3D ultraljud imaging (3DUS) tillåter snabb och kostnadseffektiv morfometri av rörelseorganens vävnader. Vi presenterar ett protokoll för att mäta muskel volym och frånskilja längd med hjälp av 3DUS.
Utvecklingsmässiga målet med 3D ultraljud imaging (3DUS) är att konstruera en modalitet för att utföra 3D morfologiska ultraljud analys av mänskliga muskler. 3DUS bilder är tillverkade av kalibrerad freehand 2D B-läge ultraljudsbilder, som är placerade i en voxel-array. Ultraljudsundersökningar (US) tillåter kvantifiering av muskelmassa, frånskilja längd och vinkel på pennation. Dessa morfologiska variabler är viktiga bestämningsfaktorer på muskel kraft och längd på kraft ansträngning. Presenterade protokollet beskriver en metod för att bestämma volym och frånskilja längd m. vastus lateralis och m. gastrocnemius medialis. 3DUS underlättar standardisering med 3D anatomiska referenser. Detta tillvägagångssätt ger en snabb och kostnadseffektiv metod för att kvantifiera 3D morfologi i skelettmuskulaturen. Inom hälso- och sport är information om morfometri muskler mycket värdefull för diagnostik och/eller uppföljande utvärderingar efter behandling eller träning.
Inom hälso- och sport är information om morfologi av muskler mycket värdefull för diagnostik och/eller uppföljande utvärderingar efter behandling eller träning1. Ultraljudsundersökningar (US) är ett verktyg som ofta används för visualisering av mjuk vävnad strukturer i muskel sjukdomar2, kritiska sjukdomar3,4, hjärt-och kärlsjukdomar5, neurologiska6, 7,8, och effekter av fysisk träning6,9,10. Amerikanska imaging möjliggör kvantifiering av muskelmassa, frånskilja längd och vinkel på pennation. Dessa morfologiska variabler är viktiga bestämningsfaktorer på muskel kraft och längd på kraft ansträngning11,12,13,14,15.
För närvarande USA imaging mätningar utförs mestadels i 2D-bilder, med den examinator att välja en förmodligen lämplig orientering och plats för Ultraljudet sond. Sådana 2D metoder begränsa morfologiska mätningar mot en bild plan, medan parametern sevärdheter inte kan förekomma inom detta plan. Morfologisk analys kräver en 3D strategi, att ge ut-av-plane mätningar med 3D referenspunkter. Sådan en 3D morfologiska representation av mjukdelar är känt skall tillhandahållas av magnetisk resonanstomografi (MRT)16,17,18,19,20. MRI är dock dyra och inte alltid tillgängliga. Visualisering av muskelfibrer kräver också, särskilda MRI sekvenser, såsom diffusion tensor imaging (DTI)21. Ett kostnadseffektivt alternativ till MRI är 3D ultraljudsundersökningar (3DUS). Den 3DUS metoden ger flera fördelar jämfört med MRI tekniker, t.ex., det medför mindre utrymmesbegränsningar för positionering föremål vid en undersökning. 3DUS bildbehandling är en teknik sekventiellt fånga 2D (B-läge US) bilder och placera dem i en volym element (voxel) array22,23,24. Processen för 3DUS bild återuppbyggnad består av fem steg: (1) att fånga en serie av freehand 2D US bilder; (2) spåra positionen för US sonden, använder ett system för Motion Capture (MoCap). (3) synkronisera MoCap position och amerikanska bilder; (4) beräkning av plats och orientering av ultraljud bilderna inom voxel matrisen med hjälp av en kalibrerad referens; och (5) placera dessa bilder i denna voxel-matris.
Metoden 3DUS har framgångsrikt tillämpats för bedömning av morfologi i skelettmuskulaturen15,25,26,27,28,29. Tidigare metoder7,15,25,30 har visade sig dock besvärliga, tidskrävande och tekniskt begränsad, som endast små segment av stora muskler kunde rekonstrueras.
Att förbättra det 3DUS synsättet, ett nytt 3DUS-protokoll har utvecklats som gör att återuppbyggnaden av komplett muskler inom en kort tidsperiod. Protokollet beskrivs användningen av 3DUS imaging för morfometri m. vastus lateralis (VL) och m. gastrocnemius medialis (GM).
En giltig och tillförlitlig 3DUS teknik presenteras som möjliggör snabb analys av morfometriska variabler av skelettmuskulaturen. Olika 3DUS metoder för mjuk vävnad imaging har varit tillgängliga för cirka ett decennium42,43, men de 3DUS tillvägagångssätten fortfarande inte används ofta. MRI är en ‘gold standard’ för uppskattning av i vivo muskel volymer (t.ex., hänvisar till16,17,18,19,20). MRI giltighet har testats och bekräftats i studier som jämför antingen vålnader eller avlidna organ av känd volym till MRI-baserat volym uppskattningar44,45. Men MRI tillgänglighet för forskning är begränsad och skanningar är tidskrävande och kostsamma. Dessutom gripa experimentella angående ställningar begränsas av hålet av de MRI-scannrarna. Typisk MR bilderna generera otillräcklig kontrast för att utföra mätningar av variabler av muskel geometri (frånskilja längder och vinklar). Dock kan 3D muskel geometri bedömas också använda MRI med ytterligare tekniker, t.ex., DTI teknik21. Liknande till MRI, US imaging ger tillräcklig åtskillnad på gränssnitt mellan olika typer av vävnader (dvs synligt inom oss bilder), som tillhandahåller en giltig modalitet för mjukdelar volym bedömning1,30 ,44,46,47,48,49. I motsats till MRI har 3DUS bilder tillräcklig kontrast att utföra analyser på både volym och muskel geometri från samma mätning.
