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Medicina

A Aplicação da novela da Musculoskeletal Ecografia

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

Summary

Descreve-se um novo vetor de tecido Doppler técnica de imagem baseados em ultra-som para medir a velocidade de contração muscular, tensão e taxa de deformação com resolução temporal sub-milissegundos durante atividades dinâmicas. Esta abordagem fornece medidas complementares a função muscular dinâmica e poderia conduzir a uma melhor compreensão dos mecanismos subjacentes desordens músculo-esqueléticas.

Abstract

O ultra-som é uma modalidade atrativa para o músculo e tendão de imagem movimento durante tarefas dinâmicas e podem fornecer uma abordagem metodológica complementar para estudos biomecânicos em um ambiente clínico ou laboratorial. Para atingir este objetivo, métodos de quantificação da cinemática musculares de imagens de ultra-som está sendo desenvolvido com base em processamento de imagem. A resolução temporal destes métodos não é normalmente suficiente para tarefas altamente dinâmicos, como drop-pouso. Propomos uma nova abordagem que utiliza um método de Doppler para quantificar cinemática musculares. Nós desenvolvemos um vetor novela Doppler tecidual de imagem (VTDI) técnica que pode ser usada para medir a velocidade de contração músculo-esquelético, tensão e taxa de deformação com resolução temporal sub-milissegundos durante atividades dinâmicas utilizando ultra-som. O objetivo deste estudo preliminar foi investigar a repetibilidade e potencial aplicabilidade da técnica VTDI na medição veloc músculo-esqueléticodades durante uma tarefa drop-pouso, em indivíduos saudáveis. As medições VTDI pode ser realizada simultaneamente com outras técnicas biomecânicas, tais como captura de movimento 3D para cinemática articular e cinética, eletromiografia para o sincronismo de ativação muscular e da força de placas para força de reação do solo. A integração destas técnicas complementares pode levar a uma melhor compreensão da função do músculo dinâmico e disfunção subjacente a patogénese e na patofisiologia de perturbações músculo-esqueléticas.

Introduction

Distúrbios músculo-esqueléticas são muito prevalente na idade adulta 1. Eles são uma condição crônica de liderança nos Estados Unidos e 2 são relatados a afetar 25% das pessoas no mundo inteiro 3. Lesões músculo-esqueléticas estão associadas com diminuição da função nas atividades da vida diária (AVD), limitações funcionais e menor qualidade de vida 4. Sua carga econômica é significativa por causa de perda de produtividade e altos custos de saúde 4. A fisiopatologia de vários desses distúrbios permanece insuficientemente compreendida. Por exemplo, a patogênese da osteoartrite (OA) 4 após reconstrução do ligamento cruzado anterior (LCA) tem sido associada a alterações na força muscular do quadríceps e função 5, mas os mecanismos subjacentes não são claras. Para elucidar os mecanismos subjacentes, há uma necessidade de compreender melhor a função muscular dinâmica.

O funcionalavaliação de músculos individuais, durante a realização de um parcial ou uma tarefa inteira relacionada a ADL e estilos de vida activos (ou seja, esportes) podem fornecer mais informações sobre a função muscular e seu papel potencial na patogênese e fisiopatologia desses transtornos. Além disso, a quantificação da melhoria da função muscular durante a recuperação pode ser usado como uma medida do resultado. As técnicas convencionais de função muscular e articular na clínica medição envolver exame físico, tais como amplitude de movimento, força muscular e / ou grupo de resistência muscular. Atualmente na clínica, eletromiografia (EMG) é utilizada para avaliar a ativação muscular / co-ativação, freqüência e amplitude da atividade muscular. No entanto, a EMG é uma medida de ativação elétrica do músculo e não necessariamente fornecer informações sobre a força muscular, a capacidade de contração e de outros fatores funcionais do músculo. Outras avaliações biomecânicas sofisticados, como 3D sistema de captura de movimento fou cinética e cinemática articular e placas de força para a força de reação do solo pode ser realizada em um laboratório de marcha 6-9. As medições feitas por estas técnicas estão no nível das articulações e não necessariamente fornecer uma compreensão direta da função do músculo individual durante uma atividade dinâmica ou funcional. A capacidade de executar simultaneamente imagens do músculo durante a execução de uma atividade dinâmica pode potencialmente levar a uma avaliação funcional melhor e mais realista ao nível muscular.

