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Medizin

Una aplicación Novel of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

Published: September 17, 2013
doi:
10.3791/50595
, , ,
1Department of Electrical and Computer Engineering,George Mason University, 2Sports Medicine Assessment, Research & Testing Laboratory,George Mason University, 3School of Physics, Astronomy, and Computational Sciences,George Mason University, 4Department of Bioengineering,George Mason University

Summary

Se describe un nuevo vector de tejido técnica Doppler basado en ultrasonidos para medir la velocidad de la contracción muscular, la tensión y la velocidad de deformación con resolución temporal submilisegundos durante las actividades dinámicas. Este enfoque proporciona mediciones complementarias de la función muscular dinámico y podría conducir a una mejor comprensión de los mecanismos que subyacen a los trastornos musculoesqueléticos.

Abstract

El ultrasonido es una modalidad atractiva para el músculo de formación de imágenes y el movimiento del tendón durante las tareas dinámicas y puede proporcionar un enfoque metodológico complementario para estudios biomecánicos en un entorno clínico o de laboratorio. Para lograr este objetivo, los métodos para la cuantificación de la cinemática del músculo a partir de imágenes de ultrasonido se están desarrollando basan en el procesamiento de imágenes. La resolución temporal de estos métodos por lo general no es suficiente para tareas altamente dinámicos, como abandono de destino. Proponemos un nuevo enfoque que utiliza un método Doppler para la cuantificación de la cinemática musculares. Hemos desarrollado un nuevo vector de formación de imágenes Doppler de tejidos técnica (VTDI) que puede ser utilizado para medir la velocidad de contracción musculoesquelético, la tensión y la velocidad de deformación con resolución temporal de submilisegundos durante las actividades dinámicas utilizando ultrasonido. El objetivo de este estudio preliminar fue investigar la repetibilidad y la potencial aplicabilidad de la técnica en la medición VTDI Velocity musculoesqueléticodades durante una tarea de abandono de destino, en sujetos sanos. Las mediciones VTDI se pueden realizar al mismo tiempo que otras técnicas biomecánicas, como la captura de movimiento 3D para el conjunto de la cinemática y la cinética, la electromiografía para medir el tiempo de las placas de activación muscular y de la fuerza de la fuerza de reacción del suelo. La integración de estas técnicas complementarias podría conducir a una mejor comprensión de la función muscular dinámica y la disfunción subyacente en la patogénesis y la patofisiología de los trastornos musculoesqueléticos.

Introduction

Los trastornos musculoesqueléticos son muy prevalentes en la edad adulta 1. Se trata de una condición crónica de liderazgo en los Estados Unidos y 2 son reportados a afectar el 25% de las personas en todo el mundo 3. Los trastornos musculoesqueléticos se asocian con disminución de la función en las actividades de la vida diaria (AVD), las limitaciones funcionales y peor calidad de vida 4. Su carga económica es significativa debido a la pérdida de productividad y altos costos de la atención sanitaria 4. La fisiopatología de varios de estos trastornos permanece inadecuadamente entendido. Por ejemplo, la patogénesis de la osteoartritis (OA) 4 después de la reconstrucción del ligamento cruzado anterior (LCA) se ha relacionado con alteraciones en la fuerza del cuádriceps y la función 5 de músculo, pero los mecanismos subyacentes no están claros. Para dilucidar los mecanismos subyacentes, hay una necesidad de comprender mejor la función muscular dinámica.

