3D ultralyd imaging (3DUS) giver mulighed for hurtig og omkostningseffektiv morfometri af muskel-og væv. Vi præsenterer en protokol for at måle muskel volumen og fascicle længde ved hjælp af 3DUS.
Den udviklingsmæssige mål af 3D ultralyd imaging (3DUS) er at ingeniør en modalitet for at udføre 3D morfologiske ultralyd analyse af menneskets muskler. 3DUS billeder er konstrueret af kalibreret freehand 2D B-mode ultralyd billeder, som er placeret i en voxel array. Ultralyd (USA) imaging giver mulighed for kvantificering af muskel størrelse, fascicle længde og vinkel af pennation. Disse morfologiske variabler er vigtige determinanter af muskel kraft og længde vifte af force anstrengelse. Den præsenterede protokol beskriver en metode til at bestemme lydstyrken og fascicle længde m. vastus lateralis og m. gastrocnemius medialis. 3DUS letter standardisering ved hjælp af 3D anatomiske referencer. Denne fremgangsmåde giver en hurtig og omkostningseffektiv metode til kvantificering af 3D morfologi i skeletmuskulatur. I sundhedsvæsenet og sport er oplysninger om morfometri muskler meget værdifulde i diagnostik og/eller opfølgning evalueringer efter behandling eller træning.
I sundhedsvæsenet og sport er information om morfologi af muskler meget værdifulde i diagnostik og/eller opfølgning evalueringer efter behandling eller træning1. Ultralyd (USA) imaging er et værktøj, der almindeligvis anvendes til visualisering af blødt væv strukturer i muskel sygdomme2, kritiske sygdomme3,4, hjerte-kar-sygdomme5, neurologiske6, 7,8, og effekten af fysisk træning6,9,10. Amerikanske imaging giver mulighed for kvantificering af muskel størrelse, fascicle længde og vinkel af pennation. Disse morfologiske variabler er vigtige determinanter af muskel kraft og længde vifte af tvinge anstrengelse11,12,13,14,15.
I øjeblikket, amerikanske imaging målingerne udføres for det meste i 2D billeder med eksaminator vælger en formodentlig egnet orientering og placering af ultralyd sonde. Sådan 2D metoder begrænse morfologiske målinger til et billedplan, mens parameter af interesse ikke kan være til stede inden for denne plan. Morfologisk analyse kræver en 3D tilgang, giver ud af flyet målinger ved hjælp af 3D faste holdepunkter. Sådan en 3D morfologiske repræsentation af bløde væv er kendt for at være leveret af Magnetic Resonance Imaging (MR)16,17,18,19,20. MRI er imidlertid dyrt og ikke altid tilgængelig. Visualisering af muskelfibre kræver også særlige Mr-sekvenser, som diffusion tensor billeddannelse (DTI)21. En omkostningseffektiv alternativ til Mr er billedbehandling af 3D ultralyd (3DUS). 3DUS tilgangen giver adskillige fordele i forhold til Mr-teknikker, f.eks., den pålægger mindre plads begrænsninger for positionering emnet under en undersøgelse. 3DUS imaging er en teknik, sekventielt 2D (B-mode US) optagelse og placerer dem i en volumen element (voxel) array22,23,24. Processen med 3DUS billede genopbygning består af fem trin: (1) indfange en række freehand 2D amerikanske billeder; (2) tracking placeringen af amerikanske sonden, ved hjælp af en Motion Capture (MoCap) system; (3) synkronisering af MoCap position og amerikanske billeder; (4) beregning af den placering og orientering af ultralyd billeder inden for voxel matrix ved hjælp af en kalibreret system reference; og (5) placere disse billeder i denne voxel array.
3DUS tilgangen har været anvendt med succes til vurdering af morfologi af skeletmuskulatur15,25,26,27,28,29. Men, tidligere tilgange7,15,25,30 har vist besværligt, tidskrævende og teknisk begrænset, som kun små segmenter af store muskler kunne rekonstrueres.
At forbedre 3DUS tilgang, en ny 3DUS protokol er udviklet at tillader genopbygning af komplet muskler inden for en kort periode. Denne protokol artikel beskriver brugen af 3DUS imaging for morfometri m. vastus lateralis (VL) og m. gastrocnemius medialis (GM).
En gyldig og pålidelig 3DUS teknik præsenteres der giver mulighed for en hurtig analyse af morfometrisk variabler af skeletmuskulatur. Forskellige 3DUS tilgange til bløddele imaging har været til rådighed for omkring et årti42,43, men 3DUS metoder ikke er stadig bruges almindeligt. Mr er en “gyldne standard” for estimering i vivo muskel bind (fx., refererer til16,17,18,19,20). Mr gyldighed er testet og bekræftet i undersøgelser sammenligner enten phantoms eller dødt organer af kendt volumen til MRI-baseret volumen skøn44,45. Men MRI tilgængelighed for forskning er begrænset og scanninger er tidskrævende og dyrt. Derudover eksperimentelle emne arbejdsstillinger er begrænset af boringen gribe af MRI-scannere. Typiske hr. billeder generere tilstrækkelig kontrast for at udføre målinger af variabler af muskel geometri (fascicle længder og vinkler). 3D muskel geometri kan imidlertid vurderes også ved hjælp af Mr ved hjælp af flere teknikker, f.eks., DTI teknik21. Svarende til Mr, amerikanske imaging giver tilstrækkelig sondring på grænseflader mellem forskellige typer af væv (dvs. synlig inden for os billeder), at give en gyldig modalitet for bløddele volumen vurdering1,30 ,44,46,47,48,49. I modsætning til Mr have 3DUS billeder tilstrækkelig kontrast til at udføre analysen på både volumen og muskel geometri fra samme måling.
