3D 超声成像 (3DUS) 允许快速和 cost-effective 的肌骨骼组织形态计量学。我们提出了一个协议来测量肌肉体积和分册长度使用3DUS。
3D 超声成像 (3DUS) 的发展目标是设计一种对人体肌肉进行3D 形态超声分析的模式。3DUS 图像是由校准的手绘 2D B 型超声图像, 这是定位到一个体素阵列。超声 (美国) 成像允许定量的肌肉大小, 簇长度, 和角度的 pennation。这些形态学变量是重要的决定因素的肌肉力量和长度范围的力量消耗。所介绍的协议描述了一种确定m. 股外和m. 腓肠肌内侧的体积和簇长的方法。3DUS 使用3D 解剖学参考促进标准化。这种方法提供了一种快速和 cost-effective 的方法来量化3D 形态学的骨骼肌肉。在医疗和运动, 关于肌肉形态计量学的信息是非常宝贵的诊断和/或后续评估后, 治疗或培训。
在医疗和运动, 关于肌肉形态学的信息是非常宝贵的诊断和/或随访评估后治疗或培训1。超声 (美国) 成像是一种常用的工具, 可视化的软组织结构在肌肉疾病2, 严重疾病3,4, 心血管疾病5, 神经紊乱6, 7,8, 以及物理训练的效果6,9,10。美国成像可以量化的肌肉大小, 簇长度和角度的 pennation。这些形态学变量是重要的决定因素肌肉力量和长度范围的力量发挥11,12,13,14,15。
目前, 美国的成像测量大多是在2D 图像, 考官选择一个推测, 合适的方向和位置的超声波探头。这种2D 方法将形态学测量限制在一个图像平面上, 而感兴趣的参数可能不存在于这个平面中。形态学分析需要3D 的方法, 提供使用3D 参考点的平面测量。这样一个3D 的软组织的形态学表示是已知的提供磁共振成像 (MRI)16,17,18,19,20。然而, MRI 是昂贵的, 并不总是可用。此外, 肌肉纤维的可视化需要特殊的 MRI 序列, 如扩散张量成像 (DTI)21。cost-effective 的替代 MRI 是3D 超声 (3DUS) 成像。3DUS 方法提供了一些优于 MRI 技术的优势,例如, 它在考试中对定位主题施加的空间限制更少。3DUS 成像是一种连续捕获 2D (B 型) 图像并将它们定位到一个体积元素 (体素) 数组22,23,24的技术。3DUS 图像重建过程包括五步骤: (1) 捕获一系列手绘的2D 美国图像;(2) 使用运动捕捉 (MoCap) 系统跟踪美国探针的位置;(3) 同步 MoCap 位置和美国图像;(4) 利用标定的参考系统计算体素阵列内超声图像的位置和方位;(5) 将这些图像放入这个素阵列中。
3DUS 方法已成功应用于骨骼肌形态的评估15,25,26,27,28,29。但是, 以前的方法7、15、25、30都证明了繁琐、耗时和技术上的限制, 因为只有小部分的大肌肉可以重建。
为了改进3DUS 方法, 我们开发了一个新的3DUS 协议, 允许在短时间内重建完整的肌肉。本议定书的文章描述了使用3DUS 成像的形态计量学的m. 股外(附加) 和m. 腓肠肌内侧(GM)。
一个有效的和可靠的3DUS 技术被提出, 允许快速分析骨骼肌肉的形态变量。不同的3DUS 方法为软组织成像已经提供了大约十年42,43, 但是3DUS 方法仍然不常用。磁共振成像是一个 “金标准”的估计,在体内肌肉卷 (e. g., 参考16,17,18,19,20。MRI 的有效性已被测试和确认的研究比较的幻影或尸体器官已知的体积, 以 MRI-based 体积估计44,45。然而, 核磁共振成像的研究是有限的, 扫描是费时和昂贵的。此外, 实验性的主体姿势受到了核磁共振扫描仪的钻孔捕捉的限制。典型 MR 图像产生不足的对比度来执行肌肉几何变量的测量 (分册长度和角度)。然而, 3D 肌肉几何也可以使用核磁共振成像的其他技术,例如, DTI 技术21。与 MRI 相似, 美国成像提供了在不同类型组织之间的接口的适当的区别 (即在美国图像中可见), 为软组织容量评估提供有效的方式1,30 ,44,46,47,48,49。与 MRI 相比, 3DUS 图像有足够的对比度来对同一测量中的体积和肌肉几何进行分析。
