在循环充放电过程中，拓扑优化电极中的电化学传输现象

《Journal of Energy Storage》：Electrochemical transport in topology optimized electrodes during cyclic charge–discharge processes

本研究通过同步超声成像和运动捕捉技术，评估了不同探路径对股二头肌长头（BF）形态学参数（如肌束长度FL和 pennation angle PA）的影响，发现中央路径测得FL较短、PA较大，而侧边路径则相反，表明探路径差异可能导致高达10%的测量误差，影响生物力学评估和受伤风险预测。

　　在运动科学和生物力学领域，骨骼肌的结构和功能研究一直受到高度重视。其中，股二头肌长头（Biceps Femoris Long Head, BF）因其在运动中的重要作用，特别是其在高力矩的离心收缩中的表现，成为研究的重点。BF的形态学特征，如肌束长度（Fascicle Length, FL）、肌束角度（Pennation Angle, PA）以及肌肉厚度（Muscle Thickness, MT）等，不仅影响其运动性能，还与肌肉损伤风险密切相关。研究表明，这些变量的变化可以反映出肌肉的适应性改变或损伤的潜在风险，因此，准确评估BF的形态学特征对于理解其功能状态和预防运动损伤具有重要意义。

然而，BF的结构复杂性使得其形态学评估面临诸多挑战。BF在近端区域具有一个中间的腱膜，延伸至其长度的大约70%，而近端肌束起始于该腱膜并终止于浅层腱膜。在远端区域，浅层肌束相对较短，而深层肌束则较长且方向不同，最终插入到浅层腱膜。这种区域性的结构差异意味着，单一测量点可能无法全面反映BF的整体形态。因此，如何选择合适的测量位置和方法，成为评估BF形态的关键问题。

为了克服这一挑战，研究人员常采用B型超声（B-mode ultrasound）技术进行活体评估。B型超声因其快速、非侵入性和操作简便性，成为研究肌肉结构的常用工具。在常规的超声检查中，通常会在肌肉长度的50%处进行测量，以优化肌束的可视化。然而，早期研究认为，测量位置应选择在肌束长度最短、肌束角度最大和肌肉厚度最大的区域。随着研究的深入，人们发现，当腱膜平行且肌束插入清晰可见时，这样的位置更有利于准确评估BF的形态学特征。

此外，超声探头的横向移动也会对测量结果产生影响。研究表明，即使在相同的测量位置，探头的横向偏移会导致PA降低，而FL增加。这一现象表明，测量过程中探头的位置和角度可能会引入测量误差，从而影响对肌肉结构的准确评估。因此，如何在不同测量路径下保持一致的探头位置和角度，成为提高测量准确性的关键。

为了更全面地理解探头位置对BF形态学测量的影响，本研究采用了一种创新的方法，结合了传统的B型超声技术与同步的二维运动轨迹追踪。研究人员通过在探头上设置光学标记，并利用高速摄像机追踪这些标记的位置，从而记录下探头的二维运动轨迹。同时，他们还同步采集了超声图像，并利用Kinovea软件进行数据同步和分析。这种方法使得研究人员能够精确地量化不同测量路径下的探头位置和角度变化，并进一步评估这些变化如何影响FL和PA的测量结果。

在实验过程中，研究人员将受试者置于左侧卧位，以确保右腿能够被充分暴露。他们使用了一台10 MHz的线性阵列超声探头，并通过视频采集卡以30 Hz的采样率记录超声图像。同时，他们使用了高精度的高速摄像机，以90 Hz的采样率追踪探头的运动轨迹。通过这种方式，研究人员能够获取探头在不同测量路径下的精确位置和角度数据，并将其与超声图像进行同步分析。

研究结果显示，测量路径对FL和PA有显著影响，而对MT和IT的影响则不明显。具体而言，沿着中央路径测量的FL显著低于沿着 medial 或 lateral 路径测量的FL，而PA则显著高于 medial 或 lateral 路径测量的PA。这一结果表明，探头的横向位置变化确实会影响肌束长度和角度的测量，从而可能导致对肌肉结构的误解。例如，沿着 medial 或 lateral 路径测量的FL比中央路径高出约10%，而PA则比中央路径低约6.59%至12.57%。这些变化在统计学上具有显著性，表明探头位置对测量结果的影响不容忽视。

研究还发现，测量位置对MT和IT有显著影响，而对测量路径的影响则相对较小。这说明，在评估肌肉厚度和中间厚度时，测量位置的选择比测量路径更为关键。此外，线性回归分析进一步支持了这一结论，表明探头位置和角度的变化能够显著解释FL和PA的变异。这一发现强调了在进行肌肉形态学研究时，必须考虑到探头位置和角度对测量结果的影响，以确保数据的准确性和可比性。

研究还探讨了不同测量路径下探头位置和角度的差异。结果显示，探头的水平位置在不同路径之间没有显著差异，但垂直位置则存在显著变化。例如，沿着 lateral 路径测量时，探头的垂直位置较高，而沿着 medial 路径测量时，探头的垂直位置较低。这一发现表明，探头的倾斜和旋转可能会影响其在肌肉中的定位，从而改变测量结果。因此，在进行超声测量时，需要确保探头的正确对齐，以减少因探头位置和角度变化带来的误差。

此外，研究还指出了传统B型超声技术的一些局限性。由于超声图像只能提供二维信息，因此在评估具有复杂结构的肌肉时，可能会忽略一些重要的三维特征。例如，BF的腱膜呈曲线状，而肌束在不同区域的排列也存在差异。这些特征在二维图像中可能难以全面捕捉，从而影响测量的准确性。因此，未来的超声研究可能需要结合其他技术，如扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI），以更全面地了解肌肉的三维结构。

在实际应用中，这些研究结果对临床和运动科学领域具有重要意义。例如，在运动损伤预防和康复评估中，准确测量BF的形态学特征可以帮助识别高风险个体，并制定个性化的训练和康复计划。此外，对于运动员而言，了解不同测量路径对结果的影响，有助于在进行肌力训练和运动表现评估时，选择最合适的测量方法，以确保数据的可靠性和一致性。

研究还强调了在进行超声测量时，标准化探头位置的重要性。尽管探头的轻微偏移在实际操作中是常见的，但这些偏移可能会导致测量结果的显著差异。因此，研究人员建议在进行BF测量时，首先确定肌肉的横向宽度，然后将探头旋转90度，以获取最佳的纵向图像。这种方法不仅可以提高测量的准确性，还能减少因探头位置变化带来的误差。

总之，本研究揭示了探头位置和角度对BF形态学测量结果的影响，强调了在进行肌肉结构评估时，需要综合考虑多种因素，以确保数据的准确性和可比性。这些发现不仅为未来的肌肉形态学研究提供了重要的参考，也为临床和运动科学领域的实践应用提供了新的思路。通过优化测量方法和探头定位，研究人员可以更精确地评估BF的结构特征，从而更好地理解其功能和损伤风险。