Summary
Vi beskriver en ny ultralyd-baserede vektor vævsdopplerbilledbehandling teknik til at måle muskelsammentrækning hastighed, belastning og stamme sats med sub-millisekund tidsopløsning under dynamiske aktiviteter. Denne fremgangsmåde giver supplerende målinger af dynamiske muskel funktion og kan føre til en bedre forståelse af mekanismerne bag muskel-og skeletbesvær.
Abstract
Ultralyd er en attraktiv modalitet for billedbehandling muskler og sener bevægelse under dynamiske opgaver og kan give en supplerende metodologisk tilgang til biomekaniske undersøgelser i et klinisk eller laboratorium indstilling. Mod dette mål, er metoder til kvantificering af muskel kinematik fra ultralyd billedsprog udvikles baseret på billedbehandling. Den tidsmæssige opløsning af disse metoder er typisk ikke tilstrækkeligt til meget dynamiske opgaver, såsom drop-landing. Vi foreslår en ny tilgang, der udnytter en Doppler-metoden til kvantificering muskel kinematik. Vi har udviklet en ny vektor vævsdopplerbilledbehandling (vTDI) teknik, der kan bruges til at måle bevægeapparatet sammentrækning hastighed, belastning og stamme sats med sub-millisekund tidsopløsning under dynamiske aktiviteter ved hjælp af ultralyd. Målet med denne forundersøgelse var at undersøge repeterbarhed og potentielle anvendelighed af vTDI teknik måling muskuloskeletal velocheder i løbet af en drop-landing opgave, hos raske forsøgspersoner. De vTDI målinger kan udføres samtidig med andre biomekaniske teknikker, såsom 3D motion capture for fælles kinematik og kinetik, elektromyografi for timingen af muskel aktivering og tvinge plader til jorden udrykningsstyrke. Integration af disse komplementære teknikker kan føre til en bedre forståelse af dynamisk muskel funktion og dysfunktion underliggende patogenese og patofysiologi af muskel-og skeletbesvær.
Introduction
Muskel-og skeletbesvær er almindeligt udbredt i voksenalderen 1. De er en førende kronisk lidelse i USA 2 og er rapporteret at påvirke 25% af mennesker verden over 3.. Muskel-og skeletlidelser er forbundet med nedsat funktion i dagligdags aktiviteter (ADL), funktionelle begrænsninger og lavere livskvalitet 4. Deres økonomiske byrde er væsentlig på grund af tabt produktivitet og høje udgifter til sundhedsvæsenet 4. Patofysiologien af flere af disse lidelser forbliver tilstrækkeligt forstået. For eksempel har patogenesen af osteoarthritis (OA) 4 efter genopbygning af forreste korsbånd (ACL) skader blevet forbundet til ændringer i quadriceps muskelstyrke og funktion 5, men de underliggende mekanismer er uklare. For at belyse de underliggende mekanismer, der er behov for bedre at forstå dynamisk muskelfunktion.
Den funktionellevurdering af de enkelte muskler, under udførelsen af en delvis eller en hel opgave relateret til ADL og aktiv livsstil (dvs. sport) kan give yderligere indsigt om muskel funktion og dens potentielle rolle i patogenesen og patofysiologien af disse lidelser. Yderligere kvantificering af muskelfunktionen forbedring under rehabilitering kan bruges som et resultat foranstaltning. Konventionelle teknikker til måling af muskel-og ledfunktion i klinikken involverer fysisk undersøgelse, såsom vifte af bevægelse, muskelstyrke og / eller muskel gruppe udholdenhed. I øjeblikket i klinikken, er elektromyografi (EMG) anvendes til at vurdere muskelaktivering / co-aktivering, frekvens og amplitude af muskelaktivitet. Men EMG er et mål for elektrisk aktivering i musklen og ikke nødvendigvis give oplysninger om muskelstyrke, sammentrækning evne og andre funktionelle faktorer i musklen. Andre avancerede biomekaniske vurderinger, såsom 3D motion capture-system feller fælles kinetik og kinematik og tvinger plader til jorden udrykningsstyrke kan udføres i en gangart laboratorium 6-9. De målinger foretaget af disse teknikker er på det fælles niveau, og giver ikke nødvendigvis en direkte forståelse af de enkelte muskel funktion under en dynamisk eller funktionel aktivitet. Evnen til at udføre billedbehandling af musklen samtidigt, mens de udfører en dynamisk aktivitet kan potentielt føre til en bedre og mere realistisk funktionel vurdering på muskel-niveau.
