影像學(xué)技術(shù)對(duì)膈肌的研究進(jìn)展

1、影像學(xué)技術(shù)對(duì)膈肌的研究進(jìn)展摘要：呼吸肌是人體呼吸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力泵,它驅(qū)動(dòng)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(xué)技術(shù)；膈??；呼吸肌呼吸肌是人體呼吸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力泵，它驅(qū)動(dòng)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(fù)擔(dān)人體60%75%的通氣需要，尤其在吸氣過(guò)程中膈肌的作用占呼吸肌的60%80%【

2、2】。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)在危重病和慢性阻塞性肺疾病（COPD）等慢性病中，膈肌疲勞和無(wú)力十分常見(jiàn)。膈肌疲勞和無(wú)力是呼吸衰竭發(fā)生的重要病理生理機(jī)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(shí)存在著呼吸肌疲勞【3】。Jubran A和Laghi F都證實(shí)：多數(shù)COPD患者發(fā)展成為急性呼吸衰竭是由于過(guò)度的機(jī)械負(fù)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(zhǔn)確測(cè)定膈肌功能的方法對(duì)于呼吸衰竭的發(fā)病機(jī)制的研究和臨床防治有重要的意義。目前，評(píng)價(jià)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(shí)間指數(shù)（TTdi）；膈肌限制時(shí)間（Tlim）；膈肌電圖（EMGdi）

3、測(cè)定；膈神經(jīng)電、磁刺激法（EPNS）等；但這些方法因?yàn)橛袆?chuàng)性、干擾因素多、可重復(fù)性差等原因使其應(yīng)用受到一定限制。而隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，影像學(xué)檢查手段由于其直觀、便利、和客觀和無(wú)創(chuàng)性，越來(lái)越多的應(yīng)用于膈肌的形態(tài)學(xué)與功能學(xué)的研究與評(píng)價(jià)。文章對(duì)影像學(xué)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(gè)機(jī)械的屏障位于胸腔與腹腔之間，并保持這兩個(gè)腔的壓力梯度【6】。膈肌收縮時(shí)，其頂部變平而下降使胸腔擴(kuò)大，產(chǎn)生吸氣動(dòng)作，舒張時(shí)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(shí)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(xué)研究膈肌的方法與進(jìn)展影像學(xué)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(guò)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、密度差異、信號(hào)改變等來(lái)直觀反映膈肌的形態(tài)、位置及運(yùn)動(dòng)。影像學(xué)檢查它不僅可以用于無(wú)法耐受肺功能及一些電生理檢查，而且由于其無(wú)創(chuàng)、便利、客觀，可以明確判斷疾病的解剖部位，所以越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于對(duì)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(duì)X線吸收的差異來(lái)成像。通常我們用胸片的正側(cè)位來(lái)觀察膈肌正?；虍惓Ｇ闆r

5、下的起始點(diǎn)，并通過(guò)肺下界來(lái)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(jìn)一步的影像學(xué)檢查（CT或MRI）來(lái)明確膈肌的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。在X線透視下我們可以動(dòng)態(tài)的觀察到一個(gè)呼吸周期中膈肌的上下運(yùn)動(dòng)。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(shí)，患者膈肌的長(zhǎng)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(shí)相的膈肌的長(zhǎng)度指數(shù)DLI（Diaphragm length index）=膈肌的長(zhǎng)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(shí)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(xué)標(biāo)記來(lái)測(cè)量胸片上正常人和肺氣腫患者膈肌的長(zhǎng)度指數(shù)（DLI），驗(yàn)證了這種方法估計(jì)膈肌長(zhǎng)度的有效性；并認(rèn)為此種方法可以用來(lái)評(píng)價(jià)膈肌的功能；發(fā)現(xiàn)肺氣腫患者膈肌的長(zhǎng)度指數(shù)DLI比正常人?。欢螝饽[患者經(jīng)肺減容手術(shù)后膈肌的長(zhǎng)度指數(shù)增加。2.2CT：CT成像原理與X線相似，只是通過(guò)探測(cè)器接受穿過(guò)人體的X線并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理。CT所獲得的是橫斷面解剖圖像，它真切反應(yīng)病灶的存在，并對(duì)病灶的大小、形態(tài)、密度值，甚至體積進(jìn)行測(cè)量。還可以充分顯示病灶周邊的形態(tài)學(xué)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(duì)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(shí)間短，不受呼吸偽影的影響，影像的空間分辨率高，對(duì)肺實(shí)質(zhì)解剖顯示清楚，價(jià)格相對(duì)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(xué)方法。近二十年來(lái)，通過(guò)螺旋CT及多層螺旋CT 的多種后處理軟件的應(yīng)用，可獲得冠狀位等多平面重建圖像。使得CT對(duì)膈肌的研究越來(lái)越廣泛和深入，研究?jī)?nèi)容主要包括膈肌及其周邊的結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、曲度和表面積的測(cè)定；及肺容積的測(cè)定等。但CT檢查有一定的輻射性，在研究膈肌運(yùn)動(dòng)方面有一定的局限。2.2.1 膈肌橫斷面研究：1983年NaidichDP

