孫明運(安慶師范學院體育學院 安徽安慶 246133)
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體育科研教學中肌肉影像測量技術(shù)比較①
孫明運
(安慶師范學院體育學院安徽安慶246133)
摘 要:采用比較分析法等,對肌肉形態(tài)非侵入性量化方法比較,認為肌肉形態(tài)測量方法互補,為體育科研、教學提供多種需求。 CT廉價,應用廣,但具有使人體被輻射風險;超聲波儀亦便宜,應用便捷,但精度較差、耗時較長; MRI可避免輻射,對軟組織分辨和空間定位具有較高的敏感度,可連續(xù)的進行三維掃描身體任何部位、器官,目前仍被認為是肌肉影像學中一個“金標準”,但價格昂貴。近幾年出現(xiàn)的三維超聲、全景超聲、實時超聲等新技術(shù),使得超聲技術(shù)有望進一步發(fā)展。
關(guān)鍵詞:肌肉形態(tài)CT超聲波生物電阻抗儀MRI
在人體運動中,準確測量肌肉形態(tài)對于肌肉力學機制研究非常重要,如單大卯等應用肌肉形態(tài)確定肌肉起止[1]、肌肉長度、拉力作用線和肌力臂等關(guān)鍵因素,為建立生物力學模型,定量評定肌肉功能提供了理論指導。
肌肉影像測量技術(shù)較為精確的方法主要有CT(X-ray computed tomography)、超聲波(ultrasounds)、生物電阻抗儀(bioelectrical impedance)、MRI(Magnetic Resonance imaging)[2]等 。那么,這幾種方法目前發(fā)展如何?在體育中應用如何?本文將就這些問題進行綜述,以期為肌肉影像測量技術(shù)在體育中應用提供幫助。
1.1CT技術(shù)的應用發(fā)展
40多年來,CT技術(shù)不斷發(fā)展,1985年開發(fā)滑環(huán)CT、1989年開發(fā)螺旋CT、1991年開發(fā)亞毫米掃描和雙螺旋CT、1993年開發(fā)實時掃描技術(shù)、1995年開發(fā)的亞秒技術(shù)、1998年的半秒掃描和多層面C T掃描的應用,使掃描、成像速度明顯提高,CT應用擴展到更廣泛的領(lǐng)域。隨著多層螺旋CT快速發(fā)展,使得空間分辨率和密度分辨率得到了極大的提升,CTA(CT angiography)技術(shù)得到了極大的開發(fā),在急診檢查和診斷出血性疾病方面,臨床價值日益受到重視[3];使用西門子公司128層多排螺旋CT掃描囊性腎癌的螺旋CT表現(xiàn)相對有特征性,對臨床診斷及術(shù)前準備有一定價值[4];256層iCT掃描范圍加大,時間和空間分辨率顯著提高,為周圍血管性疾病診斷和術(shù)前、術(shù)后評估提供了新的檢查方法[5]。
CT技術(shù)在脂肪、骨骼肌肉、韌帶、心肌等影像學診斷方面亦有廣泛應用。采用16層螺旋CT,黏液性脂肪肉瘤的CT平掃多為囊樣低密度影像[6];通過孔徑64cm開放式掃描機建立的女性盆底肌的三維模型,準確地獲得盆底結(jié)構(gòu)正常生理定量數(shù)據(jù)[7];128層螺旋CT在左心室功能評價方面準確可靠,與MRI之間對比差異無統(tǒng)計學意義,將在臨床應用中發(fā)揮重要的作用[8]。
但傳統(tǒng)CT對骨骼尤其骨髓及軟組織病變的診斷價值有限。雙源CT(dual-source CT)在心肌缺血的診斷等方面的應用日益廣泛,并顯示一定的臨床價值。新一代DSCT在時間分辨率、空間分辨率、信噪比及輻射劑量控制方面獲得了很大提升,加之掃描速度快,禁忌證相對較少,區(qū)分骨髓病變、肌腱韌帶病變方面具有較強的優(yōu)勢[9]。
在體育、工業(yè)、航天等領(lǐng)域,鄭秀瑗等[10]早在20世紀80年代初就應用CT測量中國人體的慣性參數(shù),之后建立了中國《成年人人體質(zhì)心》國家標準數(shù)據(jù)庫,為運動人體科學建立中國乃至亞洲人體模型提供了重要參考,為教學科研提供了理論指導。
CT掃描存在不足,除了精度外,主要是所有CT檢查對人體有一定的輻射。
1.2CT技術(shù)的前景
過去十年的發(fā)展,如今的CCT(Cardiac computed tomography,)技術(shù)在時間分辨率、空間分辨率、輻射劑量的減少方面取得很大進步,64-320排CT掃描機,可在三維視圖0.5mm分辨率下掃描整個心臟1-5個心跳時長,掃描冠狀動脈圖像僅僅需要1-3mSV(毫西弗特)(millisievert,mSv)輻射量,相比較冠狀血管造影法輻射劑量5-10 mSv大大減少[11]。
2.1超聲技術(shù)應用發(fā)展
隨著超聲技術(shù)的成熟,許多研究者利用超聲來評估神經(jīng)、肌腱、肌肉、韌帶和關(guān)節(jié)病變并指導康復治療[12]。如通過超聲探測,發(fā)現(xiàn)肌肉結(jié)構(gòu)在聲像圖上顯示為低回聲,纖維膜、筋膜和肌腱顯示為強回聲[13]。