De fleste undersøgelser har fokuseret på muskel funktion i statiske tilbøjelige positioner, og denne metode kan åbne nye veje til yderligere at styrke vores forståelse af muskel opførsel under virkelige situationer.
Diagnostisk ultralyd kan aktivere direkte billeddannelse af muskler og sener i realtid, og derfor er et attraktivt alternativ til måling af muskel-dynamik og funktion under ADL. Ultralyd-baserede kvantitative mål formuskel morfologi og arkitektur, såsom muskel tykkelse, længde, bredde, tværsnitsareal (CSA), fiber pennation vinkel og fascicle længde er ofte blevet brugt 10-12. I de seneste år har været ansat image-forarbejdningsmetoder at vurdere og kvantificere disse kvantitative foranstaltninger i dynamiske opgaver 13-14. Disse fremskridt har muliggjort en ny metodisk tilgang til at forstå in vivo muskelfunktion. Imidlertid har disse metoder primært påberåbt sig ved hjælp af konventionelle gråtoner (eller B-mode) ultralydsscanning, og derfor ikke har udnyttet fuldt ud mulighederne for ultralyd til at måle væv hastigheder, stamme og stamme sats med Doppler principper, der har vist sig at være værdifulde evaluere hjertemuskulaturen funktion 15-16.
Vi har udviklet en vektor vævsdopplerbilledbehandling (vTDI) teknik, der kan måle sammentrækning hastighed, belastning og stamme kurs med høj tidslig opløsning (sub MILLISECONd) under dynamiske aktiviteter 17-18. Specifikt kan vTDI teknik foretage målinger af muskler og sener i meget dynamiske opgaver (fx drop-landing, gangart, etc.) ved høje frame rates. Den vTDI Teknikken er en forbedring i forhold konventionel Doppler ultralyd, der anslår kun den komponent af hastigheden langs ultralydbølgen, og er derfor afhængig af insonation vinkel. vTDI anslår hastigheden af muskler og sener ved hjælp af to forskellige ultralyd bjælker styres i forskellige vinkler, og er derfor uafhængig af insonation vinkel i afbildningsplanet. Men da muskelsammentrækning sker i 3D, den vinkling af afbildningsplanet er stadig vigtig. Vi har implementeret denne metode på en kommercielt tilgængelig ultralyd-system med et forsknings-interface, så disse målinger, der skal foretages i et klinisk miljø.
At undersøge repeterbarhed og potentielle anvendelighed af vTDI systemeem i måling af rectus femoris muskel hastigheder under en dynamisk opgave, vi udførte en forundersøgelse på raske voksne frivillige. Dette papir demonstrerer metoden og forsøgsopstillingen til estimering sammentrækning hastigheder, stamme og stamme sats af rectus femoris musklen med sub-millisekund tidsopløsning i løbet af en drop-landing opgave.
Protocol
1.. Instrumentering
Vector TDI er baseret på at estimere den resulterende hastighedsvektor fra Dopplerhastighedslogudstyr målinger taget fra to eller flere uafhængige retninger. En ultralyd-system med en forsknings-interface blev brugt til at udvikle vTDI. Forskningen interfacet tilladt lavt niveau beamforming og puls sekvens kontrol ved hjælp af et software development kit (SDK). En 5-14 MHz lineær transducer, der består af 128 transducerelementer og med en 38 mm synsfelt blev anvendt. Forskningen grænseflade var ansat til at opdele transducer i to sende og modtage åbninger og styre de modtager stråler med 15 ° i forhold til det normale. Sende-stråle var fokuseret i regionen af interesse (fx muskel mave). Sende og modtage åbninger blev sat til 32 elementer.
Otte fag, 4 mænd og 4 kvinder (29,7 ± 6,5 år) blev rekrutteret i denne undersøgelse. Kinematiske foranstaltninger fra emner afhøjre nedre ekstremiteter blev taget med en otte-kamera motion capture-system med høj hastighed kapacitet og en sampling rate på 200 Hz. Ground udrykningsstyrke data under eksperimentet blev opnået gennem to force plader prøveudtagning ved 2.000 Hz.
En high-speed kamera monteret på et stativ og placeres 2 m fra emnet, blev brugt til at fange drop landing på 500 billeder / sek.
2. Emne Forberedelse
- Spørg emner til at bære et par shorts, sports-bh eller en kort t-shirt og løbesko.
- Instruer de emner til at udføre en 10 min selvstyret warm-up og strække forud for indsamlingen af data. Dette er for at undgå en unormal muskelsammentrækninger og reducere omfanget af eventuelle muskelkramper.