El funcionalevaluación de los músculos individuales, durante la realización de una parcial o total de una tarea relacionada con la ADL y estilos de vida activos (es decir, de deporte) puede proporcionar más información acerca de la función muscular y su posible papel en la patogenia y la fisiopatología de estos trastornos. Además, la cuantificación de la mejora de la función muscular durante la rehabilitación se puede utilizar como una medida de resultado. Las técnicas convencionales de medición de función muscular y articular en la clínica incluyen el examen físico, tales como la amplitud de movimiento, la fuerza muscular y / o la resistencia grupo muscular. Actualmente en la clínica, la electromiografía (EMG) se utiliza para evaluar la activación del músculo / co-activación, la frecuencia y la amplitud de la actividad muscular. Sin embargo, EMG es una medida de la activación eléctrica en el músculo y no proporciona necesariamente información acerca de la fuerza muscular, la capacidad de contracción y otros factores funcionales del músculo. Otras evaluaciones biomecánicas sofisticados, como el sistema de captura de movimiento 3D fo cinética y cinemática de la articulación y placas de fuerza para la fuerza de reacción del suelo se pueden realizar en un laboratorio de la marcha 6-9. Las mediciones realizadas por estas técnicas son a nivel articular y no proporcionan necesariamente una comprensión directa de la función muscular individual durante una actividad dinámica o funcional. La capacidad para realizar las imágenes de los músculos al mismo tiempo mientras se realiza una actividad dinámica potencialmente podría conducir a una evaluación funcional mejor y más realista a nivel muscular.

La mayoría de los estudios se han centrado en la función muscular en las posiciones propensas estáticas, y este método puede abrir nuevas vías para mejorar aún más nuestra comprensión del comportamiento muscular durante situaciones de tiempo real.

El diagnóstico por ultrasonidos puede activar la imagen directa de los músculos y tendones en tiempo real, y por lo tanto es una alternativa atractiva para la medición de la dinámica y la función del aparato locomotor durante ADL. Medidas cuantitativas basadas en ultrasonido dela morfología del músculo y la arquitectura, tales como el grosor muscular, longitud, anchura, área de la sección transversal (CSA), el ángulo y la longitud de fibra pennation fascículo han sido ampliamente utilizados 10-12. En los últimos años, se han empleado métodos de procesamiento de imágenes para evaluar y cuantificar estas medidas cuantitativas durante las tareas dinámicas 13-14. Estos avances han permitido un nuevo enfoque metodológico para la comprensión de la función muscular en vivo. Sin embargo, estos métodos se han basado principalmente en el uso de la escala de grises convencional (o en modo B) de imágenes por ultrasonido, por lo que no se han aprovechado plenamente las posibilidades de la ecografía para medir velocidades de tejido, la tensión y la velocidad de deformación utilizando principios Doppler, que han demostrado ser valiosos en la evaluación de la función del músculo cardíaco 15-16.

Hemos desarrollado un Doppler tisular vector técnica (VTDI) que puede medir la velocidad de contracción, tensión y velocidad de deformación con alta resolución temporal (sub millisecond) durante las actividades dinámicas 17-18. En concreto, la técnica VTDI puede realizar mediciones de los músculos y los tendones durante las tareas de alta dinámica (por ejemplo, abandono de destino, la marcha, etc) a altas velocidades de fotogramas. La técnica VTDI es una mejora sobre la ecografía Doppler convencional, que estima sólo el componente de la velocidad a lo largo del haz de ultrasonidos, y es por lo tanto dependiente del ángulo de insonación. VTDI estima la velocidad del músculo y el tendón utilizando dos haces de ultrasonido diferentes fueron dirigidos a diferentes ángulos, y es por lo tanto independiente del ángulo de insonación en el plano de la imagen. Sin embargo, puesto que la contracción del músculo que ocurre en 3D, la angulación del plano de la imagen es todavía importante. Hemos implementado este método en un sistema de ultrasonidos comercialmente disponibles con una interfaz de la investigación, permitiendo a estas medidas se realicen en un entorno clínico.

Para investigar la capacidad de repetición y la potencial aplicabilidad del sist VTDIem en la medición de las velocidades del músculo recto femoral durante una tarea dinámica, se realizó un estudio preliminar sobre los voluntarios adultos sanos. En este trabajo se demuestra la metodología y montaje experimental para estimar las velocidades de contracción, tensión y velocidad de deformación del músculo recto femoral con resolución temporal submilisegundos durante una tarea de abandono de destino.

