影像學技術(shù)對膈肌的研究進展

1、影像學技術(shù)對膈肌的研究進展摘要：呼吸肌是人體呼吸運動的動力泵,它驅(qū)動著肺的氣體交換,是人體唯一終生所依賴的骨骼肌【1】。人的呼吸肌主要由膈肌、肋間肌和腹肌三部分組成,可分為吸氣肌(包括膈肌、肋間外肌)和呼氣肌(包括腹肌、肋間內(nèi)肌等)。關(guān)鍵詞：影像學技術(shù)；膈??；呼吸肌呼吸肌是人體呼吸運動的動力泵，它驅(qū)動著肺的氣體交換，是人體唯一終生所依賴的骨骼肌【1】。人的呼吸肌主要由膈肌、肋間肌和腹肌三部分組成，可分為吸氣?。ò跫　⒗唛g外?。┖秃魵饧。òǜ辜?、肋間內(nèi)肌等）。膈肌作為最主要的呼吸肌，雖只占人體重量0.5%，但負擔人體60%75%的通氣需要，尤其在吸氣過程中膈肌的作用占呼吸肌的60%80%【

2、2】。近年來發(fā)現(xiàn)在危重病和慢性阻塞性肺疾?。–OPD）等慢性病中，膈肌疲勞和無力十分常見。膈肌疲勞和無力是呼吸衰竭發(fā)生的重要病理生理機制之一。Party等已證明急性呼吸衰竭或COPD伴發(fā)高碳酸血癥時存在著呼吸肌疲勞【3】。Jubran A和Laghi F都證實：多數(shù)COPD患者發(fā)展成為急性呼吸衰竭是由于過度的機械負荷、呼吸肌肌力減弱或兩者共同引起。因此，找到一種能客觀準確測定膈肌功能的方法對于呼吸衰竭的發(fā)病機制的研究和臨床防治有重要的意義。目前，評價膈肌功能的方法主要有：跨膈壓（Pdi）與最大跨膈壓（Pdimax）；膈肌張力時間指數(shù)（TTdi）；膈肌限制時間（Tlim）；膈肌電圖（EMGdi）

3、測定；膈神經(jīng)電、磁刺激法（EPNS）等；但這些方法因為有創(chuàng)性、干擾因素多、可重復性差等原因使其應用受到一定限制。而隨著現(xiàn)代醫(yī)學影像技術(shù)的發(fā)展，影像學檢查手段由于其直觀、便利、和客觀和無創(chuàng)性，越來越多的應用于膈肌的形態(tài)學與功能學的研究與評價。文章對影像學技術(shù)研究膈肌的形態(tài)與功能做一綜述。1 膈肌的形態(tài)與功能膈肌為一圓頂形寬闊的薄肌，呈中央部較平坦、兩側(cè)向上隆凸的穹窿形，膈穹窿左低右高。膈肌中央部稱中心腱，為腱膜，呈三葉狀，周圍部為肌纖維。膈肌就像一個機械的屏障位于胸腔與腹腔之間，并保持這兩個腔的壓力梯度【6】。膈肌收縮時，其頂部變平而下降使胸腔擴大，產(chǎn)生吸氣動作，舒張時頂部升高協(xié)助呼氣。如此有節(jié)

4、律地收縮與舒張，晝夜不止，維持人體的外呼吸功能【7】。同時還參于諸如咳嗽、排痰、嘔吐、排便和分娩等與胸腹腔壓力升高有關(guān)的非呼吸功能。2 影像學研究膈肌的方法與進展影像學檢查技術(shù)主要包括：X線平片和透視、CT、磁共振（MRI）等，它們是通過形態(tài)、結(jié)構(gòu)、密度差異、信號改變等來直觀反映膈肌的形態(tài)、位置及運動。影像學檢查它不僅可以用于無法耐受肺功能及一些電生理檢查，而且由于其無創(chuàng)、便利、客觀，可以明確判斷疾病的解剖部位，所以越來越廣泛的應用于對膈肌的研究。2.1常規(guī)X線：包括透視和胸片。X線平片和透視是利用X線的穿透性和人體不同結(jié)構(gòu)對X線吸收的差異來成像。通常我們用胸片的正側(cè)位來觀察膈肌正常或異常情況