- Efter den varme-up session, placeres reflekterende markører på specifikke vartegn på kroppen. Konkret sted kalibrering markører på de større trochanters, bilateral mediale og laterale knæ og mediale og Lateral malleoli. Placer sporing markører på den bageste og anterior superior iliaca Kamme, og anbring klynger på lår og skafter, og fem markører på hver fod 19-20.
- Direkte emnerne på standen i midten af fokusområdet af 3D kameraer til at opnå et statisk retssag. Deltagerne skal stå på kraften plader med deres våben på tværs af deres skuldre, for at opnå statisk 3D motion capture data.
- Derefter placere ultralyd transducer i en transducer holder og sikre en god tingest, for at undgå løsner af ultralyd transducer fra transduceren holderen. Transducerholder Den blev foretaget ved hjælp Lexen polycarbonat og formbar plast.
- For at sikre god kontakt med huden og ultralydstransducer anvende generøs mængde af ultralyd transmission gel på transduceren.
- Placer ultralydstransducer sammen med transducerholder på låret af emnet for billedet rectus femoris musklen i længderetningen økseer. Transduceren skal placeres halvvejs mellem den forreste iliacrygsøjle og laterale epicondoyle billedet maven af rectus femoris-musklen. Før fastgørelse af ultralyd transducer og transducerholderen til benet, få en aksial skive af quadriceps muskel gruppe. Ved hjælp af dette som en vejledning, så sørg ultralydtransduceren nu billeddannelse rectus femoris og ikke bevæge sig mere lateral eller medial, for at undgå billedbehandling vastii muskel gruppe.
- Brug nu en sammenhængende selvklæbende bandage for at sikre transducerholder på motivets lår. Gør denne proceduremæssige skridt ikke blokere eller dække reflekterende markører. Den selvklæbende bandage må ikke være eftergivende eller overdrevent stram. Lax bandagering vil risikere ultralydtransduceren at falde i drop-landing opgave, og en alt for stram forbinding vil forårsage ubehag, forstyrre overfladisk blodgennemstrømning og eventuelt ændre drop landing dynamik.
- Placer than high speed kamera på mindst 2 m væk fra emnet i sagittalplanet at indsamle videoer med en 500 billeder / sek. Fokus kameralinsen for at sikre, at hele drop landing sekvens af emnet kan blevet fanget.
3. Eksperiment Protocol
- Når alle markører og ultralyd transducer er sikre, bede de emner, der står på en platform af højde 30 cm plads ved 50 cm fra kraften plader. Sørg for, at området omkring platformen (ca. 2,5 m) er fri af genstande, der kan hindre drop landing opgave eller sårer emnet. Dette omfatter ultralyd transducer ledningen.
- Instruer de emner til at placere deres hænder på deres hofter, inden du starter drop landing opgaven og under hele drop landing sekvens.
- Start dataindsamling for ultralyd, 3D motion capture, kraft pladerne og den høje hastighed kamera før start af drop landing opgaven. Synkronisering mellem de forskellige instrumenter kan opnåd ved hjælp af et enkelt tastetryk at starte al datafangst. En trykføler fastgjort til tastaturet kan anvendes til at generere et synkroniserende triggersignal når der trykkes på en tast.
- Ret emne til at udføre drop-landing opgave fra platformen og land med begge ben samtidigt. Sørg for, at de emner, falde fra kassen i stedet for at hoppe fra det. Ingen særlige instruktioner er tilvejebragt med hensyn til landing teknik.
- Stop dataindsamlingen, når emnet er helt stabiliseret og afsluttet landing sekvens dråbe.
- Gentag denne protokol fem gange om emnet.
4.. Ultralyd Dataanalyse
- Eksport og gemme de rå data fra ultralydssystemet til en computer.
- De rå radiofrekvens (RF) ultralyd data fra hver modtager stråle digitaliseres ved 40 MHz. Behandle data ved hjælp af Matlab.
- Udfør kvadraturdemodulation på RF-data for at fjerne bærefrekvensen. Fjern stationary og lavfrekvent rod ved at filtrere kvadratur data fra hver modtagefunktionerne bjælker og for hver dybde ved hjælp af en 20 Hz high pass filter.
- Anslå de hastigheder langs begge modtager bjælker ved hjælp af konventionelle autokorrelation hastighed estimator 21..
- Kombiner de enkelte velocity bølgeformer for at opnå lateral (langs transducer) og aksial (vinkelret på transduceren) hastighed bølgeformer hele drop landing sekvens, som det ses i figur 1.