Tekniken presenteras kan dessutom kombinera bilder av flera sveper in i en matris, för studier av större muskler. Denna nya 3DUS-metoden ger ett potentiellt verktyg för klinisk bedömning av muskel morfologi. Denna metod kan användas även för imaging mjukvävnad strukturer än muskler (t.ex., senor, inre organ, artärer).
Ändringar för att förbättra Offline bearbetningstid:
Ändringar av metoden 3DUS var främst syftar till att förbättra bearbetningstid och mäta större muskler. Offline handläggningstiden för en 3DUS bild beror på voxel matrisen inställningar, samplingsfrekvens, storleken på ROI, längd och hastighet av svepet, antal sveper och begagnade arbetsstationen. Tidigare en återuppbyggnad tid av ≈ 2 h var nödvändigt för att rekonstruera enda svep ger 750 US bilder (30 s vid 25 Hz)15,25,30. Med den nuvarande 3DUS metoden tar samma Svep bara 50 s återuppbyggnad tid (förbättra ‘offline’ handläggningstiden av 99%). Denna förbättring kan förklaras av förbättrade fyllning algoritmen som utnyttjar stora vektor operationer för att fylla den voxlar bildruta-för-bildrutan, i stället för pixel per pixel och ökad-minne (RAM) för arbetsstationer att bygga större voxel matriser. Med den nya 3DUS-metoden tar en typisk rekonstruktion som representerar en sopa längd 30 cm med en hastighet av 1 cm/s, med en voxel Målstorlek 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 och en samplingsfrekvens på 25 Hz, efter tiden att rekonstruera :
a. ca 10 s identifiera synkronisering pulsen och välja relevanta amerikanska bilder.
b. cirka 120 s att bestämma kalibrering omformningsmatrisen (PrTIm).
c. cirka 10 s för bin fyller scenen.
d. ca 30 s för att utföra stegen utfyllnad.
Totalt tar 170 s. Obs, steg b behöver endast utföras en gång, förutsatt att en styv anslutning av MoCap markörer till sonden, lämnar 50 s för återuppbyggnaden av ett enda svep. Kombinera två enda svep rekonstruerade voxel matriser tar ca 10 s.
Begränsningar och kritiska steg:
I området i närheten finns det flera 3DUS imaging aspekter som bör beaktas:
i. US bildkvalitet: högre spatial upplösning av 2D US-bilder ger fler pixlar placeras inom matrisen voxel. Detta skulle möjliggöra voxel dimensioner att minska, vilket leder till högre voxel densitet. Flera tillgängliga ultraljud maskiner använder rumsliga kompoundering för att minska den bullriga granulära konsistens, vilket möjliggör bättre artefakt-gratis skillnaden av gränssnitten i vävnader. Ett annat alternativ att minska speckle är edge enhancement. Det bör dock noteras att detta tillvägagångssätt inte är önskvärt, eftersom det deformerar bilden i ett försök att skapa tydliga gränssnitt, därmed snedvrida den sanna anatomisk positionen gränssnitt.
II. MoCap noggrannhet: pixlar kan endast korrekt placeras i en voxel, om position sensorn exakt kvantifierar koordinaterna för sonden. Med en ökning av bildens upplösning blir MoCap noggrannhet viktigare. De presenterade 3DUS setup fungerar bäst med en voxel dimension av 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, med en MoCap systemet med en noggrannhet på 0,1 mm, vilket ger gott om noggrannhet för att rekonstruera 3DUS voxel matrisen.
III. prov frekvens: den lägsta temporal upplösningen av amerikanska bilder eller MoCap dataströmmen avgör samplingsfrekvens. Detta påverkar sopa tiden eller voxel array inställningarna. Till exempel, ger fördubbling prov frekvensen från 25 till 50 Hz en sopa som ska utföras på halva tiden. Alternativt ger inte ändra sopa hastighet, fler bilder för att fylla matrisen voxel, lämnar färre luckor fyllas och därmed potentiellt öka voxel array upplösningen. Ökande voxel array upplösning, utan att öka provtagningsfrekvensen, kräver dock en långsammare scan, vilket kommer att öka potentialen i rörelse artefakter.
