肌肉非侵入性影像測(cè)量技術(shù)在體育科研教學(xué)中的應(yīng)用

孫明運(yùn)，孫　泊

(1.安慶師范學(xué)院 體育學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.聊城大學(xué) 體育學(xué)院，山東 聊城 252059)

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肌肉非侵入性影像測(cè)量技術(shù)在體育科研教學(xué)中的應(yīng)用

孫明運(yùn)1，孫泊2

(1.安慶師范學(xué)院 體育學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.聊城大學(xué) 體育學(xué)院，山東 聊城 252059)

摘要：對(duì)活體肌肉非侵入性量化方法比較研究表明：CT有使人體暴露在粒子輻射下的風(fēng)險(xiǎn)；超聲波儀便宜，對(duì)于肌肉動(dòng)態(tài)影像具有較好的效果，但精度較差，且耗時(shí)較長(zhǎng)；生物電阻抗儀精度有待提高；MRI技術(shù)雖費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，但仍被認(rèn)為是目前肌肉影像學(xué)中一個(gè)“金標(biāo)準(zhǔn)”。隨著技術(shù)的發(fā)展，三維超聲、全景超聲、實(shí)時(shí)超聲等新技術(shù)在近幾年出現(xiàn)，其圖像清晰度接近MRI，應(yīng)用更廣，而CT技術(shù)亦被認(rèn)為是超聲和MRI的中和。非侵入性肌肉測(cè)量方法是相互補(bǔ)充的。

關(guān)鍵詞：肌肉；CT；超聲波；生物電阻抗儀；MRI

在運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)中，許多運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究需要準(zhǔn)確測(cè)量肌肉形態(tài)學(xué)的參數(shù)，如單大卯等根據(jù)人體尸體肌肉形態(tài)確定肌肉起止[1-5]，從而確定肌肉長(zhǎng)度、拉力作用線和肌力臂這些關(guān)鍵因素，在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、建立生物力學(xué)模型、肌肉功能等方面定量評(píng)定具有重要作用。伍勰等[6]根據(jù)肌肉形態(tài)學(xué)特征，開(kāi)發(fā)了肌肉功能模型軟件，并應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)實(shí)踐，從肌肉動(dòng)力學(xué)層面來(lái)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)力量訓(xùn)練，提高了運(yùn)動(dòng)成績(jī)。魏書濤等[7,8]根據(jù)人體下肢肌肉形態(tài)學(xué)特征應(yīng)用環(huán)節(jié)互動(dòng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算下肢關(guān)節(jié)肌肉力矩，對(duì)股后肌群損傷機(jī)理加以探索。鐘運(yùn)健等[9-10]也是建立在肌肉形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)之上，將快速跑時(shí)關(guān)節(jié)肌力矩優(yōu)化，并求解出單塊肌肉應(yīng)力。肌肉力量訓(xùn)練對(duì)神經(jīng)肌肉形態(tài)學(xué)具有較大影響，如訓(xùn)練也可引起神經(jīng)肌肉接頭肥大[11]，從而肌肉功能也得到加強(qiáng)。肌肉形態(tài)學(xué)參數(shù)是評(píng)價(jià)神經(jīng)肌肉訓(xùn)練效果直觀的方法。如何精確測(cè)量肌肉形態(tài)學(xué)參數(shù)，對(duì)體育科研教學(xué)而言是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

隨著生物測(cè)量技術(shù)發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像學(xué)對(duì)活體肌肉形態(tài)測(cè)量提供了多種較為精確的方法，主要有CT(X-ray computed tomography)[12-13]、超聲波(ultrasounds)[14-16]、生物電阻抗儀(bioelectrical impedance)[17-18]、MRI(Magnetic Resonance imaging)[19-21]。那么，這幾種方法在體育中應(yīng)用如何？各自有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 本文就活體肌肉非侵入性影像方法在體育中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，為體育科研教學(xué)中肌肉參數(shù)測(cè)量方法的選擇提供參考。

1活體肌肉形態(tài)生物測(cè)量技術(shù)在體育科研中的應(yīng)用

Quantitative Ultrasound 作為一種新的測(cè)量手段，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于腰背肌肉功能評(píng)估中[22]。定量超聲在肌肉評(píng)估中的應(yīng)用主要可以分為三類：肌肉的功能性研究、人體運(yùn)動(dòng)分析、肌肉的硬度(彈性)測(cè)量[23]。目前，高頻超聲不僅僅局限應(yīng)用于淺表器官、血管及淋巴系統(tǒng)疾病的檢查，還可應(yīng)用于關(guān)節(jié)、肌肉、骨骼、外周神經(jīng)疾病的檢查[24]，如應(yīng)用于手、腕部檢查[25]、小腿疾病檢查[26]、人體肌腱復(fù)合體特征研究[27]及超聲尿動(dòng)力學(xué)應(yīng)用[28]等。

