3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue

Guido Weide; Stephan van der Zwaard; Peter A. Huijing; Richard T. Jaspers; Jaap Harlaar

doi:10.3791/55943

JoVE Journal > Medicine

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Medizin

3D УЗИ: быстрый и экономически морфометрия костно-мышечной ткани

Published: November 27, 2017

doi:

10.3791/55943

Guido Weide^1,2, Stephan van der Zwaard¹, Peter A. Huijing¹, Richard T. Jaspers*¹, Jaap Harlaar*²

¹Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioural and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam,Amsterdam Movement Sciences, ²Department of Rehabilitation Medicine, VU University Medical Center Amsterdam,Amsterdam Movement Sciences

Summary

3D УЗИ изображений (3DUS) позволяет быстро и экономически морфометрия тканей опорно-двигательного аппарата. Мы представляем протокол для измерения объема и брошюры Длина мышцы с помощью 3DUS.

Abstract

Развития цель 3D ультразвуковой визуализации (3DUS) является инженером механизм для выполнения 3D УЗИ морфологический анализ человеческих мышц. 3DUS изображения построены из калиброванного freehand 2D B-режиме УЗИ изображения, которые расположены в массив voxel. УЗИ (США) позволяет количественной оценки размер мышц, брошюры длины и угла pennation. Эти морфологические переменные являются важными факторами, определяющими мышечной силы и длина диапазона нагрузок силы. Представленные протокол описывает подход для определения объема и брошюры длина м. мышц бедра и икроножных m. широких. 3DUS способствует стандартизации с помощью 3D анатомические ссылки. Этот подход обеспечивает быстрый и экономически эффективным подходом для количественной оценки 3D морфология в скелетных мышцах. В области здравоохранения и спорта информация о морфометрия мышц является очень ценным в диагностики и/или последующих оценок после лечения или профессиональной подготовки.

Introduction

В области здравоохранения и спорта информация о морфологии мышц является очень ценным в диагностики и/или последующих оценок после лечения или подготовки¹. УЗИ (США) представляет собой инструмент, широко используется для визуализации образований мягких тканей в мышечных заболеваний², критических заболеваний³^,⁴, сердечно-сосудистые заболевания⁵, неврологических расстройств⁶^, ⁷^,⁸и последствия физической подготовки⁶^,⁹^,¹⁰. США изображений позволяет количественной оценки размер мышц, брошюры длины и угла pennation. Эти морфологические переменные являются важными детерминанты мышечной силы и Длина круга силы нагрузки¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵.

В настоящее время, Тепловизионные измерения США основном выполняются в 2D изображения, при выборе экзаменатор предположительно, подходящую ориентацию и расположение ультразвуковой зонд. Такие 2D методы ограничения морфологических измерений в одной плоскости, в то время как параметр интерес не может присутствовать в этой плоскости. Морфологический анализ требует 3D подход, обеспечивая вне плоскости измерения с использованием 3D опорных точек. Такое 3D морфологических представление мягких тканей известно обеспечиваться магнитно-резонансной томографии (МРТ)¹⁶^,^,¹⁷¹⁸^,¹⁹^,²⁰. Однако МРТ, дорого и не всегда доступны. Кроме того визуализация мышечных волокон требует специальных МРТ последовательности, такие как (DTI)²¹тензора диффузии изображений. Экономически эффективные альтернативы МРТ является 3D УЗИ (3DUS). 3DUS подход обеспечивает несколько преимуществ перед МРТ методы, например, она накладывает меньше ограничений для позиционирования тему во время экзамена. 3DUS изображений — это метод последовательно захвата изображений 2D (B-режим США) и размещение их в²³^,²²^,массив элемент (вокселей) объем²⁴. Процесс реконструкции изображения 3DUS состоит из пяти шагов: (1) захват серии freehand 2D изображения США; (2) отслеживать положение США зонд, с помощью системы Motion Capture (MoCap); (3) синхронизация мокап позиции и США изображения; (4) расчета местоположения и ориентации ультразвукового изображения в массиве voxel, с помощью калиброванного системы ведения; и (5) размещение эти образы в этот массив вокселей.

3DUS подход успешно применялся для оценки морфологии скелетных мышц¹⁵^,²⁵^,²⁶^,²⁷^,^,²⁸²⁹. Однако предыдущие подходы⁷^,¹⁵^,²⁵^,³⁰ оказались громоздкой, много времени и технически ограничен, как может быть восстановлен лишь небольшие сегменты больших мышц.

Для совершенствования подхода, 3DUS, был разработан новый протокол 3DUS, что позволяет восстановления полного мышц в течение короткого периода времени. Этот протокол статьи описывает использование 3DUS обработки изображений для морфометрия m. мышц бедра (вл) и м. икроножных широких (GM).

