体育科研教学中肌肉影像测量技术比较①

孙明运（安庆师范学院体育学院　安徽安庆　246133）



体育科研教学中肌肉影像测量技术比较①

孙明运
（安庆师范学院体育学院安徽安庆246133）

摘 要：采用比较分析法等，对肌肉形态非侵入性量化方法比较，认为肌肉形态测量方法互补，为体育科研、教学提供多种需求。 CT廉价，应用广，但具有使人体被辐射风险;超声波仪亦便宜，应用便捷，但精度较差、耗时较长; MRI可避免辐射，对软组织分辨和空间定位具有较高的敏感度，可连续的进行三维扫描身体任何部位、器官，目前仍被认为是肌肉影像学中一个“金标准”，但价格昂贵。近几年出现的三维超声、全景超声、实时超声等新技术，使得超声技术有望进一步发展。

关键词：肌肉形态CT超声波生物电阻抗仪MRI

在人体运动中，准确测量肌肉形态对于肌肉力学机制研究非常重要，如单大卯等应用肌肉形态确定肌肉起止[1]、肌肉长度、拉力作用线和肌力臂等关键因素，为建立生物力学模型，定量评定肌肉功能提供了理论指导。

肌肉影像测量技术较为精确的方法主要有CT（X-ray computed tomography）、超声波（ultrasounds）、生物电阻抗仪（bioelectrical impedance）、MRI（Magnetic Resonance imaging）[2]等 。那么，这几种方法目前发展如何？在体育中应用如何？本文将就这些问题进行综述，以期为肌肉影像测量技术在体育中应用提供帮助。

1　CT技术的应用发展及特性

1.1CT技术的应用发展

40多年来，CT技术不断发展，1985年开发滑环CT、1989年开发螺旋CT、1991年开发亚毫米扫描和双螺旋CT、1993年开发实时扫描技术、1995年开发的亚秒技术、1998年的半秒扫描和多层面C T扫描的应用，使扫描、成像速度明显提高，CT应用扩展到更广泛的领域。随着多层螺旋CT快速发展，使得空间分辨率和密度分辨率得到了极大的提升，CTA（CT angiography）技术得到了极大的开发，在急诊检查和诊断出血性疾病方面，临床价值日益受到重视[3]；使用西门子公司128层多排螺旋CT扫描囊性肾癌的螺旋CT表现相对有特征性，对临床诊断及术前准备有一定价值[4]；256层iCT扫描范围加大，时间和空间分辨率显著提高，为周围血管性疾病诊断和术前、术后评估提供了新的检查方法[5]。

CT技术在脂肪、骨骼肌肉、韧带、心肌等影像学诊断方面亦有广泛应用。采用16层螺旋CT，黏液性脂肪肉瘤的CT平扫多为囊样低密度影像[6]；通过孔径64cm开放式扫描机建立的女性盆底肌的三维模型，准确地获得盆底结构正常生理定量数据[7]；128层螺旋CT在左心室功能评价方面准确可靠，与MRI之间对比差异无统计学意义，将在临床应用中发挥重要的作用[8]。

但传统CT对骨骼尤其骨髓及软组织病变的诊断价值有限。双源CT（dual-source CT）在心肌缺血的诊断等方面的应用日益广泛，并显示一定的临床价值。新一代DSCT在时间分辨率、空间分辨率、信噪比及辐射剂量控制方面获得了很大提升，加之扫描速度快，禁忌证相对较少，区分骨髓病变、肌腱韧带病变方面具有较强的优势[9]。

在体育、工业、航天等领域，郑秀瑗等[10]早在20世纪80年代初就应用CT测量中国人体的惯性参数，之后建立了中国《成年人人体质心》国家标准数据库，为运动人体科学建立中国乃至亚洲人体模型提供了重要参考，为教学科研提供了理论指导。

