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医学影像论文发表影像学技术对膈肌的研究进展

  摘 要:呼吸肌是人体呼吸运动的动力泵,它驱动着肺的气体交换,是人体唯一终生所依赖的骨骼肌[1]。人的呼吸肌主要由膈肌、肋间肌和腹肌三部分组成,可分为吸气肌(包括膈肌、肋间外肌)和呼气肌(包括腹肌、肋间内肌等)。文章发表在《医学影像学杂志》上,是医学影像论文发表范文,供同行参考。

  关键词:影像学技术;膈肌;呼吸肌

  呼吸肌是人体呼吸运动的动力泵,它驱动着肺的气体交换,是人体唯一终生所依赖的骨骼肌[1]。人的呼吸肌主要由膈肌、肋间肌和腹肌三部分组成,可分为吸气肌(包括膈肌、肋间外肌)和呼气肌(包括腹肌、肋间内肌等)。膈肌作为最主要的呼吸肌,虽只占人体重量0.5%,但负担人体60%~75%的通气需要,尤其在吸气过程中膈肌的作用占呼吸肌的60%~80%[2]。

  近年来发现在危重病和慢性阻塞性肺疾病(COPD)等慢性病中,膈肌疲劳和无力十分常见。膈肌疲劳和无力是呼吸衰竭发生的重要病理生理机制之一。Party等已证明急性呼吸衰竭或COPD伴发高碳酸血症时存在着呼吸肌疲劳[3]。Jubran A和Laghi F都证实:多数COPD患者发展成为急性呼吸衰竭是由于过度的机械负荷、呼吸肌肌力减弱或两者共同引起[4-5]。

  因此,找到一种能客观准确测定膈肌功能的方法对于呼吸衰竭的发病机制的研究和临床防治有重要的意义。目前,评价膈肌功能的方法主要有:跨膈压(Pdi)与最大跨膈压(Pdimax);膈肌张力—时间指数(TTdi);膈肌限制时间(Tlim);膈肌电图(EMGdi)测定;膈神经电、磁刺激法(EPNS)等;但这些方法因为有创性、干扰因素多、可重复性差等原因使其应用受到一定限制。而随着现代医学影像技术的发展,影像学检查手段由于其直观、便利、和客观和无创性,越来越多的应用于膈肌的形态学与功能学的研究与评价。文章对影像学技术研究膈肌的形态与功能做一综述。

  1 膈肌的形态与功能

  膈肌为一圆顶形宽阔的薄肌,呈中央部较平坦、两侧向上隆凸的穹窿形,膈穹窿左低右高。膈肌中央部称中心腱,为腱膜,呈三叶状,周围部为肌纤维。膈肌就像一个机械的屏障位于胸腔与腹腔之间,并保持这两个腔的压力梯度[6]。膈肌收缩时,其顶部变平而下降使胸腔扩大,产生吸气动作,舒张时顶部升高协助呼气。如此有节律地收缩与舒张,昼夜不止,维持人体的外呼吸功能[7]。同时还参于诸如咳嗽、排痰、呕吐、排便和分娩等与胸腹腔压力升高有关的非呼吸功能。

  2 影像学研究膈肌的方法与进展

  影像学检查技术主要包括:X线平片和透视、CT、磁共振(MRI)等,它们是通过形态、结构、密度差异、信号改变等来直观反映膈肌的形态、位置及运动。影像学检查它不仅可以用于无法耐受肺功能及一些电生理检查,而且由于其无创、便利、客观,可以明确判断疾病的解剖部位,所以越来越广泛的应用于对膈肌的研究。

  2.1 常规X线:包括透视和胸片。X线平片和透视是利用X线的穿透性和人体不同结构对X线吸收的差异来成像[8]。通常我们用胸片的正侧位来观察膈肌正常或异常情况下的起始点,并通过肺下界来间接判断膈肌的位置和轮廓;但如果在胸片下观察到膈肌异常,我们则需要更进一步的影像学检查(CT或MRI)来明确膈肌的形态和结构。在X线透视下我们可以动态的观察到一个呼吸周期中膈肌的上下运动[9]。1974年Sharp等研究了21例COPD患者与23例正常人的情况[10]。在站立位功能残气量(FRC)时,患者膈肌的长度比正常人的短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(残气量)时相的膈肌的长度指数DLI(Diaphragm length index)=膈肌的长度/身高,并研究DLI与最大吸气压力(Pimax)及最大呼气压力(Pemax)的关系[11]。并发现:RV(残气量)时相COPD患者的膈肌较正常人短28%。2001年Bellemare F等人利用人体解剖学标记来测量胸片上正常人和肺气肿患者膈肌的长度指数(DLI),验证了这种方法估计膈肌长度的有效性;并认为此种方法可以用来评价膈肌的功能;发现肺气肿患者膈肌的长度指数DLI比正常人小;而肺气肿患者经肺减容手术后膈肌的长度指数增加[12]。