Protocol

Все процедуры, связанные с людьми были одобрены Комитет медицинской этики медицинского центра VU, Амстердам, Нидерланды. 1. приборостроение К ультразвуковое устройство измерения компьютер. При необходимости, используйте кадр захват оборудования или программного обеспечения для хранения последовательных ультразвуковых изображений.Примечание: Зонд линейный массив 5-см (12,5 МГц) используется для создания изображения в B-режиме (25 Гц). Перед каждым измерением изображения глубина, акустические частоты и мощности оптимизированы для визуализации интерфейсов экстра – и внутримышечные соединительной ткани. Во время измерения эти параметры не изменяются. Подключите к компьютеру измерения мокап системы . Жестко соединить маркер кластера мокап ультразвуковой зонд для отслеживания позиции и ориентации США зонда. Подключите устройство синхронизации (кристалл piezo) к входу триггера мокап системы.Примечание: Активация синхронизации устройства моментально активирует кристалл piezo, отправки звуковых волн к преобразователя. Полученные soundwaves создать артефакт собственный имидж США в момент начала системы (рис. 1А, стрелка). Заполните заказ калибровки кадра (фантом) с водой. 2. Калибровка Примечание: Выполните пространственной калибровке для вычисления матрицы преобразования (дляTот) из США изображения относительно системы координат зонд. Этот процесс калибровки был ранее описанные22. Краткое описание смотрите ниже. Место Фантом заполнен водой, проведение crosswire (т.е. две подводные пересечения проводов) на известной позиции в пределах phantom система координат (Phxyz Рисунок 1B, стрелка), на устойчивой поверхности. Измерения температуры воды с помощью термометра. Используйте инструмент Указатель мокап для записи позиции и ориентации Фантом в глобальной системе координат (Gl). Запустите выборки изображений США и активировать мокап данных приобретение (описано в шаге 3.3.3). Опускайте голову США зонд (Pr) в воде. Перевод и вращать США зонд для 40 s (выборки при 25 Гц) во всех направлениях, поддержание видимость crosswire в США изображения (Im). Остановка сбора данных. Синхронизировать мокап данных и изображений США путем выявления первый кадр США, содержащий артефакт создан кристалл piezo и обрезать изображения последовательности США соответственно (описано в шаге 3.4.1.1). Определить соответствующие изображения США, в которых crosswire отчетливо видна и отслеживать положение crosswire в изображениях США (яимxyz) и правильное положение для температуры воды. Определить положение crosswire отношении движущихся Pr на серию преобразований от Ph до Pr (уравнение 1) на время экземпляров (i = 1: n) соответствует crosswire идентификации в шаге 2.8. Рассчитать Im к матрице преобразования Pr (PrTIm), решая уравнение 2, с участием всех идентификаций crosswire в Im (измеряется в шаге 2.8), в то время соответствует (i = 1 : n) координаты crosswire в Pr (рассчитывается на шаге 2.9). Рисунок 1: схема алгоритма 3DUS. (A) захвата движения (MoCap) системы используется для отслеживания кластера маркеров, жестко соединен с ультразвуковой зонд, в рамках глобальной системы координат (Gl). Синхронизации данных мокап и УЗИ осуществляется делает использование артефакта (стрелка), представленный Optotrak срабатывает пьезо кристалл. (B) положения и ориентации системы координат ультразвуковое изображение (Im) вычисляется относительно системы координат зонд (Pr) путем выявления известной точки в рамках Pr и Im. Для этой цели специально Фантом используется с водой, держа crosswire (т.е. два погруженной пересечения проводов) на известной позиции в системе координат Фантом (Ph). (C) с ряда преобразований, это известная точка вычисляется в Pr. (D) с полным ряда известных преобразований изображения от Im могут быть преобразованы в любой voxel массив координат (Va). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 3. экспериментальный протокол Примечание: Экспериментальный протокол описывает два типичных протоколы с участием 3DUS изображений, то есть морфометрия ГМ и VL (рисA). Тема позиционирования Для ГМ эксперимента: Задать тему лежать подверженных на стол с обеих ног, нависающие края таблицы. Выравнивание по горизонтали, голени, поместив поддержки под голени. Исправьте бедра к таблице экзамен с набивочного крепежные ремни, чтобы предотвратить расширение колена во время экспериментальный протокол. Соответствовать нога ноги, чтобы быть отсканированы в заказных подножка31. Подключите на заказ динамометрический с прилагаемой гониометр подножка31. Найти подножка угол, соответствующий внешне прикладной крутящего момента, например., 0 Нм(рис. 2). Исправьте подножку в ориентации, соответствует 0 момент чистой dorsiflexion Нм, с помощью раздвижной стержень, который подключен к таблице (рис. 2A, стрелка). Для ВЛ эксперимента: Спросите вопросы лежат бездеятельный на изучение таблицы. Задать угол сгибания коленного сустава (т.е. практике как угол между линиями, соединяющими центры lateralis лодыжки с epicondylus lateralis и последний с вертела основных) до 60 °, по позиционирование голени на подставке. Поместите луч треугольной формы под ягодицы, чтобы предотвратить хип движения. Исправьте голени для поддержки две мягкие крепления ремней, чтобы предотвратить движение ногой во время экспериментальный протокол. Установите хип угол (т.е. практике как угол между линиями, соединяющими os coracoides с вертела основныхи последний с надмыщелок lateralis femoralis) до 95 °, изменив угол вернуться поддержку изучение таблицы.Примечание: Эта поза описанных был выбран, как он напоминает совместное углы во время оптимального Изометрические колена расширение измерения32,33. Локализация и костлявые достопримечательностей региона интерес (ROI)Примечание: Это делается для руководства 3D УЗИ и пост экспериментальной количественного определения субъекта бедро, голени и стопы осанки. Выявлять и фиксировать позиции анатомические костлявые достопримечательностей в глобальной системе координат, используя средство указатель мокап. Для ГМ эксперимента: Определить следующие достопримечательности при пальпации и пометить их, используя маркер хирургический кожи: наиболее известных спинной аспекты epicondyles медиальной и латеральной бедра и центры malleoli голени и малоберцовой кости. С помощью устройства США, выявить и обозначить с помощью маркера хирургической кожи самое поверхностное точек мыщелков бедренной медиальной и латеральной (на спинной стороне ноги) и наиболее проксимальной расположение вставки ГМ на пяточной кости. Для ВЛ измерения: Определить следующие достопримечательности при пальпации и пометить их, используя маркер хирургический кожи: медиальной и латеральной malleoli (как выше); наиболее проксимальной вставки коленная чашечка сухожилие tuberositas голени; медиальной и латеральной epicondyles (как выше); верхушки надколенника и наиболее проксимальных, медиальной и латеральной вставки границ на коленной чашечки; и os coracoides на плече. Определить с устройством США и Марк самый поверхностный аспект вертела основных и наиболее проксимальной вставки ВЛ на основных вертела. Для всех мышц используйте средство указатель мокап для записи помеченные достопримечательности (описано в разделах 3.2.1 и 3.2.2) в глобальной системе координат. Переместить указатель инструмента мокап выявленных анатомические ориентиры и используйте мокап программное обеспечение для записи положение, нажав на кнопку «запись». Использование УЗИ для определения границы медиальной и латеральной мышц; Марк медиальной и латеральной границы на коже с помощью маркера хирургической кожи. 3D УЗИ Поручить этому вопросу не двигаться во время 3D УЗИ. Нанесите гель достаточно УЗИ на рентабельность инвестиций для обеспечения надлежащего контакта между кожей и США зонд.Примечание: Такое применение геля позволяет ограничивать датчик давления и, таким образом, необходимо получить четкое изображение США деформации ткани. Открыть фрейм граббер программного обеспечения (например, WinDV34) на компьютере, измерения и начать США захвата изображений, нажав на кнопку «Запись». Впоследствии инициировать и активировать приобретение мокап данных, нажав кнопку «Пуск» на устройстве синхронизации; Это автоматически активирует устройство синхронизации (то есть кристалл piezo) расположен недалеко от США зонд, создавая собственный артефакт в изображении США по настоянию мокап посвящения (рис. 1А, стрелка). При минимальной зонд давления еще обеспечения качества изображения, переместите зонд с постоянной скоростью над ROI; Это называется «размах». Убедитесь, что ясно анатомические поперечного сечения изображения США целевой мышцы записываются. Визуально проверьте для движения предмета во время экзамена; Если предмет движется, прервать развертки и повторите шаг 3.3.1. Протокол развертки для ГМ эксперимента Место США зонд проксимально для мыщелков бедренной кости на медиальной аспект бедра. Выполните развертки (как описано в разделах 3.3.1 – 3.3.5) в Межзубно дистальном направлении вдоль медиальной границы ГМ, обеспечение видимости в пределах анатомического поперечные изображения медиальной границы ГМ и ахиллово сухожилие, вплоть до его вставки на пяточной кости. Добавление дополнительных зачисток (как описано в разделе 3.3.3 – 3.3.5) до тех пор, пока весь ROI сканируется и медиальной границы мышцы imaged полностью (рис. 2B). Используйте след в геле предыдущего прохода для следующего развертки, слегка перекрывающихся (0,5 см) предыдущий прокатилась области. Протокол развертки для эксперимента VL Место США зонд на боковых аспект плато большеберцовой кости. Начните развертки в дистальной проксимальном направлении боковые границы ВЛ, обеспечение видимости боковые границы ВЛ, все, вплоть до происхождения на основных вертела. Добавление дополнительных зачисток (как описано в разделе 3.3.3 – 3.3.5) до тех пор, пока весь ROI сканируется и медиальной границы VL imaged полностью (рис. 2B). Используйте след в геле предыдущего прохода для следующего развертки, слегка перекрывающихся (0,5 см) предыдущий прокатилась области.