Summary
Vi beskriver en ny ultralydbasert vektor vevsdoppleravbildning teknikk for å måle muskel sammentrekning hastighet, belastning og tøyning med sub-millisekund tidsmessig oppløsning under dynamiske aktiviteter. Denne tilnærmingen gir utfyllende målinger av dynamisk muskelfunksjon og kan føre til en bedre forståelse av mekanismene bak muskelskjelettlidelser.
Abstract
Ultralyd er en attraktiv modalitet for bildebehandling muskel og sene bevegelse under dynamiske oppgaver og kan gi en utfyllende metodisk tilnærming for biomekaniske studier i en klinisk eller laboratorie innstilling. Mot dette målet, metoder for kvantifisering av muskel kinematikk fra ultralydbilder blir utviklet basert på bildebehandling. Den tidsmessig oppløsning av disse metodene er vanligvis ikke tilstrekkelig for svært dynamiske oppgaver, for eksempel drop-landing. Vi foreslår en ny tilnærming som utnytter en Doppler metode for å kvantifisere muskel kinematikk. Vi har utviklet en ny vektor vevsdoppleravbildning (vTDI) teknikk som kan brukes til å måle muskler og skjelett sammentrekning hastighet, belastning og tøyning med sub-millisekund tidsmessig oppløsning under dynamiske aktiviteter ved hjelp av ultralyd. Målet med denne foreløpige studien var å undersøke repeterbarhet og potensiell anvendelse av vTDI teknikken i å måle muskelskjelett velocteter under en drop-landing oppgave, i friske personer. De vTDI målinger kan utføres samtidig med andre biomekaniske teknikker, for eksempel 3D motion capture for leddkinematikk og kinetikk, elektromyografi for timing av muskelaktivering og tvinge plater for bakkereaksjonsstyrke. Integrering av disse komplementære teknikker kan føre til en bedre forståelse av dynamisk muskelfunksjon og dysfunksjon underliggende patogenesen og patofysiologi av muskel-og skjelettplager.
Introduction
Muskel-og skjelettplager er utbredt i voksen alder en. De er en ledende kronisk tilstand i USA 2 og er rapportert å påvirke 25% av mennesker over hele verden tre. Muskel-og skjelettlidelser er assosiert med nedsatt funksjon i dagliglivets aktiviteter (ADL), funksjonelle begrensninger og lavere livskvalitet fire. Deres økonomiske byrden er betydelig på grunn av tapt produktivitet og høye helsekostnader fire. Patofysiologien av flere av disse lidelsene fortsatt mangelfullt forstått. For eksempel har patogenesen av artrose (OA) 4 etter rekonstruksjon av fremre korsbånd (ACL) skader vært knyttet til endringer i quadriceps muskelstyrke og funksjon 5, men de underliggende mekanismene er uklare. For å belyse de underliggende mekanismer er det et behov for å få en bedre forståelse dynamisk muskelfunksjon.
Den funksjonellevurdering av individuelle muskler, kan under utførelsen av en delvis eller en hel oppgave knyttet til ADL og aktiv livsstil (dvs. sports) gi ytterligere innsikt om muskelfunksjonen og dens potensielle rolle i patogenesen og patofysiologi av disse lidelsene. Videre kvantifisering av muskelfunksjon bedring ved rehabilitering kan brukes som effektparameter. Konvensjonelle teknikker for måling av muskel-og leddfunksjon i klinikken bære fysisk undersøkelse som omfanget av bevegelse, muskelstyrke og / eller muskelgruppe utholdenhet. Foreløpig i klinikken, er elektromyografi (EMG) brukes til å vurdere muskelaktivering / co-aktivering, frekvens og amplitude av muskelaktivitet. Imidlertid er EMG en måling av elektrisk aktivering i muskelen, og ikke nødvendigvis gi informasjon om muskelstyrke, kontraksjon evne og andre funksjonelle forhold av muskelen. Andre sofistikerte biomekaniske vurderinger, som for eksempel 3D motion capture system feller felles kinetikk og kinematikk og tvinge plater for bakkereaksjonsstyrke kan utføres i en gangart lab 6-9. Målinger foretatt av disse teknikkene er at det felles plan og ikke nødvendigvis gir en direkte forståelse av individuelle muskelfunksjonen i løpet av en dynamisk eller funksjonell aktivitet. Evnen til å utføre avbildning av muskelen samtidig mens du utfører en dynamisk aktivitet kan potensielt føre til en bedre og mer realistisk funksjonell vurdering på muskelnivå.
