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Imagens de ultra-som 3D: rápida e econômica de morfometria do tecido músculo-esquelético

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

Ultrasom 3D de imagem (3DUS) permite rápida e econômica de morfometria dos tecidos músculo-esqueléticos. Apresentamos um protocolo para medir o comprimento de volume e Fascículo muscular usando 3DUS.

Abstract

O objetivo do desenvolvimento de ultra-som 3D de imagem (3DUS) é engenheiro de uma modalidade para efectuar a análise morfológica de ultra-som 3D dos músculos humanos. 3DUS imagens são construídas a partir calibrado à mão livre 2D modo-B imagens do ultra-som, que são posicionadas em uma matriz de voxel. Ultra-sonografia (US) permite a quantificação do tamanho do músculo, fascicle comprimento e ângulo de pennation. Essas variáveis morfológicas são importantes determinantes da gama de esforço força muscular força e comprimento. O protocolo apresentado descreve uma abordagem para determinar o comprimento de volume e Fascículo de m. vastus lateralis e m. gastrocnêmio medial. 3DUS facilita a padronização usando 3D referências anatômicas. Essa abordagem fornece uma abordagem rápida e econômica para quantificar a morfologia 3D em músculos esqueléticos. Em cuidados de saúde e esportes, informações sobre a morfometria dos músculos é muito valiosas no diagnóstico e/ou avaliações de seguimento após tratamento ou treinamento.

Introduction

Em cuidados de saúde e esportes, informações sobre a morfologia dos músculos é muito valiosas no diagnóstico e/ou avaliações de seguimento após tratamento ou treinamento1. Ultra-sonografia (US) é uma ferramenta comumente usada para visualização de estruturas de tecidos moles no músculo doenças2, doenças críticas3,4, doenças cardiovasculares5, distúrbios neurológicos,6, 7,8e efeitos do treinamento físico6,9,10. Imagem dos EUA permite a quantificação do tamanho do músculo, fascicle comprimento e ângulo de pennation. Essas variáveis morfológicas são importantes determinantes da gama de comprimento e força muscular de força esforço11,12,13,14,15.

Atualmente, medições de imagem dos EUA na maior parte são executadas em imagens 2D, com o examinador escolhendo um presumivelmente, orientação adequada e localização do ultra-som sonda. Tais métodos 2D restringem medições morfológicas a imagem de um avião, enquanto o parâmetro de interesse pode não estar presente dentro deste avião. Análise morfológica requer uma abordagem 3D, proporcionando medições fora-de-avião usando pontos de referência 3D. Tal uma representação 3D morfológica dos tecidos moles é conhecida a ser fornecido pela ressonância magnética (MRI)16,17,18,19,20. No entanto, a ressonância magnética é caro e não está sempre disponível. Também, visualização das fibras musculares requer sequências especiais de MRI, tais como difusão tensor imaging (DTI)21. Uma alternativa econômica para MRI é uma imagem de ultra-som 3D (3DUS). A abordagem de 3DUS fornece várias vantagens sobre as técnicas de MRI, por exemplo, impõe menos limitações de espaço para posicionar o assunto durante um exame. Imagem de 3DUS é uma técnica sequencialmente capturando imagens 2D (US modo-B) e posicionando-os em um volume (voxel) de elemento matriz22,23,24. O processo de reconstrução de imagem 3DUS consiste em cinco etapas: (1) capturar uma série de imagens de US 2D à mão livre; (2) rastreamento da posição da sonda dos EUA, usando um sistema de captura de movimento (MoCap); (3) sincronizando o MoCap posição e imagens dos EUA; (4) calcular a localização e a orientação das imagens ultra-som dentro da matriz de voxel usando um sistema calibrado de referência; e (5), colocando essas imagens para essa matriz de voxel.

A abordagem 3DUS tem sido aplicada com sucesso para avaliação da morfologia do músculo esquelético15,25,26,,27,28,29. No entanto, abordagens anteriores7,15,25,30 provaram complicado, demorado e tecnicamente limitada, como poderiam ser reconstruídos apenas pequenos segmentos de músculos grandes.

Para melhorar a abordagem 3DUS, foi desenvolvido um novo protocolo de 3DUS que permite a reconstrução dos músculos completas dentro de um curto período de tempo. Este artigo de protocolo descreve o uso de 3DUS de imagem para morfometria do m. vasto lateral (VL) e m. gastrocnêmio medial (GM).

Protocol

Todos os procedimentos envolvendo seres humanos foram aprovados pelo Comitê de ética médica do centro médico de VU, Amesterdão, Países Baixos.