Quantitative Ultrasound 作為一種新的測量手段,已經(jīng)逐漸被應用于腰背肌肉功能評估中[14]。定量超聲在肌肉評估中的應用主要可以分為三類:肌肉的功能性研究,人體運動分析,肌肉的硬度(彈性)測量[15]。
2.2超聲技術(shù)優(yōu)缺點
超聲與其他骨骼肌評估方法相比亦有著很多的優(yōu)勢。首先超聲是一種安全、非侵入性的、便捷、較廉價的測量肌肉形態(tài)學參數(shù)的手段。且可在肌肉靜態(tài)和動態(tài)的條件下與其他測力設(shè)備一起使用,并得出良好的肌肉組織圖像。易被患者接受。超聲可測量表層、深層肌肉。超聲儀器具有輕小、功耗低等優(yōu)點,這是MRI、CT不可比擬的,其已成功地應用于空間站,是空間站唯一的醫(yī)學影像設(shè)備,在保障航天員健康和人體生物醫(yī)學研究方面發(fā)揮了重要的作用[16]。ultrasounds技術(shù)也是目前對心肌動態(tài)影像應用最廣的方法[11]。
超聲也有局限性,如超聲受超聲探頭方向、操作者、關(guān)節(jié)角度微動等因素影響。
電阻抗斷層圖像技術(shù)( electrical impedance tomography ,EIT)不使用核素或射線,對人體無害,可以多次測量,重復使用,還可以進行三維圖象重建[17]。這種成像方法與CT、核磁共振等的形態(tài)學成像明顯區(qū)別是EIT是功能性成像[18]。
生物電阻抗技術(shù)在醫(yī)學中已有較廣泛的應用,如阻抗血流圖、人體阻抗成像、人體成分測量[19]等。也應用于腹部橫斷面結(jié)構(gòu)重建[20]等方面。
生物電阻抗技術(shù)的優(yōu)勢在于無創(chuàng)傷性檢測,甚至還能在不妨礙正常運動的情況下檢測。當然其技術(shù)也存在局限性,EIT的分辨力還有待提高[21],重建成像的精度還很難滿足肌肉等軟組織的形態(tài)學測量。
4.1MRI測量的發(fā)展
對人體而言,磁共振在臨床上已大量應用,技術(shù)性能0.5T,1T,1.5T,3T逐漸提高,成像精度越來越高。閆東等[22]對不同患者根據(jù)病變部位不同選取相應線圈,認為MRI是肌肉損傷最佳的影像學檢查方法。核磁共振有很高的軟組織分辨率,可清楚地分辨肌肉、肌腱、筋膜 、脂肪等軟組織。其可用于肛管內(nèi)或陰道內(nèi)MRI成像[23];用東芝Flexart0.5T超導型MRI設(shè)備對進行性肌營養(yǎng)不良癥測試[24]等。
功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI),是在進行神經(jīng)心理測試的同時,對腦組織進行功能顯像,記錄腦動電流圖或腦磁圖[25]。fMRI標志著臨床磁共振診斷從單一形態(tài)學研究,到形態(tài)與功能相結(jié)合的系統(tǒng)研究。
在運動人體科學研究中,鄭秀瑗等[10]亦較早應用MRI進行人體慣性參數(shù)的測量;最近幾年,國內(nèi)體育研究中也逐漸應用高場強MRI探測肌肉形態(tài),如陳金鰲等[26]應用MRI測定人體大腿肌肉量,認為該方法更為精確;劉宇等[27]應用3 Tesla Siemens MRI對人體第四腰椎掃描,可清晰觀察到不同肌肉及肌肉和其它組織之間邊界。
4.2MRI技術(shù)優(yōu)缺點
磁共振具有許多優(yōu)點,如對人體沒有電離輻射;可清晰顯示軟組織結(jié)構(gòu);可多序列成像,呈現(xiàn)多種圖像類型,為研究者提供更豐富的影像信息。由于MRI技術(shù)較高的精度和可重復性,被認為是心肌影像的金標準[11]。
MRI也存在不足之處。它的空間分辨率不及CT;帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作MRI的檢查;耗時較長;價格較昂貴等。
在以上所述活體肌肉形態(tài)學非侵入性的測量方法中,除了功能性成像E I T技術(shù)外,臨床上應用最多的還主要是M R I、ultrasounds、CT技術(shù)。
對于結(jié)構(gòu)特征方面MRI具有最高信度和圖像的可重復性。然而,由于MRI費用高昂、方法復雜、耗時較長、幽閉恐怖、禁忌癥等原因,在臨床上還沒有普及。CCT技術(shù)被認為是ultrasounds技術(shù)和MRI技術(shù)的中和,和MRI相比,其測量方法簡單、快捷、圖片易讀;與ultrasounds技術(shù)相比,其圖像質(zhì)量更高。CCT技術(shù)具有較高的時間分辨率,也即具有較高的采樣頻率;較高空間分辨率;特別是測試時間較短,顯而易見,未來CCT技術(shù)將在心肌檢查中扮演主要角色。但要注意,CCT技術(shù)也只是最近才被發(fā)展起來的,還不是當前的標準方法,在分辨率的提高、輻射劑量的減少方面,還有很多研究需要深入[11]。