De fleste studier har fokusert på muskelfunksjon i statiske utsatt posisjoner, og denne metoden kan åpne nye veier for å ytterligere forbedre vår forståelse av muskel oppførsel under real-time situasjoner.
Diagnostisk ultralyd kan muliggjøre direkte avbildning av muskler og sener i sanntid, og derfor er et attraktivt alternativ for å måle muskel dynamikk og funksjon under ADL. Ultralyd-baserte kvantitative mål påmuskel morfologi og arkitektur, slik som muskel tykkelse, lengde, bredde, tverrsnittsarealet (CSA), fiber pennation vinkel og fascicle lengde har blitt mye brukt 10-12. I de senere årene, har bildebearbeidingsmetoder blitt ansatt for å vurdere og kvantifisere disse kvantitative tiltak under dynamiske oppgaver 13-14. Disse fremskrittene har aktivert en ny metodisk tilnærming til forståelse in vivo muskelfunksjon. Imidlertid har disse metodene først og fremst avhengig av å bruke konvensjonell gråtoner (eller B-mode) ultralydavbildning, og derfor har ikke fullt utnyttet mulighetene for ultralyd for å måle vev hastigheter, belastning og tøyning ved hjelp av Doppler prinsipper, som har vist seg å være verdifulle i å vurdere hjertemuskelfunksjon 15-16.
Vi har utviklet en vektor vevsdoppleravbildning (vTDI) teknikk som kan måle sammentrekning hastighet, belastning og tøyning med høy tidsoppløsning (sub millisecond) under dynamiske aktiviteter 17-18. Nærmere bestemt, kan det vTDI teknikken gjør målinger av muskler og sener under svært dynamiske oppgaver (for eksempel drop-landing, ganglag, etc.) ved høy bildefrekvens. Den vTDI teknikk er en forbedring i forhold til konvensjonelle Doppler-ultralyd, som estimerer bare den komponent av hastigheten langs ultralydstrålen, og er derfor avhengig av den insonation vinkel. vTDI estimerer hastigheten av muskel og sene å bruke to forskjellige ultralydstråler styres i forskjellige vinkler, og er derfor uavhengig av insonation vinkel i avbildningsplanet. Imidlertid, siden muskelkontraksjon skjer i 3D, er vinkelen på avbildningsplanet fortsatt viktig. Vi har implementert denne metoden på en kommersielt tilgjengelig ultralydsystem med et forsknings-grensesnitt, slik at disse målingene skal gjøres i en klinisk setting.
For å undersøke repeterbarhet og potensiell anvendelse av vTDI system i måling av rectus femoris muskler hastigheter under en dynamisk oppgave, vi utførte en forstudie på voksne, friske frivillige. Dette papiret demonstrerer metodikk og eksperimentelt oppsett for beregning sammentrekning hastigheter, belastning og tøyning av rectus femoris muskler med sub-millisekund tidsmessig oppløsning i løpet av en drop-landing oppgave.
Protocol
En. Instrumentering
Vektor TDI er basert på estimering av den resulterende hastighetsvektor fra Doppler-hastighets-målinger tatt fra to eller flere uavhengige retninger. En ultralyd-system med et forsknings-grensesnitt ble brukt for å utvikle vTDI. Forskningen grensesnitt tillatt lavt nivå stråleforming og pulssekvensstyring ved hjelp av et Software Development Kit (SDK). En 5-14 MHz lineær oppstilling transduser, som består av 128 transducer-elementer og med en 38 mm synsfelt ble anvendt. Forskningen grensesnittet ble anvendt for å splitte matrisen transduser i to sende-og mottaksåpningene og styre mottaksstråler ved 15 ° i forhold til normalen. Sende strålen ble fokusert i regionen av interesse (f.eks muskel magen). Sende og motta åpninger ble satt til 32 elementer.
Åtte fag, fire menn og fire kvinner (29,7 ± 6,5 år) ble rekruttert i denne studien. Kinematiske tiltak fra fagene avhøyre nedre ekstremiteter ble tatt med en åtte-kamera motion capture-system med høy hastighet og en samplingsfrekvens på 200 Hz. Ground reaksjonsstyrke data under forsøket ble innhentet gjennom to kraftplater prøvetaking på 2000 Hz.