1. instrumentação

  1. Conecte o dispositivo de ultra-som para o computador de medição. Se necessário, use o quadro-garra hardware e/ou software para armazenar as imagens do ultra-som sequencial.
    Nota: Uma sonda linear-matriz de 5 cm (12,5 MHz) é usada para gerar imagens de modo-B (25 Hz). Antes de cada medição, potência, frequência acústica e profundidade de imagem são otimizados para visualizar interfaces de extrae intramuscular de tecidos conjuntivos. Durante a medição, essas configurações não são alteradas.
  2. Conecte o sistema MoCap no computador de medição.
  3. Rigidamente um marcador de cluster MoCap Conecte a sonda de ultra-som para controlar a posição e orientação da sonda dos EUA.
  4. Conecte o dispositivo de sincronização (cristal piezo) para a entrada de disparo do sistema de MoCap.
    Nota: A ativação do dispositivo de sincronização ativa momentaneamente o cristal piezo, enviando ondas de som para o transdutor. As ondas sonoras recebidas criam um artefato distinto na imagem dos EUA para a iniciação do sistema (Figura 1A, seta).
  5. Preencha o quadro feito por calibração (fantasma) com água.

2. calibrar

Nota: Realizar uma calibração espacial para calcular uma matriz de transformação (aTde) a partir das imagens dos EUA em relação ao sistema de coordenadas de sonda. Este processo de calibração tem sido descrito anteriormente22. Por favor, veja abaixo uma breve descrição.

  1. O fantasma cheio de água, segurando um crosswire (ou seja, os fios de duas passagem submersa) em uma posição conhecida dentro do sistema de coordenada fantasma (Phxyz Figura 1B, seta), sobre uma superfície estável.
  2. Medir a temperatura da água com um termômetro.
  3. Use a ferramenta de ponteiro de MoCap para gravar a posição e orientação do fantasma no sistema de coordenadas global (Gl).
  4. Iniciar a amostragem de imagem de EUA e ativar MoCap de aquisição de dados (descrita na etapa 3.3.3).
  5. Mergulhe a cabeça da sonda dos EUA (Pr) na água. Definição da palavra e girar a sonda dos EUA por 40 s (amostragem a 25 Hz) em todas as direções, mantendo a visibilidade do crosswire nas imagens dos EUA (Im).
  6. Pare de aquisição de dados.
  7. Sincronizar o MoCap dados e imagens dos EUA, identificando o primeiro quadro de E.U. contendo o artefato de cristal-criado piezo e cortar a sequência de imagens de E.U. conformemente (descrito na etapa 3.4.1.1).
  8. Identificar as imagens de E.U. relevantes em que a crosswire é claramente visível e controlar a posição da crosswire nestas imagens dos EUA (euImxyz) e a posição correta para temperatura da água.
  9. Determinar a posição da crosswire no que diz respeito a móveis Pr por uma série de transformações de Ph para Pr (equação 1) em instâncias de tempo (eu = 1: n) correspondente à identificação de crosswire na etapa 2.8.
    Equation 1
  10. Calcular o Im , a matriz de transformação do Pr (PrTIm) resolvendo a equação 2, envolver todas as identificações do crosswire em Im (medido na etapa 2.8) ao tempo combinado (eu = 1 : n) coordenadas do crosswire no Pr (calculado na etapa 2.9).
    Equation 2

Figure 1
Figura 1: esquemático do algoritmo 3DUS. (A) sistema de captura de movimento (MoCap) é usado para controlar um conjunto de marcadores rigidamente ligado à sonda de ultra-som, no âmbito do sistema de coordenadas global (Gl). Sincronização de dados MoCap e ultra-som é realizada fazendo uso de um artefato (seta), introduzido por Optotrak desencadeada cristal piezo. (B), a posição e orientação do sistema de coordenadas de imagem do ultra-som (Im) é calculada em relação ao sistema de coordenadas de sonda (Pr), através da identificação de um ponto conhecido dentro do Pr e Im. Para este efeito, um fantasma personalizados é usado cheio de água, segurando um crosswire (ou seja, dois fios de passagem submersa) em uma posição conhecida dentro do sistema de coordenada de fantasma (Ph). (C) com uma série de transformações, este ponto conhecido é calculado na Pr. (D) com uma série completa de transformações conhecidas, imagens do Im podem ser transformadas em qualquer sistema de coordenadas de matriz de voxel (Va). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. protocolo experimental

Nota: O protocolo experimental descreve dois protocolos comumente realizados envolvendo 3DUS de imagem, ou seja, morfometria do GM e VL(Figura 2).

