位及半脱位及肌肉、韧带结构严重损伤的患者；足部损伤、感染性、骨关节畸形、严重骨质疏松的患者；全身性疾病，如风湿性关节炎、痛风、强直性脊柱炎病等。

1.4 方法

1.4.1 足弓角的测量所有研究对象常规足侧位及负重位照射DR，分别测量常规足侧位和负重位状态下的足弓角，观察足弓角变化，并将常规足侧位和负重位状态下的足弓角变化做统计学分析。

1.4.2 CT扫描、三维重建同组研究对象行足部螺旋CT扫描，电压120 kV，层厚0.625 mm，矩阵为512×512，将原始.dicom格式数据导入Mimics Innovation Suite 16.0软件，通过Mimics 14.1的3种不同断面(水平面、冠状面、矢状面)进行图像配准，定义足底腱膜的几何边界，确定足底跖腱膜的起始部(PF1)、中央部(PF2)。

1.4.3 二维超声及SWE成像 2组研究对象采用法国Supersonic公司的AixPlore型实时定量SWE超声诊断仪，选择L5-12线阵探头，受检者取俯卧位，膝关节屈曲90°，踝关节中立位，先行二维灰阶及彩色多普勒常规超声扫查，观察足底跖腱膜内部纤维结构回声，再启动SWE成像模式依次沿足底跖腱膜PF1、PF2部位矢状面和冠状面记录组织弹性图，并启用Q-BOX定量分析系统，二维超声和弹性成像图像同时显示，仪器自动计算所测部位的弹性模量值。

1.5 主要观察指标 通过分析足底跖腱膜厚度、弹性模量值及足弓角度，观察足弓角在负重和非负重状态下的变化及足底跖腱膜弹性与足弓角的变化规律。

1.6 统计学分析 数据采用SPSS 13.0统计软件进行分析，数据结果以x(_)±s表示，计量资料经正态性检验及方差齐性检验，将病例组和健康对照组足底跖腱膜厚度、弹性模量值及足弓角度进行t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

跖腱膜是维持足弓稳定性最重要的足底支撑结构，它能够全面、显著地增大底韧带张力载荷、改变多个骨骼转动角度及跖骨间应力分布，同时也为足底内在肌肉提供起点，研究者发现人类在正常站立和行走时足所承受的力为体质量的2.0倍多^[9-10]，而在一系列步态中跖腱膜由松弛到紧张状态交替变换，整个足着地时其张力由开始增大变减小，在足趾背伸离地瞬间达最大值，瞬间跖腱膜处于最高紧张状态，尤其在跟骨结节内侧突起点处其承受最大的牵拉力。当有跖腱膜先天、后天或手术造成的形态和功能发生异常时，均可导致足部不适而发生步态异常^[11-13]。Crary等^[14-16]通过试验发现，对足部施加负荷，首先对抗形变的是跖腱膜，还有研究认为跖腱膜的紧张可以抬高足弓，也使跖腱膜的起点受到牵拉，这种反复的牵拉及伴随年龄的增长因素，加之长期承受超生理限度的应力，在跖腱膜的起点容易造成轻微的撕裂伤致其退变纤维化，长期复积的损伤则会引发更多足底筋膜病变^[17-19]。

在过去国内外的临床研究报道中，主要争论集中于扁平足、跟骨骨刺生长导致足底筋膜炎发生的跟痛症^[20-22]。国内吴立军等^[23-24]通过生物力学和有限元分析法，证明低平足弓在步态周期中足底腱膜承受的应力较正常足弓应力大，因此说扁平足更易发生足底筋膜炎，但研究中没有提及临床无症状型扁平足和足弓形态正常者跟痛症发病的机制。在张立宁等^[25]的研究中发现约50%跟痛症患者存在跟骨骨刺，但同时有许多跟骨骨刺者并没有跟痛症。王昌海等^[26]研发发现43.75%单足跟痛症患者双足均有骨刺，41.67%跟痛症患者双足均无骨刺，而单纯有症状的跟骨骨刺者仅占6.25%，因此认为骨刺不是导致跟痛症的主要原因。有学者通过局部解剖发现跟骨骨刺常发生在跟骨结节内侧突向前突出部，跟痛症的疼痛部位与足底筋膜炎的好发部位重叠，通过病理发现跟骨结节跖筋膜起始部结构致密正是查体时最常发现的压痛点，因此认为足底筋膜炎是导致跟痛症的主要原因^[27]。在跟痛症患者中，约50%的患者有跟骨骨刺，但许多有跟骨骨刺的人并不一定有足跟痛。国内研究者吕厚山等^[28]对跟痛症患者通过测量跟骨骨刺长度、足底腱膜厚度、骨刺外形后发现：跟痛症与跟骨骨刺大小、方向及形状无关，而与足跟软组织炎症有关。