Derudover tillader teknikken præsenteret kombinerer billeder af flere fejer ind i et array for studiet af større muskler. Denne nye 3DUS metode giver en potentiel værktøj for klinisk vurdering af muskel morfologi. Denne metode kan også anvendes til imaging bløddelene strukturer end muskel (fx, sener, indre organer, arterier).
Ændringer at forbedre Offline behandlingstid:
Ændringer af 3DUS tilgang sigtede primært forbedre behandlingstid og måle større muskler. Offline behandlingstiden af en 3DUS billede afhænger voxel array indstillinger, sampling hyppighed, størrelsen af ROI, varighed og hastighed sweep, antallet af fejer og den anvendte arbejdsstation. Tidligere gangen genopbygning af ≈ 2 h var nødvendige for at rekonstruere kun én sweep giver 750 kr. billeder (30 s på 25 Hz)15,25,30. Med den nuværende metode, 3DUS tager den samme feje kun 50 s genopbygning tid (forbedre ‘offline’ behandlingstiden af 99%). Denne forbedring kan forklares ved den udvidede påfyldning algoritme, der udnytter store vector operationer for at udfylde voxels frame-by-frame, i stedet for pixel per pixel og øget tilfældig adgang hukommelse (RAM) af arbejdsstationer til at konstruere større voxel arrays. Med den nye 3DUS tilgang tager en typisk rekonstruktion, der repræsenterer en sweep længde på 30 cm med en hastighed på 1 cm/s, med en Målstørrelse på voxel 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 og en prøveudtagningsfrekvens på 25 Hz, den følgende tid at rekonstruere :
a. ca. 10 s at identificere synkronisering puls og udvælge relevante amerikanske billeder.
b. ca 120 s til at bestemme kalibrering transformation matrix (PrTIm).
c. ca. 10 s for bin-påfyldning fase.
d. ca 30 s for udfører trinene hul-udfyldning.
I alt, tager 170 s. Note, trin b skal kun udføres én gang, forudsat at en stiv tilslutning af MoCap markører for sonden, forlader 50 s til genopbygningen af et enkelt sweep. Kombinerer to enkelt feje rekonstrueret voxel arrays tager ca. 10 s.
Begrænsninger og kritiske trin:
Der er flere 3DUS imaging aspekter, der bør tages i betragtning:
i. amerikanske billedkvalitet: højere spatial opløsning af 2D amerikanske billeder give flere pixels skal placeres inden for matrixen voxel. Dette ville tillade voxel dimensioner til at falde, fører til højere voxel tæthed. Flere maskiner, som i øjeblikket tilgængelige ultralyd brug rumlige compounding til at reducere den støjende granular tekstur, giver mulighed for bedre artefakt-fri skelnen af grænsefladerne af væv. En anden mulighed for at reducere speckle er kantforbedring. Dog skal det bemærkes, at denne tilgang ikke er ønskeligt, da det deformerer billedet i et forsøg på at oprette særskilte grænseflader, dermed fordreje den sande anatomiske holdning af grænsefladerne.
II. MoCap nøjagtighed: Pixels kan kun placeres præcist i en voxel, hvis positionssensor nøjagtigt kvantificerer koordinaterne for sonden. Med en stigning i billedopløsning bliver MoCap nøjagtighed vigtigere. De præsenteres 3DUS setup fungerer bedst med en voxel dimension af 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, ved hjælp af et MoCap system med en nøjagtighed på 0,1 mm, og giver rigelig nøjagtighed for at rekonstruere 3DUS voxel array.
III. Sample frekvens: den laveste tidsmæssige opløsning af enten amerikanske billeder eller MoCap datastream bestemmer samplefrekvens. Dette påvirker den feje tid eller voxel array indstillinger. For eksempel, giver fordobling samplefrekvens fra 25 til 50 Hz en feje skal udføres på den halve tid. Alternativt, ikke ændre sweep hastigheden, giver flere billeder for at fylde voxel array, forlader færre huller skal udfyldes og derved potentielt øge voxel array opløsning. Stigende voxel matrix beslutning, uden at øge samplingfrekvensen, kræver imidlertid en langsommere scanning, hvilket vil øge potentialet i bevægelse artefakter.
