Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

אולטראסאונד תלת-ממד הדמיה: Morphometry מהירה וחסכונית של רקמת שריר-שלד

Published: November 27, 2017 doi: 10.3791/55943
Automatic Translation
1,2, 1, 1, *1, *2
1Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioural and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam Movement Sciences, 2Department of Rehabilitation Medicine, VU University Medical Center Amsterdam, Amsterdam Movement Sciences
* These authors contributed equally

Summary

אולטרסאונד תלת-ממד הדמיה (3DUS) מאפשר morphometry מהירה וחסכונית של רקמות שריר-שלד. אנו מציגים פרוטוקול כדי למדוד את נפח השריר אורך fascicle באמצעות 3DUS.

Abstract

המטרה התפתחותית של אולטרסאונד תלת-ממד הדמיה (3DUS) הוא מהנדס מודאליות לבצע ניתוח מורפולוגי אולטרסאונד תלת-ממד של שרירי האדם. תמונות 3DUS בנויים מתמונות מכוילת ביד חופשית דו-ממדיות B-מצב אולטרה סאונד, אשר ממוקמות למערך voxel. אולטראסאונד (ארה ב) הדמיה מאפשר כימות של גודל שריר, fascicle האורך והזווית של pennation. אלה משתנים מורפולוגי הם גורמים חשובים של שריר כוח ואורך טווח כוח למאמץ. פרוטוקול הציג מתאר גישה זו כדי לקבוע את אורך בשארל vastus lateralis ועל הסובך בשארל medialisונפח fascicle. 3DUS מקלה על סטנדרטיזציה באמצעות הפניות אנטומי תלת-ממד. גישה זו מספקת גישה מהירה וחסכונית עבור לכימות מורפולוגיה 3D בשרירי השלד. בריאות וספורט, מידע על morphometry השרירים הוא בעל ערך רב אבחון ו/או למעקב הערכות לאחר טיפול או אימון.

Introduction

בריאות וספורט, מידע על המורפולוגיה של השרירים הוא בעל ערך רב אבחון ו/או למעקב הערכות לאחר טיפול או אימון1. אולטראסאונד (ארה ב) הדמיה הוא כלי נפוץ עבור ויזואליזציה של רקמות רכות מבנים מחלות שריר2, מחלות קריטיות3,4, מחלות לב וכלי דם5, הפרעות נוירולוגיות6, 7,8, ואת ההשפעות של אימון גופני6,9,10. ארה ב הדמיה מאפשר כימות של גודל שריר, fascicle האורך והזווית של pennation. משתנים אלה מורפולוגי חשובים גורמים של שריר כוח ואורך טווח לכפות ממאמץ11,12,13,14,15.

כיום, ארה ב מדידות דימות מבוצעות בעיקר בתמונות דו-ממד, עם בחירת הבודק ככל הנראה, כיוון מתאים והמיקום של האולטראסאונד לחקור. שיטות כאלה 2D להגביל מדידות מורפולוגי למישור תמונה אחת, בעוד הפרמטר עניין לא יכול להיות מתנה בתוך המטוס הזה. ניתוח מורפולוגי דורש גישה תלת-ממד, מתן out-של-plane מדידות באמצעות נקודות התייחסות 3D. כזה 3D מורפולוגי ייצוג של הרקמות הרכות ידוע יינתן על-ידי תהודה מגנטית (MRI)16,17,18,19,20. אולם, MRI הוא יקר, לא תמיד זמין. כמו כן, ויזואליזציה של סיבי השריר דורש רצפים MRI מיוחד, כגון דיפוזיה טנזור הדמיה (DTI)21. אלטרנטיבה חסכונית MRI היא הדמיה אולטרסאונד תלת-ממד (3DUS). הגישה 3DUS מספקת מספר יתרונות על טכניקות MRI, למשל, שהיא מציבה פחות מגבלות השטח כדי למקמם את הנושא במהלך בדיקה. הדמיה 3DUS היא טכניקה ברצף לכידת תמונות דו-ממד (מצב ב'-ארה ב), והצב אותן לתוך נפח רכיב (voxel) מערך22,23,24. התהליך של שחזור התמונה 3DUS כוללת חמישה שלבים: (1) לכידת סדרה של תמונות ארה ב 2D ביד חופשית; (2) מעקב אחר המיקום של המכשיר בארה ב, באמצעות מערכת לכידת תנועה (MoCap); (3) מסנכרן את המיקום MoCap ואת תמונות ארה ב; (4) לחשב את המיקום והכיוון של תמונות אולטרסאונד בתוך המערך voxel באמצעות מערכת מכוילת של הפניה; (5) הצבת תמונות אלה למערך voxel הזה.

הגישה 3DUS הוחל בהצלחה עבור הערכה של המורפולוגיה של שרירי השלד15,25,26,27,28,29. עם זאת,25,15,7,הגישות הקודמות30 הוכיחו מסורבלת, זמן רב ומוגבל מבחינה טכנית, כפי יכולתי יורכבו מקטעים קטנים בלבד של שרירים גדולים.

כדי לשפר את הגישה 3DUS, פרוטוקול 3DUS החדשה פותחה המאפשר שחזור של שרירי מוחלט בתוך תקופה קצרה של זמן. מאמר פרוטוקול זה מתאר את השימוש 3DUS הדמיה עבור morphometry של אמ vastus lateralis (VL), הסובך בשארל medialis (GM).

Protocol

בכל ההליכים הכרוכים ניסויים אושרו על ידי ועדת האתיקה הרפואית של המרכז הרפואי דז'ה וו, אמסטרדם, הולנד.

1. אינסטרומנטציה

  1. להתחבר אולטרסאונד מכשיר מדידה מחשב. אם יש צורך, להשתמש תפוס-מסגרת חומרה ו/או תוכנה כדי לאחסן תמונות אולטרסאונד רציפים.
    הערה: בדיקה לינארית-array 5-ס מ (12.5 מגה-הרץ) משמש כדי ליצור תמונות במצב B (25 Hz). לפני כל מדידה, עומק הדמיה, אקוסטית תדירות ועוצמה ממוטבים להמחיש ממשקים של תוספת - ואת רקמות החיבור תוך שרירית. במהלך המדידה, הגדרות אלה אינן משתנות.
  2. להתחבר MoCap מערכת המחשב מדידה.
  3. נוקשה להתחבר סמן אשכול MoCap החללית אולטרסאונד כדי לאתר את המיקום והכיוון של המכשיר בארה ב.
  4. לחבר את סינכרון ההתקן (piezo קריסטל) ההדק הקלט של מערכת MoCap.
    הערה: ההפעלה של המכשיר סינכרון בכל רגע מפעילה את הקריסטל piezo, שולחים גלי קול לכיוון המתמר. גלי קול לנראים שהתקבלו ליצור חפץ ברורים בתמונה ארה ב ביוזמתו מערכת (איור 1א, חץ).
  5. למלא את המסגרת כיול בהזמנה אישית (פנטום) עם מים.

2. כיול

הערה: לבצע כיול המרחבי לחישוב מטריצה טרנספורמציה (לTמ) מן התמונות בארה ב לגבי מערכת הקואורדינטות בדיקה. תהליך כיול זה היה כפי שתוארה לעיל22. נא עיין להלן לקבלת תיאור קצר.

