יישום רומן של השלד והשרירים אולטראסאונד הדמיה
Summary
אנו מתארים טכניקה חדשה המבוסס על אולטרסאונד וקטור רקמת דופלר הדמיה כדי למדוד את מהירות התכווצות שרירים, מתח ושיעור זן עם רזולוציה של זמן משנה אלפית השנייה במהלך פעילות דינמית. גישה זו מספקת מדידות משלימות של תפקוד שרירים דינמי ויכולה להוביל להבנה טובה יותר של מנגנוני מחלות שרירים.
Abstract
אולטראסאונד הוא שיטה אטרקטיבית לשרירי הדמיה ותנועת גיד במהלך משימות דינמיות ויכול לספק גישה מתודולוגית משלימה ללימודים ביומכנית בסביבה קלינית או מעבדתי. לקראת מטרה זו, שיטות לכימות של קינמטיקה שרירים מדימויי אולטרסאונד מפותחות מבוססות על עיבוד תמונה. ההחלטה הזמנית של שיטות אלה היא בדרך כלל לא מספיק למשימות דינמיות מאוד, כגון ירידה-נחיתה. אנו מציעים גישה חדשה שמנצלת שיטת דופלר לכימות קינמטיקה שריר. פיתחנו הדמיה וקטור רומן דופלר רקמת טכניקה (vTDI), שניתן להשתמש כדי למדוד את מהירות התכווצות של שרירים ושלד, מתח ושיעור זן עם רזולוציה של זמן משנה אלפית השנייה במהלך פעילות דינמית באמצעות אולטרסאונד. מטרת מחקר ראשוני זה הייתה לבדוק את הדירות ואת התחולה פוטנציאלית של טכניקת vTDI במדידת veloc שרירים ושלדities במהלך משימה נפתחת נחיתה, בנבדקים בריאים. ניתן לבצע מדידות vTDI במקביל לטכניקות יומכנית אחרות, כגון לכידת 3D בקשה לקינמטיקה וקינטיקה משותפות, אלקטרומיוגרפיה לעיתוי של צלחות הפעלת שרירים וכוח לכוח תגובת קרקע. שילוב של טכניקות משלימים אלה יכול להוביל להבנה טובה יותר של תפקוד שרירים דינמיים ותפקוד בסיסי בפתוגנזה והפתופיזיולוגיה של הפרעות שרירים ושלד.
Introduction
הפרעות השלד והשרירים נפוצות באופן נרחב בבגרות 1. הם מצב כרוני מוביל בארצות הברית 2 ומדווחים להשפיע 25% מאנשים בעולם 3. הפרעות השלד והשרירים הקשורים לתפקוד ירידה בפעולות יומיומיות (ADL), מגבלות תפקודיות ואיכות נמוכה יותר של חיים 4. הנטל הכלכלי שלהם הוא משמעותי בגלל אובדן תפוקה ועלויות בריאות גבוהה 4. הפתופיזיולוגיה של כמה מהפרעות אלו נשארת הבינה כהלכה. לדוגמא, בפתוגנזה של דלקת מפרקים ניוונית (OA) 4 הבאה שחזור הרצועה צולבת קדמית פציעות (ACL) נמצאה קשורה לשינויים בכוח שריר ארבע ראשי ופונקציה 5, אבל המנגנונים אינם ברורים. על מנת להבהיר את המנגנונים העומדים בבסיס, יש צורך להבין את תפקוד שרירים דינמי טוב יותר.
הפונקציונליהערכה של שרירים בודדים, בזמן ההופעה של חלקי או משימה כל קשורה לליגה נגד שמצה ואורח חיים פעילים (כלומר ספורט) יכולה לספק תובנה נוספת על תפקוד שרירים ואת התפקיד הפוטנציאלי שלו בפתוגנזה והפתופיזיולוגיה של הפרעות אלה. יתר על כן כימות של שיפור תפקוד שרירים במהלך השיקום יכולה לשמש כמדד תוצאה. טכניקות קונבנציונליות למדידת שריר ותפקוד מפרקים במרפאת כרוכה בבדיקה גופנית כגון טווח התנועה, כוח שרירים ו / או סיבולת קבוצת שרירים. כרגע במרפאת, (EMG) משמש כדי להעריך הפעלה / שיתוף הפעלת שרירים, תדירות, והמשרעת של פעילות שרירים. עם זאת, חברת EMG היא מדד של הפעלה חשמלית בשרירים ולא בהכרח מספקת מידע על כוח השריר, יכולת התכווצות וגורמים אחרים תפקודיים של השריר. הערכות אחרות מתוחכמות ביומכנית, כגון f מערכת לכידת תנועת 3Dאו ניתן לבצע קינטיקה המשותפת וקינמטיקה וצלחות בכוח לכוח תגובת קרקע במעבדה הילוך 6-9. המדידות שנעשו על ידי טכניקות אלה הן ברמה המשותפת ולא בהכרח לספק הבנה ישירה של תפקוד שרירים בודד במהלך פעילות דינמית או פונקציונלית. היכולת לבצע הדמיה של השרירים בו זמנית בעת ביצוע פעילות דינמית שעלול להוביל להערכה תפקודית טובה יותר ומציאותית יותר ברמת השריר.