Protocol

1. Instrumentación Vector TDI se basa en la estimación del vector de velocidad resultante a partir de mediciones de velocidad Doppler tomadas a partir de dos o más direcciones independientes. Se utilizó un sistema de ultrasonidos con una interfaz de la investigación para el desarrollo de VTDI. La interfaz de la investigación permitió la formación de haz bajo nivel y control de secuencia de pulsos usando un kit de desarrollo de software (SDK). Se utilizó un transductor lineal de 5-14 MHz, que consiste en 128 elementos transductores y con un campo de 38 mm de vista. La interfaz de la investigación fue empleado para dividir el transductor de matriz en dos aberturas de transmisión y recepción y dirigir los haces de recibir por 15 ° con respecto a la normal. El haz de transmisión se centró en la región de interés (por ejemplo vientre muscular). Transmitir y recibir aberturas se fijaron a 32 elementos. Ocho sujetos, 4 hombres y 4 mujeres (29,7 ± 6,5 años) fueron reclutados en este estudio. Medidas cinemáticas de los sujetos de laextremidades inferiores derecho fueron capturados utilizando un sistema de captura de movimiento de ocho cámara con capacidad de alta velocidad y una velocidad de muestreo de 200 Hz. Datos de la fuerza de reacción del suelo durante el experimento se obtuvieron a través de un muestreo de dos placas de fuerza a 2.000 Hz. Una cámara de alta velocidad montado en un trípode y se coloca a 2 m de la materia, se utilizó para captar la caída de aterrizaje en 500 cuadros / seg. 2. Asunto Preparación Pregunte a los sujetos para usar un par de pantalones cortos, sujetador deportivo o un corto de los zapatos de la camiseta y de funcionamiento. Instruya a los sujetos que realizaran un 10 min autodirigido de calentamiento y estiramiento antes de la recolección de datos. Esto es para evitar contracciones musculares anormales y reducir el alcance de cualquier calambres musculares. Después de la sesión de calentamiento, coloque los marcadores reflectantes en puntos de referencia específicos en el cuerpo. En concreto, los marcadores de posición de calibración en los mayores trocánter, medial bilateral y de rodilla lateral y medial y lateral maléolos. Coloque marcadores de seguimiento en la parte posterior y anterior crestas ilíacas, y hacer agrupaciones en los muslos y pierna, y cinco marcadores en cada pie 19-20. Dirija los temas del stand en el centro de la zona de enfoque de las cámaras 3D para obtener una prueba estática. Los participantes deben estar en las plataformas de fuerza con sus brazos sobre sus hombros, para obtener los datos de captura de movimiento 3D estáticas. Luego, coloque el transductor de ultrasonido en un soporte de transductor y asegurar un buen chisme, para evitar que se desprenda el transductor de ultrasonido del soporte del transductor. El soporte de transductor se hizo utilizando Lexen policarbonato y plástico moldeable. Para asegurar un buen contacto con la piel y el transductor de ultrasonido, aplicar cantidad generosa de gel de transmisión de ultrasonidos en el transductor. Coloque el transductor de ultrasonidos junto con el soporte de transductor en el muslo del sujeto a la imagen el músculo recto femoral en el eje longitudinales. El transductor debe colocarse a medio camino entre la espina ilíaca anterior y el epicondoyle lateral para obtener imágenes del vientre del músculo recto femoral. Antes de fijar el transductor de ultrasonidos y el soporte de transductor a la pierna, obtener un corte axial del grupo muscular del cuádriceps. Usando esto como una guía, asegúrese de que el transductor de ultrasonido ahora Imaging el recto anterior y no se mueve más lateral o medial, para evitar la formación de imágenes del grupo muscular vastii. Ahora, utilizar un vendaje autoadhesivo cohesiva para asegurar el soporte del transductor en el muslo del sujeto. Convertir esta etapa procesal no bloquee ni tape los marcadores reflectivos. El vendaje auto-adhesivo no debe estar floja o muy apretados. Vendaje Lax arriesgará el transductor de ultrasonido a caer durante la tarea de abandono de destino y un vendaje demasiado apretado causará molestias, interrumpir el flujo sanguíneo superficial y posiblemente alterar la dinámica de caída de aterrizaje. Coloque tque la cámara de alta velocidad de al menos 2 m de distancia del sujeto en el plano sagital para recoger los vídeos a un 500 cuadros / seg. Enfoque la lente de la cámara para asegurar que toda la secuencia de aterrizaje caída del sujeto puede sido capturado. 