Примечание: Во время развертки протокол, движения предмета должны быть предотвращены, как движений отрицательно влияет на позиционирование 2D изображения США в массиве вокселей. Количество зачисток определяется шириной зонда и ширины целевых мышц. Как правило зонд шириной 4 см и шириной мышцы 12 или 18 см, 5 или 7 зачисток, соответственно необходимы для покрытия ROI, включая границы. Рисунок 2: Схема экспериментальной установки и отчётами ультразвуковой зонд над целевой мышцы (m. икроножных широких (GM) установки и установки m. мышц бедра (VL)). (A) конкретные совместные конфигурации темы для двух экспериментальных условиях. Объекты отображаются зеленым регулируемые для задания позиции и ориентации конечностей. Стрелка указывает раздвижной стержень, который используется для исправить подножка угол. (B) путь нескольких зачисток ультразвуковой зонд над регионами интереса. Синие стрелки представляют собой одно зачисток над областью интересов. Слева: зачисток через ГМ; Справа: зачисток над вл. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 3D УЗИ voxel массив реконструкция Восстановить одного 3DUS voxel массив (3DUS изображение) от одной развертки на кожу конкретные анатомические ROI (например, мышцы, сухожилия), бин наполнения и inpainting 3DUS voxel массив с помощью пользовательского скрипта. Чтобы восстановить 3DUS voxel массив, выполните следующие шаги после экспериментальной. Синхронизировать мокап данных и изображений США путем выявления первый кадр США содержащие кристалл создан артефакт piezo и обрезка США изображение последовательности соответственно с VirtualDub программное обеспечение35. Во-первых установите ползунок выбора кадра на выявленных начальном кадре и нажмите кнопку «домой» на клавиатуре. Далее переместите ползунок в конце измерения (последний контакт кожи) и нажмите кнопку «конец». Нажмите кнопку «F7», чтобы экспортировать последовательности обрезанного изображения. Определите voxel массив (Va) системе координат, которая может быть заполнена с США изображения, с помощью пользовательского скрипта. Убедитесь, что ва ориентированный согласно направление сканирования и размера, чтобы соответствовать все изображения США одного прохода.Примечание: Первоначально, Va , состоит из прямоугольной формы вокселей, с более осей в направлении прохода; Эта форма улучшает эффективность наполнения. Назначьте вокселей в ва с серо значения пикселов из США изображения, с помощью пользовательского сценария. Этот процесс описан как вперед сопоставления или Бен наполнения (уравнение 3; Рисунок 1 C) 23 , 24.Примечание: Это показывает вперед отображение 2D изображений США в ва по ориентации и положение изображения в системе координат ва. Короче говоря, позиции всех точках одного изображения (Imxyz(1:n)) на экземпляр времени (i), одновременно сопоставляются вперед voxel массив. Бен заполняя процедура заполняет только адресованные вокселей, оставляя не рассмотрены вокселей пустым (т.е. черный).Примечание: указывает обратное описано преобразование матрицы (т.е. Pr к матрице преобразования Gl ). С помощью пользовательского сценария выявить пробелы внутри voxel массива (то есть черный вокселей). С помощью обработки двоичных изображений, выполните следующие действия: Создание бен заполнены двоичные voxel массив, в котором обозначены все заполненные вокселей. Используйте двоичный образ дилатация и эрозии, с же размер структурирование элементом, для обозначения всех соответствующих вокселей (то есть серо значных вокселей) внутри отсканированного региона. Выявления пробелов путем вычитания Бен заполнены двоичные voxel массив (с пробелами) от соответствующих вокселей (без пробелов).Примечание: Последующие операции дилатация и эрозии являются шаги обработки изображений для выполнения двоичного изображения. Выполнив эти шаги один за другим, вне границ остаются пока внутри удаляются пробелы. Заполнения выявленных пробелов с помощью «inpaint процедура» и окружают серо значных вокселей36.Примечание: Этот метод inpaint могут быть использованы для: «заполнить пробелы с гладкой interpolant на основе минимизации сумма квадратов второй производной в каждой меткой voxel, измеряется на сетке конечных разностей»36. Уравнять размеры voxel ва «бикубический» интерполяция и сохраните voxel массив как с накоплением .tiff (3DUS изображение). Нескольких зачисток реконструкция Реконструировать все индивидуальные зачисток (описано в разделе 3.4) покрытие один больше ROI по той же системе координат ва для слияния нескольких зачисток. Создайте новую систему координат ва , изменяются, чтобы вместить всех индивидуальных реконструированный зачисток. Поместите отдельных вашаг за шагом в больших ва. Если voxel уже назначен другой ва, этот voxel будут перезаписаны только если новый voxel имеет серый значение ≥10 в 8-битных масштабе, в противном случае новое значение voxel серый отбрасывается. 4. измерение переменных мышц морфология Используйте Медицинский инструментарий взаимодействия37 (МИТК) для загрузки изображения 3DUS и получить координаты происхождения, вставки и дистального конца мышцы живота. После загрузки 3D изображения, установите нарезке «Зарядовой связью перекрестие ротации». Выравнивание осей с мышц или костные структуры для точного извлечения координат.Примечание: МИТК предпочтительнее других 3D изображений программное обеспечение для анализа для оценки анатомических точек, потому что она позволяет быстро и интерактивные voxel массив нарезки в любом направлении («зарядовой связью перекрестие вращение»), облегчения процедуры идентификации. Для того чтобы измерить объем мышц, используйте МИТК для идентификации мышцы живота границ между происхождением и дистального конца мышцы живота. Используйте встроенный сегментации МИТК вручную сегмент нескольких анатомических разрезов равномерно, распределенных по длине мышцы живота (рисA). Откройте средство сегментации и создать «новый сегментации». Начните, сегментации мышц границ, определенных в поперечном сечении на полпути вдоль мышц живота. Нажмите «A» на клавиатуре, чтобы добавить вручную сегментации и рисовать, нажав левую кнопку мыши и перемещая курсор после границ мышц. Нажмите на ‘ для удаления частей сегментации. Нажмите клавишу, соответствующую последнего выбранного режима (т.е. «A» или ‘S’) чтобы переместить перекрестие других сечений вдоль мышц живота. Повторите шаг 4.2.1 сегмент нового выбранного сечения. Повторите этот шаг для по крайней мере 6 раз, прежде чем переходить к следующему шагу. Посреди всех сечениях по длине мышцы живота «Интерполяции» «разрешить», обзора предлагаемого segmentations мышц границ (желтая линия). Добавьте дополнительные segmentations в сечениях, в которых предлагаемые интерполированные сегментации (желтая линия) не соответствует границы мышц в изображении. Повторите шаг 4.2.2. Нажмите на кнопку «Подтвердить все срезы» и выберите плоскость, в которой были сделаны segmentations. Сохранение двоичных тома как файл почти сырой растровых данных (NRRD) и рассчитать размер меткой тома, с помощью пользовательского скрипта. Найти ориентацию плоскости брошюры в середине продольных мышц живота, содержащий полную длину брошюры (рисA)38.Примечание: Середине продольной плоскости определяется тремя точками. Первые две точки происхождения и дистального конца мышцы живота. Третья точка находится в анатомические поперечного сечения изображения на полпути между происхождением и дистального конца мышцы живота. В рамках этой анатомические поперечного сечения изображения посредине между первых двух точек, проецируется тангенс дистальной апоневроза урожайности третий пункт, вместе с происхождение и дистального конца мышцы живота определяет середине продольной плоскости. От середины продольной плоскости Измерьте длину брошюры в предварительно определенных стандартных позиции между происхождением и дистального конца мышцы живота (например, 50%). Сегмент границы мышц. Поместите линию на полпути и поворот этой линии до тех пор, пока она соответствует направление основной брошюры. Пересечения этой линии с границами мышц представляет оценку брошюры длины (рис. 3B).Примечание: Ранее, оказалось необходимо принимать во внимание, иногда изогнутые, ориентации в дистальной апоневроза38, как видно в анатомические поперечного сечения изображения (рис. 3B), на полпути между происхождения и дистальных конец мышцы живота. Рисунок 3: схема анализа 3DUS. (A) определение и Сегментация целевой мышцы границ анатомических поперечного сечения изображения на полпути вдоль мышц живота. Сплошная зеленая линия представляет ориентации середине продольной плоскости (т.е. ориентированные перпендикулярно к ориентации дистальной апоневроза (синяя пунктирная линия). (B) измерение длины брошюры осуществляется в середине продольных брошюры плоскости. Регионе красный прозрачный сегментирована по идентификации границ мышц. Желтая пунктирная линия размещается на полпути на мышцы живота и поворачивать до тех пор, пока она соответствует направление основной брошюры. Пересечения этой линии с проксимальных и дистальных aponeuroses (соединены толстая сплошная желтая линия) представляют собой оценки длины брошюры. Сплошная зеленая линия представляет положение и ориентацию плоскости анатомические поперечного сечения. Вверху: GM (m. икроножных широких) и внизу: VL (m. мышц бедра) мышц. Представляют собой белые квадраты для масштаба 1 см x 1 см. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Representative Results