רוב המחקרים התמקדו בתפקוד שרירים בעמדות נוטות סטטי, ושיטה זו יכולה לפתוח אפיקים חדשים כדי לשפר עוד יותר את ההבנה של שרירים התנהגות שלנו במצבים בזמן אמת.
אולטרסאונד לאבחון יכול לאפשר להדמיה ישירה של שרירים וגידים בזמן אמת, ולכן היא חלופה אטרקטיבית למדידת דינמיקה של שרירים ושלד ותפקוד במהלך הליגה נגד השמצה. מדדי כמותיים המבוססים על אולטרסאונד שלמורפולוגיה שרירים ואדריכלות, כמו עובי שרירים, אורך, רוחב, שטח חתך רוחב (CSA), זווית pennation סיבים ואורך fascicle היו בשימוש נרחב 10-12. בשנים האחרונות, שיטות עיבוד תמונה להיות מועסקים על מנת להעריך ולכמת מדדי כמותיים אלה במהלך משימות דינמיות 13-14. מקדמות אלה אפשרו גישה מתודולוגית חדשה להבנה בתפקוד השרירים vivo. עם זאת, שיטות אלה הסתמכו בעיקר על שימוש בגווני אפור קונבנציונליים (או B-mode) הדמיה אולטרסאונד, ולכן לא מנוצלות במלואו את האפשרויות של אולטרסאונד למדידת מהירויות רקמות, מתח ושיעור מתח באמצעות עקרונות דופלר, שהוכחו להיות בעל ערך בהערכת תפקוד שריר לב 15-16.
פיתחנו הדמיה דופלר רקמת וקטור טכניקה (vTDI) שיכול למדוד את מהירות התכווצות, מתח ושיעור זן עם רזולוציה גבוהה זמנית (millisecon משנהד) במהלך פעילות דינמית 17-18. באופן ספציפי, את טכניקת vTDI יכולה לבצע מדידות של שרירים וגידים במהלך משימות דינמיות מאוד (למשל ירידה-נחיתה, הליכה, וכו ') במסגרת שיעורים גבוהים. טכניקת vTDI מהווה שיפור של אולטרסאונד דופלר הקונבנציונלי, שמעריך רק את הרכיב של המהירות לאורך קורה אולטרסאונד, ולכן הוא תלוי בזווית insonation. vTDI מעריך את המהירות של השריר והגיד באמצעות שתי קורות אולטרסאונד שונות ניווטו בזוויות שונות, ולכן אינו תלוי בזווית insonation במישור ההדמיה. עם זאת, מאז התכווצות שרירים שקורה ב-3D, הזווית של מטוס ההדמיה היא עדיין חשובה. יישמנו שיטה זו במערכת אולטרסאונד זמינה מסחרי עם ממשק מחקר, המאפשר מדידות אלה להתבצע בסביבה קלינית.