3. Protocolo Experimento Una vez que todos los marcadores y el transductor de ultrasonidos son seguros, pedir a los sujetos que subirse a una plataforma de la altura de 30 cm a cabo en 50 cm de las placas de fuerza. Asegúrese de que el área alrededor de la plataforma (aproximadamente 2,5 m) esté libre de objetos que puedan dificultar la tarea de aterrizaje gota o lesionar al sujeto. Esto incluye el cable de transductor de ultrasonidos. Instruya a los sujetos a poner sus manos sobre sus caderas antes de iniciar la tarea de aterrizaje caída y durante toda la secuencia de aterrizaje caída. Inicie la recolección de datos para la ecografía, la captura de movimiento 3D, plataformas de fuerza y ​​de la cámara de alta velocidad antes de comenzar la tarea de aterrizaje caída. La sincronización entre los diferentes instrumentos puede ser logrard mediante el uso de una sola pulsación de tecla para empezar la adquisición de datos. Un sensor de presión conectado al teclado puede ser utilizado para generar una señal de disparo de sincronización cuando se pulsa una tecla específica. Dirigir el objeto de realizar la tarea de abandono de aterrizaje de la plataforma y de la tierra con las dos piernas, de forma simultánea. Asegúrese de que los sujetos caen de la caja en vez de saltar de ella. No se proporcionan instrucciones específicas con respecto a la técnica de aterrizaje. Detener la recolección de datos una vez que el sujeto se ha estabilizado por completo y completado la secuencia de aterrizaje caída. Repita este protocolo de cinco veces por asignatura. 4. Análisis de Datos Ultrasonido Exportación y almacenar los datos en bruto del sistema de ecografía a un ordenador. Los radiofrecuencia prima (rf) datos de ultrasonidos de cada haz de recepción se digitaliza a 40 MHz. Procesar los datos utilizando MATLAB. Lleve a cabo la demodulación en cuadratura en los datos RF para eliminar la frecuencia portadora. Retire stationary y de baja frecuencia desorden mediante el filtrado de los datos en cuadratura de cada uno de los haces de recepción y para cada profundidad utilizando un filtro de paso alto de 20 Hz. Estimar las velocidades a lo largo de ambos reciben vigas utilizando el estimador de velocidad autocorrelación convencional 21. Combinar las formas de onda de velocidad individuales para obtener lateral (a lo largo del transductor) y formas de onda axial (perpendicular al transductor) de velocidad a lo largo de la secuencia de aterrizaje gota, como se ve en la Figura 1. Obtener la magnitud del vector de velocidad resultante de las componentes de la velocidad individuales utilizando la ecuación 1 como se ha descrito previamente 22: donde β es el ángulo de orientación de haz, f 1 y f 2 son los dos componentes de frecuencia recibidas y f t es la frecuencia de transmisión. Calcular el lateral y axial de la velocidad de deformación / dt utilizando el gradiente espacialpadres en las velocidades laterales y axiales. donde V 2 y V 1 son velocidades instantáneas estimados en dos localizaciones espaciales separadas por una distancia L. Calcular la deformación axial y lateral, e, mediante la integración de la velocidad de deformación axial y lateral, respectivamente. 5. 3D Motion Analysis Capture Data Exportar los datos de captura de movimiento 3D a un ordenador para su posterior análisis. Utilizando la prueba de pie estática, cree un modelo cinemático (pelvis, muslo, pierna y pie) utilizando el software de captura de movimiento 3D con una optimización de mínimos cuadrados 23. Utilice este modelo cinemático para cuantificar el movimiento de la cadera, la rodilla y articulaciones de los tobillos. Filtrar el marcador trayectorias reflectantes y las fuerzas de reacción del suelo utilizando una cuarta orden de paso bajo Butterworª filtro con una frecuencia de corte de 7 Hz y 25 Hz, respectivamente, utilizando el software de captura de movimiento en 3D. Calcule 3-D las fuerzas y momentos conjuntas de la cinemática y datos sobre la fuerza de tierra mediante un análisis estándar de la dinámica inversa, utilizando las características inerciales segmento estimados para cada participante de acuerdo a los métodos de Dempster. Entre los segmentos conjunta momentos son momentos internos (por ejemplo, una rodilla momento extensión interna se resistirá a una carga de flexión aplicada a la rodilla). 6. Análisis de los datos de la cámara de alta velocidad Exportar los videos de los datos de la cámara de alta velocidad a un ordenador para el análisis y la comparación con la ecografía y la cinemática de datos de captura de movimiento en 3D. Reproducir la película a 15 cuadros / seg y observar la dinámica de caída de aterrizaje. Entonces, cuantificar el movimiento del soporte de transductor y el desplazamiento del transductor de ultrasonidos durante todo el ensayo de aterrizaje gota mediante el seguimiento de los marcadores visibles en la anatomihitos cal utilizando los datos de vídeo de alta velocidad. La evaluación de la dinámica de aterrizaje gota también se puede hacer de forma simultánea para comprender mejor los diferentes estilos de lanzamiento y de aterrizaje.

