基于MRI的咀嚼肌解剖与生物力学特征研究：青年男女性别特异性形态学参数分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：MRI-based anatomical and biomechanical characterization of the human masticatory muscles

　　

摘要 咀嚼肌的生物力学模型可量化咀嚼系统的复杂力与运动模式，对于颅颌面区域基于证据的诊断、治疗规划及修复治疗至关重要。本研究基于高分辨率磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）图像及半自动三维（Three-dimensional，3D）分割技术，提供了青年男性与女性咀嚼肌形态学的全面性别特异性参数。研究人员对咬肌（M. masseter，MM）、翼肌（M. pterygoideus）及颞肌（M. temporalis，MT）的容积、长度、解剖横截面积（anatomical cross-sectional area，ACSA）及表面积进行了双侧评估。研究人员采用一种新的基于质心的分割方法确定各肌肉在颅骨与下颌骨上的力作用点，以用于生物力学模型解释。统计分析显示，68项参数中有66项表现出显著的性别特异性差异，且多数具有较大的效应量：男性参与者通常在容积、长度和横截面积方面数值更高，但浅层咬肌（M. masseter superficialis，MMS）的两项横截面积除外，这导致女性的表面积与容积之比更高。尽管观察到轻微的不对称效应，但各性别内部未发现显著的左右侧差异，提示研究队列中咀嚼肌呈双侧对称性。将容积数据与现有文献比较显示，本研究数据总体高于历史尸体测量值，但与近期数字化研究结果一致，强调了年龄、方法学及性别特异性差异对肌肉形态计量学参数解读的影响。总体而言，本研究为咀嚼肌群的形态计量学表征及性别特异性生物力学建模提供了宝贵基础，同时也指出了小样本、非均衡及混合性别参考群体的局限性。

基于MRI的青年咀嚼肌性别特异性形态学与生物力学参数研究：论文解读

一、研究背景与问题提出

咀嚼肌产生的特定力量对于咀嚼、咬合及颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）应力产生至关重要，同时参与咀嚼、吞咽和言语等生理功能，因此在颞下颌关节紊乱病（temporomandibular disorders，TMDs）、磨牙症及颌骨相关临床治疗中发挥核心作用。咀嚼肌的多羽状和独立结构产生复杂的力向量方向，支持具有六自由度的动态肌肉模型。在该模型中，肌肉容积和最大肌纤维长度是评估生理横截面积（physiological cross-sectional area，PCSA）和最大肌力（F）的关键因素。此外，容积、长度和横截面积（cross-sectional area，CSA）等肌肉参数作为生物力学模型和咬合力模型的输入数据，结合肌纤维长度可模拟肌肉张力、关节力和下颌运动。

当前咀嚼肌生物力学模型的研究现状表明，由于其相较于身体其他区域（如膝、髋或腿）已建立的肌肉骨骼模型更为复杂，存在系统性缺陷。部分咀嚼肌形状不规则、呈羽状结构，且在颅骨和下颌骨上具有较大的附着区域。因此，现代研究常依赖经典参数，这些数据多基于小样本、高平均年龄的尸体研究，限制了其与青年人群的可比性。已有关于咀嚼肌影像学表征的文献多考察混合队列而未按性别分层。尽管近期基于MRI和预测性方法进一步证明了定量咀嚼肌参数对临床和生物力学应用的相关性，但关于男性和女性肌肉参数（如长度、解剖横截面积、表面积及表面积与容积比）的独立数据很少在同一研究中被考察。此外，健康男性和女性肌肉参数的双侧比较以及这些参数的性别特异性表征和比较大多缺乏。这些文献空白可能直接影响生物力学模型的有效性和临床相关性。若未充分考虑种族、性别、年龄和样本量等因素，则存在误解生物力学模型的较高风险，可能导致患者接受不正确的临床治疗和疗法。

本研究旨在利用高分辨率MRI数据集，比较青年参与者主要咀嚼肌的性别特异性形态计量学参数，同时分析双侧差异，并将测量参数与已发表数据进行比较，为未来咀嚼系统生物力学建模提供基础。