כדי לחקור את הדירות ואת התחולה פוטנציאלית של syst vTDIשלהם במדידת מהירויות השרירים femoris rectus במהלך משימה דינמית, ביצענו מחקר ראשוני על מתנדב בוגרים בריאים. מסמך זה מדגים את המתודולוגיה והתקנה ניסיונית להערכת מהירויות התכווצות, מתח ושיעור זן של rectus femoris שרירים עם רזולוציה של זמן משנה אלפית השנייה במהלך משימה נפתחת נחיתה.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש הדמיה אולטראסאונד היכולת לספק הערכה ישירה של קינמטיקה שריר במחקרים דינמיים שיכול להשלים באמצעים קונבנציונליים, כגון לכידת 3D תנועה, dynamometry, אלקטרומיוגרפיה, ומדידות כוח תגובת קרקע. גישה זו יכולה להיות ישימה באופן נרחב למחקר הבסיסי ביומכניקה והערכה קלינית. ישנן שלוש גישות עיקריות להערכת תנועת רקמות באמצעות אולטרסאונד: (1) שיטות מעקב רבב המשתמשים חוצה קשר על תדר רדיו גלם נתונים (RF) אולטרסאונד או נתוני תמונה בקנה מידה אפורה (או B-mode), זוהה על מעטפה. טכניקות אלה היו בשימוש נרחב בשני 24-25 השלד ומעקב אחר תנועת שריר לב 26 והערכה; (2) שיטות עיבוד תמונה העוקבות אחר fascicles השריר או תכונות 27-28 ו (3) שיטות ההדמיה דופלר הרקמה משמשות בשני 29 לב הערכה ביום 31 בתנועה -30 ושלד. מעקב רבב מבוסס על ג הצולב המרחביתorrelation כבר בשימוש נרחב כדי לעקוב אחר תנועה של רקמה ויכול לעקוב אחר תנועה עם רזולוציה תת פיקסלים. עם זאת, דפוסי רבב decorrelate במהירות בתנועות גדולות יותר. תנועה אל מחוץ למטוס התמונה גם מציבה אתגר למעקב רבב. יש שיטות לאורך fascicle שרירים מעקב תחולה טובה יותר שבו כל fascicle היא דמיינו בתמונה במהלך המשימה הדינמית. יש שיטות המסתמכות על נתוני תמונת עיבוד רזולוציה הטמפורלית נמוכה מוגבלת על ידי מסגרת שיעור הדמיה ולכן לא ניתן לעקוב אחר תנועה במהירויות גבוהות. בנוסף, שיטות מעקב fascicle אלה הן מאוד רגישות מתנועת מטוס. לכן בדיקה תנועה יחסי לשריר עלול לגרום למעקב להיכשל. הערכות מהירות מהדמיה קונבנציונלית דופלר הרקמה (TDI) יכולות להיות פתרון זמני גבוה יותר, כמו גם יותר חזקים לתנועות חללית קטנות. שיטות דופלר יכולות להעריך רכיבי מהירויות רק לאורך קורה אולטרסאונד, ובכך הערכות דופלר יכולה להיות du לא מדויקדואר לזווית שונה של insonation עם התנועה של השריר. שיטת vTDI המוצעת שלנו מתגברת על בעיה זו על ידי שימוש בשתי קורות אולטרסאונד שונות ניווטו בזוויות שונות, ולכן אומדן המהירות אינו תלוי בזווית insonation במישור ההדמיה. כמו כן, הפתרון הזמני היעיל של vTDI יכול להיות כ 0.1 ms ולכן שיטה זו ניתן לעקוב אחר תנועה של שרירי שלד במהלך פעילות דינמית (למשל ירידת נחיתה, הליכה וריצה).
יתרונות אחרים של הגישה שלנו כוללים שימוש במתמר הדמיה המערך ליניארי המבוסס על מערכת אולטרסאונד קלינית לביצוע ההדמיה דופלר רקמת וקטור. אנחנו נשלטים אלקטרוניים לשדר / לקבל היגוי קורה, גודל צמצם ומקומות להתמקד, לסריקת שדה גדול של נוף. יתר על כן, גישה זו ניתן להאריך לבצע דופלקס vTDI עם הדמיה בו זמנית בזמן אמת. המערכת שלנו מאפשרת לנו גם לבצע הדמיה B-מצב קונבנציונלית לליטרocate האזור של עניין לכימות של מתח וקינמטיקה רקמות. מאחר ושיטה זו יושמה בסורק קליני, יש לנו כבר תוכל לפרוס שיטת vTDI זה במעבדה בהליכה למחקר ביומכניקה.
מגבלות של טכניקה זו יש להודות. גורמים שונים משפיעים על הדיוק של מדידות דופלר. הערכות מבוססות מהירות vTDI בשני ממד (לאורך ולרוחב סיבי שריר) דורשת מתמר המערך ליניארי ליפוצלו לשני לשדר / לקבל תת פתחים (רחב 32 אלמנטים) ומכוונים את האלומות ידי 15 °. היגוי אולטרסאונד לשדר ולקבל קורות לזוויות גבוהות יותר יכול להשפיע על מדדי מהירות בשל צורם אונות. כמו כן, באזור של אזור החפיפה הקורה בvTDI משתנה עם מיקוד אלומה משתנה עומקים 32, באופן פוטנציאלי להשפיע על הערכות מהירות. השונות של אומדני דופלר תלויות (1) האצה האטה של רקמה בתוך חלון זמן ניתוח (2) שונות של tנושא מהירות בתוך שער מגוון דופלר (3) זווית דופלר שונה בתוך הפתח המשמש לפס רחב ספקטרלי משודר וקיבלה קורות אולטרסאונד, הידוע גם גיאומטרי הרחבת 33 ו (4) את רוחב הפס של דופק אולטרסאונד מועבר, שכן אפקט דופלר הוא פרופורציונאלי לתדר גל הנושא 34. מספר שיטות ניתן להשתמש כדי להגביל את השונות. אומדי מהירות הפאזה מבוססת, כגון autocorrelation, בדרך כלל לנצל חלונות זמן ניתוח קטנים יותר בהשוואה לאומדני רפאים, אבל הם מעריכים מתכוונים היסט דופלר ולא השיא משמר. Wideband אומדי רפאים כמו פורייה 2D להפוך 35 יכולים להפחית את השונות בשל רוחב פס הדופק. במקרה של vTDI, אשר מנצל שני ניתבו את הקורות דופלר, את השונות של מהירויות רקמות בקורה החפיפה האזור ביחס לשריר היא גורם נוסף שיש לשקול. התכווצות השרירים femoris rectus היא ב-3D וveloc ההתכווצותity משתנה מרחבית לאורך השריר. לכן, חשוב לבחור את האזור של עניין בזהירות.
