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【摘 要】 目的：应用micro-MRI和DTI技术对喉内肌运动单位进行三维重建，并获取生物力学信息数据。方法：2只狗喉以7T小MRI弥散张量成像技术序列扫描，喉内肌纤维分割三维重建。结果：甲杓肌、环杓后肌和杓肌肌肉纤维被示踪显影计算。结论：DTI-MRI及DTI纤维示踪技术具有提供喉内肌肉的生理功能信息的潜能。
【關键词】 小MRI 弥散张量成像 喉内肌
【中图分类号】 R445.2 【文献标识码】 A 【文章编号】 1671-5160（2014）04-0326-01
背景随着计算机科学和医学模拟技术的发展，近年来，计算机辅助医学教育模式方兴未艾。计算机辅助学习系统广泛应用于解剖学，外科学，口腔医学，麻醉科学等学科领域，并且被证明是非常有效且经济的学习工具[1]。在喉嗓音领域，喉姿势和声带振动的计算机虚拟模型已经研究多年了，并成为喉生理和喉功能研究学习中不可或缺的工具。[2]
超高场强小MRI（ ultra-high-field Micro MRI ），指的是场强等于或高于7T以上的核磁共振成像仪。由于它具有比低场强MRI更高的信噪比（SNR），更高的分辨率（空间分辨率一般可以达到100um）并且图像具有更高的对比度。优异的对比度和分辨率使其广泛应用于组织解剖，组织功能和分子成像方面的研究。弥散张量成像技术（Diffusion tensor imaging，DTI）：是一种MRI 成像技术。通过该技术，能够计算出一个有限体内水的弥散方向。组织中水的弥散是各向异性的，其方向受细胞及亚细胞膜性结构，温度，和场内磁化率的影响。弥散阻碍越大，核磁信号的衰减越慢。每个体元（voxel）都具有特异的主轴方向，计算机将这些3D数据在空间上进行整合，形成弥散张量，并根据其本征向量（椭圆体的主轴方向）进行可视化，即弥散张力成像。通过整合组成纤维束的体元的弥散张量，就能够实现纤维路径的重建，空间方向定位示踪。因此，DTI技术广泛运用于神经系统及神经通路的研究中，同时也为肌肉系统研究提供了很有价值的结构信息。
核磁共振是喉建模一个重要技术手段，但是由于喉是一个精巧的器官，软骨，喉内肌组织形态微小，低磁场强度的MRI ，其分辨率不能够将这些结构之间的边界完全分辨显示。超高场强小MRI（7Tesla及以上），能够提供微米级的图像为微小精巧组织结构成像提供了可能。结合弥散张量成像技术（DTI）核磁成像技术，小MRI 能够同时提供喉部肌肉空间解剖和生理功能数据，为喉计算机模型研究提供一种新的方法学。同时，也让我们对喉生理有进一步新的认识。
1 材料和方法
2只正常的狗的喉，死亡后迅速解剖分离，去除喉外肌，保持所有喉内肌及喉内组织完整（保持肌膜文章）保留上至舌骨，下至第一气管环下方。将离体喉用丝线悬吊于圆柱形丙烯酸合内，完全浸泡于10%中性福尔马林固定14天。冲洗后，悬吊包埋于4%琼脂糖凝胶中。
MRI扫描：扫描在 9.4 T micro-MRI scanner （Bruker， BioRheinstetten， Germany）进行，采用 10 cm水平内孔， 72 mm体线圈.
T2加权扫描：TurboRARE 3D 序列， TE 40.0 ms， TR2000 ms，FA of 90.0°， FOV5.12/5.12/5.12 cm， 无间隔。 TA 4：33：04 ，NEX 2，扫描矩阵256/256/256. 最终分辨率200×200×200 μm体元.
DTI扫描： EPI-DTI 序列，128 梯度编码方向， b 值500s/mm2 ，梯度分离时间 15s，梯度持续时间 3s TE 40ms TR 2000ms ， FOV 5.12/5.12/5.12 cm， 无间隔，TA 2：44：00。扫描矩阵128/128/19 . 最终分辨率400um×400um×2700um 。无扩散张量参考图像扫描一幅 （b=0）。
数据后处理：MedINRIA1.9.0 （Asclepios Research Project， France； available at http：//www-sop.inria.fr/asclepios/software/MedINRIA）平台进行DTI图像后处理。
2 结果
在T2加权像中，结合解剖知识，经2D分割后，各內肌空间三维结构被独立重建。各喉內肌的平均纤维运动单位的长度和平均长度被读取 （表1）.