Описаны 3DUS метод был использован для сбора морфологических данных ГМ и ВЛ в четырех мужских человеческих трупов, возраст смерти 76,8 ± 7.9 лет (средний ± SD). Трупов были получены через пожертвование программы Кафедра анатомии и неврологии в Vrije Universiteit медицинский центр (VUmc), Амстердам, Нидерланды. Тела были сохранены с помощью метода бальзамирования, направленные на поддержание морфологические особенности ткани39. До вскрытия образ 3DUS был сделан из ГМ и ВЛ по методике, описанной. Во время вскрытия кожи, подкожной клетчатки и фасции, наложение ГМ и ВЛ были удалены. Середине продольный разрез был сокращен, принимая ориентацию дистальной апоневроза во внимание. Использование суппорт, длина брошюры был измеренные, на полпути между происхождение и дистального конца мышцы живота. Впоследствии после тенотомия, мышцы живота был расчлененный и погруженной в столбце калиброванные воды. С помощью ImageJ, объемы были измерены на фотографии толщу воды и без мышц живота, и от разницы40был рассчитать объем мышц. Брошюры длины и объема были измерены в три раза, и были рассчитаны значения среднее и стандартное отклонение. Критерий действительности между измерениями метод и вскрытие 3DUS был протестирован с помощью корреляции Пирсона для средняя брошюры длину и мышц тома. Внутри оценщик надежность метода 3DUS, измерения длины и объема производных брошюры был количественно с помощью двухсторонней смешанная модель интра класса коэффициент корреляции (3,3ICC)41и после логарифмического преобразования данных, был рассчитан коэффициент вариации (CV). Действительность брошюры длины и мышц объем измерений были подтверждены значительные и высокая корреляция (r = 0,998, p < 0.01 и r = 0.985, p < 0.01, соответственно). Внутри оценщик надежности метода 3DUS производные измерения длины брошюры и объем был высоким (ICC3,3 0.983, CV 7,3% и ICC3,3 0,998, CV 5,4%, соответственно). Он пришел к выводу, что представленный подход 3DUS является допустимым и надежный инструмент для оценки объема и брошюры длина человека ВЛ и ГМ (Таблица 1). Таблица 1: Данные проверки трупа. C# является число трупа, GM- m. икроножных широких, вл m. мышц бедра. «Вскрытие» показывает результаты от вскрытия трупа, а «3DUS» показывает результаты анализа изображений 3DUS трупов.