二、研究设计与技术方法

研究人员在维也纳医科大学收集了影像数据，样本量由可用合格MRI数据集数量决定，而非正式的预研究样本量计算。女性队列由15名受试者组成，中位年龄23岁（四分位距（interquartile range，IQR）：20–26；范围：18–39），中位身高170 cm，中位体重60 kg；男性组由7名受试者组成，中位年龄22岁（IQR：21.5–26；范围：19–29），中位身高180 cm，中位体重80 kg。所有扫描均使用西门子Prisma Fit 3-Tesla（3-T）扫描仪完成，序列参数包括重复时间（T_R）= 2100 ms，回波时间（T_E）= 3.67 ms，反转时间（T_I）= 900 ms，翻转角= 8°，成像核= ¹H，空间分辨率为1 mm层厚，像素尺寸1.0156 × 1.0156 mm。

研究人员使用开源医学影像计算程序3D Slicer（版本5.10.0）进行咀嚼肌的可视化、分割和测量。研究定义了四组参与咀嚼的主要肌群：咬肌（MM）、翼内肌（M. pterygoideus medialis，MPM）、翼外肌（M. pterygoideus lateralis，MPL）和颞肌（MT），并对男性和女性参与者的左右侧肌肉均进行了分割。分割采用半自动方法，即3D Slicer中的"Grow from Seeds"模块，该方法需要在种子层和背景层中进行手动预处理，由算法从种子体素扩展并受背景层标记体素的强度梯度约束，随后进行手动后处理和低分辨率因子3 × 3 × 3体素的平滑处理。咬肌进一步分为浅层咬肌（MMS）和深层咬肌（M. masseter profunda，MMP）两部分。

在标志点定义方面，研究人员采用了基于质心的分割方法，通过分割薄层状容积并计算其几何质心来确定肌肉与骨骼接触区域。根据解剖结构特点，定义了三种类型的标志点：基于文献的起点（OL）和止点（IL）、基于质心的起点（OC）和止点（IC），以及颞肌的前部起点（OA）、中部起点（OM）和后部起点（OP）。肌肉轴由起点和止点连线确定，CSA在肌肉轴25%、50%和75%处标准化测量，测量平面正交于肌肉轴。颞肌因其复杂的肌肉系统、前中后三部分划分及不同羽状角，未进行CSA测量。

统计分析采用Shapiro-Wilk检验评估正态性，因两组均显著偏离正态分布且样本量不等，故仅使用非参数检验。性别间比较采用Wilcoxon Rank-Sum检验，并应用Benjamini-Hochberg方法的错误发现率（False-Discovery-Rate，FDR）校正，同时计算Rank-Biserial效应量。补充进行了基于模拟的事后功效分析（10,000次模拟）。左右侧比较采用Wilcoxon Signed-Rank检验。观察者内信度通过4个数据集的独立重新分割和重新测量，使用组内相关系数ICC(A,1)评估。

三、研究结果

3.1 分割与量化过程

半自动方法（Grow from Seeds）适用于所有检查的肌群。咬肌和颞肌的肌肉边界因邻近突出骨结构而更易识别，而翼内肌和翼外肌的分割具有挑战性，肌肉边缘较小的对比度差异使半自动分割复杂化，需要更密集的手动后处理。基于质心分割方法手动定义标志点时，所有检查肌肉在下颌骨上的止点因骨结构而更一致地勾勒，而翼肌起点的接触容积与相关骨表面仅显示微小对比度差异，视觉分割更困难且耗时更多。

3.2 肌肉几何测量

肌肉几何分析显示，MMS具有最大的纵向延伸，MMP略短。就长度而言，MT是所有咀嚼肌中最长的，后部纤维代表最长的单个延伸。翼内肌和翼外肌在总长度上位于咬肌两部分之间，MPL是两个翼肌单元中较短者。横截面积趋势方面，MMS的CSA从起点到止点持续增加，在肌肉长度75%处达到三个预定义点中的最大值；MMP的最大CSA值出现在点1和点2之间（起点和止点距离的25%和50%），随后向止点方向减小；MPM沿功能轴从25%到75%持续增加，而MPL的CSA在整个长度上几乎保持恒定。容积数据分析显示，MT是男性和女性参与者中咀嚼系统最大的肌肉，表面积也最大。MM的总容积几乎完全由浅层部分决定，其超过MMP的容积。翼内肌和翼外肌对咀嚼肌群总容积有显著贡献，翼外肌与翼内肌相比容积差异较小。表面积与容积比反映不同肌肉特征：MMS和MPL相对于其对应肌肉组件（MMP和MPM）表现出较低比率，表明更紧凑、更厚的肌肉形态；而MMP和MPM表现出较高比率，表征更薄、更扁平的肌肉结构。

