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方法文章

吞咽过程中舌骨喉部力学的坐标映射

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DOI：

10.3791/51476

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2014年5月6日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Medical College of Georgia, Georgia Regents University, 2Department of Communicative Sciences and Disorders, New York University, 3Department of Cellular Biology & Anatomy, Georgia Regents University, 4Department of Otolaryngology, Georgia Regents University

本文内容

摘要

坐标映射是一种用于记录吞咽咽期喉部生物力学显著特征的方法。该方法利用图像分析软件记录解剖标志点的坐标，然后将这些坐标导入Excel宏中，转换为吞咽障碍研究中有用的运动学变量。

摘要

对舌骨-喉部运动进行表征对于吞咽障碍研究具有重要意义。以往的方法需要进行多次测量才能获得一个运动学参数，而采用改良钡剂吞咽造影（Modified Barium Swallow, MBS）对舌骨-喉部力学进行坐标映射时，仅需一组坐标即可计算多个感兴趣的变量。为演示该方法，本研究从一组坐标中生成了十个运动学测量参数，以确定吞咽两种不同食团时的差异。通过计算舌骨相对于椎体和下颌骨的位移，并对二者进行相关性分析，以明确参考轴系的重要性。

为了演示坐标映射方法，从一组无已知吞咽功能障碍的健康正常受试者的数据集中随机选取了40项MBS研究。对每位受试者分别测量了5 ml稀液体团和5 ml布丁状食物的吞咽过程。在舌骨喉复合体运动最小和最大位移的帧图像上，记录了9个坐标点，这些坐标点映射了颅底、下颌骨、椎体以及舌骨喉复合体的结构。这些坐标通过数学方法转换为反映舌骨喉力学特性的10个变量。

采用组内相关系数（ICC）评估评分者间信度。使用双尾t检验评估不同食团黏度下的运动学差异。对不同参考轴的舌骨位移测量值进行相关性分析。六名评分者对18个坐标的评分者间信度范围为ICC = 0.90 - 0.97。在六名评分者之间，对每位受试者共十项运动学测量指标进行比较。剔除一个离群值后，其余信度评分的平均值为ICC = 0.91，95%置信区间为0.84 - 0.96。对十项运动学变量进行双尾t检验并采用Bonferroni校正（5 ml稀液体与5 ml布丁吞咽比较），结果显示舌骨位移、喉部上提运动及咽部缩短差异具有统计学意义（p < 0.005）。基于两个不同参考轴的舌骨位移测量值的Pearson相关性分别为：r = 0.62，r2 = 0.38（稀液体）；r = 0.52，r2 = 0.27（布丁）。

获取标志点坐标是从视频透视图像中生成多种运动学变量的可靠方法，这些变量在吞咽障碍研究中具有重要应用价值。

引言

吞咽的咽期是一个复杂的过程，涉及二十多块肌肉和多个骨骼结构，旨在将食团从口腔输送至食管，同时保护气道。在咽部收缩之前，舌骨喉复合体（包括舌骨、喉部以及与之相关的结构如上食管括约肌）发生位移，使原本的呼吸通道转变为消化道。喉部向前移动，避开食团的行进路径，同时上食管括约肌被拉伸而打开。通过视频透视吞咽检查（也称为MBS或改良钡餐吞咽检查）获取的运动学测量数据，是量化舌骨喉复合体多种运动的主要研究方法1。

尽管定量视频透视荧光测量法可用于评估吞咽功能，但由于不同的参考轴和测量标量，各种运动学测量方法所得结果彼此之间缺乏可比性2。在临床医生手动控制下，患者和透视设备的移动也会干扰对这一复杂生理过程测量的准确性。更重要的是，运动学测量并不一定反映评估吞咽障碍所必需的结构与功能之间的关系。特别是舌骨的运动学参数，通常设计为相对于与椎体对齐的解剖平面，追踪其向前或向上的位移。然而，这种设定并不能代表悬吊舌骨的肌肉的实际作用力方向。

在吞咽的咽期，已确定存在一种舌骨喉部抬升的双吊带机制（图1）3,4。舌骨上肌群构成前部肌性吊带，而咽部长肌构成后部肌性吊带。这些肌肉共同抬升舌骨喉复合体的各个组成部分，包括舌骨、喉部以及构成上食管括约肌的结构。