  1. Tema de posicionamento
    1. Para o experimento de GM:
      1. Peça o assunto mentir inclinado sobre uma mesa de exame com ambos os pés pendendo sobre a borda da mesa.
      2. Alinhe a parte inferior da perna na horizontal, colocando um suporte sob a tíbia. Fixe a coxa para a mesa de exame com cintas de amarração acolchoado para impedir a extensão do joelho durante o protocolo experimental.
      3. Ajuste o pé da perna a ser digitalizado para o estribo feito por31.
      4. Ligue a chave de torque sob medida com um goniômetro anexado para o estribo31. Encontrar o ângulo de plataforma correspondente a um binário aplicado externamente, por exemplo., 0 Nm(Figura 2).
      5. Fixar o estribo na orientação correspondente para o momento de dorsiflexão líquido 0 Nm, usando uma haste telescópica que é conectada à tabela (Figura 2, seta).
    2. Para o experimento de VL:
      1. Pergunte os sujeitos para deitar em decúbito dorsal sobre uma mesa de exame.
      2. Definir o ângulo de flexão do joelho (ou seja, operacionalizado como o ângulo entre as linhas que conectam os centros do maléolo lateral com epicondylus lateral e o último com o trocanter maior) a 60 °, por posicionando a parte inferior das pernas sobre um apoio.
      3. Coloque um feixe de forma triangular debaixo das nádegas de impedir qualquer movimento de quadril.
      4. Fixe a parte inferior da perna para o apoio com duas cintas de amarração acolchoado para impedir o movimento da perna durante o protocolo experimental.
      5. Definir o ângulo de quadril (isto é operacionalizado como o ângulo entre as linhas que conectam os coracoides com o trocânter maiore o último com o epicôndilo lateral femoralis) a 95 °, alterando o ângulo da encosto da tabela de exame.
        Nota: Esta pose descrito foi escolhido, como assemelha-se a ângulos articulares durante a extensão de joelho isométrica ideal a medições32,33.
  2. Localização dos marcos ósseos e região de interesse (ROI)
    Nota: Isto é feito para orientação do exame ultra-som 3D e pós-experimental quantificação da coxa, perna e pé postura do sujeito. Identificar e registrar as posições dos marcos ósseos anatômicas no sistema de coordenadas global usando a ferramenta Ponteiro MoCap.
    1. Para o experimento de GM:
      1. Identificar os seguintes marcos por palpação e marcá-las usando um marcador de pele cirúrgica: os aspectos mais proeminentes dorsais do epicôndilo medial e lateral do fêmur e os centros dos maléolos da tíbia e fíbula.
      2. Usando o dispositivo de EUA, identificar e marcar usando um marcador de pele cirúrgica os pontos mais superficiais dos côndilos medial e lateral do fêmur (no lado dorsal da perna) e a localização mais proximal da inserção da GM no calcâneo.
    2. Para a medição de VL:
      1. Identificar os seguintes marcos por palpação e marcá-las usando um marcador de pele cirúrgica: os maléolos medial e lateral (como acima); a inserção mais proximal do tendão patelar das tíbias tuberositas; o epicôndilo medial e lateral (como acima); o ápice da patela e mais limites de inserção proximal, medial e lateral na patela; e so coracoides no ombro.
      2. Identificar-se com o dispositivo de EUA e marcar o aspecto mais superficial do trocanter maior e mais proximal inserção do VL sobre o trocanter maior.
    3. Para todos os músculos, use a ferramenta de ponteiro de MoCap para gravar os marcos marcados (descritos nas seções 3.2.1 e 3.2.2) no sistema de coordenadas global. Mova a ferramenta Ponteiro MoCap para os pontos anatômicos identificados e usar o software de MoCap para gravar a posição, pressionando o botão "gravar".
    4. Usar o ultra-som para identificar a borda medial e lateral do músculo; marca as bordas medial e laterais na pele usando um marcador de pele cirúrgica.
  3. Exame de ultra-som 3D
    1. Instrua o assunto não se mover durante o exame de ultra-som 3D.
    2. Aplica o gel de ultra-som amplo sobre o ROI para assegurar o contato adequado entre a pele e a sonda dos EUA.
      Nota: Essa aplicação de gel permite limitar a pressão de sonda e, portanto, deformação do tecido necessária para obter uma imagem clara do EUA.
    3. Abra o software de agarrador de quadro (por exemplo, WinDV34) no computador de medição e iniciar a aquisição da imagem dos EUA clicando no botão "Gravar".
      1. Posteriormente, iniciar e ativar a aquisição de dados de MoCap pressionando o botão "Iniciar" no dispositivo de sincronização; Isso ativa automaticamente o dispositivo de sincronização (ou seja, cristal piezo) localizado próximo a sonda dos EUA, criando um artefato distinto na imagem dos EUA na instância iniciação MoCap (Figura 1A, seta).
    4. Enquanto exercer pressão mínima sonda ainda assegurar a qualidade da imagem, mova a sonda a uma velocidade constante sobre o ROI; Isto é referido como uma "varredura". Certifique-se que são gravadas imagens claras anatômicas de E.U. transversais do músculo alvo.
    5. Verifique visualmente para o movimento do assunto durante o exame; Se o sujeito se move, abortar a varredura e repetir da etapa 3.3.1.
    6. Protocolo de varredura para o experimento de GM
      1. Coloque a sonda dos EUA proximalmente para os côndilos do fêmur na face medial da coxa. Executar uma varredura (conforme descrito nas seções 3.3.1 - 3.3.5) na direção proximo-distal ao longo da borda medial do GM, garantindo visibilidade dentro as imagens anatômicas transversais da borda medial da GM e o tendão de Aquiles, até a sua inserção no calcâneo.
      2. Adicionar varreduras adicionais (conforme descrito na seção 3.3.3 - 3.3.5) até o inteiro ROI é digitalizado e borda medial do músculo é fotografada completamente (Figura 2B). Use o rastreamento no gel da varredura da anterior para guiar a próxima varredura, ligeiramente sobrepostas (0,5 cm) da área de varredura anterior.
    7. Protocolo de varredura para o experimento de VL
      1. Coloque a sonda dos EUA na face lateral do planalto da tíbia. Inicie uma varredura no sentido distal-proximal ao longo da borda lateral do VL, garantindo a visibilidade da borda lateral do VL, todo o caminho até a origem sobre o trocanter maior.
      2. Adicionar varreduras adicionais (conforme descrito na seção 3.3.3 - 3.3.5) até o inteiro ROI é digitalizado e borda medial do VL é fotografada completamente (Figura 2B). Use o rastreamento no gel da varredura da anterior para guiar a próxima varredura, ligeiramente sobrepostas (0,5 cm) da área de varredura anterior.
        Nota: Durante o protocolo de varredura, movimento do assunto deve ser impedido, como movimentos negativamente afetam o posicionamento das imagens 2D dos EUA na matriz de voxel. O número de varreduras é determinado pela largura da sonda e a largura do músculo alvo. Normalmente, com uma largura de sonda de 4 cm e uma largura de músculo de 12 ou 18 cm, varreduras de 5 ou 7, respectivamente são necessários para cobrir o ROI, incluindo as fronteiras.