3.3 形态学表征

Wilcoxon Rank-Sum检验表明，即使在FDR校正后，68项独立肌肉参数中有66项在女性和男性参与者之间存在显著差异（p_BH ≤ 0.05）。仅左右侧MMS起点和止点距离25%处的CSA在男性和女性数据集之间无显著差异。Rank-Biserial效应量强调形态学性别差异：68项参数中58项显示正效应量，即男性数值更高；其中57项参数显示大效应（r ≥ 0.5），一项显示中等效应（r ≥ 0.3）。相反，68项参数中有10项在女性中数值更高，这些全部与表面积与容积比相关，并显示高效应量。基于模拟的事后功效分析显示功效值范围为0.324至1.000，68项比较中45项达到充分统计功效（Power ≥ 0.80），23项显示有限功效。

在男性中，Wilcoxon Signed-Rank检验显示所有34项配对参数在p ≥ 0.05显著性水平下无显著差异，FDR校正确认了该结果。Rank-Biserial效应量显示男性左右侧肌肉间有14项小效应、8项中等效应和12项大效应。女性结果同样显示所有34项配对参数在左右侧肌肉间无显著差异，FDR校正支持非参数检验结果。效应量显示女性中27项参数为小效应、7项为中等效应，无大偏差，提示女性左右侧肌肉基本对称。

观察者内信度评估了68项形态计量学参数，总体中位ICC为0.866，参数特异性值范围为0.126至0.9957。肌肉长度测量的中位ICC为0.817，横截面积测量为0.848，肌肉容积测量为0.949，表面积测量为0.919，表面积与容积比为0.899。总体结果显示主要为良好至优秀的观察者内信度。

3.4 与既往研究比较

本研究中男性和女性参与者的总容积一致高于尸体文献报道值。文献中报道的收缩性肌肉容积平均值是所参考研究中最低值，大多在女性中位数范围内或以下。Heins等人（2025）报道的容积数据也处于文献值的较低范围，特别是MMS和MMP，低于本研究的男性和女性中位数。相比之下，Lin等人（2025）报道的MM以及MMS和MMP的平均值、翼肌的中位数与本研究中男性容积的四分位距大致一致。Ng H.等人（2009）报道的MM和翼内肌、翼外肌容积平均值高于Van Eijden等人（1997）报道的平均值，低于Lin等人（2025）报道的平均值和中位数，且介于本研究男性和女性中位数之间。Adisen等人（2018）报道的女性总肌肉容积描述性均值，特别是MM和翼肌，高于本研究女性中位数，且均值周围变异显著更高。

与容积数据相比，Van Eijden等人（1997）的肌肉长度描述性数据倾向于落在本研究男性数据范围内，但长度数据围绕均值的变异远高于本研究女性和男性队列的四分位距。

四、讨论与结论

本研究的容积数据与既往文献的比较显示，本研究数据总体高于历史尸体测量值，但与近期数字化研究结果一致，强调了年龄、方法学及性别特异性差异对肌肉形态计量学参数解读的影响。研究提供了全面的性别特异性咀嚼肌形态学参数，基于高分辨率MRI和半自动三维分割技术，涵盖容积、长度、解剖横截面积和表面积等参数的双侧评估，并采用新的基于质心的分割方法确定力作用点。统计分析表明66/68项参数显示显著性别特异性差异，男性在容积、长度和横截面积方面数值更高，而女性在表面积与容积比方面更高。虽然观察到轻微不对称效应，但各性别内部未发现显著左右侧差异，提示咀嚼肌呈双侧对称性。总体而言，本研究为咀嚼肌群的形态计量学表征和性别特异性生物力学建模提供了宝贵基础，同时指出了小样本、非均衡和混合性别参考群体的局限性。