IV. billede genopbygning tid: hurtig rekonstruktioner kræver en kraftfuld arbejdsstation med tilstrækkelig tilgængelig RAM. Derudover varierer genopbygning tid i høj grad baseret på voxel array mængden og kompleksiteten af hul-fyldet processen.
v. forsøgsplan: standardisering af forsøgsplan, som eksemplificeret i den nuværende undersøgelse for VL og GM, er afgørende for sammenligning af morfologiske målinger (fxfascicle længde fascicle vinkel, og muskel mave længde, senen længde, aponeurosis længde) mellem fag og overvågning inden for emner i longitudinelle studier. Bemærk dog, at morfologi vurderet på resten kan ændre under muskel aktivering. For eksempel, for VL eksperiment, kan knæ extensor morfologi under maksimal sammentrækning demonstrere en høj pennation vinkel og kortere fascicles i 60° knæ fleksion, i forhold til morfologi på resten50. I visse betingelser (fx., spasticitet), Elektromyografi (EMG) kan bruges til at kontrollere hvilende muskel aktivitetsniveauer i løbet af undersøgelsen.
Vi. sonde pres og væv deformation: hvis rigelig ultralyd gel anvendes på ROI, mængden af pres til at forblive i fuld kontakt mellem sonde og huden er begrænset. Som vejledning anbefaler vi at scanne en ROI skal føles som svævende over huden, og pres bør kun anvendes til at holde kontakt med gelen og dermed huden. Lille væv deformation kan dog uundgåelig, selv med en generøs mængde af ultralyd gel. Sonden størrelse og en buet ROI påvirker den nødvendige mængde af pres eller gel anvendes. Større sonde størrelse og en mere buet ROI kræver mere pres og/eller flere gel, end mindre sonder med en lignende buet ROI. En anden mulig løsning er at kassere regionen efterklang (dvs. ikke–kontakt med huden) i den amerikanske billeder. Derudover er væv deformation mest tilbøjelige til at opstå i de første væv lag, såsom hud og subkutane fedtvæv lag. Bemærk, at emner med lidt at ingen subkutane fedtvæv er derfor mere tilbøjelige til bivirkninger af pres. Derudover opstår væv deformation sandsynligvis på midten af sonden, der typisk ikke er overlapning med andre fejer regionen.
VII. billeddannelse og anatomiske viden: en anden vigtig overvejelse i ved hjælp af enhver tænkelig modalitet er, at viden om anatomi og imaging modalitet er afgørende for at få meningsfulde fortolkning. Anatomiske variation mellem fag og billedforstyrrelser har brug at blive anerkendt og taget i betragtning i forbindelse med identifikation af anatomiske strukturer. Selv med sunde og/eller veludviklede muskler, kan klar identifikation være svært fordi det kræver anatomiske viden til at differentiere mellem forskellige komponenter af en muskel eller mellem muskel grupper51. Men i forkrøblede muskler (dvs. ældre, patologi, eller et Kadaver), en klar identifikation er endnu mere kompliceret på grund af en mindre størrelse og faldt kontrasten i billedet, og derfor mindre tydelige væv grænseflader (figur 4 ). Vi mener, at uden forudgående anatomiske viden, vi ville have været begrænset i at foretage korrekte vurderinger i udformningen af denne 3DUS tilgang og ved udførelse af 3DUS målinger. For eksempel, for GM eksperimenter forårsager forskellige fodpladen vinkler ikke nødvendigvis forventede ændringer i muskel senen komplekse længder, på grund af deformation under foden7. Anatomiske oplysninger på krumningen af den distale aponeurosis var også afgørende for et passende udvalg af mid-længderetning i alle fag38.
Figur 4: Variation og kvalitet af rekonstrueret anatomiske tværsnits 3DUS billeder af quadriceps muskler halvvejs langs låret. (A) eksempel på en mandlige menneskelige Kadaver viser et billede af en forkrøblede stat ved døden (død alder: 81 år). Identifikation af grænserne for enkelte stats-quadriceps muskler er vanskelige. (B) eksempel på en stillesiddende mand (alderen 30 år). (C) eksempel på en mandlig atlet roer (alderen 30 år). De hvide firkanter for skala repræsenterer 1 cm x 1 cm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Fremtidige ansøgninger:
3DUS tilgangen giver et afbildningsværktøj, der kan bruges til forskellige formål og indstillinger i sport og klinikker. I kliniske interventioner er effektivitet relateret til den fysiske trænings niveau52. Ved hjælp af 3DUS til overvågning af patienter, der er i fare for at miste muskel masse er vigtigt (f.eks.referencer53,54,55) og potentielt giver mulighed for justering af behandlingen. En anden potentiel anvendelse af 3DUS ligger i overvågning morfologiske tilpasning af muskel i svar til intervention (uddannelse) og/eller skade.
Denne protokol beskrevet en gang- og omkostningseffektive metode til måling af blødt væv struktur af det menneskelige legeme baseret på Frihånd 3DUS fejer. Desuden vurdering af meningsfulde morfologiske parametre for m. vastus lateralis og m. gastrocnemius medialis viste sig for at være gyldig og pålidelig.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne er meget taknemmelige for Adam Shortland og Nicola Fry, der delte deres algoritmer til den 3-dimensionelle ultralyd i 2004, som var inspiration til udvikling af den software, der anvendes i denne undersøgelse.
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 |