Discussion

Достоверности и надежности 3DUS техника представлена который позволяет для быстрого анализа морфометрических переменных скелетных мышц. 3DUS различные подходы для визуализации мягких тканей были доступны для приблизительно десять лет⁴²^,⁴³, однако 3DUS подходы по-прежнему не используются. МРТ является «золотой стандарт» для оценки объемов в vivo мышцы (например., ссылается на¹⁶^,–¹⁷^,–¹⁸^,–¹⁹^,–²⁰). МРТ действия было проверено и подтверждено в исследованиях сравнивали фантомы или трупных органов известных тома МРТ основе объем сметы⁴⁴^,⁴⁵. Однако доступность МРТ исследований ограничено, и сканирует трудоемким и дорогостоящим. Кроме того испытуемого, которые поз ограничены родила захватить МРТ-сканеров. Типичный изображения МРТ генерировать недостаточная контрастность для выполнения измерения переменных мышц геометрии (брошюры длин и углов). Однако геометрия 3D мышцы можно оценить также с использованием МРТ с помощью дополнительных методов, например, DTI техника²¹. Подобно изображений МРТ, США обеспечивает адекватных разграничений между различными видами тканей (т.е. видны внутри нас Фото), обеспечивая механизм действительный для мягких тканей объем оценки¹^,³⁰ ^{на интерфейсы ,}⁴⁴^,–⁴⁶^,–⁴⁷^,–⁴⁸^,–⁴⁹. В отличие от МРТ 3DUS изображения имеют достаточного контраста для выполнения анализа объема и мышцы геометрии же измерения.

Кроме того представлена техника позволяет сочетать изображения нескольких зачисток в один массив, для изучения больших мышц. Этот новый метод 3DUS предоставляет потенциальный инструмент для клинической оценки морфологии мышц. Этот метод может также использоваться для визуализации мягких структур помимо мышц (например, сухожилия, внутренних органов, артерии).

Изменения для улучшения время автономной обработки:

Модификации 3DUS подхода были главным образом направлены на повышение времени обработки и измерения больших мышц. Время автономной обработки изображения 3DUS зависит от voxel массив параметров, частоту дискретизации, размер Руа, продолжительности и скорости развертки, количество зачисток и используемых рабочих станций. Ранее, было необходимо для реконструкции только одной развертки, уступая 750 изображений США время реконструкции ≈ 2 h (30 сек при 25 Гц)¹⁵^,²⁵^,³⁰. С нынешнего метода 3DUS же развертки времени только 50 s реконструкции (улучшение «сообщение» времени обработки на 99%). Это улучшение можно объяснить алгоритм расширенной заполнения, который использует большие векторных операций для заполнения вокселей кадр за кадром, вместо пиксель на пиксель и увеличение оперативной памяти (RAM) рабочих станций для создания больших массивов voxel. С новым подходом, 3DUS типичный реконструкции, представляющих развертки длиной 30 см при скорости 1 см/с, с целевой voxel размером 0,2 х 0,2 х 0,2 мм³ и частотой 25 Гц, принимает следующее время для восстановления :

a. приблизительно 10 s для идентификации импульса синхронизации и выбрать соответствующие изображения, США.
b. приблизительно 120 s определить матрицу преобразования калибровки (^PrT_Im).
c. примерно 10 s для стадии Бен наполнения.
d. приблизительно 30 s для выполнения шагов пробелов.