  2.2 CT:CT成像原理与X线相似,只是通过探测器接受穿过人体的X线并经过计算机处理。CT所获得的是横断面解剖图像,它真切反应病灶的存在,并对病灶的大小、形态、密度值,甚至体积进行测量。还可以充分显示病灶周边的形态学特征,如病灶边缘光滑程度、有否毛刺等;并且了解病灶与其他脏器的毗邻结构关系;这些对病灶的定位、定性都有很大的帮助[13]。CT诊断的敏感性与特异性均高于常规胸片。CT检查扫描时间短,不受呼吸伪影的影响,影像的空间分辨率高,对肺实质解剖显示清楚,价格相对低廉都是MRI所不及的。所以CT成为研究膈肌功能主要影像学方法。近二十年来,通过螺旋CT及多层螺旋CT 的多种后处理软件的应用,可获得冠状位等多平面重建图像。使得CT对膈肌的研究越来越广泛和深入,研究内容主要包括膈肌及其周边的结构、长度、曲度和表面积的测定;及肺容积的测定等。但CT检查有一定的辐射性,在研究膈肌运动方面有一定的局限。

  2.2.1 膈肌横断面研究:1983年NaidichDP等对75个正常人膈肌横断面CT图像进行统计,研究膈肌横断面的解剖学关系,认为:①膈肌呈条带状软组织影,其各部在各层面上的出现率不一样并且厚度随呼吸发生变化;②CT横断面图像往往不能直接观察到膈肌各部的全貌,但冠矢状重建图像,不仅可以直接观察到膈肌呈突向胸腔的弯窿状细线样软组织密度影,还可以观察到膈肌附着点及其与上下脏器的毗邻关系、膈肌裂孔和穿越裂孔的腔静脉、食道和主动脉等[14]。1989年Caskey CI等在早期二维CT成像对膈肌形态学的研究表明:①成年人膈肌的厚度与年龄无显著关系;②影像学上,膈肌的缺损易发生在左侧,并与年龄有显著关系,随年龄的增加膈肌缺损的比率明显增大,严重程度加重;③肺气肿患者在CT成像中可见膈肌缺损,并证实肺气肿是造成影像学形态观察中膈肌缺损的主要原因之一[15]。

  2.2.2 早期膈肌重建:1987年Whitelaw WA首次利用间隔为5MM层厚的CT研究了一例正常人在膈肌在松弛和收缩的两个状态下的形态。从连续的扫描层面中冠状、矢状重建了膈穹窿在两个状态的模型,测量了膈肌的长度和位移,绘制了膈肌与肋骨对合区域的图型。得到的结论是:在吸气时,膈肌运动的位移为680 ml,右半侧膈穹窿缩短约6.7~7.2 cm,左半侧膈穹窿缩短约4.0~4.3 cm,这些数据与X胸片所得的数据相近。

  2.2.3 膈肌三维重建:1996年 Pettiaux N、Cassart M等利用螺旋CT技术对4个正常人(正是1994年Gauthier AP运用MRI技术研究的那4个人)三维重建了膈肌的形态。Pettiaux N和Gauthier AP两种方法、及实验原理基本相同。分别在RV(残气量),FRC(功能残气量),FRC+(功能残气量+?深吸气量),TLC(肺总量)四个时相进行图像采集。在每个图像中,膈穹窿、膈肌与胸壁对合区域的图形被Osiris软件数字化,然后这些被数字化的膈肌轮廓被送入Matlab工作站重建。得出的结论:①膈肌长度、表面积、膈穹窿、膈肌与胸壁对合区域的面积都与MRI得到的数据相近,证实了螺旋CT技术三维重建了膈肌的形态的可靠性;②MRI检查对于正常肺功能的受试者是非常合适的,但对于COPD患者,特别是严重的COPD患者由于在扫描中需要反复屏气并延长屏气的时间,所以CT检查更为合适。