- Finde størrelsen af den resulterende hastighedsvektoren fra de enkelte hastighedskomponenter hjælp af ligning 1 som beskrevet tidligere 22:
hvor β er strålen styreudslag, f 1 og f 2 er de to modtagne frekvens komponenter og f t er den sendefrekvens. - Beregn den laterale og aksiale belastning rate de / dt bruge rumlige Gradienser i den laterale og aksiale hastigheder.
hvor V 2 og V 1 er øjeblikkelige hastigheder anslået til to rumlige steder med en indbyrdes afstand L. - Beregn den aksiale og laterale stamme, e, ved at integrere de aksiale og laterale tøjningshastighed hhv.
5.. 3D Motion Capture Data Analysis
- Eksporter 3D motion capture data til en computer for yderligere analyse.
- Brug den statiske stående retssag, skal du oprette en kinematisk model (bækken, lår, skank, og fod) ved hjælp af 3D motion capture software med en mindste kvadraters optimering 23.
- Brug denne kinematiske model at kvantificere bevægelse ved hofte, knæ og ankelled.
- Filtrere de reflekterende markør baner og jorden reaktionsstyrker med en 4. ordens lavpas Butterworth filter med en grænsefrekvens på 7 Hz og 25 Hz, henholdsvis ved hjælp af 3D motion capture software.
- Beregn 3-D fælles kræfter og momenter fra den kinematiske og landmilitære data ved hjælp af en standard inverse dynamics analyse, ved hjælp af segment inerti karakteristika anslået for hver deltager som pr metoder Dempster. Inter-segmenter fælles øjeblikke defineres som interne øjeblikke (fx et knæ internt lokalnummer øjeblik vil modstå en bøjning belastning påføres knæet).
6.. High Speed Camera Data Analysis
- Eksporter videoer fra den høje hastighed kamera data til en computer til analyse og sammenligning med ultralyd og 3D motion capture kinematiske data.
- Afspil film på 15 billeder / sek og observere drop landing dynamik.
- Derefter kvantificere bevægelsen af transducerholder og forskydningen af ultralydstransducer under hele drop landing forsøg ved at spore de synlige markører på anatomical vartegn ved hjælp af høj hastighed videodata. Vurdere drop landing dynamik kan også ske samtidigt til bedre at forstå de forskellige lancering og landing stilarter.
Representative Results
Repræsentative resultater fra vores tidligere arbejde demonstrerer metoderne er præsenteret nedenfor. Mens de anvendte i vores nuværende forskning metoder integrerer billedbehandling og motion capture, de repræsentative resultater, der præsenteres nedenfor er fra studier, hvor disse målinger blev udført separat.
I. Ultralyd (vTDI)
Ved hjælp af data fra 3D motion capture og den høje hastighed kamera, mønstret for fagets hoppe, blev landing og stabilisering faser undersøgt for hvert forsøg. Den aksiale og laterale rectus femoris muskel hastigheder fra vTDI blev sammenlignet med data indsamlet fra 3D motion capture og high speed kamera. Ved hjælp af disse data blev de temporale karakteristika af aksiale og laterale rectus femoris-musklen hastigheder hele landing sekvens drop undersøgt. Positive laterale hastigheder svarer til excentrisk kontraktion af rectus femoris musklen under knæ fleksionmens negative laterale hastigheder svarer til koncentrisk sammentrækning af musklen ved ekstension. Dette er illustreret i figur 2. Hele drop-landing sekvens for alle fag varede cirka 1,45 ± 0,27 sekunder.
For hvert emne, de aksiale og laterale muskel hastigheder viste en stærk gentagelsesnøjagtighed mellem forsøg med en hældning på 0,99 og R2 = 0,75 (Figur 3). Velocity værdier for seks ud af otte forsøgspersoner var i en lignende vifte af 48-62 cm / sek, mens to fag (både mænd) havde højere hastigheder. Mænd (72,96 cm / sek) præsenterede signifikant højere muskel hastighed end kvinder (48,71 cm / sek), p = 0,029, når der korrigeres for hvert emne individuelle vægt og muskler tykkelse.
Positionen af ultralyd transducer blev sporet troede drop-landing sekvens ved hjælp af high-speed kamera. Vinklen mellem linjestykke mellem trochanter og manchetten (grøn streged linje segment) og linie mellem midten af låret og manchetten (lilla stiplet linje segment) blev beregnet. I alt 16 forsøg med 2 forsøg per emne (forsøg 1 & 2 vedrører underkaste 1 og så videre) er iagttaget i figur 4.. Minimal kantede variation (0,91 ° ± 0,54 grader) af transduceren indehaveren i forhold til de anatomiske markører under landing blev observeret over alle 16 forsøg. Ultralydtransduceren vinkelvariation præsenteret en høj gentagelsesnøjagtighed samt (ICC 2,1 = 0,90, p <0,05). Dette viser, at transduceren bevægelse under landing retssagen var minimal, og hastighedsmålinger blev ikke påvirket på grund af nogen transducer bevægelse.