A maioria dos estudos se concentraram na função muscular em posições prona estáticos, e este método pode abrir novos caminhos para aumentar ainda mais nossa compreensão do comportamento muscular durante situações em tempo real.

Diagnóstico ultra-som pode ativar imagem direta de músculos e tendões, em tempo real, e, portanto, é uma alternativa atraente para medir a dinâmica ea função músculo-esqueléticas durante ADL. Medidas quantitativas baseadas em ultra-som demorfologia muscular e arquitetura, como a espessura do músculo, comprimento, largura, área da seção transversal (CSA), o ângulo de fibra pennation e duração fascículo têm sido amplamente utilizados 10-12. Nos últimos anos, os métodos de processamento de imagem têm sido utilizados para avaliar e quantificar essas medidas quantitativas durante tarefas dinâmicas 13-14. Esses avanços permitiram uma nova abordagem metodológica para a compreensão da função do músculo vivo. No entanto, estes métodos têm se baseou principalmente em tons de cinza usando convencional (ou modo B) ultra-sonografia e, portanto, ainda não totalmente explorado as possibilidades de ultra-som para medir velocidades de tecido, tensão e taxa de deformação usando princípios de Doppler, que foram mostrados para ser valiosa em avaliar a função do músculo cardíaco 15-16.

Nós desenvolvemos um Doppler tecidual vetor (VTDI) técnica que pode medir a velocidade de contração, tensão e taxa de deformação com alta resolução temporal (sub millisecond) durante atividades dinâmicas 17-18. Especificamente, a técnica VTDI pode fazer medições de músculos e tendões durante tarefas altamente dinâmicos (por exemplo drop-pouso, da marcha, etc) em altas taxas de quadros. A técnica VTDI é uma melhoria sobre o ultra-som Doppler convencional, que estima apenas a componente da velocidade ao longo do feixe de ultrassom, e é, portanto, dependente do ângulo de insonação. VTDI calcula a velocidade do músculo tendão e usando dois feixes de ultra-sons diferentes direccionais em ângulos diferentes, e é, por conseguinte, independente do ângulo de insonação no plano de imagem. No entanto, desde a contração muscular acontece em 3D, a angulação do plano de imagem ainda é importante. Nós implementamos esse método em um sistema de ultra-som disponível comercialmente com uma interface de pesquisa, permitindo que estas medições a serem feitas em um ambiente clínico.

Para investigar a repetibilidade e potencial aplicabilidade do sist VTDIlos para medir as velocidades de músculo reto femoral durante uma tarefa dinâmica, foi realizado um estudo preliminar sobre a voluntários adultos saudáveis. Este trabalho demonstra a metodologia e montagem de experimento para estimar as velocidades de contração, tensão e taxa de deformação do músculo reto femoral com sub-milissegundos resolução temporal durante uma tarefa drop-pouso.