  1. המקום הפאנטום מלא מים, בגובה של crosswire (כלומר המעבר המשוקע שני חוטים) עמדה ידועה בתוך דמה מערכת הקואורדינטות (Phxyz איור 1B, חץ), על משטח יציב.
  2. למדוד את טמפרטורת המים עם מד חום.
  3. השתמש במצביע הכלי MoCap להקליט את המיקום והכיוון של הפאנטום במערכת הקואורדינטות העולמית (Gl).
  4. שהדגימה תמונה ארה ב ולהפעיל MoCap קירור והקפאה (שמתואר בשלב 3.3.3).
  5. להטביע את הראש של המכשיר בארה ב (Pr) בתוך המים. לתרגם ולסובב את המכשיר בארה ב-40 s (דגימה ב 25 הרץ) לכל הכיוונים, שמירה על הנראות של crosswire של תמונות בארה ב (Im).
  6. תעצור קירור והקפאה.
  7. לסנכרן את הנתונים MoCap ואת התמונות בארה על ידי זיהוי המסגרת הראשונה בארה ב, המכיל את החפץ שנוצרו על-ידי קריסטל piezo וחתוך את רצף תמונות בארה ב בהתאם (שמתואר בשלב 3.4.1.1).
  8. לזהות את התמונות ארה ב הרלוונטי בו crosswire נראה בבירור, לעקוב אחר המיקום של crosswire אלה תמונות בארה ב (אניאיםxyz), לתקן את המיקום על טמפרטורת המים.
  9. לקבוע את המיקום של crosswire ביחס נעה יחסי ציבור על ידי סדרה של המרות מ- Ph ל Pr (משוואה 1)-זמן מופעים (אני = יחיד-לרבים) התואם הזיהוי crosswire בשלב 2.8.
    Equation 1
  10. לחשב את אים את מטריצת מעבר Pr (יחסי ציבורTIm) על ידי פתירת משוואה 2, מעורבים כל המזהים של crosswire Im (הנמדד בשלב 2.8) בזמנו התאימה (אני = 1 : n) הקואורדינטות של crosswire של יחסי ציבור (שחושבו בצעד 2.9).
    Equation 2

Figure 1
איור 1: סכימטי של האלגוריתם 3DUS. (א) מערכת לכידת תנועה (MoCap) משמש כדי לעקוב אחר מקבץ של סמנים נוקשה מחובר החללית אולטרסאונד, בתוך מערכת הקואורדינטות העולמית (Gl). סינכרון נתונים MoCap ואולטרסאונד מושגת עושה שימוש של חפץ (חץ) שהציג Optotrak מופעלות piezo קריסטל. (B) המיקום הכיוון של מערכת הקואורדינטות תמונת אולטרסאונד (Im) מחושב ביחס מערכת הקואורדינטות בדיקה (Pr) על-ידי זיהוי נקודת ידוע בתוך יחסי ציבור , הודעות מיידיות. למטרה זו, פנטום אישית מעוצבת משמש מלא מים, בגובה של crosswire (כלומר שני חוטי המעבר המשוקע) עמדה ידועה בתוך מערכת הקואורדינטות פנטום (Ph). (ג) עם סדרה של המרות, נקודה זו ידועה מחושבת ב- יחסי ציבור. (D) עם סדרה מלאה של המרות ידוע, ניתן להפוך תמונות Im כל voxel מערך קואורדינטות (וי אי). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

3. נסיוני

הערה: פרוטוקול נסיוני מתאר שני פרוטוקולים בדרך כלל בביצוע מעורבים 3DUS הדמיה, כלומר morphometry של ג'נרל מוטורס, VL (איור 2א).

