孙明运，孙　泊

(1.安庆师范学院 体育学院，安徽 安庆 246133；2.聊城大学 体育学院，山东 聊城 252059)



肌肉非侵入性影像测量技术在体育科研教学中的应用

孙明运1，孙泊2

(1.安庆师范学院 体育学院，安徽 安庆 246133；2.聊城大学 体育学院，山东 聊城 252059)

摘要：对活体肌肉非侵入性量化方法比较研究表明：CT有使人体暴露在粒子辐射下的风险；超声波仪便宜，对于肌肉动态影像具有较好的效果，但精度较差，且耗时较长；生物电阻抗仪精度有待提高；MRI技术虽费用高、耗时长，但仍被认为是目前肌肉影像学中一个“金标准”。随着技术的发展，三维超声、全景超声、实时超声等新技术在近几年出现，其图像清晰度接近MRI，应用更广，而CT技术亦被认为是超声和MRI的中和。非侵入性肌肉测量方法是相互补充的。

关键词：肌肉；CT；超声波；生物电阻抗仪；MRI

在运动人体科学中，许多运动机理的研究需要准确测量肌肉形态学的参数，如单大卯等根据人体尸体肌肉形态确定肌肉起止[1-5]，从而确定肌肉长度、拉力作用线和肌力臂这些关键因素，在运动学、动力学、建立生物力学模型、肌肉功能等方面定量评定具有重要作用。伍勰等[6]根据肌肉形态学特征，开发了肌肉功能模型软件，并应用于运动实践，从肌肉动力学层面来指导运动员专项力量训练，提高了运动成绩。魏书涛等[7,8]根据人体下肢肌肉形态学特征应用环节互动动力学计算下肢关节肌肉力矩，对股后肌群损伤机理加以探索。钟运健等[9-10]也是建立在肌肉形态学基础之上，将快速跑时关节肌力矩优化，并求解出单块肌肉应力。肌肉力量训练对神经肌肉形态学具有较大影响，如训练也可引起神经肌肉接头肥大[11]，从而肌肉功能也得到加强。肌肉形态学参数是评价神经肌肉训练效果直观的方法。如何精确测量肌肉形态学参数，对体育科研教学而言是一个值得关注的问题。

随着生物测量技术发展，医学影像学对活体肌肉形态测量提供了多种较为精确的方法，主要有CT(X-ray computed tomography)[12-13]、超声波(ultrasounds)[14-16]、生物电阻抗仪(bioelectrical impedance)[17-18]、MRI(Magnetic Resonance imaging)[19-21]。那么，这几种方法在体育中应用如何？各自有什么优缺点？ 本文就活体肌肉非侵入性影像方法在体育中的应用进行综述，为体育科研教学中肌肉参数测量方法的选择提供参考。

1活体肌肉形态生物测量技术在体育科研中的应用

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[22]。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[23]。目前，高频超声不仅仅局限应用于浅表器官、血管及淋巴系统疾病的检查，还可应用于关节、肌肉、骨骼、外周神经疾病的检查[24]，如应用于手、腕部检查[25]、小腿疾病检查[26]、人体肌腱复合体特征研究[27]及超声尿动力学应用[28]等。

生物电阻抗技术在医学、体育科研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[29-31]等。电阻抗断层图像技术将电阻抗的变化信息还原成图像，它通过配置于人体体表的电极阵，提取人体组织或器官的电阻抗信息，反映运动时人体内部肌肉的工作状态和体液的分布情况[32]，EIT在脑成像、肺成像、心脏成像方面已有临床应用的案例[33-34]，也应用于腹部横断面结构重建[35]等方面。

在体育、工业、航天等领域，郑秀瑗等[36-37]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及教学科研提供了理论指导。

在运动人体科学研究中，郑秀瑗等[37]较早应用MRI进行了人体惯性参数的测量。Blankenbaker[38]通过MRI 技术对运动员肌肉损伤部位研究，发现多发生在肌肉-肌腱结合处、肌腱或肌腱-骨结合处。近几年国内体育研究也逐渐应用高场强MRI探测肌肉形态，如陈金鳌等[39]应用MRI测定人体大腿肌肉量，认为该方法更为精确；刘宇等[40]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的边界。

2活体肌肉形态生物测量技术在体育教学中的应用

目前，在各类综合院校图书馆均有人体组织结构影像学书籍，形象、直观，有助于学生方便、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幻灯片，可从三维角度观察活体任何部位、任何组织结构，对于教师的教学也起到很大的帮助，也使学生可直观、实时观察，增加了师生互动性，有助于教学相长。

由于解剖学概念多，且必须根据人体特征逐一讲解，费时费力，往往是老师感觉难教，学生感觉枯燥。在实践中发现，有了这些方法辅助教学，会激发学生兴趣，学生学习效率大大提高，起到事半功倍的效果。当然，这些方法代价较高，并不是所有学校具备条件，但随着技术的发展，这些仪器价格也会相对便宜，性能也相对稳定，在高校相关学科教学中投入使用完全可能。

3活体肌肉形态生物测量技术在体育应用中的优缺点

3.1CT技术的优缺点

CT扫描存在不足，主要是所有CT检查对人体有一定的辐射。当被检测物体中含有金属等高密度物质时，投影数据重建图像中将出现放射状伪影或带状伪影，这些伪影严重影响了图像的质量[41]。在X射线CT成像系统中，实际使用X射线一般都具有连续能谱，这就必然导致射线在穿过物体的过程中出现射束硬化现象，从而使得重建图像中出现杯状的硬化伪影，硬化伪影会降低CT图像质量，影响检测的精度[42]。另外后处理图像所加注的伪彩色存在人为因素，可能出现假阳性[43]。

现如今CCT(Cardiac computed tomography，CCT)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0.5 mm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1-3 mSV(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[44]。

3.2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，且二维超声技术也可以用于三维肌肉图像重建，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，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。此外，超声结果的可重复性强[4]。超声仪器具有重量轻、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[45]。ultrasounds(Echocardiography)技术也是目前对心肌动态影像应用最广的方法[44]。超声也有局限性，如在女性外口用向量扫描仪，则在测量前需要矫正其扭曲量，不能同时观察上尿路，只能了解膀胱壁厚度，不能观察膀胱壁解剖其他方面的问题[28]。超声受超声探头方向、操作者、关节角度微动等因素影响[46]。

3.3生物电阻抗技术优缺点

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[47]，重建成像的精度还很难满足肌肉等软组织的形态学测量。

3.4MRI技术优缺点

磁共振具有许多优点，如对人体没有电离辐射；磁共振成像可在冠状、矢状及横断面呈现三维的断层图像，甚至可得到空间-波谱分布的四维图像；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[44]。

MRI也存在不足，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，对肺部的检查不及X线或CT检查，对胃肠道的病变不如内窥镜检查，对骨折的诊断的敏感性差于CT及X射线平片，耗时较长，价格较昂贵等。

4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”。在体育科研、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。以上诸方法对于体育中的相关知识基础、应用理论研究、教学应用将愈加广泛、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

文章编号：1007-4260(2015)02-0106-04

中图分类号：G80

文献标识码：A

作者简介：孙明运，男，陕西蓝田人，博士，安庆师范学院体育学院助理研究员，研究方向为运动生物力学。

基金项目：上海市科学技术委员会资助项目(11510503100)和安庆师范学院科研启动基金(K05000130036)。

收稿日期：2014-11-29