II. 3D Motion Kamera & Force-plader
Vi primært fokuseret på knæ og hofte fleksion vinkler, knæ valgusvinklen og knæ valgus øjeblik. Vi fandt, at under den indledende kontakt med jorden, forsøgspersoner havde følgende kinematiske mønstre: hip fLexion 41 ° ± 13 grader, knæ flexion 23 ° ± 9 grader, og knæ valgus 0,03 ° ± 6 grader. Da de fremskridt under landing fase de maksimale vinkler opnåede var: hofte fleksion 58 ° ± 19 grader, knæ flexion 54 ° ± 24 grader, og knæ valgus -4 ° ± 8 grader (Figur 5). Knæ valgus øjeblik præsenterede et fald fra 0,03 ± 0,03-0,1 ± 0,1 Nm / km fra indledende kontakt med jorden til sin maksimale under landing fase (figur 6).
Figur 1. Repræsentation hastighed måling vTDI af rectus femoris-musklen. Den grå bjælke repræsenterer to individuelle sende og modtage bjælker og den røde linje repræsenterer den laterale hastighedskomponent (sammen proksimal distal retning af knæet), og den blå linie repræsenterer aksiale hastighed komponent (langs tykkelsen af muskel).
Figur 2. Aksiale og laterale hastigheder under drop landing i forhold til sekvensen af videobilleder (øverste panel). Det nederste panel er de aksiale og laterale hastigheder, hvor A svarer til den oprindelige knæfleksionen B svarer til ekstension, C svarer til tå slående jorden, D svarer til hælen slående jorden, E svarer til knæ fleksion indlæg landing og F svarer til knæet udvidelse og stabilisering.
Figur 3. Repeterbarhed af størrelsen af den resulterende hastighed vektor for alle 8 personer (2 forsøg pr emne). Mænd er angivet i røde diamanter og kvinder i blå cirkler.
Figur 4.. Panel A. Fejlen ivinklen mellem linjestykke foretaget af ultralydtransducer indehaveren og markør på midt på låret (lilla stiplet segment) og linjesegment fra ultralydstransduceren og markør på trochanter (grøn stiplet linje segment). Panel B. Den absolutte fejl i vinklen mellem linjestykket foretaget af ultralyd transducer indehaveren og markør på midt på låret og linjestykket foretaget af ultralyd transducer og markør på trochanter.
Figur 5. Figuren viser 3D motion capture under drop landing opgaven. A svarer til den oprindelige knæfleksionen til opsendelse fra platform, B svarer til tå slående jorden, C svarer til hælen slående jorden, D svarer til knæ fleksion indlæg landing og E svarer til KNEe udvidelse og stabilisering. Klik her for at se større figur.
Figur 6. Figuren viser repræsentativ knæ valgus øjeblik ændringer i den holdning fase af drop-jump. Knæ valgus øjeblik præsenterede en stigning fra 0,03 ± 0,03 til 0,1 ± 0,1 Nm / km fra indledende kontakt med jorden til sin maksimale under landing fase. Klik her for at se større figur.