生物電阻抗技術(shù)在醫(yī)學(xué)、體育科研中已有較廣泛的應(yīng)用，如阻抗血流圖、人體阻抗成像、人體成分測(cè)量[29-31]等。電阻抗斷層圖像技術(shù)將電阻抗的變化信息還原成圖像，它通過(guò)配置于人體體表的電極陣，提取人體組織或器官的電阻抗信息，反映運(yùn)動(dòng)時(shí)人體內(nèi)部肌肉的工作狀態(tài)和體液的分布情況[32]，EIT在腦成像、肺成像、心臟成像方面已有臨床應(yīng)用的案例[33-34]，也應(yīng)用于腹部橫斷面結(jié)構(gòu)重建[35]等方面。

在體育、工業(yè)、航天等領(lǐng)域，鄭秀瑗等[36-37]早在20世紀(jì)80年代初就應(yīng)用CT測(cè)量中國(guó)人體的慣性參數(shù)，之后建立了中國(guó)《成年人人體質(zhì)心》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，為運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)建立中國(guó)乃至亞洲人體模型及教學(xué)科研提供了理論指導(dǎo)。

在運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)研究中，鄭秀瑗等[37]較早應(yīng)用MRI進(jìn)行了人體慣性參數(shù)的測(cè)量。Blankenbaker[38]通過(guò)MRI 技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員肌肉損傷部位研究，發(fā)現(xiàn)多發(fā)生在肌肉-肌腱結(jié)合處、肌腱或肌腱-骨結(jié)合處。近幾年國(guó)內(nèi)體育研究也逐漸應(yīng)用高場(chǎng)強(qiáng)MRI探測(cè)肌肉形態(tài)，如陳金鰲等[39]應(yīng)用MRI測(cè)定人體大腿肌肉量，認(rèn)為該方法更為精確；劉宇等[40]應(yīng)用3 Tesla Siemens MRI對(duì)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的邊界。

2活體肌肉形態(tài)生物測(cè)量技術(shù)在體育教學(xué)中的應(yīng)用

目前，在各類綜合院校圖書館均有人體組織結(jié)構(gòu)影像學(xué)書籍，形象、直觀，有助于學(xué)生方便、快速學(xué)習(xí)有關(guān)人體解剖學(xué)知識(shí)。教學(xué)中借助影像學(xué)圖片制作幻燈片，可從三維角度觀察活體任何部位、任何組織結(jié)構(gòu)，對(duì)于教師的教學(xué)也起到很大的幫助，也使學(xué)生可直觀、實(shí)時(shí)觀察，增加了師生互動(dòng)性，有助于教學(xué)相長(zhǎng)。

由于解剖學(xué)概念多，且必須根據(jù)人體特征逐一講解，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往是老師感覺(jué)難教，學(xué)生感覺(jué)枯燥。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有了這些方法輔助教學(xué)，會(huì)激發(fā)學(xué)生興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)效率大大提高，起到事半功倍的效果。當(dāng)然，這些方法代價(jià)較高，并不是所有學(xué)校具備條件，但隨著技術(shù)的發(fā)展，這些儀器價(jià)格也會(huì)相對(duì)便宜，性能也相對(duì)穩(wěn)定，在高校相關(guān)學(xué)科教學(xué)中投入使用完全可能。

3活體肌肉形態(tài)生物測(cè)量技術(shù)在體育應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1CT技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

CT掃描存在不足，主要是所有CT檢查對(duì)人體有一定的輻射。當(dāng)被檢測(cè)物體中含有金屬等高密度物質(zhì)時(shí)，投影數(shù)據(jù)重建圖像中將出現(xiàn)放射狀偽影或帶狀偽影，這些偽影嚴(yán)重影響了圖像的質(zhì)量[41]。在X射線CT成像系統(tǒng)中，實(shí)際使用X射線一般都具有連續(xù)能譜，這就必然導(dǎo)致射線在穿過(guò)物體的過(guò)程中出現(xiàn)射束硬化現(xiàn)象，從而使得重建圖像中出現(xiàn)杯狀的硬化偽影，硬化偽影會(huì)降低CT圖像質(zhì)量，影響檢測(cè)的精度[42]。另外后處理圖像所加注的偽彩色存在人為因素，可能出現(xiàn)假陽(yáng)性[43]。

現(xiàn)如今CCT(Cardiac computed tomography，CCT)技術(shù)在時(shí)間分辨率、空間分辨率、輻射劑量的減少方面取得很大進(jìn)步，64-320排CT掃描機(jī)，可在三維視圖0.5 mm分辨率下掃描整個(gè)心臟1-5個(gè)心跳時(shí)長(zhǎng)，掃描冠狀動(dòng)脈圖像僅僅需要1-3 mSV(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[44]。