Figure 2
Figura 2: Diagrama esquemático da configuração experimental e varreduras da sonda do ultra-som sobre os músculos do alvo (m. gastrocnêmio medial (GM) m. vasto lateral (VL) instalação e). (A) configurações específicas conjuntas do assunto para as duas condições experimentais. Os objetos exibidos em verde são ajustáveis para definir a posição e orientação dos membros. A seta indica uma haste telescópica que é usada para corrigir o ângulo de estribo. (B) caminho de múltiplas varreduras da sonda do ultra-som sobre as regiões de interesse. As setas azuis representam o única varreduras sobre a região de interesse. Esquerda: varreduras sobre a GM; Direita: varreduras sobre o VL. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Reconstrução de matriz de voxel de ultra-som 3D
    1. Reconstrua uma matriz de voxel único 3DUS (imagem de 3DUS) de uma única varredura sobre a pele de um ROI anatômica específica (por exemplo, músculo, tendão) de bin-enchimento e inpainting 3DUS voxel matriz usando um script personalizado. A fim de reconstruir uma matriz de voxel de 3DUS, siga os seguintes passos pós-experimentais.
      1. Sincronizar o MoCap dados e imagens dos EUA, identificando o primeiro quadro de E.U. contendo o artefato de cristal-criado piezo e corte os EUA imagem sequência em conformidade com o VirtualDub software35. Primeiro, coloque a barra de seleção de quadro no quadro inicial identificado e pressione o botão "home" do teclado. Em seguida, mova o controle deslizante até o fim da medição (o último contacto com a pele) e pressione o botão "terminar". Pressione a tecla "F7" para exportar a sequência de imagem recortada.
      2. Defina um sistema de coordenadas voxel de matriz (Va) que pode ser preenchido com imagens dos EUA, usando um script personalizado. Certifique-se que o Va é orientado de acordo com a direção de varredura e dimensionada para caber todas as imagens de Estados Unidos de uma única varredura.
        Nota: Inicialmente, o Va consiste em voxels retangulares, com os eixos mais longos na direção da varredura; desta forma aumenta a eficiência de enchimento.
      3. Atribua os voxels no Va com valores de cinza do pixel das imagens dos EUA, usando um script personalizado. Este processo é descrito como o mapeamento para a frente ou bin-enchimento (equação 3; Figura 1 C) 23 , 24.
        Equation 3
        Nota: Isto mostra que para a frente de mapeamento de imagens 2D de E.U. no Va , de acordo com a orientação e a posição das imagens no sistema de coordenadas de Va. Em suma, as posições de todos os pixels de uma imagem (Imxyz(1:n)) na instância de tempo (i), são simultaneamente mapeadas para a frente para a matriz de voxel. O procedimento de preenchimento de bin apenas preenche os voxels endereçado, deixando o não-dirigida voxels vazio (ou seja, preto).
        Nota: Equation 7 indica o inverso da matriz de transformação descrito anteriormente (ou seja, um Pr , a matriz de transformação de Gl ).
      4. Usando um script personalizado identificar lacunas dentro da matriz de voxel (ou seja, preto voxels). Siga as etapas seguintes por meio de processamento de imagem binária:
        1. Crie uma matriz de bin-cheia de voxel binário no qual todos os voxels preenchidos são rotulados. Use imagem binária dilatação e erosão, com o mesmo tamanho estruturação-elemento, para rotular todos os voxels relevantes (ou seja, com valor de cinza voxels) dentro da região digitalizada. Detecta lacunas subtraindo-se a matriz de voxel binário bin-cheia (com lacunas) dos voxels relevantes (sem intervalos).
          Nota: As operações subsequentes de dilatação e erosão são etapas de processamento de imagem para completar as imagens binárias. Executando estas etapas uma após a outra, as fronteiras externas permanecem enquanto as lacunas dentro são removidos.
      5. Preencher as lacunas identificadas usando um procedimento de"inpaint" e cercar com valor cinza voxels36.
        Nota: Esta técnica inpaint pode ser usada para: "preencher as lacunas com uma função suave baseada em minimizar a soma dos quadrados da segunda derivada em cada voxel rotulado medido por diferenças finitas na grelha"36.
      6. Equalizar as dimensões de voxel do Va por interpolação 'bicubic' e salvar a matriz de voxel como uma imagem TIFF empilhadas (imagem de 3DUS).
  2. Reconstrução de varreduras múltiplas
    1. Reconstruir todas as varreduras individuais (descritas na seção 3.4) cobrindo um maior ROI de acordo com o mesmo sistema de coordenadas Va para mesclar várias varreduras.
    2. Crie um novo sistema de coordenadas Va , dimensionado para acomodar todas as varreduras reconstruídas individuais.
    3. Coloque o individual Vapasso a passo o maior Va. Se um voxel é já atribuído por outra Va, este voxel só será substituído se o voxel nova tem um valor de cinza ≥ 10 em uma escala de 8-bit, caso contrário, o novo valor de voxel cinza é Descartado.