IV. bild återuppbyggnad tid: snabb rekonstruktioner kräver en kraftfull arbetsstation med tillräckligt tillgängligt RAM-minne. Dessutom varierar återuppbyggnad tid i hög grad beroende på voxel array volym och utfyllnad processens komplexitet.
v. experimentellt protokoll: standardisering av experimentella protokollet, som exemplifieras i den aktuella studien för VL och GM, är väsentliga för jämförelse av morfologiska mätningar (t.ex., frånskilja längd, frånskilja vinkel, muscle mage längd, senan längd, aponeurosis längd) mellan ämnen och övervakning inom ämnen i longitudinella studier. Observera dock att morfologi bedömas vid vila kan ändra under muskelaktivering. Exempelvis för VL experimentet, kan knä extensor morfologi under maximal kontraktion uppvisa en hög pennation vinkel och kortare fascicles i 60° knä flexion, i jämförelse med morfologi på resten50. Under vissa förhållanden (t.ex., spasticitet), elektromyografi (EMG) kan användas för att verifiera vilande muskel aktivitetsnivå under undersökningen.
Vi. sond tryck och vävnad deformation: om gott om ultraljud gel appliceras på ROI, mängden tryck kvar i full kontakt mellan sonden och huden är begränsad. Som vägledning rekommenderar vi att skanna en ROI ska kännas som svävar över huden och trycket bör endast tillämpas för att hålla kontakt med gelen och därmed huden. Liten vävnad deformation kan dock oundvikligt, även med en generös mängd av ultraljud gel. Sondens storlek och en böjd ROI påverkar mängden tryck eller gel används. Större sondens storlek och en mer böjda ROI kräver mer tryck och/eller mer gel, än mindre sonder med en liknande böjda ROI. En annan möjlig lösning är att kassera regionen efterklang (dvs. icke-hud-kontakt) i US bilderna. Dessutom är vävnad deformation mest sannolikt att uppstå i de första vävnad skikt, som hud och subkutan fettvävnad lager. Observera att ämnen med liten eller ingen subkutan fettvävnad därför är mer benägna att biverkningar av trycket. Dessutom uppstår vävnad deformation troligen i mitten av sonden, vilket inte är normalt regionen av överlappning med andra svep.
VII. Imaging och anatomiska kunskap: ett annat viktigt övervägande med varje tänkbar modalitet är att kunskap om både anatomi och bildframställning modalitet är viktigt att få meningsfull tolkning. Anatomiska variationen mellan ämnen och bildartefakter måste erkännas och beaktas i identifieringen av anatomiska strukturer. Även med friska eller välutvecklade muskler, kan tydlig identifiering vara svårt eftersom det kräver anatomiska kunskaper att skilja mellan olika komponenter i en muskel eller muskel grupper51. Dock i atrofierade muskel (dvs. äldre, när det gäller patologi eller en cadaver), en tydlig identifiering är ännu mer komplicerat på grund av en mindre storlek och minskar bildens kontrast, och därför mindre distinkt vävnad gränssnitt (figur 4 ). Vi tror att utan anatomiska kunskaper, vi skulle ha varit begränsad i att göra rätt bedömningar i utforma detta 3DUS tillvägagångssätt och utför 3DUS mätningar. Exempelvis för GM experiment orsakar olika fotplatta vinklar inte nödvändigtvis förväntade förändringar i muskel senan komplexa längder, på grund av deformation inom den fot7. Detaljerad anatomisk information på krökning av distala aponeurosis var också viktigt för ett lämpligt urval av mid-längdriktning i alla ämnen38.
Figur 4: Variation och kvalitet av rekonstruerade anatomiska tvärsnittsdata 3DUS bilder av quadriceps-muskeln halvvägs längs låret. (A) exempel på en manlig mänskliga cadaver visar en bild av ett förtvinade tillstånd vid döden (död ålder: 81 år). Identifiering av gränserna för enskilda huvuden av quadriceps-muskeln är svårt. (B) exempel på en stillasittande manlig (30 år). (C) exempel på en manlig idrottsman roddare (30 år). De vita rutorna för skala representerar 1 cm x 1 cm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Framtida tillämpningar:
Metoden 3DUS ger ett avbildningsverktyg som kan användas för olika ändamål och inställningar i sport och kliniker. I kliniska interventioner är verkan relaterad till den fysiska kondition nivå52. Använda 3DUS för övervakning av patienter som löper risk att förlora muskel massa är viktigt (t.ex., referenser53,54,55) och potentiellt möjliggör justering av behandlingen. En annan potentiell tillämpning av 3DUS ligger i övervakning morfologiska anpassning av muskel svar på intervention (utbildning) och/eller personskador.
Detta protokoll beskrivs en kostnads – och tidseffektiv metod för mätning av mjuk vävnad struktur i den mänskliga kroppen baserat på frihand 3DUS sveper. Dessutom bedömning av meningsfulla morfologiska parametrar för m. vastus lateralis och m. gastrocnemius medialis visade sig vara giltig och tillförlitlig.
The authors have nothing to disclose.
Författarna är mycket tacksam mot Adam Shortland och Nicola Fry som delade deras algoritmer för 3-dimensionell Ultraljudet 2004, som var inspirationen till utvecklingen av den programvara som används i denna studie.
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 |