  2.2.4 膈肌三维重建对COPD患者的研究:1997年Cassart M,Pettiaux N等继续利用螺旋CT三维重建技术,在仰卧位对10例严重COPD患者和10例正常人进行对照研究。分别在FRC(功能残气量),FRC+(功能残气量+?深吸气量),TLC(肺总量)三个时相进行图像采集。结果发现:①COPD患者在FRC时膈肌表面积(Adi)、膈肌与胸壁对合区域表面积(Aap),较正常人显著减少;而膈穹窿的表面积(Ado)无明显改变;②当在一个相似的绝对肺容积的时候相比较,COPD患者和正常人的膈肌的大小相近;③在正常人组和COPD患者组中膈肌的大小都显示了较大的个体差异性;这种差异部分可以解释为由于体重的差别引起。

  2.2.5 膈肌三维重建对肺减容手术的评价:2001年Cassart M等采用上述螺旋CT三维重建技术研究了11个严重的肺气肿患者肺减容手术前后对膈肌长度、面积的影响。受试者取仰卧位,分别在FRC(功能残气量),RV(残气量),TLC(肺总量)三个时相时进行研究,结果表明,在FRC(功能残气量)时,虽然肺减容手术明显增加膈肌表面积(Adi,增加了17%±4%)、膈肌与胸壁对合区域表面积(Aap,增加了43%±8%),但没有显著改变膈肌的构型。

  2.3 MRI:磁共振是利用氢质子在磁场内受射频脉冲激发而共振所产生的信号成像的技术,MRI与射频脉冲撤除后氢质子回复至原来状态的弛豫时间有关,其中有纵向弛豫时间(T1)和横向弛豫时间(T2),不同组织T1和T2差别是MRI的基础。MRI成像优点:具有无创伤、无射线、软组织对比分辨率高和能直接做冠状位、矢状位、横断位和各种斜位成像。这也是是MRI相对于CT扫描的一大优势。特别是对呼吸运动的动态研究中可以任意切面扫描,可同时对胸廓、膈肌进行研究,使得认识更加全面、准确、客观。MRI不足:由于其可及性差、费时及费用大的缺点使得我们一般将它作为研究膈肌的二线检查方法。但是近些年来,利用MRI不同的扫描序列进行的快速成像成为国际上研究的热点,技术日新月异,研究的内容包括:不同呼吸状态下膈肌的运动,三维重建膈肌、胸廓、肺容积,以及对整个肺的运动等。

  2.3.1 快速梯度回波脉冲序列MRI研究膈肌的运动:1995年Gierada等首次证实了用快速梯度回波脉冲序列来研究膈肌呼吸运动的可靠性。测量了矢状位上膈肌不同点的运动情况。得出:膈肌的绝对位移在右侧是4.4 cm,左侧是4.2 cm。膈肌的运动幅度两侧部分大于中间部分。

  1999年Suga用1.5MR,turbo-FLASH和HASTE序列,利用通过电影回放技术、图像融合和时间距离曲线来动态评价28个肺气肿患者(包括9个经过肺减容手术患者)膈肌、胸壁在呼吸运动中的位移(D/CW)。得出:①和正常对照者规则、同步的D/CW相比,肺气肿患者D/CW则减小,而且显示出不规则、不同步运动;特别是最大膈肌、胸壁位移D/CW(MAD,MACW)显著减小;②肺气肿患者膈肌与胸壁对合区域的长度(LAD)显著减小;③肺气肿患者经过肺减容手术后D/CW 的构型、活动度得到改善;MAD、MACW、LAD显著增加;④MAD、MACW与EFV1%显著相关。与CT扫描相比,患者即使没有明显的肺气肿体征,磁共振仍然可以发现异常的胸壁运动。

  2000年Unal等利用0.3T MRI采用梯度回波序列,荧光透视的方法研究COPD患者膈肌的运动功能。检查以后,用电影回放的方法显示中央冠状位层面膈肌的最高、最低位置,并测量膈肌的运动幅度。得出:COPD患者膈肌的位移明显减小,而且膈肌的位移与第一秒呼气容积密切相关。