CT扫描存在不足，除了精度外，主要是所有CT检查对人体有一定的辐射。

1.2CT技术的前景

过去十年的发展，如今的CCT（Cardiac computed tomography，）技术在时间分辨率、空间分辨率、辐射剂量的减少方面取得很大进步，64-320排CT扫描机，可在三维视图0.5mm分辨率下扫描整个心脏1-5个心跳时长，扫描冠状动脉图像仅仅需要1-3mSV（毫西弗特）（millisievert，mSv）辐射量，相比较冠状血管造影法辐射剂量5-10 mSv大大减少[11]。

2　超声技术应用发展及特性

2.1超声技术应用发展

随着超声技术的成熟，许多研究者利用超声来评估神经、肌腱、肌肉、韧带和关节病变并指导康复治疗[12]。如通过超声探测，发现肌肉结构在声像图上显示为低回声，纤维膜、筋膜和肌腱显示为强回声[13]。

Quantitative Ultrasound 作为一种新的测量手段，已经逐渐被应用于腰背肌肉功能评估中[14]。定量超声在肌肉评估中的应用主要可以分为三类：肌肉的功能性研究，人体运动分析，肌肉的硬度（弹性）测量[15]。

2.2超声技术优缺点

超声与其他骨骼肌评估方法相比亦有着很多的优势。首先超声是一种安全、非侵入性的、便捷、较廉价的测量肌肉形态学参数的手段。且可在肌肉静态和动态的条件下与其他测力设备一起使用，并得出良好的肌肉组织图像。易被患者接受。超声可测量表层、深层肌肉。超声仪器具有轻小、功耗低等优点，这是MRI、CT不可比拟的，其已成功地应用于空间站，是空间站唯一的医学影像设备，在保障航天员健康和人体生物医学研究方面发挥了重要的作用[16]。ultrasounds技术也是目前对心肌动态影像应用最广的方法[11]。

超声也有局限性，如超声受超声探头方向、操作者、关节角度微动等因素影响。

3　生物电阻抗仪在人体中的应用进展

电阻抗断层图像技术（ electrical impedance tomography ，EIT）不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用，还可以进行三维图象重建[17]。这种成像方法与CT、核磁共振等的形态学成像明显区别是EIT是功能性成像[18]。

生物电阻抗技术在医学中已有较广泛的应用，如阻抗血流图、人体阻抗成像、人体成分测量[19]等。也应用于腹部横断面结构重建[20]等方面。

生物电阻抗技术的优势在于无创伤性检测，甚至还能在不妨碍正常运动的情况下检测。当然其技术也存在局限性，EIT的分辨力还有待提高[21]，重建成像的精度还很难满足肌肉等软组织的形态学测量。

4　MRI测量技术在人体中的应用

4.1MRI测量的发展

对人体而言，磁共振在临床上已大量应用，技术性能0.5T，1T，1.5T，3T逐渐提高，成像精度越来越高。闫东等[22]对不同患者根据病变部位不同选取相应线圈，认为MRI是肌肉损伤最佳的影像学检查方法。核磁共振有很高的软组织分辨率，可清楚地分辨肌肉、肌腱、筋膜 、脂肪等软组织。其可用于肛管内或阴道内MRI成像[23]；用东芝Flexart0.5T超导型MRI设备对进行性肌营养不良症测试[24]等。

功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI），是在进行神经心理测试的同时，对脑组织进行功能显像，记录脑动电流图或脑磁图[25]。fMRI标志着临床磁共振诊断从单一形态学研究，到形态与功能相结合的系统研究。

在运动人体科学研究中，郑秀瑗等[10]亦较早应用MRI进行人体惯性参数的测量；最近几年，国内体育研究中也逐渐应用高场强MRI探测肌肉形态，如陈金鳌等[26]应用MRI测定人体大腿肌肉量，认为该方法更为精确；刘宇等[27]应用3 Tesla Siemens MRI对人体第四腰椎扫描，可清晰观察到不同肌肉及肌肉和其它组织之间边界。

4.2MRI技术优缺点

磁共振具有许多优点，如对人体没有电离辐射；可清晰显示软组织结构；可多序列成像，呈现多种图像类型，为研究者提供更丰富的影像信息。由于MRI技术较高的精度和可重复性，被认为是心肌影像的金标准[11]。

MRI也存在不足之处。它的空间分辨率不及CT；带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的部位不能作MRI的检查；耗时较长；价格较昂贵等。