  1. נושא מיצוב
    1. לניסוי GM:
      1. שאל הנושא לשכב שכיבה על שולחן לבדיקת עם שתי הרגליים תלויות על קצה השולחן.
      2. יישר הרגל התחתונה בצורה אופקית, על ידי הצבת תמיכה תחת עצם השוקה. לתקן את הירך ואנאלי עם רצועות מרופדות מצליף כדי למנוע הרחבת הברך במהלך פרוטוקול נסיוני.
      3. התאם את כף הרגל של הרגל שיסרק לתוך מחוייט footplate31.
      4. לחבר את מפתח שוודי בהזמנה אישית מד זווית המצורף כדי footplate31. למצוא את הזווית footplate המקביל מומנט כוח חיצוני, למשל., 0 Nm (איור 2א).
      5. לתקן את footplate הכיוון המתאים ברגע dorsiflexion נטו 0 ננומטר, באמצעות מוט ההארכה של אשר מחובר אל השולחן (איור 2א, חץ).
    2. עבור הניסוי השישי:
      1. תשאל את הנושאים לשכב פרקדן על שולחן לבדיקת.
      2. לקבוע את זווית כיפוף הברך (קרי להניע כמו הזווית בין הקווים המחברים את המרכזים malleolus lateralis ועם epicondylus lateralis האחרון עם תל הירך הגדולות) עד 60 ° צלזיוס, על ידי מיצוב ברגליים על תמיכה.
      3. במקום קרן בצורת משולש מתחת לישבן כדי למנוע תנועת מפרק הירך.
      4. לתקן את הרגל התחתונה כדי התמיכה עם שתי כתפיות מרופדות מצליף כדי למנוע תנועת הרגל במהלך פרוטוקול נסיוני.
      5. לקבוע את זווית היפ (קרי להניע כמו הזווית בין קווים המחברים את מערכת ההפעלה coracoides עם תל הירך הגדולות, ואת האחרון עם epicondyle lateralis femoralis) עד 95 ° צלזיוס, על-ידי שינוי הזווית בחזרה תמיכה של ואנאלי.
        הערה: תנוחה זו המתוארת נבחר, כמו זה דומה משותפת זוויות במהלך הברך איזומטרי אופטימלית סיומת מדידות32,33.
  2. לוקליזציה של אתרים גרמית ואיזור עניין (ROI)
    הערה: פעולה זו מתבצעת עבור הדרכה הבדיקה אולטרסאונד תלת-ממד, כימות פוסט נסיוני של הרגל העליונה של הנושא, הרגל התחתונה, רגל יציבה. לזהות ולהקליט את העמדות של ציוני הדרך גרמית אנטומיים במערכת הקואורדינטות העולמית באמצעות הכלי מצביע MoCap.
    1. לניסוי GM:
      1. לזהות את ציוני הדרך הבאה על-ידי מישוש ולסמן אותם באמצעות סמן העור כירורגי: ההיבטים הגבי הבולטים של לעילית את עצם הירך המדיאלי, לרוחב, את המרכזים malleoli של השוקה, שוקית.
      2. באמצעות המכשיר בארה ב, לזהות ולסמן בעזרת סמן העור כירורגי הנקודות השטחי ביותר של condyles עצם הירך המדיאלי, לרוחב (בצד הגבי של הרגל) ואת המיקום הכי הפרוקסימלית של ההוספה של GM-calcaneus.
    2. עבור המידה VL:
      1. לזהות את ציוני הדרך הבאה על-ידי מישוש ולסמן אותם באמצעות סמן העור כירורגי: malleoli המדיאלי, לרוחב (כמפורט לעיל); הכניסה מקורב ביותר של הגיד צלחית של tuberositas tibiae; לעילית המדיאלי, לרוחב (כמפורט לעיל); השיא של עצם הפיקה את וגבולות ביותר המדיאלי, הפרוקסימלית ואת לרוחב הכניסה על עצם הפיקה; os coracoides על הכתף.
      2. להזדהות עם המכשיר בארה ב ולסמן ההיבט השטחי ביותר של תל הירך הגדולות , מקורב ביותר החדרת VL ב תל הירך הגדולות.
    3. עבור כל השרירים, השתמש במצביע הכלי MoCap להקליט ציוני הדרך המסומנת (המתוארים בסעיפים 3.2.1 ו- 3.2.2) במערכת הקואורדינטות העולמית. הזז את הכלי מצביע MoCap אל ציוני הדרך אנטומי מזוהה ולאחר להשתמש בתוכנה MoCap כדי להקליט את המיקום על-ידי לחיצה על כפתור "שיא".
    4. השימוש באולטרסאונד כדי לזהות את הגבול המדיאלי, לרוחב השריר; סימון הגבול המדיאלי, לרוחב על העור בעזרת סמן העור כירורגי.
  3. בדיקת אולטרסאונד תלת-ממד
    1. להורות את הנושא לא לזוז במהלך הבדיקה אולטרסאונד תלת-ממד.
    2. החל אולטרסאונד בשפע ג'ל על רועי כדי להבטיח קשר תקין בין העור לבין בדיקה בארה ב.
      הערה: יישומים כגון של ג'ל מאפשר הגבלת בדיקה הלחץ ובכך רקמות דפורמציה הדרושים כדי לקבל תמונה ברורה של ארה ב.
    3. לפתוח מסגרת תופש התוכנה (למשל, WinDV34) במחשב מדידה ולהתחיל את רכישת התמונה בארה על ידי לחיצה על לחצן "להקליט".
      1. לאחר מכן, ליזום ולהפעיל את רכישת הנתונים MoCap על-ידי לחיצה על כפתור "התחל" על המכשיר סינכרון; פעולה זו מפעילה באופן אוטומטי את ההתקן סינכרון (קרי piezo קריסטל) ממוקם קרוב לרכב הגישוש בארה ב, יצירת חפץ ברורים בתמונה ארה ב at the instance of חניכה MoCap (איור 1א, חץ).
    4. תוך כדי בדיקה מינימלית לחצים עדיין הבטחת איכות התמונה, הזזת המכשיר במהירות קבועה מעל רועי; זה נקרא "סריקה". ודא תמונות ארה ב חתך אנטומי ברור של שריר היעד נרשמים.
    5. בדיקה חזותית לתנועה של הנבדק במהלך הבדיקה; אם הנושא זז, בטל לטאטא את וחזור מ שלב 3.3.1.
    6. לטאטא פרוטוקול הניסוי GM
      1. מניחים את המכשיר בארה ב שנה עד שנגיע לפשרה כדי condyles עצם הירך על האספקט המדיאלי של הירך. בצע סריקה (כמתואר בסעיפים 3.3.1 - 3.3.5) בכיוון פרוקסימו דיסטלי לאורך הגבול המדיאלי של GM, הבטחת הנראות בתוך תמונות חתך אנטומי של הגבול המדיאלי של ג'נרל מוטורס, גיד אכילס, כל הדרך למטה אל שלה הכניסה על calcaneus.
      2. להוסיף מטאטא נוספים (כמתואר בסעיף 3.3.3 - 3.3.5) רועי שלם נסרק עד לגבול המדיאלי של השריר עם תמונה לחלוטין (איור 2B). השתמש האיתור הג'ל בסריקה הקודמת להנחות בסריקה הבאה, מעט חופפים (0.5 ס"מ) האזור swept הקודם.
    7. לטאטא פרוטוקול הניסוי VL
      1. מניחים את המכשיר בארה על הפן הלטראלי של המישור השוקה. הפעל סריקה בכיוון דיסטלי-proximal על הגבול הלטראלי של VL, הבטחת הנראות של הגבול הלטראלי של VL, כל הדרך אל המקור על תל הירך הגדולות.
      2. להוסיף מטאטא נוספים (כמתואר בסעיף 3.3.3 - 3.3.5) רועי שלם נסרק עד לגבול המדיאלי של VL זה עם תמונה לחלוטין (איור 2B). השתמש האיתור הג'ל בסריקה הקודמת להנחות בסריקה הבאה, מעט חופפים (0.5 ס"מ) האזור swept הקודם.
        הערה: במהלך הפרוטוקול לטאטא, תנועה של הנבדק צריך למנוע, כמו תנועות להשפיע לרעה על מיקום של תמונות ארה ב 2D במערך voxel. המספר של מטאטא נקבעים לפי הרוחב של המכשיר ואת הרוחב של שריר היעד. בדרך כלל, בדיקה ברוחב של 4 ס מ, רוחב שרירים של 12 או 18 ס"מ, 5 או 7 מטאטא, בהתאמה נדרשים לכסות את רועי כולל הגבולות.

