基于MRI的骨骼肌结构及收缩时应变的三维估算

《Journal of Bodywork and Movement Therapies》：Mri-based 3D estimation of skeletal muscle architecture and strain during contraction

三维定量分析揭示肌肉收缩时纤维长度缩短、半岛角及曲率增加，并存在应变异质性。研究结合DTI纤维束追踪与图像配准技术，首次实现全肌三维架构与收缩应变的同步测量。

　　骨骼肌在人体运动中起着至关重要的作用，它通过产生力量来驱动身体的活动。理解肌肉在健康和疾病状态下的机械功能，需要对肌肉整体结构及其在收缩过程中的变化进行精确的三维量化。然而，目前对肌肉结构和应变的三维测量仍面临诸多挑战。传统的亮度模式超声成像技术虽然能够测量肌肉在收缩时的局部结构，但无法全面捕捉整个肌肉的三维变化。另一方面，基于扩散张量成像（DTI）的轨迹追踪方法可以提供肌肉整体的三维结构信息，但在收缩过程中由于扫描时间较长（超过5分钟），限制了其应用。本研究旨在通过结合基于图像配准的方法，实现对肌肉在中等强度收缩（20–40%最大自主收缩力）下的三维结构和应变的测量，为肌肉生物力学研究提供新的数据支持。

本研究采用了一种创新的方法，将DTI轨迹追踪与图像配准技术相结合，以评估在收缩过程中肌肉的整体结构和应变情况。这一方法此前已在被动变形条件下进行了验证，证明其能够准确反映肌肉在变形状态下的结构特征。通过将MRI结构图像的位移场应用于DTI轨迹，可以将肌肉的纤维轨迹从未变形状态转换为被动变形状态，从而获得更精确的结构参数。同时，这种方法还能测量肌肉在收缩过程中的应变情况，使得对肌肉内部结构与应变关系的分析成为可能。

研究对象选择了胫前肌（TA）作为重点，这是人体中常见的运动肌之一，其结构和功能的变化对于理解整体肌肉的生物力学特性具有重要意义。在实验过程中，研究人员首先对参与者的肌肉结构进行了评估，以确保其处于正常状态。随后，参与者在中等强度的等长收缩条件下进行测试，以获取肌肉在不同状态下的结构和应变数据。通过这一过程，研究人员能够观察到肌肉在收缩时的纤维轨迹长度减少、肌纤维角度增加以及纤维曲率变化等现象，这些变化反映了肌肉在收缩过程中的内部结构调整。

此外，研究还发现肌肉在不同区域内的应变存在显著的异质性，这种异质性可能受到肌肉结构的影响。例如，在某些区域，应变的分布可能更为均匀，而在其他区域则表现出较大的变化。这种现象提示我们，肌肉的结构特征可能在一定程度上决定了其在收缩过程中的应变模式。因此，通过结合图像配准和DTI轨迹追踪的方法，研究人员能够更全面地了解肌肉在收缩过程中的行为特征，为肌肉生物力学研究提供新的视角和数据支持。

本研究的结果表明，基于MRI的方法在测量肌肉在收缩过程中的三维结构和应变方面具有巨大潜力。传统的超声成像虽然能够提供局部结构信息，但无法全面反映整个肌肉的三维变化，而基于DTI的方法虽然能够提供全面的结构信息，但在收缩过程中受到扫描时间的限制。通过将图像配准技术引入DTI轨迹追踪，研究人员能够在较短时间内获得肌肉在收缩过程中的结构和应变数据，从而提高研究的效率和准确性。这种方法不仅适用于中等强度的收缩，还可能为更高强度的收缩研究提供新的可能性，尽管在实际操作中，高负荷的收缩需要更长的扫描时间，因此需要进一步优化扫描技术。

在实际应用中，本研究的结果可以为临床和运动科学领域的研究提供重要的参考。例如，在运动康复中，了解肌肉在不同收缩状态下的结构和应变变化有助于制定更有效的训练方案。在疾病诊断中，肌肉结构的变化可能与某些病理状态相关，因此通过这种方法可以更准确地评估肌肉的功能状态。此外，本研究还揭示了肌肉结构与应变之间的相互关系，这种关系可能对肌肉损伤的预测和预防具有重要意义。

本研究的实验设计采用了严格的伦理标准，所有参与者均在知情同意的前提下进行测试。实验过程中，研究人员使用了MRI兼容的等长背屈设备，以确保数据的准确性和可靠性。通过这种方式，研究人员能够实时监测肌肉在收缩过程中的变化，并结合图像配准技术进行三维重建。实验结果表明，这种方法能够在较短时间内获取完整的肌肉结构和应变数据，为未来的肌肉生物力学研究提供了新的工具和方法。

总体而言，本研究通过创新的图像配准和DTI轨迹追踪方法，成功实现了对肌肉在收缩过程中的三维结构和应变的测量。这一成果不仅填补了当前研究在肌肉三维结构测量方面的空白，还为理解肌肉在不同收缩条件下的行为特征提供了新的数据支持。未来的研究可以进一步探索这种方法在更高强度收缩条件下的应用，以及其在不同肌肉类型和运动模式中的适用性。通过不断优化和改进，基于MRI的方法有望成为研究肌肉生物力学的首选工具，为医学和运动科学领域带来深远的影响。