Et høyhastighetskamera montert på et stativ og plassert på 2 m fra motivet, ble brukt til å fange opp drop landing på 500 bilder / sek.
2. Subject Forberedelse
- Spør fagene å ha et par shorts, sports-BH eller en kort t-skjorte og joggesko.
- Instruere fagene til å utføre en 10 min selvstyrt varme opp og strekke før datainnsamlingen. Dette er for å unngå eventuelle unormale muskelsammentrekninger og redusere omfanget av eventuelle muskelkramper.
- Etter oppvarmingen session, legg reflekterende markører på bestemte landemerker på kroppen. Spesielt markører sted kalibrering på de større trochanters, bilateral medial og lateral kne og mediale og Lateral malleoli. Plasser sporing markører på bakre og fremre overlegne iliac toppene, og plassere klynger på lårene og Shanks, og fem markører på hver fot 19-20.
- Direkte fagene til stativet i sentrum av fokusområdet for 3D-kameraer for å oppnå en statisk prøving. Deltakerne må stå på troppe plater med armene over skuldrene, for å få statiske 3D motion capture data.
- Deretter plasserer ultralyd svingeren i en svinger holderen og sikre god innretning, for å unngå løsner ultralyd svingeren fra svingerholderen. Svingeren Holder ble gjort ved hjelp av Lexen polykarbonat og formbar plast.
- For å sikre god kontakt med huden og ultralyd svinger, gjelder generøs mengde ultralyd overføring gel på svingeren.
- Plasser ultralydtransducer sammen med svingeren holder på låret av motivet som bildet rectus femoris muskler i lengde økser. Svingeren må plasseres midt mellom fremre iliaca ryggraden og den laterale epicondoyle til bilde magen av rectus femoris muskler. Før sikre ultralydtransducer og svingeren holder til beinet, få en aksial bit av quadriceps muskelgruppe. Ved hjelp av dette som en veiledning, sørge for ultralyd svingeren er nå tenkelig rectus femoris og ikke bevege seg mer sideveis eller mediale, for å unngå bildebehandling vastii muskelgruppe.
- Nå bruker en sammenhengende selvklebende bandasje for å sikre svingeren holder på motivets låret. Gjør denne saksbehandlings trinnet ikke blokkeres eller tildekkes reflekterende markører. Den selvklebende bandasje må ikke være slapp eller for stram. Lax bandasjering vil risikere ultralyd svingeren til å falle i løpet av drop-landing oppgave og en for stram bandasjering vil føre til ubehag, forstyrre overfladiske blodstrøm og muligens endre slippe landings dynamikk.
- Plasser than høy hastighet kameraet minst 2 m unna motivet i sagittalplan å samle videoer på en 500 bilder / sek. Fokus kameralinsen for å sikre at hele dråpe landing sekvens av faget kan blitt tatt til fange.
Tre. Eksperimenter Protocol
- Når alle markører og ultralyd svingeren er sikker, spør fagene til å stå på en plattform av høyde 30 cm plass på 50 cm fra styrke plater. Påse at området rundt plattformen (ca 2,5 m) er klar av eventuelle gjenstander som kan hindre drop landing oppgave eller skade faget. Dette omfatter ultralydtransduceren ledningen.
- Instruere fagene å plassere hendene på hoftene før du starter dråpe landing oppgaven og under hele fallet landingssekvens.
- Start datainnsamling for ultralyd, 3D motion capture, kraft plater og høyhastighetskamera før start av rulle landing oppgave. Synkronisering mellom de ulike virkemidler kan være å oppnåd ved hjelp av et enkelt tastetrykk for å starte all datainnsamling. En trykkføler festet til tastaturet kan anvendes til å generere et synkroniseringstriggersignal når en bestemt nøkkel er trykket ned.
- Rett lagt utføre drop-landing oppgave fra plattformen og landområder med begge beina samtidig. Sørg for at fagene slippe fra boksen i stedet for å hoppe fra det. Ingen spesifikke instruksjoner gis om landingsteknikk.
- Stopp datainnsamlingen når faget har helt stabilisert og fullført drop landingssekvensen.
- Gjenta denne protokollen fem ganger per emne.
4. Ultralyd Data Analysis
- Eksport og lagre rådata fra ultralydsystemet til en datamaskin.