במחקר זה, חוקרים בחנו את הדירות של קינמטיקה השרירים femoris rectus במהלך משימה נפתחת נחיתה בשמונה מתנדבים בריאים באמצעות vTDI. למרות שהניסויים היו עצמאיים, צפינו מהירויות התכווצות שרירים שיא מתואמות ודיר מאוד ליחידים בין ניסויים. כרגע אנחנו מגייסים יותר נושאים במחקר שלנו כדי לבחון את הדפוס הזה עוד יותר. מחקר זה סיפק לא פולשנית ומדידה של מהירויות ההתכווצות של rectus זמן אמת femoris שריר במהלך ירידה-נחיתה. הדפוסים של מהירויות התכווצות הבאות נצפו במהלך השלבים השונים של משימת טיפת נחיתה (איור 2): 1. מהירויות התכווצות שרירים לשלוט בכיוון לרוחב בהשוואה לכיוון צירי במהלך כיפוף הברך (שלב השקה) והרחבה (ב- the-Air phase). זה צפוי, שכן השרירים femoris rectus עובר כיווץ אקסצנטרי במהלך שלב ההשקה והתכווצות קונצנטריים בשלב ב-the-Air. 2. מהירויות נמוכה לרוחב שריר במהלך השלב השלישי (הבוהן נוגעת בקרקע), עם מהירויות שרירים צירי זניח נמוכים. זה מתאים כדי להוריד את התכווצות השרירים femoris rectus בשלב זה 3. עלייה משמעותית במהירויות שרירים צירי ורוחב רק אחרי העקב נוגע בקרקע. זהו ככל הנראה בשל לשריר עובר שתי התכווצות ושינוי אקסצנטריים בצורה עקב דחיסה, גורם עלייה במהירויות לאורך סיבי שריר ונורמלים לסיבי השריר, בהתאמה. למרות העובדה שמשימת נחיתת הירידה היא משימת השפעה גבוהה, vTDI הפגין rectus femoris הדיר מהירויות שריר. יש טכניקת אולטרסאונד זה יכולה השפעה קלינית מאז שריר זה אחראי בעיקר להגנה על מפרק הברך מהעמסת יתר.לכן, הערכה נוספת של השרירים femoris rectus בחולים עם שחזור ACL היא מוצדקת כדי להבין את המנגנונים מובילים להופעה המוקדמת והמואצת של OA.
למרות שהמשתתפים במחקר זה היו כל התבקשנו לבצע משימה נפתחת נחיתה טבעית מפלטפורמת 30 סנטימטר, מצאנו הבדלים בגובה של הקפיצה או השקה. בנוסף, השימוש בנתוני המצלמה במהירות גבוהה, זה היה ציין כי היו כל הנושאים סגנון נחיתת טיפה שונה. זה יכול להסביר את ההבדלים קלים בין הנבדקים בערכי המהירות כתוצאה השיא של rectus femoris שרירים כתוצאה מהבדלים אפשריים בדפוסי הפעלה במהלך המשימה. גורם אפשרי נוסף הוא ההבדלים בשטח חתך של שריר femoris rectus, אשר עלול להוביל לרמות של התכווצות שרירים שונות ולאלץ את הייצור.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי גרנט מספר 0953652 מהקרן הלאומית למדע ובחלקו על ידי קרן ההוצאה לאור גישה פתוחה ספריות אוניברסיטת ג'ורג' מייסון. ברצוננו להודות לד"ר ג'ון רוברט Cressman ג'וניור עבור מתן גישה למצלמה במהירות גבוהה.
Materials
| Name of Equipment | Company | Model Name | |
| 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. , (1988).
- National Center for Health Statistics. . National health interview survey. , (1995).
- Reginster, J. Y. The prevalence and burden of arthritis. Rheumatology. 41, 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. Rheumatology in general practice. British Journal of Rheumatology. 34, 494-497 (1995).
- 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).