Representative Results

Los resultados representativos de nuestros trabajos anteriores que demuestran que los métodos se presentan a continuación. Mientras que los métodos utilizados en nuestra investigación actual se integran de formación de imágenes y de captura de movimiento, los resultados se presentan a continuación son representativos de estudios en los que estas mediciones se realizaron por separado. I. La ecografía (VTDI) Utilizando los datos de la captura de movimiento en 3D y la cámara de alta velocidad, el patrón de salto de tema, se estudiaron las fases de aterrizaje y de estabilización para cada ensayo. El recto axial y lateral femoral velocidades musculares de VTDI se compararon con los datos obtenidos de la captura de movimiento en 3D y una cámara de alta velocidad. Con estos datos, se estudiaron las características temporales de la axial y las velocidades del músculo recto femoral lateral a lo largo de la secuencia de aterrizaje caída. Velocidades laterales positivos corresponden a la contracción excéntrica del músculo recto femoral durante la flexión de la rodilla,mientras que las velocidades laterales negativos corresponden a la contracción concéntrica del músculo durante la extensión de rodilla. Esto se ilustra en la Figura 2. La secuencia de caída de aterrizaje todo para todos los sujetos duró aproximadamente 1,45 ± 0,27 segundos. Para cada tema, las velocidades axiales y el músculo lateral mostraron una fuerte capacidad de repetición entre los ensayos con una pendiente de 0,99 y R2 = 0,75 (Figura 3). Los valores de velocidad para seis de los ocho sujetos se encontraban en un rango similar de 48 a 62 cm / s, mientras que dos sujetos (dos hombres) tenían velocidades más altas. Los varones (72,96 cm / seg) presentaron significativamente mayor velocidad muscular que las mujeres (48,71 cm / seg), p = 0,029, al ajustar por el peso y el grosor del músculo individual de cada sujeto. La posición del transductor de ultrasonido fue rastreado pensó que la secuencia de caída de aterrizaje de utilizar la cámara de alta velocidad. El ángulo entre el segmento de línea hecha entre el trocánter y el manguito (tablero verdese calculó el segmento de línea ed) y el segmento de línea entre la mitad del muslo y el manguito (segmento de línea discontinua de color púrpura). Un total de 16 ensayos, con 2 ensayos por sujeto (ensayo 1 y 2 se refieren a someter a 1 y así sucesivamente) se observa en la Figura 4. Se observó variación angular mínima (0,91 ° ± 0,54 grados) del soporte de transductor en relación con los marcadores anatómicos durante el aterrizaje sobre los 16 ensayos. La variación angular transductor de ultrasonidos presenta una alta repetibilidad así (CPI 2,1 = 0,90, p <0,05). Esto muestra que el movimiento del transductor durante el ensayo de aterrizaje fue mínima y las mediciones de la velocidad no se ve afectada debido a cualquier movimiento del transductor. II. 3D Motion Camera & Fuerza Placas Nos centramos principalmente en la rodilla y los ángulos de flexión de la cadera, el ángulo valgus de rodilla, y la rodilla en valgo momento. Hemos