舌骨喉部力学的坐标映射利用九个易于识别的解剖标志点，来描绘舌骨喉部复合体的三个骨骼杠杆及其特征，这些特征代表了前部和后部肌性吊带的附着点（图2）。在吞咽过程中，舌骨喉部复合体的每个骨骼杠杆及其特征均处于运动状态。通过采集各坐标点数据，可记录系统在任意时间点的形态。对坐标数据进行三角函数转换，可获得吞咽过程中舌骨喉部运动的多种运动学参数。这些变量可用于与文献报道的结果进行比较，或用于生成新的测量指标，以表征特定的结构-功能关系。

本文的主要目的是展示一种方法，该方法可基于从改良钡餐吞咽（MBS）研究中采集的一组解剖标志坐标，计算出多个运动学测量参数。我们通过组内相关系数（Intraclass correlation coefficients）评估该方法的可靠性，以确定6名不同评估者之间的评分者间信度，其中包括1名专家、3名有经验的评估者和2名新手。根据运动学结果，分析了不同食团稠度对吞咽力学的影响。最后，本文探讨了Molefenter和Steele提出的一个问题，即在测量舌骨运动时所采用的参考轴的重要性。为回答这一问题，我们比较了以椎体为参考和以下颌骨为参考的舌骨位移测量结果，这两种测量均基于同一组坐标数据，并针对两种食团类型进行计算。如果这两种测量舌骨运动的方法能够反映相同的结构与功能关系，则其结果应呈现高度相关性。

本研究从佐治亚州立大学机构审查委员会批准的研究方案下收集的139例正常病例中，随机选取了40例侧位吞咽造影（MBS）检查。为展示该方法的应用价值，基于同一组坐标数据计算了十个表征舌骨-喉部运动学的变量（表1）。其中七个测量指标此前已在文献中使用，包括：以椎体为参照的舌骨前移和上移距离5；以C2-4节段长度为参照、同样以椎体为基准的舌骨前移和上移位移比值6；以椎体为参照的喉部上移距离7；舌骨-喉部接近程度1；以及以椎体为参照的最大舌骨位移1。此外，还计算了三个新指标：近似代表腭咽肌附着关系的咽部缩短程度、沿茎突咽肌作用线方向的喉部抬升程度，以及近似反映舌骨上肌群附着关系的舌骨位移4,8。

一名头颈部解剖学专家（WP）、三名在测量方面经验有限的研究人员（CJ、SR、TT）以及两名新手研究人员（RS、JT）按照下述方案获取了坐标映射数据。专家（WP）首先培训了三名有经验的评估者，随后这三名评估者再培训两名新手评估者。以受试者为单位，通过组内相关系数9确定坐标数据及由坐标计算得出结果的评估者间信度。对每个变量进行双尾t检验，以确定不同食团类型之间的统计学显著差异。采用皮尔逊相关系数和决定系数，评估在5 ml稀液体吞咽和5 ml布丁吞咽过程中，以椎体为参考轴与以下颌骨为参考轴所计算出的舌骨位移结果之间的一致性。

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方案

1. 配置计算机

  1. 对于 Macintosh，下载以下开源或免费软件：ImageJ、MacX Video Converter Free Edition (Mac) 和 QuickTime（参见材料/设备表）。
  2. 对于 PC，下载以下开源或免费软件：ImageJ、MPEG Streamclip (PC) 和 QuickTime（参见材料/设备表）。

2. 准备视频片段

  1. 文件转换。将原始视频文件转换为 .mov 格式，以便在 ImageJ 中进行数据采集。注意：可用的视频应包含视野中的下颌、硬腭、C1-C4 椎体、喉部和咽部。ImageJ 图像处理工具可改善图像质量问题。
    1. 使用电脑，运行 MPEG Streamclip，通过“文件”>>“打开文件”加载原始的 .avi 视频文件，并选择所需的片段。然后选择“文件”>>“导出为 QuickTime”。
    2. 使用 Mac 时，请使用 MacX Video Converter，点击 "添加文件" 并选择要转换的视频。此应用程序可同时转换多个视频。
    3. 在输出设置部分，单击浏览按钮，选择用于保存转换后文件的目标位置。
    4. 点击 "转为 MOV 格式" 选项卡。确保“输出格式”下的 "视频设置" 该部分为 MOV。点击“开始”。
  2. 编辑片段长度。ImageJ 的内存有限，建议为每次吞咽创建单独的文件。
    1. 打开 MOV 视频文件。该文件是在步骤 2.1 中使用 QuickTime（PC 或 Mac）创建的。
    2. 确定 5 ml 根据数据采集期间使用的MBS方案中规定的吞咽顺序，通过音频提示进行稀液体和布丁状食物的吞咽。
    3. 选择“编辑”>>“修剪”，然后调整修剪条，使整个5 ml 薄层流体吞咽过程被可视化。点击裁剪。
    4. 选择文件 >> 导出，并创建一个文件名，用于关联受试者数据（性别、年龄、病因、团注类型）与坐标映射结果。
    5. 重复进行布丁吞咽测试（或任何其他感兴趣的食团吞咽测试）。