4. medição das variáveis de morfologia muscular

  1. Use o kit de ferramentas de interação médica37 (MITK) para carregar a imagem 3DUS e recuperar as coordenadas da origem, inserção e a extremidade distal do ventre muscular.
    1. Depois de carregar a imagem em 3D, defina o corte para 'Coupled mira rotação'. Alinhe os eixos com músculo ou estruturas ósseas para recuperar precisamente as coordenadas.
      Nota: MITK é preferido por outro software de análise de imagens 3D para a apreciação dos pontos anatômicos, porque permite rápido e interativo de voxel matriz de corte em qualquer direção ("Coupled mira rotação"), facilitando o processo de identificação.
  2. A fim de medir o volume de músculo, use MITK para identificar os limites do ventre muscular entre a origem e a extremidade distal do ventre muscular. Use a built-in segmentação MITK manualmente segmentar as várias secções transversais anatômicas uniformemente, distribuídos ao longo do comprimento do ventre muscular (Figura 3).
    1. Abra a ferramenta de segmentação' ' e criar uma segmentação de' nova'. Comece segmentando os limites do músculo identificados em um corte transversal no meio do caminho ao longo do ventre muscular. Imprensa 'A' do teclado para adicionar uma segmentação manual e desenhar pressionando o botão esquerdo do mouse e movendo o cursor seguindo os limites do músculo. A imprensa ' para remover partes de segmentação.
    2. Pressione a tecla correspondente ao modo seleccionado última (ou seja, 'A' ou a ') para mover o cursor de mira para outras seções transversais ao longo do ventre muscular. Repita a etapa 4.2.1 para segmentar a nova seção transversal selecionada. Repita este passo para pelo menos 6 vezes, antes de continuar para a próxima etapa.
    3. Defina 'Interpolação' para 'Ativar', rever as proposta segmentações dos limites musculares (linhas amarelas) em todas as seções transversais ao longo do comprimento do ventre muscular.
    4. Adicione segmentações adicionais na secção transversal em que a proposta segmentação interpolada (linha amarela) não coincide com o limite de músculo na imagem. Repita a etapa 4.2.2.
    5. Pressione o botão de 'Confirmar para todas as fatias' e selecione o avião em que foram feitas as segmentações.
    6. Salve o volume binário como um arquivo de dados (NRRD) quase bruta raster e calcular o tamanho do volume etiquetado usando um script personalizado.
  3. Encontre a orientação do plano Fascículo longitudinal médio do ventre muscular, contendo o comprimento total de fascículos(Figura 3)38.
    Nota: Ao plano médio longitudinal é definido por três pontos. A origem e a extremidade distal do ventre muscular são os dois primeiros pontos. O terceiro ponto encontra-se em uma imagem transversal anatômica a meio caminho entre a origem e a extremidade distal do ventre muscular. Dentro desta imagem transversal anatômica, o ponto médio entre os dois primeiros pontos projectados sobre a tangente dos rendimentos distal da aponeurose um terceiro ponto que juntamente com a origem e extremidade distal do ventre muscular define ao plano médio longitudinal.
  4. Desde o meados-plano longitudinal, medir o comprimento do fascículo em uma posição padronizada previamente definido entre a origem e a extremidade distal do ventre muscular (por exemplo, 50%). Segmente os limites do músculo. Coloque uma linha no meio do caminho e gire esta linha até combina com a direção dos fascículos subjacentes. As interseções da linha com os limites do músculo representa a estimativa do comprimento do fascículo (Figura 3B).
    Nota: Anteriormente, revelou-se necessário ter em conta que, às vezes curvada, orientação da aponeurose distal38, como visto em uma imagem transversal anatômica (Figura 3B), levada a meio caminho entre a origem e distal fim do ventre muscular.