encontrado que durante el contacto inicial con el suelo, los sujetos tenían los siguientes patrones cinemáticos: cadera flexion 41 ° ± 13 °, flexión de rodilla de 23 ° ± 9 grados y en valgo de la rodilla 0,03 ° ± 6 grados. A medida que progresan en la fase de aterrizaje, los ángulos máximos alcanzados fueron: flexión de la cadera 58 ° ± 19 grados, flexión de rodilla de 54 ° ± 24 grados y en valgo de la rodilla -4 ° ± 8 grados (Figura 5). Momento en valgo de la rodilla presenta una disminución de 0,03 ± 0,03 a 0,1 ± 0,1 Nm / km desde el contacto inicial de tierra a su máximo durante la fase de aterrizaje (Figura 6). Figura 1. Representación de la medición de la velocidad VTDI del músculo recto femoral. El rayo gris representan los dos de transmisión individual y recibir las vigas y la línea roja representa la componente de la velocidad lateral (a lo largo de la dirección proximal-distal de la rodilla) y la línea azul representa la velocidad axial componente (a lo largo del espesor del músculo). <p class = "jove_content"> Figura 2. Axiales y laterales velocidades durante el aterrizaje gota se comparan con la secuencia de fotogramas de vídeo (panel superior). El panel inferior es las velocidades axiales y laterales, donde A corresponde a la flexión inicial de la rodilla, B corresponde a la extensión de la rodilla, C corresponde a la dedo del pie de golpear el suelo, D corresponde al talón golpear el suelo, E corresponde a la rodilla después del aterrizaje de flexión y F corresponde a la extensión de la rodilla y la estabilización. Figura 3. Repetibilidad de la magnitud del vector velocidad resultante de los 8 sujetos (2 ensayos por sujeto). Men se denotan en los diamantes y las mujeres de color rojo en los círculos azules. Figura 4. Grupo A. El error enel ángulo entre el segmento de línea realizado por el titular de transductor de ultrasonidos y el marcador en la mitad del muslo (segmento de línea discontinua de color púrpura) y el segmento de línea hecha por el transductor de ultrasonidos y el marcador en el trocánter (puntos verdes segmento de línea). Panel B. El error absoluto en el ángulo entre el segmento de línea realizada por soporte de transductor de ultrasonidos y el marcador en la mitad del muslo y el segmento de línea realizada por el transductor de ultrasonidos y el marcador en el trocánter. Figura 5. La figura muestra la captura de movimiento en 3D durante la tarea de aterrizaje caída. A corresponde a la flexión de la rodilla inicial para el lanzamiento de la plataforma, B corresponde a la punta de golpear el suelo, C se corresponde con el talón golpear el suelo, D corresponde al aterrizaje de la rodilla después de la flexión y E corresponde a la knee extensión y estabilización. Click aquí para ver más grande la figura. Figura 6. La figura muestra la rodilla representante momento valgus cambios durante la fase de apoyo de drop-salto. Rodilla momento valgus presentó un aumento de 0,03 ± 0,03 hasta 0,1 ± 0,1 Nm / km de contacto inicial en tierra a su máximo durante la fase de aterrizaje. Haga clic aquí para ver más grande figura.