Figure 2
איור 2: תיאור סכמטי של הגדרת הניסוי ואת הרייטינג של החללית אולטרסאונד מעל השרירים היעד (medialis בשארל הסובך (GM) ההתקנה וההתקנה בשארל vastus lateralis (VL)). (א) תצורות משותף ספציפי של הנושא עבור שני תנאים ניסיוני. האובייקטים המוצגים בירוק הם מתכווננת כדי להגדיר את המיקום והכיוון של הגפיים. החץ מצביע על מוט ההארכה המשמש כדי לתקן את הזווית footplate. (B) נתיב מטאטא מרובים של החללית אולטרסאונד מעל האזורים של ריבית. החצים הכחולים מייצגים יחיד הרייטינג השתלטה על האזור של אינטרסים. משמאל: מטאטא על GM; מימין: מטאטא מעל השישי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. אולטרסאונד תלת-ממד voxel מערך השיקום
    1. לשחזר מערך voxel 3DUS יחיד (3DUS תמונה) של סריקה אחת על פני העור של רועי אנטומיים ספציפיים (למשל, שריר, גיד) על ידי מילוי סל, inpainting המערך voxel 3DUS באמצעות סקריפט מותאם אישית. על מנת לשחזר מגוון voxel 3DUS, לבצע את הפעולות הבאות שלאחר ניסיוני.
      1. לסנכרן את הנתונים MoCap ואת התמונות בארה על ידי זיהוי המסגרת הראשונה בארה ב המכיל את החפץ שנוצרו על-ידי קריסטל piezo וחיתוך ארה ב תמונה רצף בהתאם עם תוכנה VirtualDub35. ראשית, למקם את המחוון בחירת מסגרת במסגרת הראשונה שזוהה ולחץ על כפתור "בית" על המקלדת. בשלב הבא, הזז את המחוון עד הסוף של המדידה (הקשר העור האחרון) ולחץ על כפתור "סיום". לחץ על לחצן "F7" לייצא את רצף התמונה החתוכה.
      2. להגדיר מערכת קוארדינטות של voxel מערך (וי אי) אשר יכול להיות מלא עם תמונות ארה ב, באמצעות סקריפט מותאם אישית. ודא Va מונחה על פי הכיוון הסריקה בגודל שיתאים כל התמונות ארה של סריקה בודדת.
        הערה: בתחילה, Va מורכב voxels מטה, עם הצירים יותר בכיוון של מחוג; צורה זו משפרת את יעילות מילוי.
      3. להקצות את voxels ב וירג'יניה עם גריי-ערכי פיקסלים בין הדימויים בארה ב, באמצעות קובץ script מותאם אישית. תהליך זה מתואר קדימה מיפוי או סל-מילוי (משוואה 3; איור 1 C) 23 , 24.
        Equation 3
        הערה: זה מראה לפנים מיפוי של תמונות דו-ממד ארה ב וי אי פי הכיוון ואת המיקום של התמונות מערכת הקואורדינטות Va. בקיצור, העמדות של כל הפיקסלים של תמונה אחת (Imxyz(1:n))-מופע זמן (i), בו זמנית ימופו קדימה המערך voxel. הליך מילוי סל ממלא רק את voxels כשהיא ממוענת, עוזב את שאינו ממוען voxels ריק (קרי שחור).
        הערה: Equation 7 מציין את ההופכי מטריצת מעבר שתואר לעיל (קרי יחסי ציבור כדי מטריצת מעבר Gl ).
      4. באמצעות קובץ script מותאם אישית לזהות פערים בתוך המערך voxel (קרי שחור voxels). באמצעות עיבוד תמונה בינארי, לנקוט בצעדים הבאים:
        1. ליצור מערך מלא סל voxel בינארי בו מסומנות כל voxels מלא. השתמש תמונה בינארי התארכות ושחיקה, עם אותו גודל ברובדי-הרכיב, לתייג כל רלוונטיות voxels (כלומר ערכים גריי voxels) בתוך האזור שנסרק. לזהות פערים על-ידי חיסור המערך סל מלא voxel בינארי (עם רווחים) מ- voxels הרלוונטי (ללא רווחים).
          הערה: פעולות עוקבות התארכות ושחיקה נמצאים עיבוד תמונה צעדים כדי להשלים את תמונות בינאריות. על-ידי ביצוע הפעולות הבאות בזו אחר זו, נותרו מחוץ לגבולות בעוד הפערים בתוך יוסרו.
      5. למלא את הפערים מזוהה באמצעות "שגרת inpaint", המקיפים ערכים גריי voxels36.
        הערה: טכניקה זו inpaint ניתן להתרגל: "למלא פערים interpolant חלקה בהתבסס על מזעור את הסכום של ריבועים של הנגזרת השנייה ב voxel שכותרתו כל נמדדת ההבדלים סופית על הרשת"36.
      6. להשוות מידות voxel Va על ידי אינטרפולציה 'לפי' ושמור את המערך voxel תמונה מוערמים .tiff (3DUS תמונה).
  2. שחזור מטאטא מרובים
    1. לשחזר את כל הרייטינג בודדים (המתוארת בסעיף 3.4) מכסה אחד רועי גדול יותר על פי אותה מערכת קואורדינטות Va למזג מטאטא מרובים.
    2. ליצור מערכת קואורדינטות Va חדשה, בגודל כדי להכיל את כל הרייטינג המשוחזרת בודדים.
    3. למקם את הפרט Vaשל צעד אחר צעד גדול Va. אם voxel מוקצה כבר על ידי אחר Va, voxel הזה רק יוחלף אם voxel חדש יש ≥ 10 ערך אפור בקנה מידה 8-bit, אחרת הערך voxel האפור החדש נמחקת.

4. מדידה של משתנים של שריר מורפולוגיה

  1. השתמש Toolkit אינטראקציה רפואית37 (MITK) כדי לטעון את התמונה 3DUS ולאחזר את הקואורדינטות של המקור, ההכנסה, הקצה הדיסטלי של שריר הבטן.
    1. לאחר טעינת תמונת התלת-ממד, להגדיר את חותכת על 'מצמידים צלב דק סיבוב'. יישר את הצירים עם שרירים או מבנים גרמי בדיוק לאחזר את נקודות הציון.
      הערה: MITK עדיף מעל אחרים תוכנת ניתוח הדמיה תלת-ממדית להערכה של נקודות אנטומיות, משום שהיא מאפשרת voxel-מהיר ואינטראקטיבי עם פרוסות מערך לכל כיוון ("מצמידים צלב דק" סיבוב), להקל את תהליך הזיהוי.
  2. על מנת למדוד את נפח השריר, השתמש MITK כדי לזהות את גבולות הבטן שריר בין המקור לבין הקצה הדיסטלי של שריר הבטן. השתמש את פילוח MITK מובנה לחלק באופן ידני את מספר חתכים אנטומיים בצורה שווה, מופץ לאורך הבטן שריר (איור 3א).
    1. פתח את 'כלי פילוח' וליצור 'פילוח חדשים'. התחל הממיין את גבולות שריר שזוהתה חתך לאורך שריר הבטן. הקש 'A' במקלדת כדי להוסיף על פילוח ידנית, לצייר על-ידי לחיצה על לחצן העכבר השמאלי ואת הזזת הסמן עוקב לגבולות שריר. הקש ' כדי להסיר חלקים של פילוח.
    2. הקש מפתח המתאים למצב הנבחר האחרון (דהיינו 'A' או של ') כדי לעבור על הצלב השני חתכים לאורך שריר הבטן. חזור על שלב 4.2.1 לחלק החדש שנבחר חתך הרוחב. חזור על שלב זה לפחות 6 פעמים, לפני שתמשיך לשלב הבא.
    3. להגדיר 'אינטרפולציה' 'אפשר', סקור את segmentations המוצע של הגבולות שריר (קווי) כל חתכים לאורך שריר הבטן.
    4. להוסיף segmentations נוספים חתכים בו פילוח עם אינטרפולציה המוצע (קו צהוב) אינו תואם את הגבול שריר בתמונה. חזור על שלב 4.2.2.
    5. לחץ על לחצן 'אישור עבור כל הפרוסות' ובחר את המטוס שבו נעשו על segmentations.
    6. להציל את אמצעי האחסון בינארי כקובץ נתונים (NRRD) רסטר כמעט גולמיים ולחשב גודל תווית אמצעי האחסון באמצעות סקריפט מותאם אישית.
  3. למצוא את הכיוון של המטוס fascicle אמצע-האורך של שריר הבטן, המכיל באורך מלא של fascicles (איור 3א)38.
    הערה: המטוס אמצע-האורך מוגדרת על-ידי שלוש נקודות. המוצא והסיום דיסטלי של שריר הבטן הם קודם שתי נקודות. הנקודה השלישית נמצא בתמונה חתך אנטומי בחצי הדרך בין המקור לבין הקצה הדיסטלי של שריר הבטן. בתוך התמונה הזאת חתך אנטומי, נקודת האמצע בין קודם שתי הנקודות מוקרנת הטנגנס של הירידה בתשואות דיסטלי aponeurosis שלישי. תכוון את זה יחד עם המקור ומגדיר דיסטלי-end של שריר הבטן המטוס אמצע-האורך.
  4. מהמטוס אמצע-האורך, למדוד את אורך fascicle במיקום מתוקננת מוגדרים מראש בין המקור לבין הקצה הדיסטלי של שריר הבטן (לדוגמה, 50%). קטע את גבולות שריר. במקום קו באמצע הדרך וסובב את הקו הזה עד שהוא תואם את הכיוון של fascicles הבסיסית. הצטלבויות של הקו עם גבולות שריר מייצג את ההערכה של אורך fascicle (איור 3ב).
    הערה: בעבר, זה הוכח צורך לקחת בחשבון, לפעמים מעוקל, כיוון aponeurosis דיסטלי38, כפי שניתן לראות בתמונה אנטומי חתך הרוחב (איור 3ב), באמצע הדרך בין המקור ואת דיסטלי סוף בבטן שרירים.