- De rå radiofrekvens (RF) ultralyddata fra hver motta strålen er digitalisert på 40 MHz. Behandle dataene ved hjelp av MATLAB.
- Utfør kvadratur demodulasjon på RF-data for å fjerne bærefrekvens. Fjern stationary og lavfrekvent rot ved å filtrere kvadratur data fra hver mottaks bjelker og for hver dybde ved hjelp av en 20 Hz høypassfilter.
- Anslå hastighetene langs både motta bjelker ved bruk av konvensjonelle autokorrelasjon hastighet estimator 21.
- Kombiner de individuelle hastighetsbølgeformer for å skaffe sideveis (langs transducer) og aksiale (vinkelrett på transducer) hastighetsbølgeformer over hele rullelandingssekvens, som vist i figur 1.
- Innhent størrelsen av den resulterende hastighetsvektor fra de individuelle hastighetskomponentene ved hjelp av ligning 1 som beskrevet tidligere 22:
hvor β er strålestyringsvinkelen, f 1 f og 2 er de to mottatte frekvenskomponentene f, og t er sendefrekvensen. - Beregn lateral og aksial tøyning de / dt ved hjelp av den romlige gradientene i lateral og aksial hastigheter.
hvor V 2 og V 1 er momentant hastigheter anslått til to romlige steder atskilt med en avstand L. - Beregn den aksiale og sideveis belastning, e, ved å integrere den aksiale og sideveis tøyning hhv.
5. 3D Motion Capture Data Analysis
- Eksportere 3D motion capture data til en datamaskin for videre analyse.
- Bruke statiske stående rettssaken, skape en kinematisk modell (bekken, lår, skaft og fot) med 3D motion capture programvare med en minste kvadraters optimalisering 23.
- Bruk denne kinematisk modell for å kvantifisere bevegelse i hofte, kne og ankel leddene.
- Filtrere reflekterende markør baner og bakkestyrker ved hjelp av en fjerde orden low-pass Butterworth filter med en grensefrekvens på 7 Hz og 25 Hz, henholdsvis ved hjelp av 3D motion capture programvare.
- Beregn 3-D felles krefter og momenter fra den kinematiske og bakkestyrken data ved hjelp av en standard invers dynamikk analyse, ved hjelp av segmenttreghets egenskaper beregnet for hver deltaker som per metoder for Dempster. Inter-Segment felles øyeblikkene er definert som interne øyeblikk (f.eks et kne intern forlengelse øyeblikk vil motstå en fleksjon belastning på kneet).
6. High Speed Camera Data Analysis
- Eksportere videoene fra de fartskameradata til en datamaskin for analyse og sammenligning med ultralyd og 3D motion capture kinematiske data.
- Spille av filmen med 15 bilder / sek og observere drop landings dynamikk.
- Deretter kvantifisere bevegelsen av transduseren holderen og forskyvningen av ultralydsvingeren under hele dråpe landing prøving ved å spore de synlige markører på anatomical landemerker ved hjelp av høyhastighets video data. Vurdere drop landings dynamikken kan også gjøres samtidig for å bedre forstå de ulike lansering og landings stiler.
Representative Results
Representative resultater fra vår tidligere arbeid som viser metodene er presentert nedenfor. Mens metoder benyttes i vår nåværende forskning integrere bildebehandling og motion capture, de representative resultatene som presenteres nedenfor er fra studier hvor disse målingene ble utført separat.
I. Ultralyd (vTDI)
Ved hjelp av data fra 3D motion capture og høyhastighetskamera, mønsteret av motivets hopp, var landing og stabiliseringsfasen undersøkt for hvert forsøk. Aksial og lateral rectus femoris muskel hastigheter fra vTDI ble sammenlignet med data som samles inn fra 3D motion capture og høyhastighets kamera. Ved hjelp av denne data, ble de temporale karakteristika for aksial og lateral rectus femoris muskelhastigheter gjennom dråpe landingssekvens studert. Positive side hastigheter tilsvarer eksentriske sammentrekning av rectus femoris muskelen under kneet fleksjon,mens negative laterale hastigheter tilsvarer konsentrisk sammentrekning av muskelen under kneet forlengelse. Dette er illustrert i figur 2. Hele drop-landing sekvens for alle fag varte ca 1,45 ± 0,27 sekunder.