Discussion
Ultralydsscanning har evnen til at give direkte vurdering af muskel kinematik i dynamiske undersøgelser, der kan supplere de traditionelle foranstaltninger, såsom 3D motion capture, dynamometry, elektromyografi, og jord udrykningsstyrke målinger. Denne fremgangsmåde kan være bredt anvendelig for grundlæggende biomekanik forskning og klinisk evaluering. Der er tre vigtigste tilgange til estimering væv bevægelse ved hjælp af ultralyd: (1) speckle sporingsmetoder der bruger krydskorrelation på rå radiofrekvens (RF) ultralyd data eller kuvert-detekteret grå skala (eller B-mode) billeddata. Disse teknikker er blevet meget udbredt i både skelet 24-25 og hjerte-26 muskel motion tracking og estimering, (2) billede forarbejdningsmetoder, der sporer muskel fascicles eller funktioner 27-28 og (3) vævsdopplerbilledbehandling teknikker, der anvendes i både hjerte-29 -30 og skelet 31 bevægelse estimering. Speckle sporing baseret på rumlige cross-cAMMENLIGNINGSTABEL har været brugt i vid udstrækning til at spore bevægelse af væv og kan spore bevægelse med sub-pixel opløsning. Men speckle mønstre dekorrelere hurtigt under større bevægelser. Motion ud af billedplanet udgør også en udfordring for pletter sporing. Metoder til sporing muskel fascicle længde har bedre anvendelighed, hvor hele fascicle visualiseres i billedet under den dynamiske opgave. Metoder, der er afhængige af behandling billeddata har lav tidsmæssig opløsning begrænses af imaging frame rate og kan derfor ikke spore bevægelse ved høje hastigheder. Desuden er disse fascicle sporingsmetoder er meget følsomme over for ud af plan bevægelse. Således probe bevægelse i forhold til den muskel, kan forårsage sporing mislykkes. Velocity estimater fra konventionel vævsdopplerbilledbehandling (TDI) kan have en højere tidsmæssig opløsning, samt er mere robuste for små sonde bevægelser. Doppler metoder kan estimere hastigheder komponenter kun langs ultralydbølgen dermed Doppler estimater kan være unøjagtige due til den varierende vinkel insonation med bevægelse af musklen. Vores forslag vTDI metode overvinder dette problem ved at anvende to forskellige ultralyd bjælker styres ved forskellige vinkler, og derfor skønnet hastighed er uafhængig af insonation vinkel i afbildningsplanet. Desuden kan den effektive tidsmæssige opløsning af vTDI være ca 0,1 ms og derfor er denne metode kan spore bevægelse af skeletmuskulaturen under dynamiske aktiviteter (f.eks drop-landing, gangart og jogging).
Andre fordele ved vores fremgangsmåde omfatter anvendelse af et lineært array billeddannende transducer er baseret på et klinisk ultralyd system til udførelse vektor vævsdopplerbilledbehandling. Vi elektronisk styret sende / modtage stråle styretøj, blænde størrelse og fokus steder, for scanning af et stort synsfelt. Endvidere kan denne tilgang udvides til at udføre duplex vTDI med samtidig realtid billeddannelse. Vores system gør det også muligt for os at udføre konventionel B-mode billedbehandling til locate regionen af interesse for kvantificering af væv stamme og kinematik. Da denne metode blev gennemført på en klinisk scanner, har vi været i stand til at implementere denne vTDI metode i en gangart laboratorium for biomekanik forskning.
Begrænsninger af denne teknik skal anerkendes. Forskellige faktorer påvirker nøjagtigheden af Doppler målinger. vTDI baserede velocity skøn i to dimensioner (sammen og på tværs af muskelfibre), kræver den lineære transducer opdeles i to sende / modtage sub-åbninger (32 elementer bred) og styre strålerne ved 15 °. Steering ultralyd sende og modtage bjælker til højere vinkler kan påvirke velocity foranstaltninger som følge gittersløjfer. Også området af bjælken overlap region i vTDI skifter med varierende stråle fokus dybder 32, potentielt kan påvirke velocity skøn. Variansen af Doppler skøn afhænge (1) acceleration og deceleration af væv inden analysen tidsvinduet (2) varians af tproblem hastighed inden Doppler området gate (3) den varierende Doppler vinkel i åbningen anvendes til Wideband spektrale sendt og modtaget ultralyd bjælker, også kendt som geometriske udvidelse 33 og (4) båndbredden af den transmitterede ultralyd puls, idet dopplerforskydningssignalets er proportional med bærefrekvens 34. Flere metoder kan anvendes til at begrænse varians. Fase baseret velocity estimatorer, såsom autokorrelation, anvender typisk mindre analyse tidsvinduer i forhold til spektral estimatorer, men de anslår betyder Dopplerskiftet snarere end peak shift. Wideband spektrale estimatorer som 2D Fouriertransformation 35 kan reducere variansen grund impulsbåndbredden. I tilfælde af vTDI, der udnytter to styrende Doppler bjælker, variansen af væv hastigheder i strålens overlappende region i forhold til muskel er en anden faktor at overveje. Rectus femoris muskel sammentrækning er i 3D og sammentrækning veloctet varierer rumligt langs musklen. Derfor er det vigtigt at vælge omhyggeligt regionen af interesse.