3. 图像去标识化

  1. 如果文件包含任何个人健康信息（PHI）且需要去标识化，请使用 Image J 上传文件（参见 4.1 - 4.2）。
  2. 使用矩形工具框选吞咽研究区域，以排除个人健康信息。选择 图像 >> 裁剪，然后选择 文件 >> 另存为 >> QuickTime 电影。
  3. 按如下方式配置对话框：压缩 >> Sorenson 3；质量 >> 最高，输入适当的帧率（通常为 30 fps）。 

4. 准备测量

  1. 打开 ImageJ。点击工具栏上的“>>”图标。选择 >> 箭头标注工具。
  2. 上传图像。单击 QuickTime 图标。选择 "将视频作为图像序列打开" 从下拉菜单中选择并定位已编辑的 QuickTime 视频片段。由于内存限制，Image J 无法打开完整的吞咽研究视频（参见步骤 2.2）。可通过选择“编辑”>>“选项”>>“内存”来略微扩展内存。 & 线程
  3. 处理图像以提高图像质量。选择“Process” >> “Math” >> “Add”。勾选预览框，调整数值至理想的图像质量。确认对整组图像堆栈进行处理时，回复“yes”。
  4. 设置测量参数。从 ImageJ 菜单中选择“分析” >> “设置测量”。在弹出的对话框中勾选 "堆叠位置" 和 "反转 Y 坐标"取消选中所有其他项。
  5. 从工具栏中选择多点工具，然后依次点击解剖标志点（见5.0）。
  6. 使用多点工具。
    1. 通过选择菜单中的“分析”>>“测量”或使用键盘快捷键 command+M（PC 为 control+M）对所有点进行测量。
    2. 使用 command+A（PC 用户使用 control+A）删除所有点。
    3. 将光标悬停在单个点上，然后按住 command-option 键并点击要移除的点，以删除该点。
    4. 通过将鼠标悬停在单个点上，单击并拖动该点至新位置后释放，即可移动该点。
    5. 使用箭头键移动所有点。

5. 绘制地标

  1. 从第一帧开始，逐帧推进至口腔前期的清晰画面。观察吞咽启动前食团在舌体前上方边缘的位置。利用此帧设定前九个坐标点。
  2. 使用 ImageJ 多点工具，在以下解剖标志处标记前九个坐标（见图 3a和3b）。
  3. 按下 command+M 键（PC 用户使用 control+M）记录前九个坐标。
  4. 逐帧推进，直至舌骨在前向和上向达到最大位移位置。通过继续推进帧确认舌骨已开始下降，以验证其已达最大位置。
  5. 将点 1 至点 5 重新定位至其新位置。这些新位置将被记录为坐标 10 至 14。
  6. 重新定位点 9，该点随后变为坐标 18。注意：接下来两个步骤所对应的帧可能有所不同。
  7. 找到显示喉部达到最大抬升位置的帧。调整点 7 和点 8，这两个点将作为坐标 16 和 17。
  8. 查找代表上食管括约肌（UES）最大位移的帧（点 6，即坐标 15）。从舌骨达到最大位移的帧开始，寻找食团在下咽部被上食管括约肌阻挡的帧。将上食管括约肌的坐标点从最小位移帧调整至代表其最大位移的坐标 15。
  9. 按下 command+M 键（PC 用户使用 control+M）记录第二组九个坐标。
  10. 对于坐标 19 和 20，标记标尺（如一枚硬币或直径 1.9 cm 的环）在放射显影标记物最长直径轴线上的两个边缘。
  11. 按下 command+M 键（PC 用户使用 control+M）记录标尺坐标。