此外, 该技术还允许将多个扫描图像组合成一个阵列, 用于研究较大的肌肉。这种新的3DUS 方法为肌肉形态学的临床评估提供了一个潜在的工具。这种方法也可用于成像软组织结构以外的肌肉 (如, 肌腱, 内脏器官, 动脉)。
修改以提高脱机处理时间:
3DUS 方法的改进主要是为了改善加工时间和测量较大的肌肉。3DUS 图像的离线处理时间取决于像素数组设置、采样频率、ROI 的大小、扫描的持续时间和速度、扫描次数以及使用的工作站。以前, 重建时间为≈ 2 h 是必要的仅重建一个扫描屈服750美国图片 (三十年代在 25 Hz)15,25,30。使用目前的3DUS 方法, 同样的扫描只需要五十年代重建时间 (将 “离线” 处理时间提高 99%)。这种改进可以用增强的填充算法来解释, 利用大向量运算来填充体帧逐帧, 而不是像素每像素和增加的随机存取存储器 (RAM) 的工作站, 以构建更大的体素阵列。随着新的3DUS 方法, 典型的重建代表 30 cm 的速度为1厘米/秒的扫描长度, 目标体素大小为 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3和采样频率为 25 Hz, 需要以下时间来重建:
大约十年代确定同步脉冲并选择相关的美国图像。
b. 近似120s 确定校准转换矩阵 (PrTIm)。
c. 大约十年代为装箱阶段。
d. 大约三十年代执行填补空缺的步骤。
总共, 采取 170s. 注意, 步骤 b 只需要执行一次, 假设 MoCap 标记的刚性连接到探针, 留下五十年代为一次扫描的重建。合并两个单扫重建体素阵列需要大约十年代。
限制和关键步骤:
有几个3DUS 成像方面, 应考虑到:
i.美国图像质量:更高的空间分辨率为2D 的美国图像提供更多的像素放置在体素数组。这将使体素尺寸减少, 从而导致更高的体素密度。目前有几个可用的超声机器使用空间复合来减少噪音颗粒纹理, 使组织界面的无工件区分更好。另一种减少斑点的方法是边缘增强。然而, 应该指出, 这种方法是不可取的, 因为它扭曲了图像, 试图创建不同的接口, 从而歪曲了真正的解剖位置的接口。
(2) MoCap 精度:如果位置传感器精确地量化探头的坐标, 则像素只能精确地放置到体素中。随着图像分辨率的提高, MoCap 精度变得越来越重要。所提出的3DUS 设置最适用于 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3的体素维数, 使用一个精度为 0.1 mm 的 MoCap 系统, 为重建3DUS 像素数组提供了足够的精确度。
三.采样频率:美国图像或 MoCap 数据流的最低时间分辨率决定了采样频率。这将影响扫描时间或像素数组设置。例如, 将采样频率从25倍增加到50赫兹, 可以在一半的时间内进行扫描。或者, 不改变扫描速度, 提供更多的图像来填充素阵列, 留下更少的空白, 从而有可能增加体素阵列的分辨率。然而, 增加像素的数组分辨率, 而不增加采样频率, 需要较慢的扫描, 这将增加运动工件的潜力。
iv.图像重建时间:快速重建需要具有足够可用 RAM 的强大工作站。此外, 重建时间的变化很大程度上取决于体素阵列体积和复杂的间隙充填过程。