8、等對(duì)75個(gè)正常人膈肌橫斷面CT圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究膈肌橫斷面的解剖學(xué)關(guān)系，認(rèn)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(xì)線樣軟組織密度影，還可以觀察到膈肌附著點(diǎn)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(dòng)脈等。1989年Caskey CI等在早期二維CT成像對(duì)膈肌形態(tài)學(xué)的研究表明：成年人膈肌的厚度與年齡無(wú)顯著關(guān)系；影像學(xué)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(yán)重程度加重；肺氣腫患者在CT成

9、像中可見(jiàn)膈肌缺損，并證實(shí)肺氣腫是造成影像學(xué)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(gè)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(gè)狀態(tài)的模型，測(cè)量了膈肌的長(zhǎng)度和位移，繪制了膈肌與肋骨對(duì)合區(qū)域的圖型。得到的結(jié)論是：在吸氣時(shí)，膈肌運(yùn)動(dòng)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(duì)4個(gè)正常

10、人（正是1994年Gauthier AP運(yùn)用MRI技術(shù)研究的那4個(gè)人）三維重建了膈肌的形態(tài)。Pettiaux N和Gauthier AP兩種方法、及實(shí)驗(yàn)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(gè)時(shí)相進(jìn)行圖像采集。在每個(gè)圖像中，膈穹窿、膈肌與胸壁對(duì)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(zhǎng)度、表面積、膈穹窿、膈肌與胸壁對(duì)合區(qū)域的面積都與MRI得到的數(shù)據(jù)相近，證實(shí)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(duì)于正常肺功能的受試者是非常合適的，但對(duì)于

11、COPD患者，特別是嚴(yán)重的COPD患者由于在掃描中需要反復(fù)屏氣并延長(zhǎng)屏氣的時(shí)間，所以CT檢查更為合適。2.2.4 膈肌三維重建對(duì)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(duì)10例嚴(yán)重COPD患者和10例正常人進(jìn)行對(duì)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(gè)時(shí)相進(jìn)行圖像采集。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：COPD患者在FRC時(shí)膈肌表面積（Adi）、膈肌與胸壁對(duì)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(wú)明顯改變；當(dāng)在一個(gè)相似的絕對(duì)肺容積的時(shí)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(gè)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(duì)肺減容手術(shù)的評(píng)價(jià)：2001年Cassart M等采用上述螺旋CT三維重建技術(shù)研究了11個(gè)嚴(yán)重的肺氣腫患者肺減容手術(shù)前后對(duì)膈肌長(zhǎng)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(gè)時(shí)相時(shí)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在FRC（功能殘氣量）時(shí)，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(duì)合區(qū)域表面積（Aap，增加了43%8%），但沒(méi)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(chǎng)

13、內(nèi)受射頻脈沖激發(fā)而共振所產(chǎn)生的信號(hào)成像的技術(shù)，MRI與射頻脈沖撤除后氫質(zhì)子回復(fù)至原來(lái)狀態(tài)的弛豫時(shí)間有關(guān)，其中有縱向弛豫時(shí)間（T1）和橫向弛豫時(shí)間（T2），不同組織T1和T2差別是MRI的基礎(chǔ)。MRI成像優(yōu)點(diǎn)：具有無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)射線、軟組織對(duì)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(duì)于CT掃描的一大優(yōu)勢(shì)。特別是對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)研究中可以任意切面掃描，可同時(shí)對(duì)胸廓、膈肌進(jìn)行研究，使得認(rèn)識(shí)更加全面、準(zhǔn)確、客觀。MRI不足：由于其可及性差、費(fèi)時(shí)及費(fèi)用大的缺點(diǎn)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(lái)，利用MRI不同的掃描序列進(jìn)行的快速成像成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)