5　MRI、ultrasounds、CT、EIT成像技术比较

在以上所述活体肌肉形态学非侵入性的测量方法中，除了功能性成像E I T技术外，临床上应用最多的还主要是M R I、ultrasounds、CT技术。

对于结构特征方面MRI具有最高信度和图像的可重复性。然而，由于MRI费用高昂、方法复杂、耗时较长、幽闭恐怖、禁忌症等原因，在临床上还没有普及。CCT技术被认为是ultrasounds技术和MRI技术的中和，和MRI相比，其测量方法简单、快捷、图片易读；与ultrasounds技术相比，其图像质量更高。CCT技术具有较高的时间分辨率，也即具有较高的采样频率；较高空间分辨率；特别是测试时间较短，显而易见，未来CCT技术将在心肌检查中扮演主要角色。但要注意，CCT技术也只是最近才被发展起来的，还不是当前的标准方法，在分辨率的提高、辐射剂量的减少方面，还有很多研究需要深入[11]。

MRI技术被认为是心肌影像的金标准，其静态影像效果较好；而ultrasounds技术是目前对心肌动态影像应用最广的方法；过去十年的发展，CT技术在时间分辨率、空间分辨率、辐射剂量的减少方面取得很大进步，但在精度上还需要进一步提高[11]。对于一些老年人，他们对辐射不太在意，加上检查的多种需求，如MRI禁忌症，价格等方面考虑，CT治疗还是相当普遍的。

对于人体骨骼肌影像学的检查，MRI技术仍是一个金标准，如腰腹肌横断面扫描，刘宇等[27]应用3 Tesla Siemens MRI对人体第四腰椎扫描，可以看到不同肌肉及肌肉和其它组织之间清晰的边界，MRI技术对于肌肉横断面积及体积计算提供了较为精准的影像学依据。

目前，在各类综合院校图书馆几乎均藏有人体组织结构影像学书籍，形象、直观，帮助学生方便、快速学习有关人体解剖学知识；教学中借助影像学图片制作的幻灯片，可从三维角度观察人体任何部位、任何组织结构，对于教师的教学也起到很大的帮助。

6　总结与展望

总之，CT具有使人体被辐射风险；超声波仪虽便宜，但精度较差，且耗时较长；而MRI可以避免辐射，消除边界影响，对软组织分辨和空间定位具有较高的敏感度，可以进行连续的扫描身体任何部位，目前仍被认为是肌肉影像学中一个“金标准”。体育科研、教学中，非侵入性肌肉测量几种方法是相互补充的。

超声技术有望进一步发展，三维超声、全景超声、实时超声等新技术在近几年出现。可以预想，超声成像技术精度会越来越高，其图像清晰度接近MRI，在肌肉等软组织的检查中将发挥更加广泛的作用。而CT技术也在进步，甚至在心肌检查方面，CCT被认为是超声和MRI的中和。

参考文献

[1]单大卯.人体（下肢）肌肉功能模型简介[J].山东体育学院学报，2005，21（3）：65-67.

[2] Ozaki H， Sakamaki M， Yasuda T， Fujita S， Ogasawara R，Sugaya M， et al.Increases in thigh muscle volume and strength by walk training with leg blood flow reduction in older participants[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci， 2011，66（3）：257-263.

[3]陈光斌.腹盆部大出血CT诊断与介入治疗的现状[J].医学综述，2013，19（7）：1287-1289.

[4]孙 栋，武志峰，鄂林宁，孟辉强，王凯吴山.螺旋CT对囊性肾癌的诊断价值[J].中国医学工程，2013，20（9）：17-18.

[5]顾亚律.256层iCT四肢动脉血管造影成像技术的应用研究[J].中国CT和MRI杂志，2013，11（4）：114-117.

[6]李绪斌，侯岩，叶兆祥.黏液性脂肪肉瘤的CT、MRI表现.中国医学影像技术，2013，29（4）：628-631.

[7]熊坤林，龚水根，张伟国.盆底影像解剖与盆底功能性疾病的关系[J].世界华人消化杂志，2005，13（1）：76-79.