I dette studie undersøgte vi repeterbarheden af rectus femoris muskel kinematik i løbet af en drop-landing opgave i otte raske frivillige hjælp vTDI. Selvom forsøgene var uafhængige, vi observerede højt korreleret og repeterbare peak muskel sammentrækning hastigheder for enkeltpersoner mellem forsøg. Vi er i øjeblikket at rekruttere flere fag i vores undersøgelse for yderligere at undersøge dette mønster. Denne undersøgelse har ydet ikke-invasiv og tidstro måling af sammentrækning hastigheder af rectus femoris musklen under drop-landing. De følgende mønstre af sammentrækning hastigheder blev observeret under de forskellige faser af drop landing opgave (Figur 2): 1.. Muskelsammentrækning hastigheder dominerer i den laterale retning i forhold til aksial retning under knæfleksionen (lancering fase) og udvidelse (i-the-air phase). Dette forventes, da rectus femoris musklen er under excentrisk kontraktion under opstartsfasen og koncentrisk kontraktion under in-the-air-fasen. 2. Lav laterale muskel hastigheder i tredje fase (tå rører jorden), med forsvindende lave aksiale muskel hastigheder. Det svarer til at sænke rectus femoris muskel sammentrækning i denne fase 3. Væsentlig stigning i aksiale og laterale muskel hastigheder lige efter hælen rører jorden. Dette er sandsynligvis på grund af muskel undergår både excentrisk sammentrækning og ændring i formen på grund af kompression, der forårsager stigningen i hastigheder langs muskelfibre og vinkelret på muskelfibrene, hhv. Trods det faktum, at faldet landing opgave er en opgave med høj slagstyrke, vTDI demonstreret gentagelig rectus femoris-musklen hastigheder. Denne ultralyd teknik kunne have klinisk virkning, da denne muskel er hovedansvarlig for at beskytte knæleddet fra overdreven belastning.Derfor er yderligere vurdering af rectus femoris muskel hos patienter med ACL rekonstruktion berettiget til at forstå de mekanismer, der fører til den tidlige og hurtige indtræden af OA.
Selvom deltagerne i denne undersøgelse alle blev bedt om at udføre en naturlig drop-landing opgave fra en 30 cm høj platform, vi fandt forskelle i højden af springet eller lancering. Også ved hjælp af den høje hastighed kamera oplysninger blev det konstateret, at alle de emner, havde en anden drop landing stil. Dette kunne forklare de små forskelle mellem individer i den maksimale hastighed værdier af rectus femoris-musklen som følge af eventuelle forskelle i aktiveringsmønstre under opgaven. En anden mulig faktor, er forskellene i tværsnitsareal af rectus femoris-musklen, hvilket potentielt kan føre til forskellige niveauer af muskelsammentrækning og tvinge produktionen.
Disclosures
Ingen af forfatterne har nogen finansielle oplysninger eller interessekonflikter, og undersøgelsen blev godkendt af vores institutions IRB.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet delvist af Grant Number 0953652 fra National Science Foundation og dels af George Mason University biblioteker open access publicering fond. Vi vil gerne takke Dr. John Robert Cressman Jr. for at give adgang til high-speed kamera.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ultrasound System | Ultrasonix | Sonix RP | |
| 3D Motion Capture System | Vicon Motion Systems | Vicon T-20 | |
| Force Plates | Bertec Corporation | Bertec 4060-10 | |
| High Speed Camera | Photron | Photron 512 PCI 32K |
References
- Woolf, A. D., Akesson, K. Understanding the burden of musculoskeletal conditions. The burden is huge and not reflected in national priorities. BMJ. 322, 1079-1080 (2001).
- World Health Organization. Health 21: the health for all policy for the WHO European region - 21 targets for the 21st century. , WHO Regional Office for Europe. Copenhagen. (1988).
- National Center for Health Statistics. National health interview survey. , US Department of Health and Human Services. Hyattsville, MD. (1995).
- Reginster, J. Y. The prevalence and burden of arthritis. Rheumatology. 41, Suppl ement 1. 3 (2002).
- Slemenda, C., Brandt, K. D., Heilman, D. K., et al. Quadriceps weakness and osteoarthritis of the knee. Annals of internal medicine. 127 (2), 97 (1997).
- Rasker, J. J.
- Chopra, A., Abdel-Nasser, A. Epidemiology of rheumatic musculoskeletaldisorders in the developing world. Best Practice & Research Clinical Rheumatology. 22, 583-604 (2008).
- Narayan, U. G. The role of gait analysis in the orthopedic management of ambulatory cerebral palsy. Current Opinion in Pediatrics. 19, 38-43 (2007).
- Ahtiainen, J. P., et al. Panoramic ultrasonography is a valid method to measure changes in skeletal muscle cross-sectional area. European journal of applied physiology. 108 (2), 273-279 (2010).
- Rutherford, O. M., Jones, D. A. Measurement of fibre pennation using ultrasound in the human quadriceps in vivo. European journal of applied physiology and occupational physiology. 65 (5), 433-437 (1992).