В целом, отмечая 170 s., шаг b необходимо только выполнить один раз, при условии жесткой связи мокап маркеров для зонда, оставляя 50 s для восстановления одной развертки. Объединение двух одной развертки реконструирован voxel массивы занимает приблизительно 10 s.

Ограничений и критических шагов:

Есть несколько аспектов изображения 3DUS, которые должны быть приняты во внимание:

i. США качество изображения: более высоким пространственным разрешением 2D изображений США предоставляют больше пикселей, чтобы быть размещены в массиве вокселей. Это позволило бы voxel размеры для уменьшения, приводит к более высокой плотности вокселей. Несколько имеющихся в настоящее время УЗИ машины использовать пространственные рецептуры для уменьшения шумных гранулированных текстуры, позволяя лучше бездефектной различия интерфейсов тканей. Другой вариант, чтобы уменьшить спекл-усиление края. Следует, однако, отметить, что этот подход не является желательной, поскольку она деформируется изображение в попытке создания различных интерфейсов, таким образом искажают истинный анатомическом положении интерфейсов.

II. мокап точность: пикселей может быть точно размещен только в voxel, если датчик положения точно измеряет координаты зонда. С увеличение разрешения изображения точность мокап становится более важной. Представлены 3DUS установки работает лучше всего с измерением voxel 0,2 x 0,2 x 0.2 мм³, используя систему мокап с точностью до 0,1 мм, обеспечивая достаточно точности восстановить массив voxel 3DUS.

III. образец частота: низкие временное разрешение изображения США или мокап данных потока определяет частоту выборки. Это влияет на время развертки или voxel массив параметров. К примеру удвоение частоты выборки от 25 до 50 Гц позволяет развертки в половину времени. Кроме того не изменяя скорость развертки, обеспечивает больше изображений для заполнения массива voxel, оставляя меньше пробелы для заполнения и тем самым потенциально увеличивая voxel массив резолюции. Однако увеличивая voxel резолюции массива, без увеличения частоты выборки, требует медленнее сканирования, который увеличит потенциал артефакты движения.

IV. изображения время реконструкции: быстро реконструкции требуют мощной рабочей станции с достаточно доступной оперативной памяти. Кроме того, время восстановления значительной степени изменяется в зависимости от voxel массив объема и сложности процесса заполнения пробелов.

v. экспериментальный протокол: стандартизации экспериментальный протокол, как свидетельствует в настоящем исследовании для ВЛ и GM, имеет важное значение для сравнения морфологических измерений (например, длина брошюры, брошюра угол, мышцы живота Длина, длина сухожилия, длина апоневроз) между предметами и мониторинга в рамках предметов в продольных исследований. Однако, обратите внимание, что во время активации мышц может изменить морфологию, оценены в состоянии покоя. Например для эксперимента, вл, морфология разгибателей колена во время максимального сокращения могут продемонстрировать высокий pennation угол и короче брошюр в сгибание колена 60°, по сравнению с морфологией на остальные⁵⁰. В определенных условиях (например., спастика), электромиография (ЭМГ) может использоваться для проверки покоя уровни активности мышц во время обследования.

VI. датчик давления и ткани деформации: если достаточно УЗИ гель применяется на ROI, количество давления остаются для полного контакта между зондом и кожи ограничен. Как руководство мы рекомендуем, что сканирование ROI должен чувствовать себя как парящей над кожей, и давление должно применяться только к держать контакт с гелем и таким образом кожу. Однако небольшое ткани деформации может быть неизбежным, даже с щедрой количество геля на УЗИ. Размер датчика и изогнутые ROI влияют на необходимое количество давления или гель, используемые. Больший размер зонд и более изогнутый ROI требуют больше давления и/или более гель, чем меньше зонды с аналогичной изогнутые ROI. Другим возможным решением является отказаться реверберации (то есть кожи бесконтактный) регион США изображений. Кроме того чаще всего происходят в первые слои ткани, такие, как кожи и подкожной жировой клетчатки слои ткани деформации. Обратите внимание, что предметы с практически не подкожной жировой клетчатки, поэтому более склонны неблагоприятному воздействию давления. Кроме того деформации ткани происходит скорее в центре зонда, которая обычно не региона дублирования с другими зачисток.

VII. изображений и анатомических знаний: еще одним важным соображением в использовании любых изображений механизма является необходимым для получения значимого толкования знания анатомии и механизму визуализации. Анатомические различия между предметов и артефактов изображения должна быть признаны и приняты во внимание в процессе идентификации анатомических структур. Даже с здоровых и хорошо развитые мышцы четкая идентификация может быть трудно, потому что он требует анатомических знаний различать между различными компонентами одной мышцы или группы мышц⁵¹. Однако в атрофированных мышц (то есть пожилые люди, в случае патологии, или трупа), четкой идентификации еще более сложной из-за меньшего размера и снижение контрастности изображения, и поэтому менее отчетливыми ткани интерфейсы (Рисунок 4 ). Мы считаем, что без предварительного анатомических знаний, мы бы были ограничены в принятии правильного решения в разработке такого 3DUS подхода и выполнения 3DUS измерений. Например для GM экспериментов, различные подножка углы не обязательно вызывает ожидаемые изменения в мышцах комплекс длины сухожилия, из-за деформации в пределах ног⁷. Также анатомические подробную информацию о кривизны дистальной апоневроза был существенно важное значение для надлежащего отбора середине продольной плоскости в всех субъектов³⁸.