For hvert fag, aksial og lateral muskel hastigheter viste en sterk repeterbarhet mellom forsøkene med en helling på 0,99 og R2 = 0,75 (figur 3). Hastighetsverdiene seks av åtte fag var i en lignende rekke 48-62 cm / sek, mens to personer (begge menn) hadde høyere hastigheter. Menn (72,96 cm / sek) present betydelig høyere muskelhastighet enn kvinner (48,71 cm / sek), p = 0,029, når det justeres for hvert fag individuelle vekt og muskeltykkelse.
Plasseringen av ultralyd svingeren ble sporet trodde drop-landing sekvensen ved hjelp av høyhastighetskamera. Vinkelen mellom linjesegmentet gjort mellom trochanter og mansjetten (grønn streked linjesegment) og linjestykket mellom midten av låret og mansjetten (lilla stiplet linje segment) ble beregnet. Totalt 16 studier, med to forsøk per gjenstand (prøve 1 & 2 forholder seg til utsette en og så videre) er observert i figur 4. Minimal kantete variasjon (0,91 ° ± 0,54 grader) av svingeren holder i forhold til de anatomiske markører under landing ble observert over alle 16 forsøk. Ultralydsvingeren vinkelvariasjon frem en høy repeterbarhet og (ICC 2,1 = 0,90, p <0,05). Dette viser at transduseren bevegelse under landing forsøket var minimal og hastighetsmålinger ble ikke påvirket på grunn av en hvilken som helst transduser bevegelse.
II. 3D Motion Camera & Force Plates
Vi primært fokusert på kne-og hoftefleksjon, kne valgus vinkel, og kne valgus øyeblikk. Vi fant ut at i løpet av den første kontakten med bakken, fagene hadde følgende kinematiske mønstre: hip tLexion 41 ° ± 13 grader, knefleksjon 23 ° ± 9 grader, og kne valgus 0,03 ° ± 6 grader. Når de går videre i landingsfasen, maksimal vinkler ble oppnådd, var: hoftefleksjon 58 ° ± 19 grader, knefleksjon 54 ° ± 24 grader, og kne valgus -4 ° ± 8 grader (figur 5). Knerotasjon øyeblikk presentert en nedgang fra 0,03 ± 0,03 til 0,1 ± 0,1 Nm / km fra første kontakt med bakken på full styrke under landingsfasen (figur 6).
Figur 1. Representasjon av vTDI hastighetsmåling av rectus femoris muskler. Den grå strålen representerer to individuelle sende-og mottaksstråler og den røde linje representerer den sideveis hastighetskomponent (sammen proksimale-distale retningen av kne), og den blå linje representerer den aksiale hastighet komponent (langs tykkelsen av muskelen).
Figur 2. Aksiale og laterale hastigheter under dråpe landing blir sammenlignet med sekvensen av videobilder (øvre panel). Ligger Den nedre panel de aksiale og laterale hastigheter, hvor A svarer til den innledende kneet fleksjon, svarer til kneet forlengelsen B, tilsvarer C til tilbake tå treffe bakken, tilsvarer D til hælen treffer bakken, tilsvarer E til kne fleksjon etter landing og F svarer til kneet forlengelse og stabilisering.
Figur 3. Repeterbarhet av omfanget av den resulterende hastighetsvektor for alle åtte fag (to studier per emne) Menn nomineres i røde diamanter og kvinner i blå sirkler..
Figur 4. Panel A. Feilen ivinkelen mellom linjestykket gjort av ultralydtransducer holderen og markør på midten av låret (lilla stiplet linje segment), og linjestykket gjort av ultralyd svingeren og markøren på trochanter (grønn stiplet linje segment). Panel B. Den absolutte feilen i vinkelen mellom linjestykket gjort av ultralydtransducer holderen og markør på midten av låret og linjestykket gjort av ultralyd svingeren og markøren på trochanter.
Figur 5. Figuren viser 3D motion capture i det miste landing oppgave. En tilsvarer den innledende knefleksjon skytes fra plattformen, svarer til tå treffe bakken B, tilsvarer C til hælen treffer bakken, tilsvarer D til kneet fleksjon etter landing og E tilsvarer den knee forlengelse og stabilisering. Klikk her for å se større figur.
Figur 6. Figuren viser representative kne valgus øyeblikk endringer i holdning fase av drop-hopp. Knee valgus øyeblikk presenterte en økning fra 0,03 ± 0,03 til 0,1 ± 0,1 Nm / km fra første kontakt med bakken på full styrke under landingsfasen. Klikk her for å se større versjon figuren.