  2002年Iwasaw等利用1.5T MRI评价膈肌的反常运动。得出:肺气肿患者在深呼吸时,其膈肌运动幅度的平均值是(10±0.04)cm明显高于正常人(0.5±0.002)cm。

  2.3.2 MRI三维重建研究膈肌面积:1992年Paiva M等运用MRI在FRC(功能残气量)时测量了膈肌的三维结构,并计算了膈肌的总面积,膈肌与胸壁对合区左右的表面积,膈肌的曲率半径。得出的结论是:膈肌与胸壁对合区的面积大约占膈肌总面积的(45±1.5)%,这占了膈肌肌性部分相当大的比例。在仰卧位FRC(功能残气量)时至少松弛的人膈肌的后半部分可以通过拉普拉斯定律来解释。

  1994年Gauthier AP等三维重建了4个正常男性的在MRI下的膈肌形态。他们将一个可以弯曲的里面充满特殊液体的管子围在肋骨边缘,用以确认膈肌束的起点。受试者在仰卧位分别在RV(残气量),FRC(功能残气量),FRC+(功能残气量+?深吸气量),TLC(肺总量)四个时相进行图像采集。在进行图像处理时,选一个接近于剑突的点作为卡迪尔坐标系的原点,知道了每个图像与这个点的关系及最边界层面的距离、共扫描的层数就可以三维重建膈肌图形了。最后得到了膈肌在冠状面、矢状面的长度,膈肌的表面积。得到的结论是:膈肌的运动主要在前后方向上,而不是左右方向;膈肌的形态既依赖于膈肌的收缩,也依赖于肺气肿的下位肋骨支架的变宽,且主要依赖于前者;膈肌在不同肺容积下产生压力的能力可能由以下几方面因素决定:①>体内的三维形态、曲率、张力;②>膈肌与胸壁对合区、膈穹窿;③>长度力量特性。

  2.3.3 三维重建膈肌、胸廓、肺容积:2000年Cluzel等对5例正常人进行冠矢状位扫描。矢状位三维重建,描述RV,TLC,FRC时膈肌与胸廓的形态和容积变化。得到:①三维重建的容积模型与实际值非常吻合;②从RV到TLC膈穹窿下的平均容积减少了66%,而胸廓分隔的胸腔的平均容积增加了23%;膈肌则贡献了其中60%的吸气能力;③随着肺容积的增加,膈肌长度在矢状位上减少37%,冠状位上减少28%;在TLC时膈肌与胸壁的对合区域消失;④膈肌总的表面积、膈肌与胸壁对合区域面积在RV时相最大,在TLC最小,分别减小了48%和100%;而膈穹窿的面积却增加了37%。

  2.3.4 动态回波平面MRI序列(EPI)对膈肌的3D动态研究:2004年Craighero S等利用动态回波平面MRI序列(EPI)将受试者的MRI图像采集与持续记录的呼吸信号同步,得到了受试者平静呼吸和最大幅度呼吸两个呼吸周期的动态实时的膈肌三维重建;并且定量的测量了动态变化中的膈肌的位移距离、表面积、容积。证实了在自由呼吸状态(而非屏气状态),EPI有足够的空间和时间分辨率来动态研究膈肌的功能。

  2.3.5 128通道接收线圈-MRI 3D动态研究:2009年Tokuda J等报道了将配备了128通道接收线圈的3-T全身扫描仪与MRI三维重建技术结合来动态评价包括胸廓的提升、膈肌的位移的整个肺的运动。他们证实了这种方法的有效性,并认为相对于以前的MRI技术它的优势在于:①受试者不需要屏气而处于完全自由的呼吸状态;②自动的进行图像处理;③相对于动态回波平面MRI序列(EPI),得到的图像更真实,显示的肺的细节更多,图像质量更高。

  综上所述,影像学由于其无创、直观、客观、利于随访对比,对于研究膈肌的形态与功能具有巨大的临床前景,而且有利于药物和手术治疗效果的评价。影像学对膈肌的研究尚处于不成熟阶段,还有很大的空间有待我们去探索。而且,以上文献都是国外的报道,国内对于膈肌的影像学研究少之甚少,因此影像学在膈肌的形态结构与之生理学、病理生理学研究尚有十分广阔的前景和重大的意义。

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