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

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Medizin

Ecografia 3D: veloce e conveniente morfometria del tessuto muscolo-scheletrico

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

Ecografia 3D imaging (3DUS) permette rapida e conveniente morfometria dei tessuti muscolo-scheletrici. Vi presentiamo un protocollo per misurare la lunghezza di volume e fascicolo muscolare utilizzando 3DUS.

Abstract

L’obiettivo dello sviluppo di ecografia 3D imaging (3DUS) è quello di progettare una modalità per eseguire analisi 3D ecografia morfologica dei muscoli umani. Immagini di 3DUS sono costruiti da calibrato a mano libera B-modalità ultrasuoni immagini 2D, che è posizionato in una matrice di voxel. Imaging ad ultrasuoni (US) permette la quantificazione della massa muscolare, fascicle lunghezza e angolo di pennation. Queste variabili morfologiche sono importanti determinanti della gamma di sforzo di forza forza e lunghezza del muscolo. Il protocollo presentato descrive un metodo per determinare la lunghezza di volume e fascicolo di lateralis vastus m. e m. gastrocnemio mediale. 3DUS facilita la standardizzazione utilizzando riferimenti anatomici 3D. Questo approccio fornisce un approccio veloce e conveniente per quantificare la morfologia 3D nei muscoli scheletrici. Nel settore sanitario e sportivo, informazioni sulla morfometria dei muscoli sono molto utile nella diagnostica e/o valutazioni di seguito dopo il trattamento o formazione.

Introduction

Nel settore sanitario e sportivo, informazioni sulla morfologia dei muscoli sono molto utile nella diagnostica e/o valutazioni di seguito dopo il trattamento o formazione¹. Ecografia (US) è uno strumento comunemente utilizzato per la visualizzazione delle strutture dei tessuti molli nel muscolo malattie², malattie critiche³^,⁴, malattie cardiovascolari⁵, disturbi neurologici⁶^, ⁷^,⁸e gli effetti di allenamento fisico⁶^,⁹^,¹⁰. Imaging US consente la quantificazione della massa muscolare, fascicle lunghezza e angolo di pennation. Queste variabili morfologiche sono importanti determinanti della gamma di lunghezza e forza muscolare di forzare lo sforzo¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵.

Attualmente, misure imaging US sono principalmente realizzate in immagini 2D, con la scelta di esaminatore un presumibilmente, orientamento adatto e la posizione degli ultrasuoni sonda. Tali metodi 2D limitano misurazioni morfologiche al piano una sola immagine, mentre il parametro di interesse non può essere presente all’interno di questo piano. Analisi morfologica richiede un approccio 3D, fornendo misurazioni fuori-di-piano utilizzando punti di riferimento 3D. Una rappresentazione 3D morfologica dei tessuti molli è noto per essere fornito da formazione immagine a risonanza magnetica (MRI)¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰. Tuttavia, MRI è costoso e non sempre disponibile. Inoltre, la visualizzazione delle fibre muscolari richiede speciali sequenze di MRI, quali diffusion tensor imaging (DTI)²¹. Un’alternativa conveniente a MRI è formazione immagine di ultrasuono 3D (3DUS). L’approccio di 3DUS fornisce diversi vantaggi rispetto alle tecniche di MRI, per esempio, essa impone meno limitazioni di spazio per il posizionamento del soggetto durante l’esame. 3DUS imaging è una tecnica in modo sequenziale catturando immagini 2D (US B-mode) e posizionandoli in un volume (voxel) elemento matrice²²^,²³^,²⁴. Il processo di ricostruzione dell’immagine 3DUS è costituito da cinque passaggi: (1) l’acquisizione di una serie di immagini 2D a mano libera di US; (2) tracciamento della posizione della sonda US, utilizzando un sistema di Motion Capture (MoCap); (3) la sincronizzazione la posizione di Motion Capture e immagini US; (4) calcolo della posizione e dell’orientamento delle immagini ad ultrasuoni all’interno della matrice di voxel utilizzando un sistema calibrato di riferimento; e (5) inserimento di queste immagini in questa matrice di voxel.

L’approccio di 3DUS è stato applicato con successo per la valutazione della morfologia del muscolo scheletrico¹⁵^,²⁵^,²⁶^,²⁷^,²⁸^,²⁹. Tuttavia, precedenti approcci⁷^,¹⁵^,²⁵^,³⁰ rivelano ingombrante, richiede tempo e tecnicamente limitato, come potrebbero essere ricostruite solo piccoli segmenti di grandi muscoli.

Per migliorare l’approccio di 3DUS, un nuovo protocollo di 3DUS è stato sviluppato che consente la ricostruzione dei muscoli completi entro un breve periodo di tempo. Protocollo viene descritto l’utilizzo di 3DUS di imaging per la morfometria del m. lateralis vastus (VL) e m. gastrocnemio mediale (GM).