Discussion
Ultralyd avbildning har evnen til å gi direkte vurdering av muskel kinematikk i dynamiske studier som kan utfylle konvensjonelle tiltak, som for eksempel 3D motion capture, dynamometry, elektromyografi, og bakken reaksjon kraft målinger. Denne tilnærmingen kan være aktuelt bredt for grunnleggende biomekanikk forskning og klinisk evaluering. Det er tre hovedtilnærminger til estimering vev bevegelse ved hjelp av ultralyd: (1) speckle sporingsmetoder som bruker cross-korrelasjon på rå radiofrekvens (RF) ultralyd data eller konvolutte oppdaget grå skala (eller B-mode) bildedata. Disse teknikkene har blitt mye brukt i både skjelett 24-25 og hjerte 26 muskel motion tracking og estimering, (2) bildebearbeidingsmetoder som sporer muskel fascicles eller funksjoner 27-28 og (3) Vevsdoppleravbildning teknikker som brukes i både hjerte 29 -30 og skjelett 31 bevegelsesberegning. Speckle tracking basert på romlig cross-correlation har blitt brukt mye til å spore bevegelsene til vev og kan spore bevegelser med sub-pikslers oppløsning. Men prikkmønster decorrelate raskt under større bevegelser. Motion ut av bildeplanet er også en utfordring for speckle tracking. Metoder for sporing muskel fascicle lengde har bedre anvendelse der hele fascicle er visualisert i bildet under dynamisk oppgave. Metoder som er avhengige av behandling bildedata har lav tidsmessig oppløsning begrenset av bildebehandling bildefrekvens og dermed kan ikke spore bevegelser ved høye hastigheter. I tillegg er disse fascicle sporingsmetoder er svært følsomme for bevegelse ut av planet. Således probe bevegelse i forhold til den muskel kan føre til relativ til å mislykkes. Velocity estimater fra konvensjonell vevsdoppleravbildning (TDI) kan ha høyere tidsoppløsning, samt er mer robust til liten sonde bevegelser. Doppler metoder kan beregne hastigheter komponenter bare langs ultralydstrålen, og dermed Doppler anslag kan være unøyaktige due til å variere vinkelen på insonation med bevegelse av muskelen. Vår foreslåtte vTDI fremgangsmåte overvinner dette problem ved å benytte to forskjellige ultralydstråler styres i forskjellige vinkler, og derfor hastighetsestimatet er uavhengig av insonation vinkel i avbildningsplanet. Dessuten kan den effektive temporal oppløsning på vTDI være ca 0,1 ms, og denne metoden kan derfor spore bevegelser av skjelettmuskulatur under dynamiske aktiviteter (f.eks drop-landing, ganglag og jogging).
Andre fordeler ved vår metode omfatter bruk av en lineær avbildning transduser basert på et klinisk ultralydsystem for å utføre vektor vevsdoppleravbildning. Vi elektronisk styrt sende / motta bjelke styring, blenderåpning og fokus steder, for å skanne et stort synsfelt. Videre kan denne fremgangsmåten kan utvides til å utføre duplex vTDI med samtidig sanntids avbildning. Vårt system gjør det også mulig for oss å utføre konvensjonelle B-mode avbildning til locate regionen av interesse for kvantifisering av vev belastning og kinematikk. Siden denne metoden ble gjennomført på en klinisk skanner, har vi vært i stand til å distribuere dette vTDI metoden i en gangart lab for biomekanikk forskning.