5、下的起始點，并通過肺下界來間接判斷膈肌的位置和輪廓；但如果在胸片下觀察到膈肌異常，我們則需要更進一步的影像學檢查（CT或MRI）來明確膈肌的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。在X線透視下我們可以動態(tài)的觀察到一個呼吸周期中膈肌的上下運動。1974年Sharp等研究了21例COPD患者與23例正常人的情況。在站立位功能殘氣量（FRC）時，患者膈肌的長度比正常人的短32%。1985年，Rochester等研究了32例COPD患者和22例正常人的在站立位RV（殘氣量）時相的膈肌的長度指數(shù)DLI（Diaphragm length index）=膈肌的長度/身高，并研究DLI與最大吸氣壓力（Pimax）及最大呼氣壓力（Pema

6、x）的關(guān)系。并發(fā)現(xiàn)：RV（殘氣量）時相COPD患者的膈肌較正常人短28%。2001年Bellemare F等人利用人體解剖學標記來測量胸片上正常人和肺氣腫患者膈肌的長度指數(shù)（DLI），驗證了這種方法估計膈肌長度的有效性；并認為此種方法可以用來評價膈肌的功能；發(fā)現(xiàn)肺氣腫患者膈肌的長度指數(shù)DLI比正常人小；而肺氣腫患者經(jīng)肺減容手術(shù)后膈肌的長度指數(shù)增加。2.2CT：CT成像原理與X線相似，只是通過探測器接受穿過人體的X線并經(jīng)過計算機處理。CT所獲得的是橫斷面解剖圖像，它真切反應病灶的存在，并對病灶的大小、形態(tài)、密度值，甚至體積進行測量。還可以充分顯示病灶周邊的形態(tài)學特征，如病灶邊緣光滑程度、有否毛刺

7、等；并且了解病灶與其他臟器的毗鄰結(jié)構(gòu)關(guān)系；這些對病灶的定位、定性都有很大的幫助。CT診斷的敏感性與特異性均高于常規(guī)胸片。CT檢查掃描時間短，不受呼吸偽影的影響，影像的空間分辨率高，對肺實質(zhì)解剖顯示清楚，價格相對低廉都是MRI所不及的。所以CT成為研究膈肌功能主要影像學方法。近二十年來，通過螺旋CT及多層螺旋CT 的多種后處理軟件的應用，可獲得冠狀位等多平面重建圖像。使得CT對膈肌的研究越來越廣泛和深入，研究內(nèi)容主要包括膈肌及其周邊的結(jié)構(gòu)、長度、曲度和表面積的測定；及肺容積的測定等。但CT檢查有一定的輻射性，在研究膈肌運動方面有一定的局限。2.2.1 膈肌橫斷面研究：1983年NaidichDP

8、等對75個正常人膈肌橫斷面CT圖像進行統(tǒng)計，研究膈肌橫斷面的解剖學關(guān)系，認為：膈肌呈條帶狀軟組織影，其各部在各層面上的出現(xiàn)率不一樣并且厚度隨呼吸發(fā)生變化；CT橫斷面圖像往往不能直接觀察到膈肌各部的全貌，但冠矢狀重建圖像，不僅可以直接觀察到膈肌呈突向胸腔的彎窿狀細線樣軟組織密度影，還可以觀察到膈肌附著點及其與上下臟器的毗鄰關(guān)系、膈肌裂孔和穿越裂孔的腔靜脈、食道和主動脈等。1989年Caskey CI等在早期二維CT成像對膈肌形態(tài)學的研究表明：成年人膈肌的厚度與年齡無顯著關(guān)系；影像學上，膈肌的缺損易發(fā)生在左側(cè)，并與年齡有顯著關(guān)系，隨年齡的增加膈肌缺損的比率明顯增大，嚴重程度加重；肺氣腫患者在CT成