6. 使用启用宏的 Excel 文件将坐标数据转换为感兴趣的运动学测量值（该宏的使用说明包含在文件中）

注意：宏中嵌入的三角函数计算可得出运动学测量结果（图4）。

  1. 从 JoVE 文章页面下载 "CoordinateMapping.xlsm"。
  2. 按照电子表格中的说明初始化文件。初始化宏将创建三个工作表，包括：结果表、数据表和输入表。注意：Macintosh 用户必须在 Excel 中启用开发工具才能运行宏。
  3. 从 ImageJ 结果窗口复制坐标，并粘贴到 "输入表"中的指定单元格。运行 "datacaptureline" 宏。
  4. 结果将显示在 "结果" 工作表中。坐标数据行将显示在 "数据" 工作表中。

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结果

六名研究人员独立分析了80个视频透视文件（40名受试者每人两次吞咽试验），所得坐标的组内相关系数（ICC）范围为ICC = 0.90 - 0.97。按组别划分的坐标ICC结果如下：坐标#1 - 5（舌骨喉部最小位移时的骨骼结构）均值为0.93，95%置信区间为0.91 - 0.95；坐标#6 - 9（舌骨喉部复合体在最小舌骨喉部位移时）均值为0.94，95%置信区间为0.92 - 0.96；坐标#10 - 14（舌骨喉部最大位移时的骨骼结构）均值为0.93，95%置信区间为0.91 - 0.95；坐标#15 - 18（舌骨喉部复合体在最大舌骨喉部位移时）均值为0.96，95%置信区间为0.94 - 0.97。这些结果表明，通过坐标映射方法可实现评估者之间高度的一致性。

由六名独立评分者采集的坐标数据计算出的十个变量的组内相关系数（ICC）在每位受试者和每次吞咽中显示，其中一名受试者在5 ml稀液体吞咽时ICC为0.54，另一项为0.47。对该名受试者的吞咽造影研究（MBS）进行视觉检查后确认图像质量较差。排除该受试者后，所有ICC值的均值及其95%置信区间为0.91。

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讨论

本研究展示了利用解剖标志点的坐标数据来计算吞咽过程中舌骨喉部运动多种运动学参数的方法的有效性。六名评估者（包括两名新手评估者）对坐标及计算变量的评估者间信度良好（组内相关系数 ICC > 0.90）。对一组随机选取的健康非吞咽障碍成年人的代表性结果显示，不同食团类型会引起多个运动学变量的差异。我们还发现，采用不同的参考轴计算舌骨位移所得结果之间的相关性较弱。 

采集解剖学标志点数据可缩短耗时，并消除其他方法因多次测量而引入的变异性 1,5-7。若所有坐标均可见，则可据此计算完整的运动学测量参数，并用于因子分析或主成分分析。或者，若研究问题涉及的变量较少，则可能仅需采集部分坐标，以计算少量的距离测量值。初始化宏将确定需要采集哪些坐标。该技术采用开源或易于获取的软件开发，旨在促进其在吞咽障碍研究中的广泛应用。这些多个步骤亦可被整合至商业软件中，从而有望使该技术在临床环境中具备可行性。

可根据计算需求对本方案进行调整。ImageJ 可读取包括 .avi 在内的多种文件格式。...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

作者感谢南卡罗来纳医科大学Evelyn Trammell嗓音与吞咽研究所的Kendrea Focht（CScD, CCC-SLP）共享用于演示本方法的吞咽造影成像文件。这些吞咽造影数据的收集获得了美国国家转化科学促进中心资助项目TL1TR000061（项目负责人：Focht）以及美国耳聋与其他沟通障碍研究所资助项目1K24DC12801（项目负责人：Martin-Harris）的外部支持，同时也得到了Mark和Evelyn Trammell基金会的内部支持。本研究方法最初由主要研究者在美国耳聋与其他沟通障碍研究所资助项目F31DC011705的支持下开发完成。本内容仅由作者负责，不代表美国耳聋与其他沟通障碍研究所或美国国立卫生研究院的官方观点。 

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ImageJ  NIHhttp://rsbweb.nih.gov/ij/download.html适用于 Macintosh
MacX Video Converter 免费版 (Mac)Digiartyhttp://www.macxdvd.com/mac-video-converter-free/适用于 Macintosh
QuickTime Applehttp://support.apple.com/downloads/#QuickTime适用于 Macintosh
ImageJ  NIHhttp://rsbweb.nih.gov/ij/download.html适用于 PC
MPEG Streamclip (PC) Squared 5http://www.squared5.com适用于 PC
QuickTimeApplehttp://support.apple.com/downloads/#QuickTime适用于 PC

参考文献

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