Protocol

1. Instrumentação Vector TDI é baseado na estimativa do vector de velocidade resultante a partir de medições de velocidade Doppler tomadas a partir de duas ou mais direcções independentes. Um sistema de ultra-som com uma interface de pesquisa foi utilizada para o desenvolvimento de VTDI. A interface de pesquisa permitiu beamforming baixo nível e controle de seqüência de pulsos utilizando um kit de desenvolvimento de software (SDK). Um transdutor linear de 5-14 MHz, que consiste de 128 elementos transdutores e com um campo de visão de 38 milímetros foi utilizado. A interface de pesquisa foi utilizada para dividir o transdutor em duas aberturas de transmissão e recepção e dirigir os feixes de receber de 15 ° em relação ao normal. O feixe de transmissão estava focado na região de interesse (por exemplo, ventre muscular). Transmitir e receber aberturas foram ajustados para 32 elementos. Oito indivíduos, 4 homens e 4 mulheres (29,7 ± 6,5 anos) foram recrutados neste estudo. Medidas cinemáticas dos sujeitos daextremidades inferior direito foram capturados usando um sistema de captura de movimento de oito câmera com capacidade de alta velocidade e uma taxa de amostragem de 200 Hz. Dados de força de reação do solo durante o experimento foram obtidos através de duas plataformas de força amostragem em 2.000 Hz. A câmera de alta velocidade montada em um tripé e colocado a 2 m do assunto, foi usado para capturar o desembarque queda a 500 frames / seg. 2. Preparação Assunto Pergunte aos assuntos a usar um par de shorts, sutiã esportivo ou uma curta t-shirt e tênis de corrida. Instrua os assuntos para realizar a 10 min auto-dirigida de aquecimento e alongamento antes da coleta de dados. Isso é para evitar contrações musculares anormais e reduzir o escopo de qualquer cãibras musculares. Após a sessão de warm-up, coloque marcadores reflexivos em marcos específicos do corpo. Especificamente, marcadores de calibração lugar nas grandes trocanteres, medial bilateral e joelho lateral e medial e Lateral maléolo. Coloque marcadores de rastreamento no posterior e anterior cristas ilíacas superiores, e clusters lugar nas coxas e canelas, e cinco marcadores em cada pé 19-20. Dirigir os assuntos do stand no centro da área de foco das câmeras 3D para obter um julgamento estática. Os participantes devem ficar sobre as plataformas de força com seus braços sobre os ombros, para obter dados de captura de movimento 3D estáticas. Em seguida, coloque o transdutor de ultra-som em um suporte de transdutor e garantir uma boa engenhoca, para evitar o desprendimento do transdutor de ultra-som do suporte do transdutor. O titular transdutor foi feita usando Lexen policarbonato e plástico moldável. Para garantir um bom contacto com a pele e transdutor de ultra-som, aplique generosa quantidade de gel de transmissão do ultra-som no transdutor. Coloque o transdutor de ultra-som, juntamente com o suporte do transdutor sobre a coxa do sujeito com a imagem do músculo reto femoral no eixo longitudinalé. O transdutor deve ser colocado a meio caminho entre a espinha ilíaca anterior eo epicondoyle lateral à imagem do ventre do músculo reto femoral. Antes de fixar o transdutor de ultra-sons e o suporte de transdutor para a perna, obter um corte axial do grupo quadríceps. Usando isso como uma orientação, certifique-se o transdutor de ultra-som é agora imaginando o reto femoral e não se move mais lateral ou medial, para evitar imagens do grupo muscular vastii. Agora, usar uma ligadura auto-adesiva coesiva para fixar o suporte do transdutor para a coxa do sujeito. Faça desta fase processual não bloqueie ou cubra os marcadores reflexivos. A bandagem auto-adesivo não deve ser negligente ou excessivamente apertado. Bandagem Lax correrá o risco de o transdutor de ultra-som a cair durante a tarefa drop-pouso e uma bandagem excessivamente apertada irá causar desconforto, interromper o fluxo de sangue superficial e possivelmente alterar a dinâmica de pouso soltar. Coloque tele câmera de alta velocidade de pelo menos 2 m de distância do assunto no plano sagital para coletar vídeos de cada 500 frames / seg. Concentre-se a lente da câmera para garantir que a seqüência de pouso queda inteiro do assunto pode foram capturados. 3. Experiência Protocolo Depois que todos os marcadores e o transdutor de ultra-som são seguras, pergunte aos assuntos a ficar em uma plataforma de 30 cm de altura lugar a 50 cm das placas de força. Certifique-se de que a área ao redor da plataforma (cerca de 2,5 m) está livre de quaisquer objetos que possam dificultar a tarefa de pouso gota ou ferir o assunto. Isto inclui o cabo de transdutor de ultra-sons. Instrua os assuntos para colocar suas mãos em seus quadris, antes de iniciar a tarefa de pouso queda e durante a seqüência inteira de pouso queda. Comece a coleta de dados para o ultra-som, captura de movimentos 3D, placas de força e a câmera de alta velocidade antes de iniciar a tarefa de pouso queda. A sincronização entre os diferentes instrumentos pode ser alcançard usando uma única tecla para começar toda a aquisição de dados. Um sensor de pressão ligado ao teclado pode ser utilizado para gerar um sinal de disparo de sincronismo, quando uma chave específica é pressionado. Dirigir o assunto para executar a tarefa drop-pouso da plataforma e terra com as duas pernas, ao mesmo tempo. Certifique-se de que os sujeitos cair de caixa em vez de saltar dele. Não há instruções específicas são fornecidas sobre técnica de aterrissagem. Pare a coleta de dados uma vez que o assunto foi totalmente estabilizada e completou a seqüência de pouso queda. Repita este protocolo cinco vezes por assunto. 