Рисунок 4: вариации и качество реконструкции изображения анатомических поперечного 3DUS четырехглавой мышцы на полпути вдоль бедро. (A) мужских трупа человека пример изображения атрофированных государства в момент смерти (смерти возраст: 81 лет). Определение границ отдельных глав четырехглавой мышцы трудно. (B) пример сидячий мужчины (30 лет). (C) пример мыжского спортсмена гребец (30 лет). Представляют собой белые квадраты для масштаба 1 см x 1 см. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Будущих приложений:

3DUS подход обеспечивает изображений инструмент, который может использоваться для различных целей и параметров в спорте и клиник. В клинических вмешательств эффективность связана с уровня физической⁵². Использование 3DUS для мониторинга пациентов, которые подвержены риску потери мышечной массы очень важно (например, ссылки⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵) и потенциально позволяет для корректировки лечения. Другое возможное применение 3DUS лежит в мониторинге морфологические адаптации мышцы в ответ на вмешательство (обучение) и/или травмы.

Этот протокол описал стоимость и время эффективный метод измерения структуры мягких тканей человеческого тела, основанный на руки 3DUS зачисток. Кроме того Оценка значимых морфологических параметров, м. мышц бедра и икроножных m. широких оказалась достоверности и надежности.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы очень благодарны Adam Shortland и Никола Фрай, который разделял свои алгоритмы для 3-мерного УЗИ в 2004 году, которые были источником вдохновения для разработки программного обеспечения, используемые в данном исследовании.