五、实验协议:实验协议的标准化, 如本研究中所示的, 对于形态学测量 (如: 如、簇长、簇角、肌腹长度, 肌腱长度, 膜长度) 之间的科目和监测在纵向研究的主题。然而, 请注意, 在静止状态下评估的形态学可能在肌肉激活期间改变。例如, 对于 pennation 的实验, 膝关节伸肌形态学在最大的收缩可能显示一个高的角度和较短的束簇在60°膝关节屈曲, 与形态学在休息50。在某些情况下 (e. g, 痉挛), 肌电图 (肌电信号) 可用于验证检查期间的休息肌肉活动水平。
vi.探头压力和组织变形:如果在 ROI 上应用了充足的超声凝胶, 则探头和皮肤之间的完全接触所需的压力仍然有限。作为指导, 我们建议, 扫描一个 ROI 应该感觉像悬停在皮肤上, 和压力应该只适用于保持接触与凝胶和从而皮肤。然而, 轻微的组织变形可能是不可避免的, 即使有大量的超声凝胶。探头尺寸和弯曲的 ROI 会影响所需的压力或凝胶用量。更大的探针尺寸和更弯曲的 roi 需要更多的压力和/或更多的凝胶, 比较小的探针具有类似的弯曲 roi。另一个可能的解决方案是丢弃美国图像的混响 (即皮肤癌-接触) 区域。此外, 组织变形最有可能发生在第一组织层, 如皮肤和皮下脂肪组织层。注意, 很少到皮下脂肪组织的受试者更容易受到压力的不利影响。此外, 组织变形最有可能发生在探针的中心, 这通常不是与其他扫描重叠的区域。
七.成像和解剖知识:使用任何成像方式的另一个重要考虑因素是, 对解剖和成像方式的了解对于获得有意义的解释是必不可少的。在解剖结构的识别过程中, 需要对主体和图像工件之间的解剖变化进行识别和考虑。即使与健康和/或发达的肌肉, 明确的识别可能是困难的, 因为它需要解剖知识, 以区分不同的组成部分之间的一个肌肉或肌肉组51。然而, 在萎缩的肌肉 (即老年人, 在病理或尸体的情况下), 明确的识别是更复杂的, 因为更小的尺寸和减少图像对比度, 因此不太明显的组织接口 (图4).我们相信, 如果没有先验的解剖知识, 我们将会被限制在设计这个3DUS 方法和执行3DUS 测量时做出正确的判断。例如, 对于 GM 实验, 不同的踏板角度并不一定会导致肌肉肌腱复杂长度的预期变化, 因为在脚7的变形。并且详细的解剖学信息关于远端膜的曲率是必要的适当的选择 mid-longitudinal 平面在所有主题38。
图 4: 重建的解剖横截面3DUS 图像的变化和质量大腿内侧的股四头肌.(a) 男性尸体的例子显示死亡状态的图像 (死亡年龄:81 岁)。确定股四头肌个别头的边界是困难的。(B) 一个久坐的男性 (年龄为30岁) 的例子。(C) 男性运动员赛艇 (30 岁) 的例子。标度的白色正方形代表 1 cm x 1 cm.请单击此处查看此图的较大版本.
未来应用:
3DUS 方法提供了一个成像工具, 可用于体育和诊所的各种目的和设置。在临床干预的有效性是相关的身体素质水平52。使用3DUS 用于监测有丢失肌肉质量风险的患者是很重要的 (例如, 引用53、54、55), 并可能允许调整治疗。另一个潜在的应用3DUS 在于监测肌肉的形态适应 (训练) 和/或伤害。
本协议描述了一种基于手绘3DUS 扫描的人体软组织结构的成本-时间测量方法。此外, 对m. 股外和m. 腓肠肌内侧的有意义的形态学参数的评估证明是有效和可靠的。
The authors have nothing to disclose.
作者非常感谢亚当肖特兰和尼古拉. 弗莱在2004年分享了他们的3维超声算法, 这是对本研究中使用的软件开发的启发。
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 |