Begrensninger av denne teknikken må anerkjennes. Ulike faktorer påvirker nøyaktigheten av dopplermålinger. vTDI baserte hastighetsestimater i to dimensjoner (langs og på tvers muskelfibre) krever lineær rekke svinger blir delt inn i to Sende / motta under åpninger (32 elementer bred) og styre strålene ved 15 °. Styre ultralyd sende og motta bjelker til høyere vinkler kan påvirke hastigheten tiltak på grunn av gitterlober. Også i området av strålen overlappområdet i vTDI forandrer seg med varierende strålefokus dyp 32, som potensielt kan påvirke hastighetsestimater. Variansen i de Doppler anslag avhenge av (1) akselerasjon og retardasjon av vev innenfor analysetidsvinduet (2) variasjon av tutgave hastighet innenfor rekkevidde Doppler-porten (3) varierende Doppler vinkelen innenfor aperturen som brukes for Wideband spektral det utsendte og mottatte ultralydstråler, også kjent som geometriske og utvider 33 og (4) båndbredden av det utsendte ultralydpuls, ettersom den Doppler-forskyvning er proporsjonal med bærefrekvensen 34. Flere metoder kan benyttes for å begrense avviket. Fase basert hastighets estimatorer, slik som autokorrelasjon, typisk benytter mindre analysetidsvinduer i forhold til spektrale estimatorer, men de anslår betyr Doppler-forskyvning i stedet for toppforskyvning. Wideband spektrale estimatorer som 2D Fouriertransformasjon 35 kan redusere avviket på grunn av puls-båndbredde. I tilfelle av vTDI, som benytter to styrte dopplerstråler, er variansen av vev hastigheter i bjelkedel overlappområdet i forhold til den muskel annen faktor å vurdere. Den rectus femoris muskelkontraksjon er i 3D og sammentrekning velocligheten varierer romlig langs muskelen. Derfor er det viktig å velge tilfreds regionen av interesse.
I denne studien undersøkte vi repeterbarhet av rectus femoris muskler kinematikk under en drop-landing oppgave i åtte friske frivillige som bruker vTDI. Selv om forsøkene var uavhengig, observerte vi svært korrelerte og repeterbare peak muskel sammentrekning hastigheter for individer mellom studier. Vi er for tiden å rekruttere flere fag i vår studie for å ytterligere undersøke dette mønsteret. Denne studien har gitt non-invasiv og sanntidsmåling av sammentrekning hastigheter på rectus femoris muskelen under drop-landing. Følgende mønstre av sammentrekning hastigheter ble observert under de ulike fasene av drop landing oppgaven (figur 2): 1. Muskelkontraksjon hastigheter dominerer i sideretningen i forhold til aksial-retningen under kneet fleksjon (lansering fase) og forlengelsen (in-the-air phase). Dette er forventet, siden rectus femoris muskelen er under eksentrisk kontraksjon under lanseringen fasen og konsentrisk kontraksjon under in-the-air fasen. 2. Lave laterale muskel hastigheter i løpet av tredje fase (tå berører bakken), med ubetydelig lav aksial muskel hastigheter. Dette tilsvarer senke rectus femoris muskel sammentrekning i denne fasen tre. Betydelig økning av aksiale og laterale muskel hastigheter like etter at hælen ligger an mot bakken. Dette er sannsynligvis på grunn av den muskel som gjennomgår både eksentrisk sammentrekning og endring i form på grunn av kompresjon, noe som øker i hastighet langs muskelfibrene og normal til muskelfibrene, henholdsvis. Til tross for at fallet landing oppgaven er en stor innvirkning oppgave, vTDI demonstrerte repeterbare rectus femoris muskel hastigheter. Dette ultralyd teknikken kunne ha klinisk betydning siden denne muskelen er først og fremst ansvarlig for å beskytte kneleddet fra overdreven lasting.Derfor, er ytterligere vurdering av rectus femoris muskler hos pasienter med ACL rekonstruksjon garanteres å forstå mekanismene som fører til tidlig og akselerert utbruddet av OA.
Selv om deltakerne i denne studien ble alle bedt om å utføre en naturlig drop-landing oppgave fra en 30 cm høy plattform, fant vi forskjeller i høyden på hopp eller lansering. Også ved hjelp av den høye hastigheten kameradata, ble det observert at alle personene hadde en annen dråpe landing stil. Dette kan forklare de små forskjeller mellom pasienter i topp resulterende hastighetsverdiene for rectus femoris muskler som følge av mulige forskjeller i aktiveringsmønster i løpet av oppgaven. En annen mulig faktor er forskjellene i tverrsnittsarealet av rectus femoris muskel, noe som eventuelt kunne føre til forskjellige nivåer av muskelsammentrekningen, og kraft produksjon.
Disclosures
Ingen av forfatterne har noen økonomiske avsløringer eller interessekonflikter og studien ble godkjent av vår institusjonens IRB.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet delvis av Grant nummer 0953652 fra National Science Foundation og delvis av George Mason University bibliotekene open access publisering fond. Vi ønsker å takke dr. John Robert Cressman Jr for å gi tilgang til høyhastighetskamera.
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).