3.2超聲技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

超聲與其他骨骼肌評(píng)估方法相比亦有著很多的優(yōu)勢(shì)。首先，超聲是一種安全、非侵入性的、便捷、較廉價(jià)的測(cè)量肌肉形態(tài)學(xué)參數(shù)的手段，且二維超聲技術(shù)也可以用于三維肌肉圖像重建，且可在肌肉靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的條件下與其他測(cè)力設(shè)備一起使用，得出良好的肌肉組織圖像，易被患者接受。超聲可測(cè)量表層、深層肌肉。此外，超聲結(jié)果的可重復(fù)性強(qiáng)[4]。超聲儀器具有重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，這是MRI、CT不可比擬的，其已成功地應(yīng)用于空間站，是空間站唯一的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，在保障航天員健康和人體生物醫(yī)學(xué)研究方面發(fā)揮了重要的作用[45]。ultrasounds(Echocardiography)技術(shù)也是目前對(duì)心肌動(dòng)態(tài)影像應(yīng)用最廣的方法[44]。超聲也有局限性，如在女性外口用向量掃描儀，則在測(cè)量前需要矯正其扭曲量，不能同時(shí)觀察上尿路，只能了解膀胱壁厚度，不能觀察膀胱壁解剖其他方面的問(wèn)題[28]。超聲受超聲探頭方向、操作者、關(guān)節(jié)角度微動(dòng)等因素影響[46]。

3.3生物電阻抗技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

生物電阻抗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)創(chuàng)傷性檢測(cè)，甚至還能在不妨礙正常運(yùn)動(dòng)的情況下檢測(cè)。當(dāng)然其技術(shù)也存在局限性，EIT的分辨力還有待提高[47]，重建成像的精度還很難滿足肌肉等軟組織的形態(tài)學(xué)測(cè)量。

3.4MRI技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

磁共振具有許多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)人體沒(méi)有電離輻射；磁共振成像可在冠狀、矢狀及橫斷面呈現(xiàn)三維的斷層圖像，甚至可得到空間-波譜分布的四維圖像；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(fù)性，被認(rèn)為是心肌影像的金標(biāo)準(zhǔn)[44]。

MRI也存在不足，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，對(duì)肺部的檢查不及X線或CT檢查，對(duì)胃腸道的病變不如內(nèi)窺鏡檢查，對(duì)骨折的診斷的敏感性差于CT及X射線平片，耗時(shí)較長(zhǎng)，價(jià)格較昂貴等。

4總結(jié)與展望

總之，CT具有使人體被輻射風(fēng)險(xiǎn)；超聲波儀雖便宜，但精度較差，且耗時(shí)較長(zhǎng)；而MRI可以避免輻射，消除邊界影響，對(duì)軟組織分辨和空間定位具有較高的敏感度，可以進(jìn)行連續(xù)的掃描身體任何部位，目前仍被認(rèn)為是肌肉影像學(xué)中一個(gè)“金標(biāo)準(zhǔn)”。在體育科研、教學(xué)中，非侵入性肌肉測(cè)量幾種方法是相互補(bǔ)充的。

超聲技術(shù)有望進(jìn)一步發(fā)展，三維超聲、全景超聲、實(shí)時(shí)超聲等新技術(shù)在近幾年出現(xiàn)?？梢灶A(yù)想，超聲成像技術(shù)精度會(huì)越來(lái)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(jìn)步，甚至在心肌檢查方面，CCT被認(rèn)為是超聲和MRI的中和。以上諸方法對(duì)于體育中的相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)、應(yīng)用理論研究、教學(xué)應(yīng)用將愈加廣泛、深入。

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Applied of Vivo Non-invasive Muscle Image Measurement

Techniques in Sports Teaching and Scientific Research

SUN Ming-yun1，SUN Bo2

(1.Institute of Physical Education, Anqing Teachers College, Anqing 246133, China;

2. Liaocheng University, Liaocheng 252059,China)

Abstract:Comparing for non-invasive quantification methods in vivo muscle by using the method of literature review, comparative analysis and so on, it shows that CT has the body exposed to particle radiation risks; ultrasonic instrument is cheap and with good results for muscle dynamic image, but has poor accuracy and time consuming; the accuracy of bioelectrical impedance is to be improved. Although the high cost and time-consuming of MRI technology, but it is still considered to be a “gold standard”. With the development, ultrasound has a wider application and appeared close to MRI. New technologies applications of three-dimensional ultrasound, panoramic ultrasound, real-time ultrasound are still evolving. Yet CT can be viewed as a compromise between these ultrasound (echocardiography) and MRI. The authors would like to emphasize that Non-invasive Measurement Techniques can complement each other.

Key words:Muscle，X-ray computed tomography，ultrasounds，bioelectrical impedance，Magnetic Resonance imaging

文章編號(hào)：1007-4260(2015)02-0106-04

中圖分類號(hào)：G80

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孫明運(yùn)，男，陜西藍(lán)田人，博士，安慶師范學(xué)院體育學(xué)院助理研究員，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(11510503100)和安慶師范學(xué)院科研啟動(dòng)基金(K05000130036)。

收稿日期：2014-11-29