表1 喉內肌的平均纤维运动单位的长度和平均长度
3 讨论
骨骼肌的结构可以界定为：一丛按照和力产生方向相关的肌纤维的排列集合，它的主要本征向量和肌纤维细胞的长轴相对应[3]。肌肉的纤维每5-50根组成一束，形成肌肉的运动单位（motor unit） ，每根肌纤维横截面为20-30um。运动单位，就是肌肉的基本功能单位[4]。从上可推论，理论上其横截面直径在100um-1500um 之间。本研究平面分辨率达到了400um×400um，基本上能够满足大部分运动单位显影的需求，能够实现对喉內肌功能单位的重建。
但从图像中重建，后处理读取的数值中，例如，平均纤维运动单位的数值，明显有不合理之处，这可能是由于扫描信号不完全，信号丢失所致，但也有可能是由于后处理软件的算法问题。在今后，需要进一步调整扫描参数，压低信噪比；需要进一步比较后处理软件处理的数据和随机平台之间数据重建效果。
从该研究结果来看，DTI-MRI及DTI纤维示踪技术具有提供肌肉的生理功能信息的潜能，包括：纤维运动单位的量化的空间路径，路径的空间角度，纤维单位的数量，以及纤维单位空间结构。这些数据是传统生理学研究无法测量到的。DTI-MRI技术在肌肉生物力学方面的研究具有独到的优势，为构建反映真实喉动力生理模型提供了不可或缺的有价值的数据信息。
参考文献
[1]Qin J， Pang WM， Chui YP， Wong TT， Heng PA ，A novel modeling framework for multilayered soft tissue deformation in virtual orthopedic surgery. J Med Syst. 2010 Jun；34（3）：261-71.
[2]Hunter EJ， Titze IR， Alipour F， A three-dimensional model of vocal fold abduction/adduction，J Acoust Soc Am. 2004 Apr；115（4）：1747-59
[3]Van Donkelaar CC， Kretzers LJ， Bovendeerd PH， Lataster LM， Nicolay K， Janssen JD， Drost MR. Diffusion tensor imaging in biomechanical studies of skeletal muscle function J Anat. 1999 Jan；194 （ Pt 1）：79-88.
[4]Ounjian M， Roy RR， Eldred E， Garfinkel A， Payne JR， Armstrong A， Toga AW， Edgerton VR.Physiological and developmental implications of motor unit anatomy. J Neurobiol. 1991 Jul；22（5）：547-59.
【關键词】 小MRI 弥散张量成像 喉内肌
【中图分类号】 R445.2 【文献标识码】 A 【文章编号】 1671-5160（2014）04-0326-01
背景随着计算机科学和医学模拟技术的发展，近年来，计算机辅助医学教育模式方兴未艾。计算机辅助学习系统广泛应用于解剖学，外科学，口腔医学，麻醉科学等学科领域，并且被证明是非常有效且经济的学习工具[1]。在喉嗓音领域，喉姿势和声带振动的计算机虚拟模型已经研究多年了，并成为喉生理和喉功能研究学习中不可或缺的工具。[2]
超高场强小MRI（ ultra-high-field Micro MRI ），指的是场强等于或高于7T以上的核磁共振成像仪。由于它具有比低场强MRI更高的信噪比（SNR），更高的分辨率（空间分辨率一般可以达到100um）并且图像具有更高的对比度。优异的对比度和分辨率使其广泛应用于组织解剖，组织功能和分子成像方面的研究。弥散张量成像技术（Diffusion tensor imaging，DTI）：是一种MRI 成像技术。通过该技术，能够计算出一个有限体内水的弥散方向。组织中水的弥散是各向异性的，其方向受细胞及亚细胞膜性结构，温度，和场内磁化率的影响。弥散阻碍越大，核磁信号的衰减越慢。每个体元（voxel）都具有特异的主轴方向，计算机将这些3D数据在空间上进行整合，形成弥散张量，并根据其本征向量（椭圆体的主轴方向）进行可视化，即弥散张力成像。通过整合组成纤维束的体元的弥散张量，就能够实现纤维路径的重建，空间方向定位示踪。因此，DTI技术广泛运用于神经系统及神经通路的研究中，同时也为肌肉系统研究提供了很有价值的结构信息。
核磁共振是喉建模一个重要技术手段，但是由于喉是一个精巧的器官，软骨，喉内肌组织形态微小，低磁场强度的MRI ，其分辨率不能够将这些结构之间的边界完全分辨显示。超高场强小MRI（7Tesla及以上），能够提供微米级的图像为微小精巧组织结构成像提供了可能。结合弥散张量成像技术（DTI）核磁成像技术，小MRI 能够同时提供喉部肌肉空间解剖和生理功能数据，为喉计算机模型研究提供一种新的方法学。同时，也让我们对喉生理有进一步新的认识。
1 材料和方法
2只正常的狗的喉，死亡后迅速解剖分离，去除喉外肌，保持所有喉内肌及喉内组织完整（保持肌膜文章）保留上至舌骨，下至第一气管环下方。将离体喉用丝线悬吊于圆柱形丙烯酸合内，完全浸泡于10%中性福尔马林固定14天。冲洗后，悬吊包埋于4%琼脂糖凝胶中。
MRI扫描：扫描在 9.4 T micro-MRI scanner （Bruker， BioRheinstetten， Germany）进行，采用 10 cm水平内孔， 72 mm体线圈.