Figure 3
Figura 3: esquema da análise de 3DUS. (A) identificação e segmentação do limites de músculo alvo em uma imagem transversal anatômica na metade do caminho ao longo do ventre muscular. A linha verde contínua representa a orientação do plano médio-longitudinal (ou seja, orientadas perpendicular à orientação da aponeurose distal (linha pontilhada azul). (B) medição do comprimento do fascículo é executada dentro do plano do Fascículo longitudinal médio. A região transparente vermelha é segmentada pela identificação dos limites do músculo. Uma linha amarela pontilhada é colocada no meio do caminho sobre o ventre muscular e girada até que combina com a direção dos fascículos subjacentes. As intersecções desta linha com os aponeuroses proximais e distais (ligado por linha grossa sólido amarela) representam a estimativa do comprimento do fascículo. A linha verde contínua representa a posição e orientação do plano transversal anatômica. Superior: GM (m. gastrocnêmio medial) e inferior: músculo VL (m. vasto lateral). Representam os quadrados brancos para a escala 1 cm x 1 cm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Representative Results

A técnica descrita 3DUS foi usada para coletar dados morfológicos da GM e VL em quatro cadáveres humanos masculinos, idade a morte 76.8 ± 7,9 anos (média ± DP). Os cadáveres foram obtidos através do programa de doação do departamento de anatomia e neurociência da Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amesterdão, Países Baixos. Os corpos foram preservados usando um método de embalsamamento, visto manter as características morfológicas do tecido39.

Antes da dissecação, uma imagem de 3DUS foi feita da GM e VL de acordo com a metodologia descrita. Durante a dissecção, pele, tecido subcutâneo e fascias sobrepondo o GM e VL foram removidas. Uma seção de meados-longitudinal foi cortada, tendo a orientação da aponeurose distal em conta. Usando um paquímetro, o comprimento do fascículo foi medido, a meio caminho entre a origem e a extremidade distal do ventre muscular. Posteriormente, após tenotomia, o ventre muscular foi dissecado e submerso em uma coluna de água calibrado. Usando o ImageJ, os volumes foram medidos nas fotografias da coluna de água com e sem o ventre muscular e volume muscular foi calcular a diferença de40. Volume e comprimento do fascículo foram medidos 3 vezes e foram calculados os valores de média e desvio padrão. Validade de critério entre as medições de método e dissecação de 3DUS foi testada usando a correlação de Pearson, um volume de comprimento e músculo Fascículo médio. Confiabilidade intra-avaliador do método 3DUS medições de comprimento e volume do fascículo derivada foi quantificada utilizando um bidirecional misto modelo intraclasse coeficiente de correlação (ICC3,3)41e após a transformação logarítmica dos dados, o calculou-se o coeficiente de variação (CV). A validade das medições de volume de comprimento e músculo Fascículo foram confirmados por correlações significativas e altas (r = 0.998, p < 0,01 e r = 0.985, p < 0,01, respectivamente). Confiabilidade intra-avaliador do método 3DUS derivados de medições do comprimento do fascículo e volume foi alta (ICC3,3 0.983, CV CV de 7,3% e ICC3,3 0.998, 5,4%, respectivamente). Conclui-se que a abordagem de 3DUS apresentada é uma ferramenta válida e confiável para avaliação de volume e Fascículo comprimento de humano VL e GM (tabela 1).

Table 1
Tabela 1: Dados de validação do cadáver. C# é o número de cadáveres, GM é o m. gastrocnêmio medial, VL é o m. vasto lateral. "Dissecação" mostra os resultados a dissecação de cadáveres, e "3DUS" mostra os resultados da análise de imagem de 3DUS dos cadáveres.

Discussion

Uma técnica válida e confiável 3DUS é apresentada que permite uma rápida análise das variáveis morfométricas dos músculos esqueléticos. 3DUS diferentes abordagens para a imagem latente de tecidos moles estão disponíveis para aproximadamente, uma década42,43, porém as abordagens 3DUS ainda não são usadas comumente. Ressonância magnética é um "padrão ouro" para a estimativa dos volumes de músculo na vivo (EG.,16,17,18,19,20de referências). Validade de MRI foi testada e confirmada em estudos comparando ou fantasmas ou órgãos cadavéricos de volume conhecido de volume MRI-com base em estimativas44,45. No entanto, disponibilidade de MRI para pesquisa é limitada e exames são demorados e dispendiosos. Além disso, o assunto experimental posturas são limitadas pelo furo da aproveitar dos scanners MRI. Imagens típicas do senhor geram contraste insuficiente para realizar medições de variáveis da geometria muscular (Fascículo comprimentos e ângulos). No entanto, geometria 3D muscular pode ser avaliada também com MRI usando técnicas adicionais, por exemplo, DTI técnica21. Semelhante a imagem latente de ressonância magnética, US fornece uma distinção adequada nas interfaces entre os diferentes tipos de tecidos (ou seja, visível dentro de nós de imagens), fornecendo uma modalidade válida para tecidos moles volume avaliação1,30 ,44,46,,47,,48,49. Em contraste com MRI, 3DUS imagens possuem contraste suficiente para realizar a análise sobre a geometria tanto o volume e o músculo da mesma medida.