9、像中可見膈肌缺損，并證實肺氣腫是造成影像學形態(tài)觀察中膈肌缺損的主要原因之一。2.2.2 早期膈肌重建：1987年Whitelaw WA首次利用間隔為5MM層厚的CT研究了一例正常人在膈肌在松弛和收縮的兩個狀態(tài)下的形態(tài)。從連續(xù)的掃描層面中冠狀、矢狀重建了膈穹窿在兩個狀態(tài)的模型，測量了膈肌的長度和位移，繪制了膈肌與肋骨對合區(qū)域的圖型。得到的結(jié)論是：在吸氣時，膈肌運動的位移為680 ml，右半側(cè)膈穹窿縮短約6.77.2 cm，左半側(cè)膈穹窿縮短約4.04.3 cm，這些數(shù)據(jù)與X胸片所得的數(shù)據(jù)相近。2.2.3 膈肌三維重建：1996年 Pettiaux N、Cassart M等利用螺旋CT技術(shù)對4個正常

10、人（正是1994年Gauthier AP運用MRI技術(shù)研究的那4個人）三維重建了膈肌的形態(tài)。Pettiaux N和Gauthier AP兩種方法、及實驗原理基本相同。分別在RV（殘氣量），F(xiàn)RC（功能殘氣量），F(xiàn)RC+（功能殘氣量+?深吸氣量），TLC（肺總量）四個時相進行圖像采集。在每個圖像中，膈穹窿、膈肌與胸壁對合區(qū)域的圖形被Osiris軟件數(shù)字化，然后這些被數(shù)字化的膈肌輪廓被送入Matlab工作站重建。得出的結(jié)論：膈肌長度、表面積、膈穹窿、膈肌與胸壁對合區(qū)域的面積都與MRI得到的數(shù)據(jù)相近，證實了螺旋CT技術(shù)三維重建了膈肌的形態(tài)的可靠性；MRI檢查對于正常肺功能的受試者是非常合適的，但對于

11、COPD患者，特別是嚴重的COPD患者由于在掃描中需要反復屏氣并延長屏氣的時間，所以CT檢查更為合適。2.2.4 膈肌三維重建對COPD患者的研究：1997年Cassart M，Pettiaux N等繼續(xù)利用螺旋CT三維重建技術(shù)，在仰臥位對10例嚴重COPD患者和10例正常人進行對照研究。分別在FRC（功能殘氣量），F(xiàn)RC+（功能殘氣量+?深吸氣量），TLC（肺總量）三個時相進行圖像采集。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：COPD患者在FRC時膈肌表面積（Adi）、膈肌與胸壁對合區(qū)域表面積（Aap），較正常人顯著減少；而膈穹窿的表面積（Ado）無明顯改變；當在一個相似的絕對肺容積的時候相比較，COPD患者和正常人的膈

12、肌的大小相近；在正常人組和COPD患者組中膈肌的大小都顯示了較大的個體差異性；這種差異部分可以解釋為由于體重的差別引起。2.2.5 膈肌三維重建對肺減容手術(shù)的評價：2001年Cassart M等采用上述螺旋CT三維重建技術(shù)研究了11個嚴重的肺氣腫患者肺減容手術(shù)前后對膈肌長度、面積的影響。受試者取仰臥位，分別在FRC（功能殘氣量），RV（殘氣量），TLC（肺總量）三個時相時進行研究，結(jié)果表明，在FRC（功能殘氣量）時，雖然肺減容手術(shù)明顯增加膈肌表面積（Adi，增加了17%4%）、膈肌與胸壁對合區(qū)域表面積（Aap，增加了43%8%），但沒有顯著改變膈肌的構(gòu)型。2.3MRI：磁共振是利用氫質(zhì)子在磁場