T2加权扫描：TurboRARE 3D 序列， TE 40.0 ms， TR2000 ms，FA of 90.0°， FOV5.12/5.12/5.12 cm， 无间隔。 TA 4：33：04 ，NEX 2，扫描矩阵256/256/256. 最终分辨率200×200×200 μm体元.
DTI扫描： EPI-DTI 序列，128 梯度编码方向， b 值500s/mm2 ，梯度分离时间 15s，梯度持续时间 3s TE 40ms TR 2000ms ， FOV 5.12/5.12/5.12 cm， 无间隔，TA 2：44：00。扫描矩阵128/128/19 . 最终分辨率400um×400um×2700um 。无扩散张量参考图像扫描一幅 （b=0）。
数据后处理：MedINRIA1.9.0 （Asclepios Research Project， France； available at http：//www-sop.inria.fr/asclepios/software/MedINRIA）平台进行DTI图像后处理。
2 结果
在T2加权像中，结合解剖知识，经2D分割后，各內肌空间三维结构被独立重建。各喉內肌的平均纤维运动单位的长度和平均长度被读取 （表1）.
表1 喉內肌的平均纤维运动单位的长度和平均长度
3 讨论
骨骼肌的结构可以界定为：一丛按照和力产生方向相关的肌纤维的排列集合，它的主要本征向量和肌纤维细胞的长轴相对应[3]。肌肉的纤维每5-50根组成一束，形成肌肉的运动单位（motor unit） ，每根肌纤维横截面为20-30um。运动单位，就是肌肉的基本功能单位[4]。从上可推论，理论上其横截面直径在100um-1500um 之间。本研究平面分辨率达到了400um×400um，基本上能够满足大部分运动单位显影的需求，能够实现对喉內肌功能单位的重建。
但从图像中重建，后处理读取的数值中，例如，平均纤维运动单位的数值，明显有不合理之处，这可能是由于扫描信号不完全，信号丢失所致，但也有可能是由于后处理软件的算法问题。在今后，需要进一步调整扫描参数，压低信噪比；需要进一步比较后处理软件处理的数据和随机平台之间数据重建效果。
从该研究结果来看，DTI-MRI及DTI纤维示踪技术具有提供肌肉的生理功能信息的潜能，包括：纤维运动单位的量化的空间路径，路径的空间角度，纤维单位的数量，以及纤维单位空间结构。这些数据是传统生理学研究无法测量到的。DTI-MRI技术在肌肉生物力学方面的研究具有独到的优势，为构建反映真实喉动力生理模型提供了不可或缺的有价值的数据信息。
参考文献
[1]Qin J， Pang WM， Chui YP， Wong TT， Heng PA ，A novel modeling framework for multilayered soft tissue deformation in virtual orthopedic surgery. J Med Syst. 2010 Jun；34（3）：261-71.
[2]Hunter EJ， Titze IR， Alipour F， A three-dimensional model of vocal fold abduction/adduction，J Acoust Soc Am. 2004 Apr；115（4）：1747-59
[3]Van Donkelaar CC， Kretzers LJ， Bovendeerd PH， Lataster LM， Nicolay K， Janssen JD， Drost MR. Diffusion tensor imaging in biomechanical studies of skeletal muscle function J Anat. 1999 Jan；194 （ Pt 1）：79-88.
[4]Ounjian M， Roy RR， Eldred E， Garfinkel A， Payne JR， Armstrong A， Toga AW， Edgerton VR.Physiological and developmental implications of motor unit anatomy. J Neurobiol. 1991 Jul；22（5）：547-59.