Além disso, a técnica apresentada permite combinar imagens de varreduras múltiplas em uma matriz, para o estudo de músculos maiores. Este novo método 3DUS fornece uma ferramenta potencial para avaliação clínica da morfologia do músculo. Esse método pode ser usado também para estruturas de tecido mole diferente de músculo (por exemplo, tendões, órgãos internos, artérias) de imagem.

Modificações para melhorar o tempo de processamento off-line:

Modificações da abordagem 3DUS foram principalmente destinadas a melhorar o tempo de processamento e medindo os músculos maiores. O tempo de processamento offline de uma imagem de 3DUS depende de configurações de matriz de voxel, frequência de amostragem, tamanho de ROI, duração e velocidade de varredura, número de varreduras e estação de trabalho usada. Anteriormente, um tempo de reconstrução de ≈ h 2 era necessário para reconstruir apenas uma varredura rendendo 750 imagens dos Estados Unidos (30 s a 25 Hz)15,25,30. Com o presente método de 3DUS, a mesma varredura demora só 50 s reconstrução (melhorando o tempo de processamento 'offline' 99%). Esta melhoria pode ser explicada pelo algoritmo de enchimento melhorado que utiliza as operações de grande vetor para preencher a voxels quadro-a-quadro, em vez de pixel por pixel e aumento de acesso aleatório memória (RAM) de estações de trabalho para construir matrizes de voxel maiores. Com a nova abordagem de 3DUS, uma reconstrução típica que representa um comprimento de varredura de 30 cm a uma velocidade de 1 cm/s, com um tamanho de voxel de alvo de 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3 e uma frequência de amostragem de 25 Hz, leva o seguinte tempo de reconstruir :

a. cerca de 10 s para identificar o pulso de sincronização e selecione imagens relevantes dos Estados Unidos.
b. aproximadamente 120 s para determinar a matriz de transformação de calibração (PrTIm).
c. cerca de 10 s para a fase de enchimento-bin.
m. aproximadamente 30 s para executar as etapas de preenchimento de lacunas.

No total, tomando nota s. 170, etapa b só precisa ser executada uma vez, assumindo uma conexão rígida dos marcadores de MoCap da sonda, deixando 50 s para a reconstrução de uma única varredura. Combinar dois varredura única reconstruída voxel matrizes leva cerca de 10 s.

Limitações e passos críticos:

Há vários aspectos de geração de imagens de 3DUS que devem ser tomados em conta:

i. a qualidade de imagem dos EUA: maior resolução espacial de imagens 2D dos EUA fornecem mais pixels para ser colocado dentro da matriz de voxel. Isso permitiria que as dimensões de voxel diminuir, levando a maior densidade de voxel. Várias máquinas de ultra-som disponíveis atualmente usam composição espacial para reduzir a textura granular barulhenta, permitindo a livre de artefato melhor distinção das interfaces dos tecidos. Outra opção para reduzir o speckle é realce de borda. No entanto, deve notar-se que esta abordagem não é desejável, já que isso deforma a imagem em uma tentativa de criar interfaces distintas, distorcendo a verdadeira posição anatômica das interfaces.

II. MoCap precisão: Pixels só podem ser com precisão colocados em um voxel, se o sensor de posição com precisão quantifica as coordenadas da sonda. Com um aumento na resolução de imagem, precisão de MoCap torna-se mais importante. O 3DUS apresentado instalação funciona melhor com uma dimensão de voxel de 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3, usando um sistema de MoCap com uma precisão de 0,1 mm, que proporciona ampla precisão para reconstruir a matriz de voxel de 3DUS.

III. amostra frequência: a menor resolução temporal de imagens dos Estados Unidos ou no fluxo de dados de MoCap determina a frequência de amostra. Isso afeta o tempo de varredura ou as configurações de matriz de voxel. Por exemplo, dobrar a frequência de amostra de 25 a 50 Hz permite uma varredura a ser realizado na metade do tempo. Como alternativa, não alterando a velocidade de varredura, fornece imagens mais para preencher a matriz de voxel, deixando menos lacunas a serem preenchidas e, assim, potencialmente aumentando a resolução de matriz de voxel. No entanto, aumentar a resolução de matriz de voxel, sem aumentar a frequência de amostragem, requer uma varredura mais lenta, o que aumentará o potencial de artefatos de movimento.