- Fukunaga, T., et al. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. Journal of Applied Physiology. 82 (1), 354-358 (1997).
- Miyoshi, T., et al. Automatic detection method of muscle fiber movement as revealed by ultrasound images. Medical engineering. 31 (5), 558-564 (2009).
- Cronin, N. J., et al. Automatic tracking of medial gastrocnemius fascicle length during human locomotion. Journal of Applied Physiology. 111 (5), 1491-1496 (2011).
- Heimdal, A., Stoylen, A., Torp, H., Skjaerpe, T. Real-time strain rate imaging of the left ventricle by ultrasound. Journal of American Society of Echocardiography. 11, 1014-1019 (1998).
- D'hooge, J., Bijnens, B., Thoen, J., Van de Werf, F., Sutherland, G. R., Suetens, P. Echocardiographic strain and strain-rate imaging: a new tool to study regional myocardial function. IEEE Trans Med. Img. 21, 1022-1030 (2002).
- Eranki, A., et al. Measurement of tendon velocities using vector tissue Doppler imaging: A feasibility study. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. & Biol. , 5310-5313 (2010).
- Sikdar, S., et al. Measurement of rectus femoris muscle velocities during patellar tendon jerk using vector tissue Doppler imaging. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. & Biol. , 2963-2966 (2009).
- Cortes, N., Blount, E., Ringleb, S., Onate, J. Soccer-specific video simulation for improving movement assessment. Sports biomechanics / International Society of Biomechanics in Sports. 10 (1), 12-24 (2011).
- Quammen, D., Cortes, N., Van Lunen, B., Lucci, S., Ringleb, S., Onate, J. The effects of two different fatigue protocols on lower extremity motion patterns during a stop-jump task. J Athl Train. 47 (1), 32-41 (2012).
- Kasai, C., Namekawa, K., Koyano, A., Omoto, R. Real-time two-dimensional blood flow imaging using autocorrelation technique. IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. Su-32, 458-464 (1985).
- Pastorelli, A., Torricelli, G., Scabia, M., Biagi, E., Masotti, L. A real-time 2-D vector Doppler system for clinical experimentation. IEEE Trans. Med. Imag. 27, 1515-1524 (2008).
- Lu, T. -W., O'Connor, J. J. Bone position estimation from skin marker co-ordinates using global optimisation with joint constraints. Journal of Biomechanics. 32, 129-134 (1999).
- Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & Posture. , (2012).
- Loram, I. D., Maganaris, C. N., Lakie, M. Use of ultrasound to make noninvasive in vivo measurement of continuous changes in human muscle contractile length. Journal of applied physiology. 100 (4), 1311-1323 (2006).
- D'hooje, J., Heimdal, A., Jamal, F., et al. Regional strain and strain rate measurements by cardiac ultrasounds: principles, implementation and limitations. Eur J Echocardiogr. 1, 154-170 (2000).
- Yeung, F., et al. Feature-adaptive motion tracking of ultrasound image sequences using a deformable mesh. Medical Imaging, IEEE Transactions on. 17 (6), 945-956 (1998).
- Duan, Q., et al. Tracking of LV endocardial surface on real-time three-dimensional ultrasound with optical flow. Functional Imaging and Modeling of the Heart. , 873-875 (2005).
- Miyatake, K., et al. New method for evaluating left ventricular wall motion by color-coded tissue Doppler imaging: in vitro and in vivo studies. Journal of the American College of Cardiology. 25 (3), 717-724 (1995).
- Nagueh, S. F., et al. Doppler estimation of left ventricular filling pressure in sinus tachycardia: a new application of tissue Doppler imaging. Circulation. 98 (16), 1644-1650 (1998).
- Grubb, N. R., et al. Skeletal muscle contraction in healthy volunteers: assessment with Doppler tissue imaging. Radiology. 194 (3), 837-842 (1995).
- Eranki, A., AlMuhanna, K., Sikdar, S. Characterization of a vector Doppler system based on an array transducer. Ultrasonics Symposium (IUS). , (2010).
- Newhouse, V. L., et al. The dependence of ultrasound Doppler bandwidth on beam geometry. IEEE Trans. Sonics Ultrason. 27 (2), 50-59 (1980).
- Baker, D. W., Rubenstein, S. A., Lorch, G. S. Pulsed Doppler echocardiography: principles and applications. The American journal of medicine. 63 (1), 69-80 (1997).
- Loupas, T., Gill, R. W. Multifrequency Doppler: improving the quality of spectral estimation by making full use of the information present in the backscattered RF echoes. IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelect. Freq. Contr. 41, 522-531 (1994).