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(yùn)動(dòng)，三維重建膈肌、胸廓、肺容積，以及對(duì)整個(gè)肺的運(yùn)動(dòng)等。2.3.1 快速梯度回波脈沖序列MRI研究膈肌的運(yùn)動(dòng)：1995年Gierada等首次證實(shí)了用快速梯度回波脈沖序列來(lái)研究膈肌呼吸運(yùn)動(dòng)的可靠性。測(cè)量了矢狀位上膈肌不同點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。得出：膈肌的絕對(duì)位移在右側(cè)是4.4 cm，左側(cè)是4.2 cm。膈肌的運(yùn)動(dòng)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(guò)電影回放技術(shù)、圖像融合和時(shí)間距離曲線來(lái)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)28個(gè)肺氣腫患者（包括9個(gè)經(jīng)過(guò)肺減容手術(shù)患者）膈肌、胸壁在呼吸運(yùn)動(dòng)中的位移（D/CW）。得出

15、：和正常對(duì)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(yùn)動(dòng)；特別是最大膈肌、胸壁位移D/CW（MAD，MACW）顯著減??；肺氣腫患者膈肌與胸壁對(duì)合區(qū)域的長(zhǎng)度（LAD）顯著減小；肺氣腫患者經(jīng)過(guò)肺減容手術(shù)后D/CW 的構(gòu)型、活動(dòng)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(méi)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(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)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(cè)量

16、膈肌的運(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)膈肌的反常運(yùn)動(dòng)。得出：肺氣腫患者在深呼吸時(shí)，其膈肌運(yùn)動(dòng)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(yùn)用MRI在FRC（功能殘氣量）時(shí)測(cè)量了膈肌的三維結(jié)構(gòu)，并計(jì)算了膈肌的總面積，膈肌與胸壁對(duì)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(duì)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(dāng)大的比例。在仰臥位FRC（功能殘氣量）時(shí)至少松

17、弛的人膈肌的后半部分可以通過(guò)拉普拉斯定律來(lái)解釋。1994年Gauthier AP等三維重建了4個(gè)正常男性的在MRI下的膈肌形態(tài)。他們將一個(gè)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(rèn)膈肌束的起點(diǎn)。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(gè)時(shí)相進(jìn)行圖像采集。在進(jìn)行圖像處理時(shí)，選一個(gè)接近于劍突的點(diǎn)作為卡迪爾坐標(biāo)系的原點(diǎn)，知道了每個(gè)圖像與這個(gè)點(diǎn)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(zhǎng)度，膈肌的表面積。得到的結(jié)論是：膈肌的運(yùn)動(dòng)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(duì)合區(qū)、膈穹窿；長(zhǎng)度力量特性。2.3.3 三維重建膈肌、胸廓、肺容積：2000年Cluzel等對(duì)5例正常人進(jìn)行冠矢狀位掃描。矢狀位三維重建，描述RV，TLC，F(xiàn)RC時(shí)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(shí)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(xiàn)了其中60%的吸氣能力；隨著肺容積的增加，膈肌長(zhǎng)度在矢狀位上減少37%，冠狀位上減少28%；

19、在TLC時(shí)膈肌與胸壁的對(duì)合區(qū)域消失；膈肌總的表面積、膈肌與胸壁對(duì)合區(qū)域面積在RV時(shí)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(dòng)態(tài)回波平面MRI序列（EPI）對(duì)膈肌的3D動(dòng)態(tài)研究：2004年Craighero S等利用動(dòng)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(hào)同步，得到了受試者平靜呼吸和最大幅度呼吸兩個(gè)呼吸周期的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的膈肌三維重建；并且定量的測(cè)量了動(dòng)態(tài)變化中的膈肌的位移距離、表面積、容積。證實(shí)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(shí)間分辨率來(lái)動(dòng)態(tài)研究膈肌的功能。2.3.5 128通道接收線圈-

20、MRI 3D動(dòng)態(tài)研究：2009年Tokuda J等報(bào)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(lái)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)包括胸廓的提升、膈肌的位移的整個(gè)肺的運(yùn)動(dòng)。他們證實(shí)了這種方法的有效性，并認(rèn)為相對(duì)于以前的MRI技術(shù)它的優(yōu)勢(shì)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(dòng)的進(jìn)行圖像處理；相對(duì)于動(dòng)態(tài)回波平面MRI序列（EPI），得到的圖像更真實(shí)，顯示的肺的細(xì)節(jié)更多，圖像質(zhì)量更高。綜上所述，影像學(xué)由于其無(wú)創(chuàng)、直觀、客觀、利于隨訪對(duì)比，對(duì)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(píng)價(jià)。影像學(xué)對(duì)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(xiàn)都是國(guó)外的報(bào)道，國(guó)內(nèi)對(duì)于膈肌的影像學(xué)研究少之甚少，因此影像學(xué)在膈肌的形態(tài)結(jié)構(gòu)與之生理學(xué)、病理生理學(xué)研究尚有十分廣闊的前景和重大的意義。參考文獻(xiàn)：【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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