Discussion

Las imágenes por ultrasonido tiene la capacidad de proporcionar una evaluación directa de la cinemática del músculo en los estudios dinámicos que pueden complementar las medidas convencionales, como la captura de movimiento 3D, dinamometría, electromiografía, y mediciones de la fuerza de reacción del suelo. Este enfoque puede ser ampliamente aplicable para la investigación de la biomecánica fundamentales y la evaluación clínica. Hay tres enfoques principales para la estimación de movimiento del tejido mediante ultrasonidos: (1) métodos de rastreo de moteado que utilizan la correlación cruzada de radiofrecuencia (RF) en bruto datos de ultrasonidos o en escala de grises (o en modo B) los datos de imagen envolvente detectada. Estas técnicas han sido ampliamente utilizados en ambos esquelético 24-25 y seguimiento cardiaco 26 el movimiento muscular y la estimación, (2) los métodos de procesamiento de imágenes que hacen un seguimiento de los fascículos musculares o funciones 27-28 y (3) las técnicas de Doppler tisular utilizados tanto cardiaca 29 de estimación de movimiento 31 -30 y esquelético. Speckle tracking basado en espacial cross-cABLA DE CORRESPONDENCIAS se ha utilizado ampliamente para seguir el movimiento de los tejidos y puede seguir el movimiento con resolución sub-pixel. Sin embargo, los patrones de moteado decorrela rápidamente durante los movimientos más grandes. Movimiento fuera del plano de imagen también plantea un desafío para el rastreo de moteado. Los métodos para el seguimiento de la longitud del fascículo muscular tienen una mejor aplicabilidad, donde todo el fascículo se visualiza en la imagen durante la tarea dinámica. Los métodos que se basan en los datos de imagen de procesamiento tienen baja resolución temporal limitada por la velocidad de cuadros de imagen y, por tanto, no pueden seguir el movimiento a altas velocidades. Además, estos métodos de seguimiento fascículo son muy sensibles a fuera del plano de movimiento. Así sonda movimiento relativo al músculo podría provocar que el seguimiento falle. Estimaciones de velocidad de Doppler tisular convencional (TDI) pueden tener mayor resolución temporal, así son más robustas a los pequeños movimientos de la sonda. Métodos Doppler pueden estimar los componentes de velocidades sólo a lo largo del haz de ultrasonido, por lo que las estimaciones Doppler podrían ser inexactos due al ángulo variable de insonación con el movimiento del músculo. Nuestro método VTDI propuesto supera este problema mediante la utilización de dos haces de ultrasonido diferentes desviaron en ángulos diferentes, por lo que la estimación de la velocidad es independiente del ángulo de insonación en el plano de la imagen. Asimismo, la resolución temporal efectiva de VTDI puede ser de aproximadamente 0,1 ms y por lo tanto este método puede seguir el movimiento de los músculos esqueléticos durante actividades dinámicas (por ejemplo, abandono de destino, la marcha y el jogging).

Otras ventajas de nuestro enfoque incluyen el uso de un transductor de formación de imágenes de matriz lineal sobre la base de un sistema de ultrasonido clínica para realizar Doppler tisular del vector. Hemos controlado electrónicamente la transmisión / recepción de orientación de haz, tamaño de apertura y enfoque ubicaciones, para explorar un amplio campo de visión. Además, este enfoque se puede ampliar para realizar dúplex VTDI con proyección de imagen en tiempo real simultánea. Nuestro sistema también nos permite realizar imágenes de modo B convencional para lOcate la región de interés para la cuantificación de la cepa de tejido y la cinemática. Dado que este método se implementó en un escáner clínica, hemos sido capaces de implementar este método VTDI en un laboratorio de la marcha para la investigación de la biomecánica.

Las limitaciones de esta técnica deben ser acreditados. Hay varios factores que afectan a la precisión de las mediciones Doppler. estimaciones de velocidad basados ​​VTDI en dos dimensiones (largo y ancho de las fibras musculares) requiere el transductor lineal se divida en dos de transmisión / recepción sub-aberturas (32 elementos de ancho) y dirigir los haces de 15 °. Dirigir la ecografía transmitir y recibir las vigas a los ángulos más altos puede afectar a las medidas de velocidad, debido a lóbulos de rejilla. Además, la zona de la región de superposición del haz en VTDI cambia con diferentes profundidades de foco del haz 32, afectando potencialmente a las estimaciones de velocidad. La varianza de las estimaciones de Doppler depende de (1) la aceleración y desaceleración de tejido dentro de la ventana de tiempo de análisis (2) la varianza de tvelocidad de emisión dentro de la puerta de distancia Doppler (3) el ángulo Doppler variando dentro de la abertura utilizada para banda ancha espectrales La transmitida y recibida rayos de ultrasonido, también conocidos como la ampliación geométrica 33 y (4) el ancho de banda del pulso de ultrasonido transmitida, ya que el desplazamiento Doppler es proporcional a la frecuencia de la portadora 34. Varios métodos se pueden utilizar para limitar la varianza. Estimadores de velocidad basado en la fase, como la autocorrelación, utilizan típicamente pequeñas ventanas de tiempo de análisis en comparación con los estimadores espectrales, pero estiman significar desplazamiento Doppler en lugar de la intensidad máxima. Estimadores espectrales de banda ancha como la de Fourier 2D transforman 35 puede reducir la varianza debido al ancho de banda de pulso. En el caso de VTDI, el cual utiliza dos desviaron vigas Doppler, la varianza de las velocidades de tejido en la región de haz de solapamiento en relación con el músculo es otro factor a considerar. La contracción del músculo recto femoral es en 3D y el Velocity contraccióndad varía espacialmente a lo largo del músculo. Por lo tanto, es importante seleccionar cuidadosamente la región de interés.