足底筋膜是人体与足底支持的直接接触和相互作用的足底软组织结构，这就决定它需要具备耐压，耐磨和富有弹性等特点，当足底筋膜发生病变时，会引起自身弹性的改变，当组织发生病变时会引起组织自身弹性的改变，生物组织的弹性与病变的生物学特性紧密相关，发生在足底筋膜弹性减弱时直接影响到足的生理活动。SWE是近年来出现的无创性评价软组织硬度的新技术^[29]。超声弹性成像最早于1991年由Ophir等提出，一直为医学影像领域研究的重点，其能够精确测定组织硬度的弹性模量值，弹性模量是评估肌肉肌腱弹性特征的定量参数。在诊断软组织病变方面相当有效，它将软组织的病变检测从定性判断提高到定量诊断，已有相关的临床实验验证了其准确性。Jenkyn等^[30]采用MRI研究肌肉弹性随肌肉收缩而改变的结果与SWE结果相似，说明SWE可探测到骨骼肌松弛和紧张状态下杨弹性模量值的差异，近期Nordez等^[31]研究发现随着肱二头肌张力的增加，肱二头肌肌腹的弹性模量值也随之增加。温朝阳等^[32]也研究证实肌肉处于等长等张收缩状态时，其弹性模量值较松弛状态时明显增加。

由于弹性是人体组织的重要物理特性之一，其内部弹性模量的分布与病灶的生物学特性密切相关，因此SWE技术可突破解剖结构显像的局限性，成为传统成像方式的重要补充，其应用已不断深入至临床各科^[33-43]。超声作为评价筋膜和肌肉的无创方法，其早期对足底筋膜炎二维超声显示并不敏感，而SWE技术测得其弹性模量已经早期已发生了改变。对于健康足底结构，在负重时足底筋膜形态将会产生形变，足弓也随之发生一定压缩形变，而当足部载荷消失时，其形态亦随之恢复。足弓角的改变代表着足弓的形变，足弓角的改变值越小说明足弓的形变量越小。本课题通过应用SWE技术对足底跖腱膜负重与非负重状态下弹性特性及足弓角改变的研究，评估跖腱膜在维持足弓稳定性所起的力学作用，研究结果证实，足底筋膜炎属于劳损性疾病，由于长期慢性的劳损，以及某些持久的站立、行走的刺激引起跖腱膜的弹性发生改变，足底筋膜炎组足底筋膜较健康志愿者增厚、回声减低，弹性模量值较健康志愿者同部位的足底筋膜低，说明足底筋膜炎患者的足底筋膜较正常足底筋膜组织软；足底筋膜炎患者的足底筋膜PF1处弹性模量值比PF2处的筋膜弹性值低，表明足底筋膜炎时PF1点处足底筋膜的硬度较周围的正常筋膜组织变软，而健康志愿者PF1与PF2点处筋膜弹性值差异无显著性意义；从非负重位至负重位状态足底筋膜炎组足弓角度改变值明显小于健康对照组，二者差异有显著性意义，说明足底筋膜炎患者的跖腱膜弹性减弱，通过足弓形变缓冲的弹性应力较健康志愿者低。而2组年龄、性别、体质量、体质量指数之间差异无显著性意义。

本研究通过采用SWE技术结合CT成像、X射线等多模态成像技术，完善了足底腱膜在负重和非负重状态下的弹性特征及在维持足弓稳定性所起的力学作用，从多方面探讨了足底腱膜弹性和足弓角度变化的规律，并进一步阐述了足底筋膜炎与足弓角度变化的发病机制，丰富了足部生物力学的临床特征，从而为足底筋膜炎的预防、诊断和治疗提供了基础理论依据，为更多难治型跖底腱膜炎患者的个性化治疗方案提供新思路。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

超声剪切波弹性成像及多模态成像技术分析足底跖腱膜的解剖结构特征

Real-time shear wave elastography and multimodal imaging for analyzing anatomical features of foot plantar fascia

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