13、內(nèi)受射頻脈沖激發(fā)而共振所產(chǎn)生的信號成像的技術(shù)，MRI與射頻脈沖撤除后氫質(zhì)子回復至原來狀態(tài)的弛豫時間有關(guān)，其中有縱向弛豫時間（T1）和橫向弛豫時間（T2），不同組織T1和T2差別是MRI的基礎(chǔ)。MRI成像優(yōu)點：具有無創(chuàng)傷、無射線、軟組織對比分辨率高和能直接做冠狀位、矢狀位、橫斷位和各種斜位成像。這也是是MRI相對于CT掃描的一大優(yōu)勢。特別是對呼吸運動的動態(tài)研究中可以任意切面掃描，可同時對胸廓、膈肌進行研究，使得認識更加全面、準確、客觀。MRI不足：由于其可及性差、費時及費用大的缺點使得我們一般將它作為研究膈肌的二線檢查方法。但是近些年來，利用MRI不同的掃描序列進行的快速成像成為國際上研究的熱點

14、，技術(shù)日新月異，研究的內(nèi)容包括：不同呼吸狀態(tài)下膈肌的運動，三維重建膈肌、胸廓、肺容積，以及對整個肺的運動等。2.3.1 快速梯度回波脈沖序列MRI研究膈肌的運動：1995年Gierada等首次證實了用快速梯度回波脈沖序列來研究膈肌呼吸運動的可靠性。測量了矢狀位上膈肌不同點的運動情況。得出：膈肌的絕對位移在右側(cè)是4.4 cm，左側(cè)是4.2 cm。膈肌的運動幅度兩側(cè)部分大于中間部分。1999年Suga用1.5MR，turbo-FLASH和HASTE序列，利用通過電影回放技術(shù)、圖像融合和時間距離曲線來動態(tài)評價28個肺氣腫患者（包括9個經(jīng)過肺減容手術(shù)患者）膈肌、胸壁在呼吸運動中的位移（D/CW）。得出

15、：和正常對照者規(guī)則、同步的D/CW相比，肺氣腫患者D/CW則減小，而且顯示出不規(guī)則、不同步運動；特別是最大膈肌、胸壁位移D/CW（MAD，MACW）顯著減?。环螝饽[患者膈肌與胸壁對合區(qū)域的長度（LAD）顯著減?。环螝饽[患者經(jīng)過肺減容手術(shù)后D/CW 的構(gòu)型、活動度得到改善；MAD、MACW、LAD顯著增加；MAD、MACW與EFV1%顯著相關(guān)。與CT掃描相比，患者即使沒有明顯的肺氣腫體征，磁共振仍然可以發(fā)現(xiàn)異常的胸壁運動。2000年Unal等利用0.3T MRI采用梯度回波序列，熒光透視的方法研究COPD患者膈肌的運動功能。檢查以后，用電影回放的方法顯示中央冠狀位層面膈肌的最高、最低位置，并測量

16、膈肌的運動幅度。得出：COPD患者膈肌的位移明顯減小，而且膈肌的位移與第一秒呼氣容積密切相關(guān)。2002年Iwasaw等利用1.5T MRI評價膈肌的反常運動。得出：肺氣腫患者在深呼吸時，其膈肌運動幅度的平均值是（100.04）cm明顯高于正常人（0.50.002）cm。2.3.2 MRI三維重建研究膈肌面積：1992年P(guān)aiva M等運用MRI在FRC（功能殘氣量）時測量了膈肌的三維結(jié)構(gòu)，并計算了膈肌的總面積，膈肌與胸壁對合區(qū)左右的表面積，膈肌的曲率半徑。得出的結(jié)論是：膈肌與胸壁對合區(qū)的面積大約占膈肌總面積的（451.5）%，這占了膈肌肌性部分相當大的比例。在仰臥位FRC（功能殘氣量）時至少松