Figure 3
איור 3: סכימטי של ניתוח 3DUS. (א) זיהוי, פילוח של הגבולות שריר היעד של תמונת חתך אנטומי לאורך שריר הבטן. הקו הירוק מוצק מייצג את הכיוון של המטוס אמצע-האורך (כלומר בכיוון מאונך בכיוון aponeurosis הדיסטלי (קו מקווקו כחול). (B) מדידה של אורך fascicle מתבצע בתוך המטוס fascicle אמצע-האורך. האזור אדום שקוף מחולקים על ידי זיהוי של שריר גבולות. קו צהוב מנוקד מניחים באמצע הדרך על שריר הבטן, לסובב עד שהוא תואם את הכיוון של fascicles הבסיסית. הצטלבויות של הקו הזה aponeuroses הפרוקסימלית ו דיסטלי (מחובר באמצעות קו צהוב מלא עבה) מייצגים את אומדן אורך fascicle. הקו הירוק מוצק מייצג את המיקום והכיוון של המטוס חתך אנטומי. העליון: ג'נרל מוטורס (מ הסובך medialis) והחלק התחתון: שריר VL (מ vastus lateralis). מייצגים הריבועים הלבנים בתור קנה מידה 1 ס"מ x 1 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Representative Results

הטכניקה המתוארת 3DUS שימש כדי לאסוף נתונים מורפולוגיים של ג'נרל מוטורס, VL ב ארבע גופות אדם זכר, בן-מוות ± 76.8 7.9 שנים (אומר ± SD). הגופות התקבלו באמצעות התוכנית תרומה של המחלקה של האנטומיה, מדעי המוח של המרכז הרפואי Universiteit המדינה (VUmc), אמסטרדם, הולנד. הגופים נשתמרו באמצעות שיטת החניטה שמטרתה שמירה על התכונות מורפולוגי של רקמות39.

לפני ניתוח, תמונת 3DUS בוצע של ג'נרל מוטורס, VL על-פי המתודולוגיה המתוארת. במהלך ניתוח, העור, הרקמה התת עורית, fasciae בשכבת-על ג'נרל מוטורס, VL הוסרו. מקטע אמצע-האורך נחתך, לוקח את הכיוון של aponeurosis דיסטלי בחשבון. שימוש של caliper, האורך fascicle היה נמדד, באמצע הדרך בין המקור לבין הקצה הדיסטלי של שריר הבטן. לאחר מכן, לאחר tenotomy, שריר הבטן היה גזור, שקוע בתוך עמודת המים מכוילת. שימוש ImageJ, אמצעי האחסון נמדדו על צילומים של עמודת המים עם ובלי שריר הבטן, נפח השריר היה לחשב ההפרש40. Fascicle אורך ונפח נמדדו שלוש פעמים, הערכים וסטיית חושבו. תוקף קריטריון בין המדידות שיטה, דיסקציה 3DUS נבחנה באמצעות המתאם פירסון עבור אמצעי האחסון, אורך ושרירים, fascicle הממוצע. אמינות אינטרה-מדרג של השיטה 3DUS מדידות אורך ונפח fascicle הנגזרת הייתה לכמת באמצעות מראה חד-כיוונית מעורבת דגם אינטרה-class מקדם המתאם (ICC3,3)41, ואחרי לוגריתמי טרנספורמציה של הנתונים, מחושב מקדם של וריאציה (CV). תוקפה של מדידות נפח אורך ושרירים fascicle שאושרו על-ידי מתאמים משמעותי וגבוה (r = 0.998, p < 0.01 ו- r = 0.985, p < 0.01, בהתאמה). אמינות אינטרה-מדרג של השיטה 3DUS נגזר מדידות אורך fascicle, אמצעי אחסון היה גבוה (ICC3,3 0.983, CV קורות חיים 7.3%, ו- ICC3,3 0.998, 5.4%, בהתאמה). הוא הוא סיכם כי הגישה 3DUS הציג הוא כלי תקף ומהימן להערכת אורך ונפח fascicle של האדם VL ו GM (טבלה 1).

Table 1
טבלה 1: גווייה אימות נתונים- C # הוא מספר גווייה GM medialis הסובך בתכנית, VL הוא בתכנית vastus lateralis. "לנתיחה" מציג תוצאות של הקרע גווייה, "3DUS" מציגה את התוצאות של ניתוח תמונה 3DUS של הגופות.

Discussion

טכניקה 3DUS חוקי ואמין מוצג המאפשר לניתוח מהיר של משתנים morphometric של שרירי השלד. גישות שונות 3DUS לדימות רקמות רכות כבר זמין עבור העשור42,43, אולם הגישות 3DUS עדיין לא משמשים בדרך כלל. MRI היא "תקן הזהב" עבור הערכה נפח השריר ' ויוו (למשל., מפנה16,17,18,19,20). MRI תוקפו שנבדק ונמצא אישר מחקרים שהשוו פאנטום או איברים cadaveric של נפח ידוע ל MRI-מבוססות הערכות44,45. עם זאת, MRI הזמינות למחקר מוגבל, הסריקות זמן רב ויקר. בנוסף, נושא ניסיוני תנוחות מוגבלים על ידי נשא נצל של MRI סורקים. תמונות מר טיפוסי ליצור ניגודיות לא מספיקות כדי לבצע מדידות של המשתנים של הגיאומטריה שרירים (fascicle אורכים וזוויות). עם זאת, הגיאומטריה 3D שריר יכול להיות מוערך גם באמצעות MRI באמצעות שיטות נוספות, למשל, טכניקה DTI21. בדומה דימות MRI, ארצות הברית מספקת הבחנה נאותה בכל הממשקים בין סוגים שונים של רקמות (קרי גלוי בתוך לנו תמונות), מתן מודאליות חוקי עבור רקמות רכות אמצעי הערכה1,30 ,44,46,47,48,49. בניגוד MRI, יש 3DUS תמונות חדות מספקת לביצוע ניתוח על גאומטריה ונפח השריר מן המדידה באותו.

בנוסף, הטכניקה הציג מאפשר שילוב של תמונות של מטאטא מרובים לתוך מערך אחד, לצורך המחקר של שרירי גדול יותר. שיטה חדשה זו 3DUS מספק כלי פוטנציאלי עבור הערכה קלינית של שריר מורפולוגיה. שיטה זו יכולה לשמש גם הדמיה מבנים ברקמות הרכות חוץ שריר (למשל, הגידים, איברים פנימיים, העורקים).

שינויים כדי לשפר את זמן העיבוד במצב לא מקוון:

שינויים של הגישה 3DUS היו בעיקר שמטרתן לשפר את זמן העיבוד ומדידת שרירי גדול יותר. הזמן במצב לא מקוון של תמונת 3DUS תלוי voxel מערך ההגדרות, תדר הדגימה, בגודל של רועי, משך זמן ומהירות של טאטא את המספר של מטאטא, תחנת העבודה בשימוש. בעבר, זמן הבנייה מחדש של ≈ 2 h היה הכרחי לשחזור לטאטא אחד מניב תמונות ארה ב 750 (30 s ב- 25 הרץ)15,25,30. בשיטת 3DUS הנוכחי, לסרוק אותו לוקח רק 50 זמן השיקום s (לשפר את זמן העיבוד 'מנותק' על ידי 99%). שיפור זה יכולה להיות מוסברת על ידי האלגוריתם מילוי משופרת אשר מנצל פעולות וקטורי גדול כדי למלא את voxels-המסגרת, במקום פיקסלים לכל פיקסל, זיכרון גישה אקראית מוגברת (RAM) של תחנות עבודה כדי לבנות מערכים voxel גדול יותר. עם הגישה 3DUS החדשה, שחזור טיפוסי המייצג את הסריקה אורך 30 ס מ במהירות של 1 ס"מ/s, עם יעד voxel בגודל של 0.2 x 0.2 x 0.2 מ מ3 , תדירות דגימה של 25 הרץ, לוקח בפעם הבאה לשחזר :

א כ 10 s כדי לזהות את הדופק סינכרון ולבחור תמונות רלוונטיות של ארה ב.
נולד ב- s כ-120 כדי לקבוע את מטריצת מעבר כיול (PrTIm).
ג. כ 10 s לשלב סל-מילוי.
ד כ-30 s עבור ביצוע השלבים גאפ, מילוי.