[8]顾 敏，李 康，杨庆军，马千红.128层CT一次扫描同时评价冠状动脉及左心室功能的可行性研究[J].海南医学，2013，24 （15）：2241-2245.

[9]古凌静，洪国斌，徐启兰.双源CT在骨骼肌肉系统中的应用[J].中国医学影像技术，2013，29（9）：1544-1546.

[10]郑秀瑗等著.现代运动生物力学[M].国防工业出版社，2007：131-206.

[11]Michael Tee，J.Alison Noble1，DavidA Bluemke.Imaging techniques for cardiac strain and deformation： comparison of echocardiography， cardiac magnetic resonance and cardiac computed tomography [J].Imaging techniques for cardiac strain & deformation，2013，11（2）：221-231.

[12]Huang Y， Zhu J， Liu F.Ultrasound in diagnosis of retroperitoneal femoral nerve injury： A case report[J].J Plast Reconstr Aesthet Surg.2013，66（2）：50-52.

[13]李玉章，吴瑛，运用超声波技术对人体肌腱复合体特征的研究进展[J]，上海体育学院学报，2010，34（2）：43-48.

[14]周光泉，郑永平，陈淑德.定量超声与肌电图在下背痛评估中的应用[J].中国医疗设备，2012，27（2）：10-15.

[15]周光泉，郑永平.定量超声在肌肉评估中的应用[J].中国医疗器械信息，2011，17（7）：15-19.

[16]冯金升，郑永平.医学超声在空间站的应用及展望[J].中国医疗设备，2012，27（1）：8-12.

[17]安源，任超世.电阻抗断层功能成像技术的发展[J].第四军医大学学报，2001，22（1）：90-92.

[18]肖贵遐，韩 冰，刘国庆，朱代谟.生物电阻抗技术的医学运用[J].中国医学物理学杂志，2003，20（4）：287-290.

[19]丁一.生物电阻抗法在儿童青少年体成分分析中的应用现状[J].中国儿童保健杂志，2010， 18（6）：502-504.

[20]Tohru F.YAMAGUCHI，Mitsuhiro KATASHIMA，Li-Qun WANG，Shinya KURIKI.Improvement of Image Reconstruction of Human Abdominal Conductivity by Impedance Tomography Considering the Bioelectrical Anisotropy.Advanced Biomedical Engineering，2012，1：98-106.

[21]C H González-Correa，J C Caicedo-Eraso.Bioelectrical impedanceanalysis（BIA）： a proposal for standardization of the classical method in adults[J].Journal of Physics： Conference Series，2012：1-13.

[22]闫东，张景秀，张晶，刘薇，屈辉，程晓光.肌肉损伤的MRI 表现[J].中国医学影像技术，2008，24（6）：811-813.

[23]胡丽平，宋岩峰.核磁共振在女性盆底功能障碍性疾病中的应用[J].中国妇幼健康研究，2008，19（5）：504-506.

[24] 刘莉，尹波，黎元.MRI在进行性肌营养不良症中的应用[J].国际医学放射学杂志，2010， 33（6 ）：529-531.

[25]LI Sheng.Multivariate pattern analysis in functional brain imaging [J].Acta Physiologica Sinica， 2011， 63（5）： 472？476.

[26]陈金鳌，相建华，陈琉.年龄和性别因素对力量训练后肌肉量变化的影响[J].体育科学，2011，31（9）：57-62.

[27]刘宇，李海鹏，刘翠鲜，田石榴，井兰香，孙明运， 基于神经肌肉功能训练理论与方法的新型训练器械的研发与应用 [J].体育科学，2014，34（2）：87-94.

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

作者简介：孙明运（1972-），男，陕西蓝田人，讲师，博士，研究方向：运动生物力学，E-mail：smy0072008@126.com；作者单位：安庆师范学院体育学院，安庆246133；Institute of Physical Education，AnQing Normal University， AnQing，China，246133 China

基金项目：①安庆师范学院科研启动资金（K05000130036）资助。

中图分类号：G80-05

文献标识码：A

文章编号：2095-2813(2015)03(c)-0000-00