Protocol

Tutte le procedure che coinvolgono soggetti umani sono state approvate dal comitato di etica medica di centro medico del VU, per Amsterdam, Paesi Bassi. 1. Strumentazione Collegare il dispositivo ad ultrasuoni al computer di misurazione. Se necessario, è possibile utilizzare telaio-grab hardware e/o software per memorizzare le immagini di ultrasuono sequenziale.Nota: Una sonda di allineamento lineare di 5 cm (12,5 MHz) è utilizzata per generare immagini B-modalità (25 Hz). Prima di ogni misurazione, potenza, frequenza acustica e profondità imaging sono ottimizzati per visualizzare le interfacce di supplementari ed intramuscolari tessuti connettivi. Durante la misurazione, queste impostazioni non vengono modificate. Collegare il sistema di Motion Capture per il computer di misurazione. La sonda di ultrasuono per rilevare la posizione e l’orientamento della sonda US rigidamente collegare un indicatore di cluster MoCap. Collegare il dispositivo di sincronizzazione (cristallo piezo) per l’input di attivazione del sistema di Motion Capture.Nota: L’attivazione del dispositivo di sincronizzazione attiva momentaneamente il cristallo piezo, l’invio di onde sonore verso il trasduttore. Il soundwaves ricevuti creare un artefatto distinto nell’immagine US presso l’avvio del sistema (Figura 1A, freccia). Riempire la cornice su misura Taratura (phantom) con acqua. 2. calibrare Nota: Eseguire una calibrazione spaziale per calcolare una matrice di trasformazione (aTda) dalle immagini di Stati Uniti per quanto riguarda il sistema di coordinate di sonda. Questo processo di calibrazione è stato descritto in precedenza22. Si prega di vedere sotto per una breve descrizione. Posto il fantasma riempito d’acqua, che tiene un crosswire (cioè fili due attraversamento sommerso) in una posizione nota all’interno del sistema di coordinate fantasma (Phxyz Figura 1B, freccia), su una superficie stabile. Misurare la temperatura dell’acqua con un termometro. Utilizzare lo strumento puntatore MoCap per registrare la posizione e l’orientamento del fantasma nel sistema di coordinate globale (Gl). Avviare il campionamento immagine US e attivare l’acquisizione di dati di Motion Capture (descritto al punto 3.3.3). Immergere la testa della sonda US (Pr) in acqua. Tradurre e ruotare la sonda statunitense per 40 s (campionamento a 25 Hz) in tutte le direzioni, mantenendo la visibilità di crosswire nelle immagini US (Im). Smettere di acquisizione dati. Sincronizzare i dati di Motion Capture e le immagini di US identificando il primo fotogramma di US contenente l’elemento creato cristallo piezo e ritagliare la sequenza di immagini US conseguenza (descritto al punto 3.4.1.1). Identificare le immagini US rilevanti in cui la crosswire è chiaramente visibile e traccia la posizione della crosswire in queste immagini di US (hoImxyz) e correggere la posizione per la temperatura dell’acqua. Determinare la posizione di crosswire per quanto riguarda il movimento Pr da una serie di trasformazioni dal Ph al Pr (equazione 1) alle istanze di tempo (i = 1: n) corrispondente all’identificazione di crosswire al punto 2.8. Calcolare l’ Im alla matrice di trasformazione di Pr (PrTIm) risolvendo l’equazione 2, che coinvolge tutte le identificazioni di crosswire in Im (misurato nel passaggio 2.8) al momento abbinati (io = 1 : n) Coordinate di crosswire in Pr (calcolato al punto 2.9). Figura 1: schema dell’algoritmo 3DUS. (A) sistema di Motion Capture (MoCap) viene utilizzato per tenere traccia di un cluster di marcatori rigidamente collegato alla sonda ecografica, all’interno del sistema di coordinate globale (Gl). Sincronizzazione dei dati di Motion Capture e ultrasuoni avviene facendo uso di un manufatto (freccia) introdotto da Optotrak innescato cristallo piezo. (B), la posizione e orientamento del sistema di coordinate immagine di ultrasuono (Im) è calcolato rispetto al sistema di coordinate della sonda (Pr), individuando un punto noto all’interno del Pr e Im. Per questo scopo, un fantasma personalizzati viene utilizzato riempito con acqua, tenendo un crosswire (cioè due fili di attraversamento sommerso) in una posizione nota all’interno del sistema di coordinate fantasma (Ph). (C) con una serie di trasformazioni, questo punto noto è calcolato in Pr. (D) con una completa serie di trasformazioni note, immagini da Im possono essere trasformati in qualsiasi sistema di coordinate di matrice di voxel (Va). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 3. protocollo sperimentale Nota: Il protocollo sperimentale descrive due protocolli comunemente svolte che coinvolgono 3DUS imaging, cioè morfometria del GM e VL (Figura 2A). Soggetto di posizionamento Per l’esperimento di GM: Chiedere al soggetto di mentire incline su una tabella di esame con entrambi i piedi a strapiombo il bordo del tavolo. Allineare la parte inferiore della gamba orizzontalmente, inserendo un supporto sotto la tibia. Difficoltà la coscia al tavolo d’esame con cinghie di ancoraggio imbottito per impedire l’estensione del ginocchio durante il protocollo sperimentale. Montare il piede della gamba da sottoporre a scansione nella pedana su misura31. Collegare la chiave dinamometrica su misura con un goniometro allegato al pedana31. Trovare l’angolo di pedana corrispondente a una coppia di torsione applicata esternamente, ad es., 0 Nm (Figura 2A). Difficoltà la pedana nell’orientamento corrispondente al momento di dorsiflexion netto 0 Nm, utilizzando un’asta estensibile che è collegata alla tabella (Figura 2A, freccia). Per l’esperimento di VL: Chiedere i soggetti sdraiati supina su un tavolo d’esame. Impostare l’angolo di flessione del ginocchio (cioè operazionalizzata come l’angolo tra le linee che collegano i centri dei lateralis di malleolus con epicondylus lateralis e quest’ultimo con il grande trocantere) a 60 °, a posizionamento delle gambe inferiori su un supporto. Posizionare un raggio a forma triangolare sotto i glutei per impedire il movimento dell’anca. Fissare la parte inferiore della gamba al supporto con due cinghie di ancoraggio imbottito per impedire il movimento delle gambe durante il protocollo sperimentale. Impostare l’angolo dell’anca (cioè operazionalizzata come l’angolo tra le linee che collegano os coracoides con il grande trocanteree quest’ultimo con l’ epicondilo lateralis femoralis) a 95 °, modificando l’angolo della supporto della tabella esame posteriore.Nota: Questa posa descritta è stato scelto, come assomiglia ad angoli articolari durante ottimale isometrica ginocchio estensione misure32,33. Localizzazione dei punti di riferimento ossute e regione di interesse (ROI)Nota: Questo è fatto per la guida dell’esame ecografico 3D e per la quantificazione post-sperimentale di coscia, gamba e piede postura del soggetto. Identificare e registrare le posizioni dei punti di riferimento anatomici ossuta nel sistema di coordinate globale utilizzando lo strumento puntatore MoCap. Per l’esperimento di GM: Individuare i seguenti punti di riferimento tramite la palpazione e contrassegnarli con un pennarello pelle chirurgica: gli aspetti più prominenti dorsali i condili mediali e laterali di femore, e dai centri di malleoli della tibia e del perone. Utilizzando il dispositivo di US, identificare e