בסך הכל, לוקח הערה ס' 170, שלב ב' רק צריך להתבצע פעם אחת, בהנחה חיבור נוקשה סמנים MoCap כדי לרכב הגישוש, עוזב 50 s את שיקומה של סריקה בודדת. שילוב של שני לטאטא יחיד שיחזר voxel מערכים לוקח בערך 10 s.

מגבלות של צעדים קריטיים:

ישנם מספר היבטים הדמיה 3DUS שצריך לקחת בחשבון:

אני איכות התמונה בארה ב: רזולוציה מרחבית גבוהה יותר של תמונות דו-ממד ארה ב לספק יותר פיקסלים כדי להיות ממוקם בתוך המערך voxel. זה יאפשר את הממדים voxel להקטין, שמוביל voxel צפיפות גבוהה יותר. מספר מכונות אולטרסאונד זמין כעת להשתמש הרכבה המרחבי כדי להפחית את המרקם פרטנית רועש, ומאפשר יותר ללא החפץ ההבחנה הממשקים של רקמות. אפשרות נוספת להפחתת חודרני היא שיפור קצוות. עם זאת, יש לציין כי גישה זו אינה רצויה, מאז זה מתעוות התמונה, בניסיון ליצור ממשקים שונים, ובכך לעוות את המיקום האנטומי האמיתי של הממשקים.

ii. MoCap דיוק: פיקסלים בלבד ניתן במדויק להציב לתוך voxel, אם חיישן מיקום מדויק מכמת את הקואורדינטות של המכשיר. עם עלייה רזולוציית התמונה, דיוק MoCap הופך להיות חשוב יותר. 3DUS הציג ההתקנה פועלת בצורה הטובה ביותר עם מימד voxel של 0.2 x 0.2 x 0.2 מ מ3, באמצעות מערכת MoCap עם דיוק של 0.1 מ"מ, המספק דיוק בשפע לבנייה מחדש של המערך voxel 3DUS.

iii. לטעום תדר: ברזולוציה הטמפורלית הנמוך ביותר של ארה ב תמונות או זרם הנתונים MoCap קובע את תדר הדגימה. הדבר משפיע על הזמן לטאטא או voxel מערך ההגדרות. למשל, הכפלת תדירות הדגימה מ 25 ל 50 הרץ מאפשר סריקה להתבצע בחצי מהזמן. לחלופין, לא משנה את מהירות סריקה, מספק תמונות נוספות כדי למלא את המערך voxel, עוזב פחות הפערים להתמלא, ובכך ואפשרות להגדיל את הרזולוציה מערך voxel. עם זאת, להגדיל את הרזולוציה מערך voxel, מבלי להגדיל את תדירות הדגימות, מחייבת סריקה איטית יותר, אשר יגדיל את הפוטנציאל של התנועה חפצים.

iv. תמונת שחזור הזמן: שחזורים מהירים דורשים תחנת עבודה רב עוצמה עם מספיק זיכרון RAM הזמין. בנוסף, שחזור הזמן משתנה בהתאם במידה רבה voxel מערך האחסון והמורכבות של תהליך מילוי הפער.

(פ') נסיוני: סטנדרטיזציה של פרוטוקול נסיוני, כפי שהודגם במחקר הנוכחי עבור VL ו- GM, היא חיונית לשם השוואה של מדידות מורפולוגי (למשל, fascicle אורך, זווית fascicle, שריר הבטן אורך, אורך גיד, אורך aponeurosis) בין נושאים ניטור בתוך נושאים בלימודי האורך. עם זאת, שים לב כי המורפולוגיה העריך במנוחה עשוי לשנות במהלך הפעלת שרירים. לדוגמה, עבור הניסוי השישי, המורפולוגיה פושט הברך בזמן התכווצות מירבית עשוי להדגים זווית גבוהה pennation fascicles קצר יותר ב- 60° כיפוף הברך, בהשוואה מורפולוגיה יתר50. בתנאים מסוימים (למשל., ספסטיות), אלקטרומיוגרפיה (EMG) יכול לשמש כדי לאמת את מנוחתו רמות פעילות השריר במהלך הבדיקה.

vi. בדיקה בלחץ ורקמות דפורמציה: אם אולטרסאונד בשפע ג'ל מוחל על רועי, מידת הלחץ להישאר עבור איש קשר מלא בין החללית לבין העור הוא מוגבל. הדרכה, אנו ממליצים כי סריקה של רועי צריכה להרגיש כמו ריחוף מעל העור, רק צריך להיות מוחל לחץ כדי לשמור על קשר עם הג'ל ועל ידי כך העור. עם זאת, דפורמציה קלה רקמות עשוי להיות בלתי נמנע, אפילו עם כמות נדיבה של ג'ל אולטרסאונד. גודל העצמית של רועי מעוקל משפיעות את הכמות הנדרשת של לחץ או ג'ל בשימוש. גודל המכשיר גדול יותר של רועי מעוקל יותר דורשים יותר לחץ ו/או ג'ל יותר, מאשר הגששים קטנים יותר עם דומה מעוקל ROI. פתרון אפשרי נוסף הוא למחוק את האזור הדהוד (כלומר ללא העור-מגע) של תמונות ארה ב. בנוסף, רקמות דפורמציה סביר להתרחש בשכבות רקמות הראשון, כגון העור ושכבות רקמת השומן התת עורית. שימו לב כי נושאים עם מעט אין רקמת השומן התת עורית ולכן נוטה יותר ההשפעות השליליות של הלחץ. בנוסף, להרכב רקמות מתרחשת ככל הנראה במרכז של המכשיר, שהוא בדרך כלל לא האזור של חפיפה עם מטאטא אחרים.

ז. ידע אנטומי או הדמיה: שיקול חשוב נוסף בשימוש בכל שיטה שהיא הדמיה הוא כי הידע של האנטומיה והן את המודאליות ההדמיה חיונית כדי לקבל פרשנות משמעותי. וריאציה אנטומי בין נושאים וחפצים התמונה צריך להיות מוכר ולקחת בחשבון בתהליך זיהוי של מבנים אנטומיים. אפילו עם שרירים בריאים ו/או מפותח, זיהוי ברור יכול להיות קשה כי זה דורש ידע אנטומי כדי להבדיל בין מרכיבים שונים של שריר אחד או בין קבוצות שרירים51. עם זאת, בשריר התנוון (קרי קשישים, במקרה של מחלה, או גופה), זיהוי ברור זה עוד יותר קשה בגלל גודל קטן יותר וירידה בחדות התמונה, ולכן פחות ברורים רקמות ממשקים (איור 4 ). אנו מאמינים כי ללא ידע אנטומי מוקדמת, שאנחנו כבר מוגבלת ב ביצוע פסקי הדין הנכון בעיצוב גישה 3DUS זו, בביצוע המדידות 3DUS. לדוגמה, לניסויים GM, זוויות שונות footplate אינם בהכרח גורמים שינויים צפויים בשריר אורכי מורכבים גיד, עקב דפורמציה בתוך הרגל7. גם מידע אנטומי מפורט על עקמומיות של aponeurosis דיסטלי היה חיוני עבור מבחר סביר של המטוס אמצע-האורך נושאים כל38.