MRI技術(shù)被認為是心肌影像的金標準,其靜態(tài)影像效果較好;而ultrasounds技術(shù)是目前對心肌動態(tài)影像應用最廣的方法;過去十年的發(fā)展,CT技術(shù)在時間分辨率、空間分辨率、輻射劑量的減少方面取得很大進步,但在精度上還需要進一步提高[11]。對于一些老年人,他們對輻射不太在意,加上檢查的多種需求,如MRI禁忌癥,價格等方面考慮,CT治療還是相當普遍的。
對于人體骨骼肌影像學的檢查,MRI技術(shù)仍是一個金標準,如腰腹肌橫斷面掃描,劉宇等[27]應用3 Tesla Siemens MRI對人體第四腰椎掃描,可以看到不同肌肉及肌肉和其它組織之間清晰的邊界,MRI技術(shù)對于肌肉橫斷面積及體積計算提供了較為精準的影像學依據(jù)。
目前,在各類綜合院校圖書館幾乎均藏有人體組織結(jié)構(gòu)影像學書籍,形象、直觀,幫助學生方便、快速學習有關(guān)人體解剖學知識;教學中借助影像學圖片制作的幻燈片,可從三維角度觀察人體任何部位、任何組織結(jié)構(gòu),對于教師的教學也起到很大的幫助。
總之,CT具有使人體被輻射風險;超聲波儀雖便宜,但精度較差,且耗時較長;而MRI可以避免輻射,消除邊界影響,對軟組織分辨和空間定位具有較高的敏感度,可以進行連續(xù)的掃描身體任何部位,目前仍被認為是肌肉影像學中一個“金標準”。體育科研、教學中,非侵入性肌肉測量幾種方法是相互補充的。
超聲技術(shù)有望進一步發(fā)展,三維超聲、全景超聲、實時超聲等新技術(shù)在近幾年出現(xiàn)。可以預想,超聲成像技術(shù)精度會越來越高,其圖像清晰度接近MRI,在肌肉等軟組織的檢查中將發(fā)揮更加廣泛的作用。而CT技術(shù)也在進步,甚至在心肌檢查方面,CCT被認為是超聲和MRI的中和。
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Comparison of Muscle Image Measurement Techniques in Sports
SUN Ming-yun
(1.Institute of Physical Education,Anqing Normal University, AnQing, 246133, China)
Abstract:Comparative analysis method for non-invasive method to quantify muscle morphology comparison, it shows that muscle morphometry methods complement each other and providing a variety of needs for sports research and teaching.CT is cheap and wide application, it has the body exposed to particle radiation risks; Ultrasonic instrument is also cheap and with good results for muscle dynamic image, but has poor accuracy and time consuming; Although the high cost and time-consuming of MRI technology, but it is still considered to be a “gold standard”.New technology is expected to make further development, such as real-time ultrasound.
Keywords:Muscle,X-ray computed tomography,ultrasounds,bioelectrical impedance,Magnetic Resonance imaging
作者簡介:孫明運(1972-),男,陜西藍田人,講師,博士,研究方向:運動生物力學,E-mail:smy0072008@126.com;作者單位:安慶師范學院體育學院,安慶246133;Institute of Physical Education,AnQing Normal University, AnQing,China,246133 China
基金項目:①安慶師范學院科研啟動資金(K05000130036)資助。
中圖分類號:G80-05
文獻標識碼:A
文章編號:2095-2813(2015)03(c)-0000-00