contrassegnare con un pennarello di pelle chirurgica i punti più superficiali dei condili mediali e laterali di femore (dal lato dorsale della gamba) e la posizione più prossimale dell’inserimento del GM il calcaneus. Per la misura di VL: Individuare i seguenti punti di riferimento tramite la palpazione e contrassegnarli con un pennarello pelle chirurgica: malleoli mediali e laterali (come sopra); l’inserimento più prossimale del tendine della rotula delle tibie tuberositas; i condili mediali e laterali (come sopra); l’apice della rotula e più mediale, prossimale e laterale inserimento confini sulla rotula; e os coracoides sulla spalla. Identificare con il dispositivo di US e contrassegnare l’aspetto più superficiale del grande trocantere e inserimento più prossimale di VL sul grande trocantere. Per tutti i muscoli, utilizzare lo strumento puntatore MoCap per registrare i punti di riferimento contrassegnati (descritti nelle sezioni 3.2.1 e 3.2.2) nel sistema di coordinate globale. Spostare lo strumento puntatore MoCap i reperi anatomici identificati e utilizzare il software di Motion Capture per registrare la posizione premendo il pulsante “record”. Utilizzare gli ultrasuoni per identificare il bordo mediale e laterale del muscolo; contrassegnare i bordi mediali e laterali sulla pelle con un pennarello pelle chirurgica. Ecografia 3D Istruire il soggetto non si muovano durante l’esame di ultrasuono 3D. Applicare il gel per ultrasuoni ampio sul ROI per garantire il corretto contatto tra la pelle e la sonda statunitense.Nota: Tale applicazione di gel consente di limitare la sonda pressione e così la deformazione del tessuto necessario per ottenere una chiara immagine di US. Aprire il telaio grabber software (ad es., WinDV34) nel computer di misurazione e avviare l’acquisizione di immagini di US facendo clic sul pulsante “Registra”. Successivamente, avviare e attivare l’acquisizione dei dati di Motion Capture premendo il pulsante “start” sul dispositivo di sincronizzazione; Questo attiva automaticamente il dispositivo di sincronizzazione (cioè cristallo piezo) situato vicino la sonda statunitense, creando un artefatto distinto nell’immagine US ravvisi MoCap iniziazione (Figura 1A, freccia). Mentre esercitando una pressione minima sonda ancora garantire la qualità dell’immagine, spostare la sonda ad una velocità costante sopra il ROI; Questa è detta una “spazzata”. Assicurarsi che immagini US chiaro anatomiche della sezione trasversale del muscolo bersaglio sono registrati. Controllare visivamente per il movimento del soggetto durante l’esame; Se il soggetto si muove, interrompere lo sweep e ripetere dal punto 3.3.1. Protocollo di sweep per l’esperimento di GM Posizionare la sonda statunitense prossimalmente ai condili del femore sul lato mediale della coscia. Eseguire una sweep (come descritto nelle sezioni 3.3.1 – 3.3.5) in direzione prossimo-distale lungo il bordo mediale del GM, garantendo visibilità all’interno delle immagini anatomiche della sezione trasversale del bordo mediale del GM e il tendine di Achille, tutto il senso giù a suo inserimento il calcaneus. Aggiungere ulteriori indagini a tappeto (come descritto nella sezione 3.3.3 – 3.3.5) fino a quando non viene analizzato l’intero ROI ed il bordo mediale del muscolo è imaged completamente (Figura 2B). Utilizzare la traccia nel gel dell’operazione precedente per guidare la prossima sweep, leggermente sovrapposti (0,5 cm) la precedente area spazzata. Protocollo di sweep per l’esperimento di VL Posizionare la sonda statunitense sulla funzione laterale del piatto il tibiale. Ricominciare il bordo laterale del VL, garantendo la visibilità del bordo laterale del VL, tutta la strada fino all’origine il trocantere principaliuna spazzata in senso disto-prossimale. Aggiungere ulteriori indagini a tappeto (come descritto nella sezione 3.3.3 – 3.3.5) fino a quando non viene analizzato l’intero ROI ed il bordo mediale del VL è imaged completamente (Figura 2B). Utilizzare la traccia nel gel dell’operazione precedente per guidare la prossima sweep, leggermente sovrapposti (0,5 cm) la precedente area spazzata.Nota: Durante il protocollo di sweep, dovrebbe essere evitato le movimento del soggetto, come movimenti influenzano negativamente il posizionamento delle immagini 2D US nella matrice di voxel. Il numero delle sweep è determinato dalla larghezza della sonda e la larghezza del muscolo bersaglio. In genere, con una larghezza di sonda di 4 cm e una larghezza di muscolo di 12 o 18 cm, 5 o 7 spazza, rispettivamente sono necessari per coprire il ROI inclusi i bordi. Figura 2: Schema del setup sperimentale e spazza di sonda ecografica sopra i muscoli bersaglio (programma di installazione dim. gastrocnemio mediale (GM) e m. lateralis vastus (VL)). (A) specifiche configurazioni di giunti del soggetto per le due condizioni sperimentali. Gli oggetti visualizzati in verde sono regolabili per impostare la posizione e l’orientamento degli arti. Freccia indica un’asta estensibile che viene utilizzata per fissare l’angolo di pedana. (B) percorso di scansioni multiple di sonda ecografica sopra le regioni di interesse. Le frecce blue rappresentano il singolo spazza sopra la regione di interesse. A sinistra: spazza sopra il GM; A destra: spazza sopra il VL. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Ricostruzione di matrice voxel ecografia 3D Ricostruire una matrice di 3DUS singolo voxel (immagine di 3DUS) da una singola spazzata sulla pelle di un ROI anatomica specifica (ad es., muscolo, tendine) di bin-riempimento e reintegrazione 3DUS voxel matrice utilizzando uno script personalizzato. Al fine di ricostruire una matrice di voxel 3DUS, adottare le seguenti misure post-sperimentale. Sincronizzare i dati di Motion Capture e le immagini di US identificando il primo fotogramma di US contenente l’elemento creato cristallo piezo e ritaglio Usa immagine sequenza di conseguenza con VirtualDub software35. In primo luogo, posizionare il cursore di selezione della cornice al fotogramma iniziale identificato e premere il tasto “home” sulla tastiera. Quindi, spostare il cursore alla fine della misurazione (l’ultimo contatto di pelle) e premere il tasto “fine”. Premere il pulsante “F7” per esportare la sequenza di immagine ritagliata. Definire un sistema di coordinate di voxel matrice (Va) che può essere riempito con immagini di Stati Uniti, utilizzando uno script personalizzato. Assicurarsi che il Va è orientato secondo la direzione di scansione e ridimensionati di tutte le immagini di Stati Uniti di una singola spazzata.Nota: Inizialmente, il Va consiste di voxel di forma rettangolare, con gli assi più lungo nella direzione della sweep; Questa forma migliora l’efficienza di riempimento. Assegnare i voxel nel Va con i valori dei pixel grigio dalle immagini US, utilizzando uno script personalizzato. Questo processo è descritto come mappatura avanti o bin-riempimento (equazione 3; Figura 1 C) 23 , 24.Nota: Ciò Mostra avanti mappatura delle immagini 2D US nel Va secondo l’orientamento e la posizione delle immagini nel sistema di coordinate Va. In breve, le posizioni di tutti i pixel di un’immagine (Imxyz(1:n)) in grado di tempo (i), contemporaneamente vengono mappati in avanti nella matrice di voxel. La procedura di bin-riempimento riempie solo il voxel indirizzato, lasciando il non indirizzate voxel vuoto (cioè nero).Nota: indica l’inverso della matrice di trasformazione precedentemente descritto (cioè un Pr alla matrice di trasformazione di Gl ). Utilizzando uno script personalizzato identificare lacune all’interno della matrice di voxel (cioè nero voxel). Eseguire la procedura seguente utilizzando l’elaborazione di immagine binaria: Creare una matrice di bin-riempito voxel binario in cui sono classificati tutti i voxels riempito. È possibile utilizzare immagine binaria dilatazione ed erosione, con lo stessa dimensione strutturazione-elemento, per etichettare tutti i voxels rilevanti (cioè con valori di grigio voxel) all’interno dell’area acquisita. Rilevare le lacune sottraendo la matrice di voxel binario bin-riempito (con lacune) dai voxel pertinenti (senza lacune).Nota: Le operazioni successive di dilatazione ed erosione sono passaggi di elaborazione dell’immagine per completare le immagini binarie. Eseguendo questi passaggi uno dopo l’altro, i confini esterni rimangono mentre le lacune all’interno vengono rimossi. Colmare le lacune identificate usando una “procedura di inpaint” e circondano voxel con valori di grigio36.Nota: Questa tecnica di inpaint può essere usata per: “colmare le lacune con un liscio interpolante basata minimizzando la somma dei quadrati della derivata seconda a ciascun voxel con etichetta misurata di differenze finite sulla griglia di partenza”36. Equalizzare le dimensioni voxel del Va da ‘ solarizzazione ‘ e salvare la matrice di voxel come un’immagine TIFF in pila (immagine di 3DUS). Più spazza ricostruzione Ricostruire tutti i singoli spazza (descritto nella sezione 3.4) che coprono un ROI maggiore secondo lo stesso sistema di coordinate di Va per unire più spazza. Creare un nuovo sistema di coordinate Va , dimensionato per ospitare tutti i singoli spazza ricostruito. Inserire il singolo Vapasso passo il più grande Va. Se un voxel è già assegnato un altro Va, questo voxel verrà sovrascritto solo se il nuovo voxel ha un valore grigio ≥ 10 su una scala di 8 bit, altrimenti viene scartato il nuovo valore di voxel grigio. 4. misurazione delle variabili della morfologia del muscolo Utilizzare il Toolkit di interazione medica37 (MITK) per caricare l’immagine di 3DUS e recuperare le coordinate dell’origine, l’inserimento e estremità distale del ventre muscolare. Dopo aver caricato l’immagine 3D, impostare l’affettamento a ‘Coupled mirino rotazione’. Allineare gli assi con muscolo o strutture ossee per recuperare precisamente le coordinate.Nota: MITK è preferito rispetto ad altri software di analisi 3D imaging per la valutazione dei punti anatomici, perché permette di voxel veloce e interattivo matrice affettare in qualsiasi direzione (“rotazione mirino Coupled”), facilitare la procedura di identificazione. Al fine di misurare il volume del muscolo, è possibile utilizzare MITK per individuare i limiti del ventre muscolare tra l’origine e l’estremità distale del ventre muscolare. Utilizzare la segmentazione MITK incorporata per manualmente segmentare le sezioni anatomiche più uniformemente, distribuiti lungo la lunghezza del ventre muscolare (Figura 3A). Aprire lo strumento di segmentazione del’ ‘ e creare una ‘nuova segmentazione’. Avviare segmentando i confini di muscolo identificati in una sezione trasversale a metà strada lungo il ventre muscolare. Premere ‘A’ sulla tastiera per aggiungere una segmentazione manuale e disegnare premendo il pulsante sinistro del mouse e muovendo il cursore segue i contorni del muscolo. Di stampa ‘ per rimuovere le parti di segmentazione. Premere il tasto corrispondente alla modalità selezionata scorso (cioè ‘A’ o di ‘) per spostare il mirino per altre sezioni trasversali lungo la pancia del muscolo. Ripetere il passaggio 4.2.1 per segmentare la nuova sezione selezionata. Ripetere questo passaggio per almeno 6 volte, prima di continuare con il passaggio successivo. Impostare ‘Interpolazione’ ‘attiva’, rivedere le segmentazioni proposte dei contorni del muscolo (linee gialle) in tutte le sezioni trasversali lungo la lunghezza del ventre muscolare. Aggiungere ulteriori segmentazioni in sezioni trasversali in cui la segmentazione interpolata proposta (linea gialla) non corrisponde il contorno del muscolo nell’immagine. Ripetere il punto 4.2.2. Premere il pulsante ‘Conferma per tutte le sezioni’ e selezionate il piano in cui sono state fatte le segmentazioni. Salvare il volume binario come un file di dati (NRRD) quasi cruda raster e calcolare la dimensione del volume con etichetta utilizzando uno script personalizzato. Trovare l’orientamento dell’aereo fascicle metà longitudinale del ventre muscolare, contenente l’intera lunghezza dei fasci (Figura 3A)38.Nota: Il piano metà longitudinale è definito da tre punti. L’origine e l’estremità distale del ventre muscolare sono i primi due punti. Il terzo punto è trovato in una sezione di immagini anatomiche a metà strada tra l’origine e l’estremità distale del ventre muscolare. All’interno di questa sezione di immagini anatomiche, il punto medio tra i primi due punti proiettati la tangente dei rendimenti aponeurosi distale un terzo punto che insieme con l’origine ed estremità distale del ventre muscolare definisce il piano metà longitudinale. Dal piano metà-longitudinale, misurare la lunghezza di fascicle presso una posizione pre-definita standardizzata tra l’origine e l’estremità distale del ventre muscolare (ad es., 50%). Segmentare i confini di muscolo. Posizionare una linea a metà e ruotare questa linea finché corrisponde la direzione dei fasci del sottostante. Le intersezioni di questa linea con i limiti di muscolo rappresenta la stima della lunghezza del fascio (Figura 3B).Nota: In precedenza, si è rivelato necessario tener conto, a volte curvata, orientamento del distale aponeurosi38, come si è visto in un’immagine a sezione trasversale anatomica (Figura 3B), presa a metà strada tra origine e distale fine del ventre muscolare. Figura 3: schema dell’analisi 3DUS. (A) identificazione e segmentazione dei contorni del muscolo bersaglio in un’immagine a sezione trasversale anatomico a metà strada lungo il ventre muscolare. La linea verde continua rappresenta l’orientamento del piano metà longitudinale (cioè orientato perpendicolare all’orientamento del aponeurosis distale (linea blu tratteggiata). (B) misurazione della lunghezza del fascicolo viene eseguita all’interno del piano di fascicle metà longitudinale. L’area trasparente rosso è segmentato da identificazione dei confini del muscolo. Una linea gialla tratteggiata è collocata a metà strada sul ventre muscolare e ruotata finché corrisponde la direzione dei fasci del sottostante. Le intersezioni di questa linea con il aponeuroses prossimale e distale (collegata con la linea gialla continua spessa) rappresentano la stima della lunghezza del fascicolo. La linea verde continua rappresenta la posizione e l’orientamento del piano della sezione trasversale anatomico. Superiore: GM (m. gastrocnemio mediale) e inferiore: muscolo VL (m. lateralis vastus). I quadratini bianchi per scala rappresentano 1 cm x 1 cm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Representative Results

La tecnica descritta 3DUS è stata utilizzata per raccogliere dati morfologici del GM e VL in quattro cadaveri umani maschii, età alla morte 76,8 ± 7,9 anni (media ± DS). I cadaveri sono stati ottenuti tramite il programma di donazione del dipartimento di anatomia e neuroscienze della Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Paesi Bassi. I corpi sono stati conservati utilizzando un metodo di imbalsamazione finalizzato a mantenere le caratteristiche morfologiche del tessuto39. Prima della dissezione, un’immagine di 3DUS è stata fatta del GM e VL secondo la metodologia descritta. Durante la dissezione, pelle, tessuto sottocutaneo e delle fasce sovrapponendo il GM e VL sono stati rimossi. Una sezione metà longitudinale è stata tagliata, prendendo l’orientamento del aponeurosis distale in considerazione. Utilizzando una pinza, la lunghezza di fascicle è stato misurato, a metà strada tra l’origine e l’estremità distale del ventre muscolare. Successivamente, dopo tenotomy, il ventre muscolare è stato dissecato e sommerso in una colonna d’acqua calibrato. Usando ImageJ, i volumi sono stati misurati sulle fotografie della colonna d’acqua con e senza il ventre muscolare e volume muscolare era calcolare dalla differenza40. Volume e lunghezza del fascicolo sono stati misurati tre volte e sono stati calcolati i valori di media e deviazione standard. Validità di criterio tra le misurazioni di dissezione e metodo di 3DUS è stato testato utilizzando la correlazione di Pearson, una per fascicle media lunghezza e il volume muscolare. Affidabilità intra-rater del metodo 3DUS misure di lunghezza e volume di fascicle derivata è stato quantificato utilizzando un bidirezionale misto modello intra-classe coefficiente di correlazione (ICC3,3)41e dopo la trasformazione logaritmica dei dati, la è stato calcolato il coefficiente di variazione (CV). La validità delle misurazioni del volume lunghezza e muscolo del fascicolo sono stati confermati da correlazioni significative e alte (r = 0.998, p < 0.01 e r = 0.985, p < 0.01, rispettivamente). Affidabilità intra-rater del metodo 3DUS derivato misurazioni di lunghezza fascicle ed il volume era alta (ICC3,3 0,983, CV CV 7,3% e ICC3,3 0.998, 5,4%, rispettivamente). È concluso che l’approccio di 3DUS presentato è uno strumento valido e affidabile per la valutazione del volume e fascicolo lunghezza di umano VL e GM (tabella 1). Tabella 1: Dati di convalida cadaver. C# è il numero di cadavere, GM è m. gastrocnemio mediale, VL è m. lateralis vastus. “Dissezione” Mostra i risultati dalla dissezione del cadavere, e “3DUS” vengono illustrati i risultati dell’analisi di immagine di 3DUS dei cadaveri.

Discussion

Una tecnica valida e affidabile 3DUS è presentata che permette l’analisi veloce di variabili morfometriche dei muscoli scheletrici. 3DUS diversi approcci per l’imaging dei tessuti molli sono stati disponibili per circa un decennio⁴²^,⁴³, tuttavia gli approcci di 3DUS non sono ancora usati comunemente. MRI è il ‘gold standard’ per la stima di in vivo volumi muscolari (ad es., fa riferimento a¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰). Validità di MRI è stato testato e confermato in studi di confronto tra fantasmi o organi cadaverici di volume noto al volume basati su MRI stime⁴⁴^,⁴⁵. Tuttavia, la disponibilità di MRI per la ricerca è limitata e scansioni sono lungo e costoso. Inoltre, soggetto sperimentale posture sono limitate dal foro di impadronirsi degli scanner MRI. Immagini tipiche del signor generano contrasto insufficiente per eseguire misure di variabili della geometria del muscolo (fascicle lunghezze ed angoli). Tuttavia, geometria 3D muscolare può essere valutato anche usando MRI utilizzando tecniche aggiuntive, ad esempio, DTI tecnica²¹. Simile a imaging MRI, US fornisce adeguata distinzione alle interfacce tra i diversi tipi di tessuti (cioè visibile in noi immagini), fornendo una modalità valida per tessuti molli volume valutazione¹^,³⁰ ^,⁴⁴^,⁴⁶^,⁴⁷^,⁴⁸^,⁴⁹. In contrasto con MRI, 3DUS immagini hanno un contrasto sufficiente per eseguire l’analisi sulla geometria sia il volume che il muscolo dalla misura stessa.

Inoltre, la tecnica presentata permette la combinazione di immagini di spazza multipli in un’unica matrice, per lo studio dei muscoli più grandi. Questo nuovo metodo 3DUS fornisce un potenziale strumento per la valutazione clinica della morfologia del muscolo. Questo metodo può essere utilizzato anche per l’imaging del morbido-tessuto strutture diverse da muscolo (ad es., tendini, organi interni, arterie).

Modifiche per migliorare il tempo di elaborazione Offline:

Modifiche dell’approccio 3DUS erano principalmente volti a migliorare il tempo di elaborazione e muscoli più grandi di misura. Il tempo di elaborazione offline di un’immagine di 3DUS dipende dalle impostazioni dell’array del voxel, frequenza di campionamento, dimensione di ROI, durata e velocità di sweep, numero di indagini a tappeto e la workstation usata. In precedenza, era necessario per ricostruire solo uno sweep producendo 750 US immagini un tempo di ricostruzione di ≈ 2 h (30 s a 25 Hz)¹⁵^,²⁵^,³⁰. Con il presente metodo di 3DUS, lo stesso sweep prende solo 50 s tempo di ricostruzione (migliorando il tempo di elaborazione ‘offline’ 99%). Questo miglioramento si spiega con l’algoritmo di riempimento avanzata che utilizza le operazioni vettoriali di grandi dimensioni per riempire i voxel frame-by-frame, invece di pixel per pixel e maggiore accesso casuale memoria (RAM) di workstation per costruire matrici di voxel più grandi. Con il nuovo approccio di 3DUS, una ricostruzione tipica che rappresenta una lunghezza di spazzata di 30 cm ad una velocità di 1 cm/s, con una dimensione del voxel di destinazione di 0,2 x 0,2 x 0,2 mm³ e una frequenza di campionamento di 25 Hz, prende il seguente tempo di ricostruire :

a. circa 10 s per identificare l’impulso di sincronizzazione e selezionare immagini pertinenti di US.
b. circa 120 s per determinare la matrice di trasformazione di calibrazione (^PrT_Im).
c. circa 10 s per la fase di riempimento bin.
Circa 30 s. d. per l’esecuzione la procedura di riempimento.

In totale, prendendo nota s. 170, passaggio b ha solo bisogno di essere eseguito una volta, supponendo che un collegamento rigido dei marcatori MoCap alla sonda, lasciando 50 s per la ricostruzione di una singola spazzata. Combinando due sweep unico ricostruito voxel matrici prende circa 10 s.

Limitazioni e fasi critiche:

Ci sono diversi aspetti di imaging 3DUS che dovrebbero essere presi in considerazione:

i. qualità dell’immagine US: maggiore risoluzione spaziale delle immagini 2D US fornire più pixel per essere collocato all’interno della matrice di voxel. In questo modo le dimensioni del voxel diminuire, portando a maggiore densità di voxel. Diverse macchine ad ultrasuoni attualmente disponibili utilizzano compounding spaziale per ridurre la struttura granulare rumorosa, permettendo per meglio priva di artefatti distinzione delle interfacce dei tessuti. Un’altra opzione per ridurre la macchiolina è aumento del bordo. Tuttavia, dovrebbe essere notato che questo approccio non è desiderabile, poiché si deforma l’immagine nel tentativo di creare interfacce distinte, distorcendo così la vera posizione anatomica delle interfacce.

II. MoCap precisione: pixel può essere accuratamente inserito in un voxel, se il sensore di posizione quantifica con precisione le coordinate della sonda. Con un aumento di risoluzione dell’immagine, MoCap precisione diventa più importante. Il 3DUS presentato installazione funziona meglio con una dimensione del voxel di 0,2 x 0,2 x 0,2 mm³, utilizzando un sistema di Motion Capture con una precisione di 0,1 mm, fornendo un ampio precisione per ricostruire la matrice di voxel 3DUS.

III. frequenza di esempio: la più bassa risoluzione temporale del US immagini o del flusso di dati di Motion Capture determina la frequenza di campionamento. Questo problema riguarda il tempo di sweep o le impostazioni di matrice di voxel. Per esempio, raddoppiando la frequenza di campione da 25 a 50 Hz permette una spazzata da eseguirsi in metà del tempo. In alternativa, non cambiando la velocità di scansione, fornisce più immagini per riempire la matrice di voxel, lasciando meno lacune da colmare e quindi potenzialmente aumentare la risoluzione di matrice di voxel. Tuttavia, aumentare la risoluzione di matrice di voxel, senza aumentare la frequenza di campionamento, richiede una scansione più lenta, che consentirà di aumentare il potenziale di artefatti di movimento.

IV. tempo di ricostruzione di immagine: veloce ricostruzioni richiedono una potente workstation con sufficiente memoria RAM disponibile. Inoltre, il tempo di ricostruzione varia in gran parte basato sul volume di matrice voxel e complessità del processo di riempimento.

v. protocollo sperimentale: standardizzazione del protocollo sperimentale, come esemplificato nello studio presente per il VL e GM, è essenziale per il confronto delle misurazioni morfologiche (ad es., fascicle lunghezza, angolo di fascio, pancia del muscolo lunghezza, lunghezza del tendine, aponeurosi lunghezza) tra i soggetti e monitoraggio all’interno negli studi longitudinali. Si noti tuttavia che la morfologia valutata a riposo può alterare durante l’attivazione muscolare. Ad esempio, per l’esperimento di VL, la morfologia dell’estensore del ginocchio durante la contrazione massima può dimostrare un angolo di alta pennation e più brevi fasci in flessione del ginocchio di 60°, in confronto con morfologia a riposo⁵⁰. In determinate condizioni (ad es., spasticità), elettromiografia (EMG) può essere utilizzato per verificare i livelli di attività del muscolo che riposa durante l’esame.

vi. sonda pressione e tessuto deformazione: se viene applicato gel ultrasuoni ampio sul ROI, la quantità di pressione rimanga per pieno contatto tra la sonda e la pelle è limitata. Come guida, consigliamo un ROI di scansione dovrebbe sentire come si libra sopra la pelle, e di pressione deve essere applicata solo per mantenere in contatto con il gel e quindi la pelle. Tuttavia, la deformazione del tessuto leggero può essere inevitabile, anche con una generosa quantità di gel per ultrasuoni. Dimensioni sonda e un ROI curvo influenzano la quantità necessaria di pressione o gel utilizzato. Dimensioni sonda e un ROI più curvo richiedono più pressione e/o gel di più, di più piccole sonde con una simile curvo ROI. Un’altra possibile soluzione è di disfarsi della regione di riverbero (cioè senza pelle-contatto) delle immagini US. Inoltre, la deformazione del tessuto è più probabile che si verificano nei primi strati del tessuto, come ad esempio la cute e gli strati di tessuto adiposo sottocutaneo. Si noti che soggetti con poco o nessun tessuto adiposo sottocutaneo sono quindi più inclini agli effetti negativi della pressione. Inoltre, la deformazione del tessuto si verifica molto probabilmente al centro della sonda, che non è in genere la regione di sovrapposizione con altri spazza.

VII. conoscenza anatomica e Imaging: un’altra considerazione importante utilizzando qualsiasi modalità di formazione immagine è che la conoscenza sia l’anatomia e la modalità di formazione immagine è essenziale per ottenere l’interpretazione significativa. Variazione anatomica fra gli oggetti e artefatti dell’immagine ha bisogno di essere riconosciuti e presi in considerazione nel processo di identificazione delle strutture anatomiche. Anche con i muscoli ben sviluppati e/o sani, chiara identificazione può essere difficile perché richiede conoscenza anatomica per distinguere tra le varie componenti di un muscolo o tra gruppi di muscolo⁵¹. Tuttavia, nel muscolo atrofizzato (cioè anziani, nel caso di patologia, o un cadavere), l’individuazione chiara è ancora più complicato a causa di una dimensione più piccola e diminuito il contrasto dell’immagine, e quindi meno distinto tessuto interfacce (Figura 4 ). Noi crediamo che senza una preventiva conoscenza anatomica, ci sarebbe sono stati limitati a dare giudizi corretti nella progettazione di questo approccio di 3DUS e nell’eseguire le misure di 3DUS. Ad esempio, per gli esperimenti di GM, angoli pedana diversi non necessariamente causano cambiamenti attesi nel muscolo lunghezze complesso tendine, dovuto alla deformazione all’interno i piedi⁷. Inoltre dettagliate informazioni anatomiche sulla curvatura del aponeurosis distale erano essenziale per un’adeguata selezione del piano metà longitudinale in tutti i soggetti³⁸.

Figura 4: variazione e qualità di ricostruite immagini anatomiche 3DUS a sezione trasversale del muscolo quadricipite a metà strada lungo la coscia. (A) esempio di un cadavere umano maschio Mostra l’immagine di uno stato atrofizzato alla morte (età di morte: 81 anni). È difficile identificare i confini dei singoli capi del muscolo quadricipite. (B) esempio di un uomo sedentario (30 anni). (C) esempio di un vogatore di atleti di sesso maschile (età compresa tra 30 anni). I quadratini bianchi per scala rappresentano 1 cm x 1 cm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Future applicazioni:

L’approccio di 3DUS fornisce uno strumento di formazione immagine che può essere utilizzato per vari scopi e impostazioni negli sport e nelle cliniche. In interventi clinici efficacia è legata al livello di forma fisica⁵². Utilizzando 3DUS per il monitoraggio di pazienti a rischio di perdere muscolo massa è importante (ad esempio, riferimenti⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵) e potenzialmente permette la regolazione del trattamento. Un’altra potenziale applicazione di 3DUS si trova nel monitorare l’adattamento morfologico del muscolo in risposta all’intervento (formazione) e/o lesioni.

Questo protocollo descrive un metodo di costo e tempo efficace della struttura dei tessuti molli del corpo umano basato su freehand 3DUS spazza di misura. Inoltre, valutazione dei parametri morfologici significativi di lateralis vastus m. e m. gastrocnemio mediale ha dimostrato di essere valido e affidabile.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori sono molto grati a Adam Shortland e Nicola Fry che hanno condiviso i loro algoritmi per l’ecografia 3-dimensionale nel 2004, che sono stati l’ispirazione per lo sviluppo del software utilizzato in questo studio.

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

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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).