IV. tempo de reconstrução de imagem: rápidas reconstruções exigem uma poderosa estação de trabalho com a memória RAM suficiente disponível. Além disso, o tempo de reconstrução varia em grande parte com base no volume de matriz de voxel e complexidade do processo de preenchimento de lacunas.

v. protocolo Experimental: padronização do protocolo experimental, como exemplificado no presente estudo para o VL e GM, é essencial para a comparação das medições morfológicas (por exemplo, comprimento fascicle, ângulo fascicle, ventre muscular comprimento, comprimento do tendão, aponeurose comprimento) entre indivíduos e monitoramento dentro de disciplinas em estudos longitudinais. No entanto, observe que a morfologia avaliada em repouso pode alterar durante a ativação muscular. Por exemplo, para o experimento de VL, a morfologia de extensor do joelho durante a contração máxima pode demonstrar um ângulo pennation alta e fascículos mais curtos em flexão do joelho de 60°, em comparação com morfologia no resto50. Em determinadas condições (por exemplo., espasticidade), eletromiografia (EMG) pode ser usada para verificar os níveis de atividade muscular descanso durante o exame.

vi. sonda pressão e tecido deformação: se ultra-som amplo gel é aplicado sobre o ROI, a quantidade de pressão para permanecer por completo contato entre a sonda e a pele é limitada. Como orientação, aconselha-se que um ROI de digitalização deve sentir como pairando sobre a pele, e a pressão só deve ser aplicado para manter contato com o gel e, assim, a pele. No entanto, deformação do tecido ligeiro pode ser inevitável, mesmo com uma generosa quantidade de gel de ultra-som. Tamanho de sonda e um ROI curvo afetam a quantidade necessária de pressão ou gel usado. Maior tamanho de sonda e um ROI mais curvado exigem mais pressão e/ou mais gel, que sondas menores com um similar curvo ROI. Outra solução possível é para descartar a região de reverberação (ou seja, sem pele-contato) das imagens dos Estados Unidos. Além disso, a deformação do tecido é mais provável de ocorrer nas camadas de tecido primeiro, tais como pele e camadas de tecido adiposo subcutâneo. Note-se que indivíduos com pouco ou nenhum tecido adiposo subcutâneo, portanto, são mais propensos aos efeitos adversos da pressão. Além disso, a deformação do tecido ocorre, provavelmente, no centro da sonda, que normalmente não é a região de sobreposição com outras varreduras.

VII. conhecimento anatômico e imagem: outra consideração importante no uso de qualquer modalidade de imagem é que o conhecimento da anatomia e a modalidade de imagem é essencial para obter interpretação significativa. Variação anatômica entre indivíduos e artefatos de imagem precisa ser reconhecido e tidos em conta no processo de identificação de estruturas anatômicas. Mesmo com os músculos saudáveis e/ou bem desenvolvidos, identificação clara pode ser difícil, porque requer conhecimento anatômico para diferenciar entre diferentes componentes de um músculo ou de grupos musculares51. No entanto, no músculo atrofiado (ou seja, pessoas idosas, em caso de patologia, ou um cadáver), a identificação clara é ainda mais complicada por causa de um tamanho menor e diminuir o contraste da imagem, e, por conseguinte, o tecido menos distinto interfaces (Figura 4 ). Nós acreditamos que sem prévio conhecimento anatômico, que teria sido limitados na tomada de decisões corretas na concepção desta abordagem de 3DUS e na realização das medições 3DUS. Por exemplo, para experimentos de GM, ângulos diferentes estribo não necessariamente causam mudanças esperadas no músculo complexo comprimentos de tendão, devido a deformação dentro do pé7. Também informações anatômicas detalhadas na curvatura da aponeurose distal foi essenciais para uma seleção adequada do plano médio longitudinal em todos os assuntos38.

Figure 4
Figura 4: variação e qualidade de imagens anatômicas 3DUS transversal do músculo quadríceps da coxa no meio de reconstruída. (A) exemplo de um cadáver humano masculino mostra uma imagem de um estado atrofiado na morte (idade de morte: 81 anos). Identificação dos limites das cabeças individuais do músculo quadríceps é difícil. (B) exemplo de um macho sedentário (30 anos). (C) exemplo de um remador de atleta do sexo masculino (30 anos). Representam os quadrados brancos para a escala 1 cm x 1 cm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Aplicações futuras:

A abordagem de 3DUS fornece uma ferramenta de imagem que pode ser usada para diversos fins e configurações em esportes e clínicas. Em intervenções clínicas eficácia está relacionada com o nível de aptidão física52. Usando 3DUS para monitoramento de pacientes que estão em risco de perder músculo massa é importante (por exemplo, referências53,54,55) e potencialmente permite o ajuste do tratamento. Outra aplicação potencial da 3DUS situa-se na monitorização da adaptação morfológica do músculo em resposta à intervenção (formação) e/ou lesões.

Este protocolo descrito um método de custo e tempo-eficaz de medir a estrutura de tecidos moles do corpo humano com base em varreduras de 3DUS à mão livre. Além disso, a avaliação dos parâmetros morfológicos significativos do m. vastus lateralis e m. gastrocnêmio medial provou para ser válida e confiável.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores são muito gratos ao Adam Shortland e Nicola Fry que compartilharam seus algoritmos para o ultra-som 3-dimensional em 2004, que foram a inspiração para o desenvolvimento do software utilizado neste estudo.

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

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Medicina edição 129 ultra-som 3D músculo esquelético volume muscular arquitetura geometria de músculo morfologia comprimento fascicle m. gastrocnêmio medial m. quadríceps femoral m. vasto lateral
Imagens de ultra-som 3D: rápida e econômica de morfometria do tecido músculo-esquelético
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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).

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