Materials

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

Referenzen

Reeves, N. D., Maganaris, C. N., Narici, M. V. Ultrasonographic assessment of human skeletal muscle size. Eur. J. Appl. Physiol. 91, 116-118 (2004).
Van Den Engel-Hoek, L., Van Alfen, N., De Swart, B. J. M., De Groot, I. J. M., Pillen, S. Quantitative ultrasound of the tongue and submental muscles in children and young adults. Muscle Nerve. 46, 31-37 (2012).
Seymour, J. M., et al. Ultrasound measurement of rectus femoris cross-sectional area and the relationship with quadriceps strength in COPD. Thorax. 64, 418-423 (2009).
Seymour, J. M., et al. The prevalence of quadriceps weakness in COPD and the relationship with disease severity. Eur. Respir. J. 36, 81-88 (2010).
Ho, S. S. Y. Current status of carotid ultrasound in atherosclerosis. Quant. Imaging Med. Surg. 6, 285-296 (2016).
Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Passive muscle mechanical properties of the medial gastrocnemius in young adults with spastic cerebral palsy. J. Biomech. 44, 2496-2500 (2011).
Huijing, P. A., Bénard, M. R., Harlaar, J., Jaspers, R. T., Becher, J. G. Movement within foot and ankle joint in children with spastic cerebral palsy: a 3-dimensional ultrasound analysis of medial gastrocnemius length with correction for effects of foot deformation. BMC Musculoskelet. Disord. 14, 365 (2013).
Shortland, A. P., Harris, C. A., Gough, M., Robinson, R. O. Architecture of the medial gastrocnemius in children with spastic diplegia. Dev. Med. Child Neurol. 44, 158-163 (2002).
Farup, J., et al. Muscle Morphological and Strength Adaptations to Endurance Vs. Resistance Training. J. Strength Cond. Res. 26, 398-407 (2012).
Timmins, R. G., Shield, A. J., Williams, M. D., Lorenzen, C., Opar, D. A. Architectural adaptations of muscle to training and injury: a narrative review outlinig the contributions by fascicle lenght, pennation angle and muscle thickness. Br. J. Sports Med. , 1-7 (2016).
Huijing, P. Important experimental factors for skeletal muscle modelling: non-linear changes of muscle length force characteristics as a function of degree of activity. Eur. J. Morphol. 34, 47-54 (1996).
Van der Linden, B., Koopman, H., Grootenboer, H. J., Huijing, P. A. Modelling functional effects of muscle geometry. J. Electromyogr. Kinesiol. 8, 101-109 (1998).
Woittiez, R. D., Huijing, P. A., Boom, H. B., Rozendal, R. H. A three-dimensional muscle model: a quantified relation between form and function of skeletal muscles. J. Morphol. 182, 95-113 (1984).
Lieber, R. L., Blevins, F. T. Skeletal muscle architecture of the rabbit hindlimb: functional implications of muscle design. J. Morphol. 199, 93-101 (1989).
Weide, G., et al. Medial gastrocnemius muscle growth during adolescence is mediated by increased fascicle diameter rather than by longitudinal fascicle growth. J. Anat. 226, 530-541 (2015).
Fukunaga, T., et al. Physiological cross-sectional area of human leg muscles based on magnetic resonance imaging. J. Orthop. Res. 10, 926-934 (1992).
LeBlanc, A., et al. Muscle volume, MRI relaxation times (T2), and body composition after spaceflight. J. Appl. Physiol. 89, (2000).
Lindemann, U., et al. Association between Thigh Muscle Volume and Leg Muscle Power in Older Women. PLoS One. 11, 0157885 (2016).
Gopalakrishnan, R., et al. Muscle Volume, Strength, Endurance, and Exercise Loads During 6-Month Missions in Space. Aviat. Space. Environ. Med. 81, 91-104 (2010).
Wakahara, T., Ema, R., Miyamoto, N., Kawakami, Y. Inter- and intramuscular differences in training-induced hypertrophy of the quadriceps femoris: association with muscle activation during the first training session. Clin. Physiol. Funct. Imaging. , (2015).
Pamuk, U., Karakuzu, A., Ozturk, C., Acar, B., Yucesoy, C. A. Combined magnetic resonance and diffusion tensor imaging analyses provide a powerful tool for in vivo assessment of deformation along human muscle fibers. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 63, 207-219 (2016).
Prager, R. W., Rohling, R. N., Gee, A. H., Berman, L. Rapid calibration for 3-D freehand ultrasound. Ultrasound Med. Biol. 24, 855-869 (1998).
Solberg, O. V., Lindseth, F., Torp, H., Blake, R. E., Nagelhus Hernes, T. A. Freehand 3D Ultrasound Reconstruction Algorithms-A Review. Ultrasound Med. Biol. 33, 991-1009 (2007).
Gee, A., Prager, R., Treece, G., Berman, L. Engineering a freehand 3D ultrasound system. Pattern Recognition Letters. 24, (2003).
Bénard, M. R., Harlaar, J., Becher, J. G., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Effects of growth on geometry of gastrocnemius muscle in children: a three-dimensional ultrasound analysis. J. Anat. 219, 388-402 (2011).
Fry, N. R., Gough, M., Shortland, A. P. Three-dimensional realisation of muscle morphology and architecture using ultrasound. Gait Posture. 20, 177-182 (2004).
Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Passive muscle mechanical properties of the medial gastrocnemius in young adults with spastic cerebral palsy. J. Biomech. 44, 2496-2500 (2011).
MacGillivray, T. J., Ross, E., Simpson, H. A. H. R. W., Greig, C. A. 3D Freehand Ultrasound for in vivo Determination of Human Skeletal Muscle Volume. Ultrasound Med. Biol. 35, 928-935 (2009).
Rana, M., Wakeling, J. M. In-vivo determination of 3D muscle architecture of human muscle using free hand ultrasound. J. Biomech. 44, 2129-2135 (2011).
Haberfehlner, H., et al. Freehand three-dimensional ultrasound to assess semitendinosus muscle morphology. J. Anat. 229, 591-599 (2016).
Bénard, M. R., Jaspers, R. T., Huijing, P. A., Becher, J. G., Harlaar, J. Reproducibility of hand-held ankle dynamometry to measure altered ankle moment-angle characteristics in children with spastic cerebral palsy. Clin Biomech. 25, 802-808 (2010).
de Ruiter, C. J., Kooistra, R. D., Paalman, M. I., de Haan, A. Initial phase of maximal voluntary and electrically stimulated knee extension torque development at different knee angles. J. Appl. Physiol. 97, (2004).
Kooistra, R. D., de Ruiter, C. J., de Haan, A. Knee angle-dependent oxygen consumption of human quadriceps muscles during maximal voluntary and electrically evoked contractions. Eur. J. Appl. Physiol. 102, 233-242 (2008).
Bénard, M. R., Becher, J. G., Harlaar, J., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Anatomical information is needed in ultrasound imaging of muscle to avoid potentially substantial errors in measurement of muscle geometry. Muscle Nerve. 39, 652-665 (2009).
. ImageJ Available from: https://fiji.sc (2017)
Weir, J. P. Quantifying test-retest reliability using the intraclass correlation coefficient and the SEM. J. Strength Cond. Res. 19, 231-240 (2005).
Prager, R. W., Gee, A., Berman, L. Stradx: real-time acquisition and visualization of freehand three-dimensional ultrasound. Med. Image Anal. 3, 129-140 (1999).
Solberg, O. V., Lindseth, F., Torp, H., Blake, R. E., Nagelhus Hernes, T. A. Freehand 3D Ultrasound Reconstruction Algorithms-A Review. Ultrasound in Medicine and Biology. 33, 991-1009 (2007).
Mitsiopoulos, N., et al. Cadaver validation of skeletal muscle measurement by magnetic resonance imaging and computerized tomography. J. Appl. Physiol. 85, (1998).
Jackowski, C., et al. Noninvasive Estimation of Organ Weights by Postmortem Magnetic Resonance Imaging and Multislice Computed Tomography. Invest. Radiol. 41, 572-578 (2006).
Weller, R., et al. The Determination of Muscle Volume with A Freehand 3D Ultrasonography System. Ultrasound Med. Biol. 33, 402-407 (2007).
Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Validation of a freehand 3D ultrasound system for morphological measures of the medial gastrocnemius muscle. J. Biomech. 42, 1313-1319 (2009).
Delcker, A., Walker, F., Caress, J., Hunt, C., Tegeler, C. In vitro measurement of muscle volume with 3-dimensional ultrasound. Eur J. Ultrasound. 9, (1999).
Cenni, F., et al. The reliability and validity of a clinical 3D freehand ultrasound system. Comput. Methods Programs Biomed. 136, 179-187 (2016).
de Brito Fontana, H., Herzog, W. Vastus lateralis maximum force-generating potential occurs at optimal fascicle length regardless of activation level. Eur. J. Appl. Physiol. 116, 1267-1277 (2016).
Engstrom, C. M., Loeb, G. E., Reid, J. G., Forrest, W. J., Avruch, L. Morphometry of the human thigh muscles. A comparison between anatomical sections and computer tomographic and magnetic resonance images. J. Anat. 176, 139-156 (1991).
Warburton, D. E. R., Nicol, C. W., Bredin, S. S. D. Health benefits of physical activity: the evidence. CMAJ. 174, 801-809 (2006).
Moisey, L. L., et al. Skeletal muscle predicts ventilator-free days, ICU-free days, and mortality in elderly ICU patients. Crit. Care. 17, 206 (2013).
Weijs, P. J., et al. Low skeletal muscle area is a risk factor for mortality in mechanically ventilated critically ill patients. Crit. Care. 18, 12 (2014).
English, K. L., Paddon-Jones, D. Protecting muscle mass and function in older adults during bed rest. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 13, 34-39 (2010).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Diesen Artikel zitieren

Weide, G., van der Zwaard, S., Huijing, P. A., Jaspers, R. T., Harlaar, J. 3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue. J. Vis. Exp. (129), e55943, doi:10.3791/55943 (2017).