Figure 4
איור 4: וריאציה ואיכות שיחזר 3DUS חתך אנטומי תמונות של שריר הארבע ראשי לאורך הירך. (א) דוגמה גופה האנושי זכר מראה תמונה של מצב התנוון-מוות (מוות גיל: 81 שנים). זיהוי של הגבולות של ראשי בודדים של שריר הארבע ראשי קשה. (B) דוגמה זכר בישיבה (בגילאי 30 שנה). (ג) דוגמה משיט ספורטאי זכר (בגילאי 30 שנה). מייצגים הריבועים הלבנים בתור קנה מידה 1 ס"מ x 1 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

יישומים עתידיים:

הגישה 3DUS מספק כלי דימות יכול לשמש למטרות שונות והגדרות מרפאות וספורט. בהתערבויות קליניות יעילות קשורה רמת כושר גופני,52. שימוש 3DUS לניטור חולים הנמצאים בסיכון איבוד שריר מסה חשובים (למשל, הפניות53,54,55) ומאפשר פוטנציאלי עבור התאמה של הטיפול. עוד פוטנציאל היישום של 3DUS טמון ניטור של עיבוד מורפולוגי של השריר בתגובה התערבות (הכשרה) ו/או פגיעה.

פרוטוקול זה תיאר שיטה עלות, זמן-אפקטיביות של מדידת מבנה הרקמות של הגוף האנושי מבוסס על מטאטא ביד חופשית 3DUS. יתר על כן, הערכת פרמטרים מורפולוגי משמעותי של אמ vastus lateralis ו הסובך בשארל medialis הוכיחה להיות תקף ומהימן.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מודים מאוד אדם Shortland ומטגנים ניקולה שחלקו שלהם אלגוריתמים לאולטרסאונד תלת-ממדי בשנת 2004, אשר היו ההשראה לפיתוח התוכנה ששימשה במחקר זה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ultrasound device (Technos MPX) Esaote, Italy NA
Linear array probe (12.5 Mhz, 5 cm) Esaote, Italy NA
Workstation (HP Z440) HP, USA http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html
Framegrabber (Canopus, ADVC 300) Canopus, Japan ADVC 300
Motion Capture System (Certus) NDI, Canada http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
Synchronisation device VU, NL Contact corresponding author
Calibration frame VU, NL Contact corresponding author
Thermometer Greisinger, Germarny GTH 175/PT
Examination table NA NA Any examination table
Inclinometer Lafayette instrument, USA ACU001
Adjustable Footplate VU, NL Contact corresponding author
Torque wrench VU, NL Contact corresponding author
Extendable rod VU, NL Contact corresponding author
Goniometer (Gollehon) Lafayette instrument, USA 1135
Triangular shaped beam NA NA Made out a piece of stiff foam
Lashing straps NA NA Any lashing strap
Surgical skin marker NA NA Any surgical skin marker
Ultrasound transmission gel Servoson NA A sticky gel type is recommended