En este estudio, se determinó la repetibilidad de la cinemática del músculo recto femoral durante una tarea de abandono de aterrizaje en ocho voluntarios sanos utilizando VTDI. A pesar de que los ensayos eran independientes, se observó velocidades de contracción máxima de los músculos altamente correlacionados y repetibles para las personas entre los ensayos. Actualmente estamos reclutando más sujetos en nuestro estudio para examinar más a este patrón. Este estudio ha proporcionado no invasiva y la medición en tiempo real de las velocidades de contracción del músculo recto femoral durante la caída de aterrizaje. Se observaron los siguientes patrones de velocidades de contracción durante las diversas fases de la tarea de aterrizaje gota (Figura 2): 1. Velocidades de contracción del músculo dominan en la dirección lateral en comparación con dirección axial durante la flexión de la rodilla (fase de lanzamiento) y la extensión (en-el-aire phase). Esto se esperaba, ya que el músculo recto femoral está experimentando contracción excéntrica durante la fase de lanzamiento y la contracción concéntrica durante la fase en-el-aire. 2. Velocidades bajas musculares laterales durante la tercera fase (dedo del pie tocando el suelo), con velocidades de músculo axial insignificantemente bajo. Esto corresponde a disminuir la contracción del músculo recto femoral durante esta fase 3. Aumento sustancial de velocidades musculares axiales y laterales justo después del talón toca el suelo. Esto es probablemente debido a que el músculo de someterse tanto contracción excéntrica y cambio de forma debido a la compresión, causando aumento en las velocidades a lo largo de las fibras musculares y normal a las fibras musculares, respectivamente. A pesar del hecho de que la tarea de aterrizaje gota es una tarea de alto impacto, VTDI demostró recto femoral repetible velocidades musculares. Esta técnica de ultrasonido podría tener un impacto clínico ya que este músculo es el principal responsable de la protección de la articulación de la rodilla debido a la sobrecarga.Por lo tanto, una evaluación posterior del músculo recto femoral en pacientes con reconstrucción del LCA se justifica para entender los mecanismos que conducen a la aparición temprana y acelerada de la OA.

Aunque los participantes en este estudio fueron todos les pidió que realizaran una tarea de abandono de destino natural de una plataforma de 30 cm de altura, encontramos diferencias en la altura del salto o lanzamiento. También, usando los datos de la cámara de alta velocidad, se observó que todos los sujetos tenían un estilo de aterrizaje gota diferente. Esto podría explicar las pequeñas diferencias entre los sujetos en los valores de velocidad máxima resultante del músculo recto femoral, como consecuencia de las posibles diferencias en los patrones de activación durante la tarea. Otro posible factor es las diferencias en el área de sección transversal del músculo recto femoral, lo que podría dar lugar a diferentes niveles de la contracción muscular y la producción de fuerza.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado en parte por el número de concesión 0953652 de la National Science Foundation y en parte por la bibliotecas de la Universidad George Mason de acceso abierto fondo editorial. Nos gustaría dar las gracias al Dr. Juan Roberto Cressman Jr. de proporcionar acceso a la cámara de alta velocidad.

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
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Referenzen

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Eranki, A., Cortes, N., Ferenček, Z. G., Sikdar, S. A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging. J. Vis. Exp. (79), e50595, doi:10.3791/50595 (2013).
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