17、弛的人膈肌的后半部分可以通過拉普拉斯定律來解釋。1994年Gauthier AP等三維重建了4個正常男性的在MRI下的膈肌形態(tài)。他們將一個可以彎曲的里面充滿特殊液體的管子圍在肋骨邊緣，用以確認膈肌束的起點。受試者在仰臥位分別在RV（殘氣量），F(xiàn)RC（功能殘氣量），F(xiàn)RC+（功能殘氣量+?深吸氣量），TLC（肺總量）四個時相進行圖像采集。在進行圖像處理時，選一個接近于劍突的點作為卡迪爾坐標系的原點，知道了每個圖像與這個點的關(guān)系及最邊界層面的距離、共掃描的層數(shù)就可以三維重建膈肌圖形了。最后得到了膈肌在冠狀面、矢狀面的長度，膈肌的表面積。得到的結(jié)論是：膈肌的運動主要在前后方向上，而不是左右方向；膈肌

18、的形態(tài)既依賴于膈肌的收縮，也依賴于肺氣腫的下位肋骨支架的變寬，且主要依賴于前者；膈肌在不同肺容積下產(chǎn)生壓力的能力可能由以下幾方面因素決定：體內(nèi)的三維形態(tài)、曲率、張力；膈肌與胸壁對合區(qū)、膈穹窿；長度力量特性。2.3.3 三維重建膈肌、胸廓、肺容積：2000年Cluzel等對5例正常人進行冠矢狀位掃描。矢狀位三維重建，描述RV，TLC，F(xiàn)RC時膈肌與胸廓的形態(tài)和容積變化。得到：三維重建的容積模型與實際值非常吻合；從RV到TLC膈穹窿下的平均容積減少了66%，而胸廓分隔的胸腔的平均容積增加了23%；膈肌則貢獻了其中60%的吸氣能力；隨著肺容積的增加，膈肌長度在矢狀位上減少37%，冠狀位上減少28%；

19、在TLC時膈肌與胸壁的對合區(qū)域消失；膈肌總的表面積、膈肌與胸壁對合區(qū)域面積在RV時相最大，在TLC最小，分別減小了48%和100%；而膈穹窿的面積卻增加了37%。2.3.4 動態(tài)回波平面MRI序列（EPI）對膈肌的3D動態(tài)研究：2004年Craighero S等利用動態(tài)回波平面MRI序列（EPI）將受試者的MRI圖像采集與持續(xù)記錄的呼吸信號同步，得到了受試者平靜呼吸和最大幅度呼吸兩個呼吸周期的動態(tài)實時的膈肌三維重建；并且定量的測量了動態(tài)變化中的膈肌的位移距離、表面積、容積。證實了在自由呼吸狀態(tài)（而非屏氣狀態(tài)），EPI有足夠的空間和時間分辨率來動態(tài)研究膈肌的功能。2.3.5 128通道接收線圈-

20、MRI 3D動態(tài)研究：2009年Tokuda J等報道了將配備了128通道接收線圈的3-T全身掃描儀與MRI三維重建技術(shù)結(jié)合來動態(tài)評價包括胸廓的提升、膈肌的位移的整個肺的運動。他們證實了這種方法的有效性，并認為相對于以前的MRI技術(shù)它的優(yōu)勢在于：受試者不需要屏氣而處于完全自由的呼吸狀態(tài)；自動的進行圖像處理；相對于動態(tài)回波平面MRI序列（EPI），得到的圖像更真實，顯示的肺的細節(jié)更多，圖像質(zhì)量更高。綜上所述，影像學由于其無創(chuàng)、直觀、客觀、利于隨訪對比，對于研究膈肌的形態(tài)與功能具有巨大的臨床前景，而且有利于藥物和手術(shù)治療效果的評價。影像學對膈肌的研究尚處于不成熟階段，還有很大的空間有待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

21、而且，以上文獻都是國外的報道，國內(nèi)對于膈肌的影像學研究少之甚少，因此影像學在膈肌的形態(tài)結(jié)構(gòu)與之生理學、病理生理學研究尚有十分廣闊的前景和重大的意義。參考文獻：【1】 Budweiser S,Jorres RA,Pfeifer M.Treatment of respiratory failure in COPD.Int J Chron Obstruct Pulmon Dis,2008,3(4):605.【2】 Wilson TA,Legrand A.Respiratory effects of the external and internal inte-rcostal muscles in h

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