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Reeves, N. D., Maganaris, C. N., Narici, M. V. Ultrasonographic assessment of human skeletal muscle size. Eur. J. Appl. Physiol. 91, 116-118 (2004).
  2. Van Den Engel-Hoek, L., Van Alfen, N., De Swart, B. J. M., De Groot, I. J. M., Pillen, S. Quantitative ultrasound of the tongue and submental muscles in children and young adults. Muscle Nerve. 46, 31-37 (2012).
  3. Seymour, J. M., et al. Ultrasound measurement of rectus femoris cross-sectional area and the relationship with quadriceps strength in COPD. Thorax. 64, 418-423 (2009).
  4. Seymour, J. M., et al. The prevalence of quadriceps weakness in COPD and the relationship with disease severity. Eur. Respir. J. 36, 81-88 (2010).
  5. Ho, S. S. Y. Current status of carotid ultrasound in atherosclerosis. Quant. Imaging Med. Surg. 6, 285-296 (2016).
  6. Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Passive muscle mechanical properties of the medial gastrocnemius in young adults with spastic cerebral palsy. J. Biomech. 44, 2496-2500 (2011).
  7. Huijing, P. A., Bénard, M. R., Harlaar, J., Jaspers, R. T., Becher, J. G. Movement within foot and ankle joint in children with spastic cerebral palsy: a 3-dimensional ultrasound analysis of medial gastrocnemius length with correction for effects of foot deformation. BMC Musculoskelet. Disord. 14, 365 (2013).
  8. Shortland, A. P., Harris, C. A., Gough, M., Robinson, R. O. Architecture of the medial gastrocnemius in children with spastic diplegia. Dev. Med. Child Neurol. 44, 158-163 (2002).
  9. Farup, J., et al. Muscle Morphological and Strength Adaptations to Endurance Vs. Resistance Training. J. Strength Cond. Res. 26, 398-407 (2012).
  10. Timmins, R. G., Shield, A. J., Williams, M. D., Lorenzen, C., Opar, D. A. Architectural adaptations of muscle to training and injury: a narrative review outlinig the contributions by fascicle lenght, pennation angle and muscle thickness. Br. J. Sports Med. 0, 1-7 (2016).
  11. Huijing, P. Important experimental factors for skeletal muscle modelling: non-linear changes of muscle length force characteristics as a function of degree of activity. Eur. J. Morphol. 34, 47-54 (1996).
  12. Van der Linden, B., Koopman, H., Grootenboer, H. J., Huijing, P. A. Modelling functional effects of muscle geometry. J. Electromyogr. Kinesiol. 8, 101-109 (1998).
  13. Woittiez, R. D., Huijing, P. A., Boom, H. B., Rozendal, R. H. A three-dimensional muscle model: a quantified relation between form and function of skeletal muscles. J. Morphol. 182, 95-113 (1984).
  14. Lieber, R. L., Blevins, F. T. Skeletal muscle architecture of the rabbit hindlimb: functional implications of muscle design. J. Morphol. 199, 93-101 (1989).
  15. Weide, G., et al. Medial gastrocnemius muscle growth during adolescence is mediated by increased fascicle diameter rather than by longitudinal fascicle growth. J. Anat. 226, 530-541 (2015).
  16. Fukunaga, T., et al. Physiological cross-sectional area of human leg muscles based on magnetic resonance imaging. J. Orthop. Res. 10, 926-934 (1992).
  17. LeBlanc, A., et al. Muscle volume, MRI relaxation times (T2), and body composition after spaceflight. J. Appl. Physiol. 89, (2000).
  18. Lindemann, U., et al. Association between Thigh Muscle Volume and Leg Muscle Power in Older Women. PLoS One. 11, 0157885 (2016).
  19. Gopalakrishnan, R., et al. Muscle Volume, Strength, Endurance, and Exercise Loads During 6-Month Missions in Space. Aviat. Space. Environ. Med. 81, 91-104 (2010).
  20. Wakahara, T., Ema, R., Miyamoto, N., Kawakami, Y. Inter- and intramuscular differences in training-induced hypertrophy of the quadriceps femoris: association with muscle activation during the first training session. Clin. Physiol. Funct. Imaging. , (2015).
  21. Pamuk, U., Karakuzu, A., Ozturk, C., Acar, B., Yucesoy, C. A. Combined magnetic resonance and diffusion tensor imaging analyses provide a powerful tool for in vivo assessment of deformation along human muscle fibers. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 63, 207-219 (2016).
  22. Prager, R. W., Rohling, R. N., Gee, A. H., Berman, L. Rapid calibration for 3-D freehand ultrasound. Ultrasound Med. Biol. 24, 855-869 (1998).
  23. Solberg, O. V., Lindseth, F., Torp, H., Blake, R. E., Nagelhus Hernes, T. A. Freehand 3D Ultrasound Reconstruction Algorithms-A Review. Ultrasound Med. Biol. 33, 991-1009 (2007).
  24. Gee, A., Prager, R., Treece, G., Berman, L. Engineering a freehand 3D ultrasound system. Pattern Recognition Letters. 24, (2003).
  25. Bénard, M. R., Harlaar, J., Becher, J. G., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Effects of growth on geometry of gastrocnemius muscle in children: a three-dimensional ultrasound analysis. J. Anat. 219, 388-402 (2011).
  26. Fry, N. R., Gough, M., Shortland, A. P. Three-dimensional realisation of muscle morphology and architecture using ultrasound. Gait Posture. 20, 177-182 (2004).
  27. Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Passive muscle mechanical properties of the medial gastrocnemius in young adults with spastic cerebral palsy. J. Biomech. 44, 2496-2500 (2011).
  28. MacGillivray, T. J., Ross, E., Simpson, H. A. H. R. W., Greig, C. A. 3D Freehand Ultrasound for in vivo Determination of Human Skeletal Muscle Volume. Ultrasound Med. Biol. 35, 928-935 (2009).
  29. Rana, M., Wakeling, J. M. In-vivo determination of 3D muscle architecture of human muscle using free hand ultrasound. J. Biomech. 44, 2129-2135 (2011).
  30. Haberfehlner, H., et al. Freehand three-dimensional ultrasound to assess semitendinosus muscle morphology. J. Anat. 229, 591-599 (2016).
  31. Bénard, M. R., Jaspers, R. T., Huijing, P. A., Becher, J. G., Harlaar, J. Reproducibility of hand-held ankle dynamometry to measure altered ankle moment-angle characteristics in children with spastic cerebral palsy. Clin Biomech. 25, 802-808 (2010).
  32. de Ruiter, C. J., Kooistra, R. D., Paalman, M. I., de Haan, A. Initial phase of maximal voluntary and electrically stimulated knee extension torque development at different knee angles. J. Appl. Physiol. 97, (2004).
  33. Kooistra, R. D., de Ruiter, C. J., de Haan, A. Knee angle-dependent oxygen consumption of human quadriceps muscles during maximal voluntary and electrically evoked contractions. Eur. J. Appl. Physiol. 102, 233-242 (2008).
  34. WinDV. , Available from: http://windv.mourek.cz/le (2017).
  35. VirtualDub. , Available from: http://virtualdub.org (2017).
  36. D'Errico, J. inpaint_nans. Matlab Central File Exchange. , Available from: www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/4551 (2004).
  37. MITK. , Available from: http://mitk.org/wiki/MITK (2004).
  38. Bénard, M. R., Becher, J. G., Harlaar, J., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Anatomical information is needed in ultrasound imaging of muscle to avoid potentially substantial errors in measurement of muscle geometry. Muscle Nerve. 39, 652-665 (2009).
  39. Fix for Life Embalming. , Available from: www.fixforlifeembalming.com (2017).
  40. ImageJ. , Available from: https://fiji.sc (2017).
  41. Weir, J. P. Quantifying test-retest reliability using the intraclass correlation coefficient and the SEM. J. Strength Cond. Res. 19, 231-240 (2005).
  42. Prager, R. W., Gee, A., Berman, L. Stradx: real-time acquisition and visualization of freehand three-dimensional ultrasound. Med. Image Anal. 3, 129-140 (1999).
  43. Solberg, O. V., Lindseth, F., Torp, H., Blake, R. E., Nagelhus Hernes, T. A. Freehand 3D Ultrasound Reconstruction Algorithms-A Review. Ultrasound in Medicine and Biology. 33, 991-1009 (2007).
  44. Mitsiopoulos, N., et al. Cadaver validation of skeletal muscle measurement by magnetic resonance imaging and computerized tomography. J. Appl. Physiol. 85, (1998).
  45. Jackowski, C., et al. Noninvasive Estimation of Organ Weights by Postmortem Magnetic Resonance Imaging and Multislice Computed Tomography. Invest. Radiol. 41, 572-578 (2006).
  46. Weller, R., et al. The Determination of Muscle Volume with A Freehand 3D Ultrasonography System. Ultrasound Med. Biol. 33, 402-407 (2007).
  47. Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Validation of a freehand 3D ultrasound system for morphological measures of the medial gastrocnemius muscle. J. Biomech. 42, 1313-1319 (2009).
  48. Delcker, A., Walker, F., Caress, J., Hunt, C., Tegeler, C. In vitro measurement of muscle volume with 3-dimensional ultrasound. Eur J. Ultrasound. 9, (1999).
  49. Cenni, F., et al. The reliability and validity of a clinical 3D freehand ultrasound system. Comput. Methods Programs Biomed. 136, 179-187 (2016).
  50. de Brito Fontana, H., Herzog, W. Vastus lateralis maximum force-generating potential occurs at optimal fascicle length regardless of activation level. Eur. J. Appl. Physiol. 116, 1267-1277 (2016).
  51. Engstrom, C. M., Loeb, G. E., Reid, J. G., Forrest, W. J., Avruch, L. Morphometry of the human thigh muscles. A comparison between anatomical sections and computer tomographic and magnetic resonance images. J. Anat. 176, 139-156 (1991).
  52. Warburton, D. E. R., Nicol, C. W., Bredin, S. S. D. Health benefits of physical activity: the evidence. CMAJ. 174, 801-809 (2006).
  53. Moisey, L. L., et al. Skeletal muscle predicts ventilator-free days, ICU-free days, and mortality in elderly ICU patients. Crit. Care. 17, 206 (2013).
  54. Weijs, P. J., et al. Low skeletal muscle area is a risk factor for mortality in mechanically ventilated critically ill patients. Crit. Care. 18, 12 (2014).
  55. English, K. L., Paddon-Jones, D. Protecting muscle mass and function in older adults during bed rest. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 13, 34-39 (2010).

Tags

רפואה גיליון 129 אולטרסאונד תלת-ממד שרירי השלד נפח השריר אדריכלות גיאומטריה שריר מורפולוגיה אורך fascicle הסובך בשארל medialis הירך הארבע ראשי אמ בתכנית vastus lateralis
אולטראסאונד תלת-ממד הדמיה: Morphometry מהירה וחסכונית של רקמת שריר-שלד
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Weide, G., van der Zwaard, S.,… More

Weide, G., van der Zwaard, S., Huijing, P. A., Jaspers, R. T., Harlaar, J. 3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue. J. Vis. Exp. (129), e55943, doi:10.3791/55943 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter