نحن تصف ناقلات الأنسجة دوبلر تقنية جديدة التصوير القائم على الموجات فوق الصوتية لقياس سرعة تقلص العضلات، وإجهاد معدل الضغط مع ميلي ثانية واحدة الفرعية القرار الزماني خلال الأنشطة الحيوية. ويوفر هذا النهج القياسات التكميلية من وظيفة العضلات ديناميكية ويمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل للآليات التي تقوم عليها اضطرابات العضلات والعظام.
الموجات فوق الصوتية هي طريقة جذابة لعضلة التصوير ووتر الحركة خلال المهام الحيوية ويمكن أن توفر منهجية متكاملة للدراسات النشاط الحيوي في عملية إعداد سريرية أو مختبرية. لتحقيق هذا الهدف، وأساليب لتقدير حجم العضلات الحركيات من صور الموجات فوق الصوتية والتي يجري تطويرها على أساس معالجة الصور. القرار الزماني لهذه الأساليب هو عادة غير كافية للقيام بمهام ديناميكية للغاية، مثل التسرب من الهبوط. نقترح النهج الجديد الذي يستخدم طريقة دوبلر لقياس الحركيات العضلات. قمنا بتطوير ناقل الرواية دوبلر الأنسجة التصوير (vTDI) تقنية التي يمكن استخدامها لقياس سرعة الانكماش العضلية الهيكلية، وسلالة ومعدل الضغط مع ميلي ثانية واحدة الفرعية القرار الزماني خلال أنشطة ديناميكية باستخدام الموجات فوق الصوتية. وكان الهدف من هذه الدراسة الأولية للتحقيق في التكرار والتطبيق المحتمل للتقنية vTDI في قياس veloc العضلات والعظامities خلال مهمة الانقطاع عن الهبوط، في الاشخاص الاصحاء. القياسات vTDI يمكن القيام بها بالتزامن مع النشاط الحيوي التقنيات الأخرى، مثل 3D التقاط الحركة عن الحركيات المشتركة وحركية، الكهربائي عن توقيت تفعيل العضلات والقوة لوحات لقوة رد فعل الارض. دمج هذه التقنيات مكملة يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل لديناميكية وظيفة العضلات وضعف الكامنة وراء المرضية والفيزيولوجيا المرضية للاضطرابات العضلات والعظام.
الاضطرابات العضلية الهيكلية وتنتشر على نطاق واسع في مرحلة البلوغ 1. فهي حالة مزمنة الرائدة في الولايات المتحدة (2) ويتم إبلاغ تؤثر 25٪ من الناس في جميع أنحاء العالم 3. وترتبط اضطرابات العضلات والعظام مع انخفاض وظيفة في أنشطة الحياة اليومية (ADL)، والقيود الوظيفية وانخفاض نوعية الحياة 4. العبء الاقتصادي مهم بسبب فقدان الإنتاجية وتكاليف الرعاية الصحية عالية 4. الفيزيولوجيا المرضية للعديد من هذه الاضطرابات لا يزال مفهوما غير الكافية. على سبيل المثال، وقد تم ربط التسبب في هشاشة العظام (OA) 4 التالية إعادة بناء الرباط الصليبي الأمامي (ACL) إصابة في عضلات الفخذ التعديلات قوة العضلات وظيفة 5، ولكن الآليات الأساسية غير واضحة. لتوضيح الآليات الكامنة، هناك حاجة إلى فهم أفضل وظيفة العضلات الحيوية.
وظيفيةتقييم العضلات الفردية، أثناء أداء جزئي أو كامل مهمة تتعلق ADL وأنماط الحياة النشطة (أي الرياضة) يمكن أن توفر مزيد من التبصر حول وظيفة العضلات ودورها المحتمل في التسبب والفيزيولوجيا المرضية لهذه الاضطرابات. كذلك الكمي لتحسين وظيفة العضلات خلال إعادة التأهيل يمكن استخدامها كتدبير النتيجة. تشمل التقنيات التقليدية لقياس العضلات وظيفة مشتركة في عيادة الفحص البدني مثل مدى الحركة، وقوة العضلات و / أو التحمل مجموعة العضلات. حاليا في العيادة، ويستخدم الكهربائي (EMG) لتقييم العضلات تفعيل / تنشيط التعاون، والتردد، واتساع نشاط العضلات. ومع ذلك، EMG هو مقياس التنشيط الكهربائي في العضلات ولا توفر بالضرورة معلومات عن قوة العضلات، والقدرة انكماش والعوامل الفنية الأخرى التابعة للعضلة. تقييم النشاط الحيوي المتطورة الأخرى، مثل 3D نظام التقاط الحركة وأو حركية والحركيات المشتركة والقوة لوحات لقوة رد فعل الارض لا يمكن أن يؤديها في المختبر مشية 6-9. القياسات التي أجريت بواسطة هذه التقنيات هي في مستوى مشتركة وليس لتوفير بالضرورة الفهم المباشر من وظيفة العضلات الفردية أثناء النشاط الحيوية أو وظيفية. القدرة على أداء التصوير من العضلات في وقت واحد أثناء تنفيذ النشاط ديناميكية يمكن أن تؤدي إلى إجراء تقييم وظيفي أفضل وأكثر واقعية على مستوى العضلات.
وقد ركزت معظم الدراسات على وظيفة العضلات في المواقف عرضة ثابت، وهذه الطريقة يمكن فتح آفاقا جديدة لتعزيز فهمنا لسلوك العضلات أثناء حالات في الوقت الحقيقي.
يمكن أن الموجات فوق الصوتية التشخيصية تمكين التصوير المباشر من العضلات والأوتار في الوقت الحقيقي، وبالتالي هو بديلا جذابا لقياس ديناميكية العضلات والعظام وظيفة خلال ADL. التدابير الكمية على أساس الموجات فوق الصوتية لمورفولوجيا العضلات والهندسة المعمارية، مثل سمك العضلات، الطول، العرض، مساحة المقطع العرضي (CSA)، وزاوية الألياف pennation وطول الكراسة وقد استخدمت على نطاق واسع 10-12. في السنوات الأخيرة، وقد استخدمت أساليب لمعالجة الصور لتقييم وتقدير هذه التدابير الكمية خلال المهام الحيوية 13-14. وقد مكنت هذه التطورات مقاربة منهجية جديدة لفهم وظيفة العضلات في الجسم الحي. ومع ذلك، فقد اعتمدت هذه الأساليب في المقام الأول على استخدام تدرج الرمادي التقليدية (أو B-واسطة) التصوير بالموجات فوق الصوتية، وبالتالي لم تستغل بالكامل إمكانيات الموجات فوق الصوتية لقياس السرعات الأنسجة، وسلالة ومعدل الضغط باستخدام مبادئ دوبلر، التي ثبت أن تكون قيمة في تقييم وظيفة عضلة القلب 15-16.
وقد وضعنا التصوير ناقلات الأنسجة دوبلر (vTDI) تقنية يمكن قياس سرعة الانكماش، سلالة ومعدل الضغط مع القرار الزماني عالية (millisecon الفرعيةد) خلال أنشطة ديناميكية 17-18. على وجه التحديد، يمكن للتقنية vTDI إجراء قياسات العضلات والأوتار خلال المهام ديناميكية للغاية (مثل التسرب من الهبوط، مشية، الخ) في ارتفاع معدلات الإطار. تقنية vTDI هو تحسنا الموجات فوق الصوتية دوبلر التقليدية، والتي تقدر فقط المكون من السرعة على طول شعاع الموجات فوق الصوتية، وبالتالي فهي تعتمد على زاوية insonation. وتقدر vTDI سرعة العضلات والأوتار باستخدام شعاعين الموجات فوق الصوتية المختلفة قاد في زوايا مختلفة، وبالتالي فهي مستقلة عن زاوية insonation في الطائرة التصوير. ومع ذلك، منذ تقلص العضلات يحدث في 3D، والتزوي من الطائرة التصوير لا يزال من المهم. وقمنا بتنفيذ هذه الطريقة على نظام الموجات فوق الصوتية المتاحة تجاريا مع واجهة البحث، وتمكين هذه القياسات لتكون في عملية إعداد سريرية.
للتحقيق في التكرار والتطبيق المحتمل للSYST vTDIم في قياس السرعات العضلات الفخذية المستقيمة أثناء مهمة حيوية، أجرينا دراسة أولية على المتطوعين البالغين الأصحاء. يوضح هذه الورقة منهجية والإعداد التجريبية لتقدير سرعات الانكماش، ومعدل سلالة سلالة من المستقيمة الفخذية مع ميلي ثانية واحدة الفرعية القرار الزماني خلال مهمة الانقطاع عن الهبوط.
الموجات فوق الصوتية والتصوير لديه القدرة على توفير التقييم المباشر من الحركيات العضلات في الدراسات الديناميكية التي يمكن أن تكمل التدابير التقليدية، مثل 3D التقاط الحركة، dynamometry، الكهربائي، وقياسات قوة رد فعل الارض. هذا النهج يمكن أن تكون قابلة للتطبيق على نطاق واسع للالميكانيكا الحيوية الأساسية البحث والتقييم السريري. هناك ثلاثة أساليب رئيسية لتقدير الحركة الأنسجة باستخدام الموجات فوق الصوتية: (1) وسائل تتبع البقع التي تستخدم عبر الارتباط على الترددات الراديوية الخام (RF) الموجات فوق الصوتية أو البيانات على نطاق والرمادي (أو B-واسطة) بيانات الصورة-الكشف عن الظرف. وقد استخدمت على نطاق واسع هذه التقنيات في كل من الهيكل العظمي 24-25 وتتبع القلب 26 حركة العضلات وتقدير، (2) وسائل معالجة الصور التي تتبع كراسات العضلات أو ميزات 27-28 و (3) تقنيات التصوير دوبلر الأنسجة المستخدمة في كل من القلب 29 -30 والهيكل العظمي تقدير 31 الحركة. تتبع رقطة على أساس المكانية عبر جوقد استخدم على نطاق واسع orrelation لتتبع حركة الأنسجة ويمكن تتبع الحركة مع بكسل القرار الفرعية. ومع ذلك، وأنماط رقطة decorrelate سريعا من خلال الاقتراحات أكبر. الحركة من الطائرة صورة أيضا تحديا لتتبع البقع. أساليب لتتبع طول العضلات كراسة ديك تطبيق أفضل حيث تصور الكراسة بأكملها في الصورة أثناء المهمة الحيوية. الأساليب التي تعتمد على البيانات معالجة الصور يكون القرار الزماني منخفضة محدودة بسبب معدل الإطار التصوير، وبالتالي لا يمكن أن تتبع الحركة في السرعات العالية. بالإضافة إلى ذلك، هذه الأساليب تتبع الكراسة هي حساسة جدا للحركة من الطائرة. وبالتالي حركة التحقيق بالنسبة إلى العضلات قد يتسبب في تتبع تفشل. تقديرات السرعة التقليدية من التصوير دوبلر الأنسجة (TDI) يمكن أن يكون القرار الزماني العالي، وكذلك هي أكثر قوة لحركات مسبار صغير. يمكن أن طرق تقدير مكونات دوبلر سرعات فقط على طول شعاع الموجات فوق الصوتية، وبالتالي تقديرات دوبلر يمكن أن يكون غير دقيق دوالبريد إلى زاوية متفاوتة من insonation مع حركة العضلات. لدينا طريقة vTDI المقترحة يتغلب على هذه المشكلة عن طريق استخدام الموجات فوق الصوتية شعاعين مختلفة قاد في زوايا مختلفة، وبالتالي تقدير السرعة مستقلة عن زاوية insonation في الطائرة التصوير. أيضا، فإن القرار الزماني فعالة من vTDI يمكن أن يكون ما يقرب من 0.1 مللي وبالتالي فإن هذا الأسلوب يمكن أن تتبع حركة العضلات والهيكل العظمي خلال الأنشطة الحيوية (مثل التسرب من الهبوط، والمشية والركض).
وتشمل المزايا الأخرى لنهجنا استخدام خطي محول التصوير صفيف المستندة على نظام الموجات فوق الصوتية السريرية لأداء ناقلات الأنسجة التصوير دوبلر. نحن تسيطر عليها الكترونيا الإرسال / التلقي توجيه شعاع، وحجم الفتحة والتركيز المواقع، لمسح حقل كبير من الرأي. وعلاوة على ذلك، ويمكن تمديد هذا النهج لأداء مزدوج vTDI مع التصوير في وقت واحد في الوقت الحقيقي. نظامنا يسمح لنا أيضا لأداء التقليدية B-وضع التصوير للترocate المنطقة التي تهم الكمي للسلالة الأنسجة وعلم الحركة. منذ أن تم تطبيق هذا الأسلوب على الماسح الضوئي السريرية، وكنا قادرين على نشر هذه الطريقة vTDI في مختبر الميكانيكا الحيوية مشية للبحوث.
يجب الاعتراف القيود المفروضة على هذه التقنية. عوامل مختلفة تؤثر على دقة قياسات دوبلر. تقديرات سرعة vTDI مقرها في اثنين البعد (جنبا إلى جنب وعبر ألياف العضلات) يتطلب مجموعة محول خطي إلى أن تنقسم إلى قسمين الإرسال / استقبال فتحات الفرعية (32 العناصر واسعة) وتوجيه الحزم بنسبة 15 درجة. يمكن توجيه الموجات فوق الصوتية إرسال واستقبال الحزم إلى أعلى زوايا تؤثر التدابير سرعة نظرا لصريف فصوص. أيضا، فإن مساحة المنطقة شعاع التداخل في vTDI يتغير مع اختلاف التركيز شعاع أعماق 32، يحتمل أن تؤثر في تقديرات السرعة. تباين التقديرات دوبلر تعتمد على (1) التسارع والتباطؤ من الأنسجة داخل نافذة الوقت تحليل (2) التباين رمسألة السرعة داخل البوابة مجموعة دوبلر (3) زاوية دوبلر متفاوتة داخل الفتحة المستخدمة في الاتساع الطيفي لإرسالها واستلامها أشعة الموجات فوق الصوتية، والمعروف أيضا باسم هندسية توسيع 33 و (4) عرض النطاق الترددي للنبض الموجات فوق الصوتية المنقولة، منذ التحول دوبلر يتناسب مع تردد الناقل 34. عدة طرق يمكن استخدامها للحد من التباين. المرحلة القائمة على المقدرات السرعة، مثل الارتباط الذاتي، وعادة ما تستخدم النوافذ الوقت تحليل أصغر مقارنة المقدرات الطيفية، لكنها تقدير يعني التحول دوبلر بدلا من التحول الذروة. النطاق العريض المقدرات الطيفية مثل 2D تحويل فورييه 35 يمكن أن تقلل من التباين يرجع ذلك إلى عرض النطاق الترددي النبض. في حالة vTDI، الذي يستخدم اثنين قاد الحزم دوبلر، وتباين السرعات الأنسجة في شعاع التداخل المنطقة بالنسبة إلى العضلات هو عامل آخر للنظر فيها. وتقلص العضلات الفخذية المستقيمة في 3D وveloc الانكماشإيتي يختلف مكانيا على طول العضلات. وبالتالي، فمن المهم أن تختار بعناية المنطقة من الفائدة.
في هذه الدراسة، ونحن التحقيق في التكرار من الحركيات العضلات الفخذية المستقيمة أثناء مهمة انخفاض الهبوط في ثمانية متطوعين أصحاء باستخدام vTDI. على الرغم من أن المحاكمات كانت مستقلة، لاحظنا السرعات تقلص العضلات الذروة المترابطة للغاية وقابلة للتكرار للأفراد بين التجارب. نحن نبحث عن توظيف المزيد من المواضيع في دراستنا لمواصلة النظر في هذا النمط. وقد وفرت هذه الدراسة غير الغازية وقياس الوقت الحقيقي للسرعات تقلص المستقيمة الفخذية خلال الانقطاع عن الهبوط. وقد لوحظت أنماط التالية من السرعات انكماش خلال مختلف مراحل مهمة الهبوط قطرة (الشكل 2): 1. السرعات تقلص العضلات تهيمن في الاتجاه الأفقي مقارنة مع الاتجاه المحوري خلال ثني الركبة (مرحلة الإطلاق) والإرشاد (في الهواء عهاسي). ومن المتوقع هذا، لأن العضلات الفخذية المستقيمة تشهد انكماش غريب الأطوار خلال مرحلة الإطلاق وانكماش متحدة المركز خلال المرحلة في الهواء. 2. انخفاض السرعات العضلات الجانبية خلال المرحلة الثالثة (اصبع القدم ملامسة للأرض)، مع السرعات المنخفضة تكاد لا تذكر العضلات المحورية. وهذا يتوافق مع خفض المستقيمة الفخذية تقلص العضلات خلال هذه المرحلة 3. زيادة كبيرة في السرعات العضلات المحورية والجانبية بعد كعب تلامس الأرض. هذا هو ربما يرجع ذلك إلى العضلات التي تمر كلا انكماش غريب الأطوار والتغيير في الشكل بسبب الضغط، مما تسبب في زيادة في السرعات على طول الألياف العضلية والطبيعي أن ألياف العضلات، على التوالي. على الرغم من أن المهمة الهبوط قطرة مهمة عالية التأثير، تظاهر vTDI المستقيمة الفخذية تكرار السرعات العضلات. هذه التقنية فوق الصوتية يمكن أن يكون لها تأثير السريرية منذ هذه العضلة هي المسؤولة في المقام الأول لحماية مفصل الركبة من التحميل الزائد.لذلك، هناك ما يبرر إجراء المزيد من التقييم للعضلة المستقيمة الفخذية في المرضى الذين يعانون من إعادة الإعمار ACL لفهم الآليات التي تؤدي إلى بداية مبكرة وتسارع من الزراعة العضوية.
على الرغم من أن المشاركين في هذه الدراسة طلب من جميع لتنفيذ مهمة انخفاض الهبوط الطبيعي من منصة 30 سم، وجدنا اختلافات في ارتفاع القفزة أو إطلاق. أيضا، وذلك باستخدام البيانات كاميرا عالية السرعة، لوحظ أن جميع المواد لديه نمط مختلف قطرة الهبوط. هذا يمكن أن يفسر الاختلافات الطفيفة بين المواضيع في القيم الناتجة سرعة ذروة المستقيمة الفخذية نتيجة الاختلافات الممكنة في أنماط التنشيط خلال المهمة. عامل آخر محتمل هو الخلافات في منطقة مستعرضة من العضلات الفخذية المستقيمة، والتي يمكن أن تؤدي إلى مستويات مختلفة من تقلص العضلات وقوة الإنتاج.
The authors have nothing to disclose.
وأيد هذا العمل في جزء من منحة رقم 0953652 من المؤسسة الوطنية للعلوم والجزء الآخر من مكتبات جامعة جورج ميسون الوصول المفتوح صندوق النشر. نود أن نشكر الدكتور جون روبرت كريسمان الابن لتوفير الوصول إلى كاميرا عالية السرعة.
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 |