4. O ultra-som de Análise de Dados Exportação e armazenar os dados em bruto do sistema de ultra-som a um computador. Os dados de ultra-som por radiofreqüência raw (rf) de cada feixe de receber é digitalizado a 40 MHz. Processar os dados usando o MATLAB. Realizar desmodulação em quadratura dos dados de RF para remover a frequência portadora. Remover statusionary e desordem de baixa frequência, filtrando os dados de quadratura de cada um dos feixes recebem e para cada profundidade usando um 20 Hz filtro de alta freqüência. Estimar as velocidades ao longo de ambos receber vigas usando o estimador de velocidade autocorrelação convencional 21. Combina-se as formas de onda de velocidade individuais para obter lateral (ao longo do transdutor) e as formas de onda axial (perpendicular ao transdutor) de velocidade ao longo da sequência de aterragem gota, como pode ser visto na Figura 1. Obter a magnitude do vector de velocidade resultante das componentes de velocidade individuais utilizando a equação 1 como se descreveu anteriormente 22: onde β é o ângulo da direcção do feixe, f 1 e f 2 são as duas componentes de frequência recebidos e f t é a frequência de transmissão. Calcule o lateral e axial taxa de deformação de / dt usando o gradi espacialentos nas velocidades laterais e axiais. onde V e V 1 2 são velocidades instantâneas estimadas em duas localizações espaciais separadas por uma distância L. Calcule o axial e tensão lateral, e, integrando a taxa de deformação axial e lateral, respectivamente. 5. Análise de captura de dados 3D de movimento Exportar os dados de captura de movimento em 3D para um computador para análise posterior. Usando o julgamento de pé estático, criar um modelo cinemático (pelve, coxa, pernil, e pé), utilizando software de captura de movimento 3D com uma otimização de mínimos quadrados 23. Utilize este modelo cinemático para quantificar o movimento no quadril, joelho e tornozelo. Filtre as trajetórias dos marcadores reflexivos e as forças de reação do solo, utilizando um baixo-pass 4 ª ordem Butterworª filtro com freqüência de corte de 7 Hz e 25 Hz, respectivamente usando o software de captura de movimento 3D. Calcule 3-D forças conjuntas e momentos da cinemática e dados de força solo utilizando uma análise dinâmica inversa padrão, utilizando segmento características inerciais estimados para cada participante de acordo com os métodos de Dempster. Inter-segmentares momentos conjuntos são definidos como momentos internos (por exemplo, um joelho momento ramal interno vai resistir a uma carga de flexão aplicada ao joelho). 6. Análise de dados de alta velocidade da câmera Exportar os vídeos a partir dos dados da câmera de alta velocidade para um computador para análise e comparação com ultra-som e de captura de movimentos 3D dados cinemáticos. Reproduza o filme em 15 frames / seg e observar a dinâmica de pouso soltar. Em seguida, quantificar o movimento do suporte de transdutor e a deslocação do transdutor de ultra-sons, durante todo o ensaio aterragem gota seguindo os marcadores visíveis na anatomicamentemarcos cal utilizando os dados de vídeo de alta velocidade. Avaliando a dinâmica de queda de pouso também pode ser feito simultaneamente para melhor compreender os diferentes estilos de lançamento e aterragem.

Representative Results

Os resultados representativos do nosso trabalho anterior demonstrando os métodos são apresentados abaixo. Enquanto os métodos utilizados em nossa pesquisa atual integrar imagem e captura de movimento, os resultados apresentados a seguir são representativos de estudos onde estas medidas foram realizadas separadamente. I. O ultra-som (VTDI) Usando os dados da captura de movimentos 3D ea câmera de alta velocidade, o padrão de salto do sujeito, as fases de pouso e de estabilização foram estudados para cada ensaio. O reto axial e lateral femoral velocidades musculares de VTDI foram comparados com dados coletados a partir de captura de movimentos 3D e câmera de alta velocidade. Usando esses dados, foram estudadas as características temporais do axial e velocidades músculo reto femoral laterais ao longo da seqüência de pouso queda. Velocidades laterais positivos correspondem à contração excêntrica do músculo reto femoral durante a flexão do joelho,enquanto velocidades laterais negativos correspondem a contração concêntrica do músculo durante a extensão do joelho. Isto é ilustrado na Figura 2. A série de quedas-landing inteiro para todas as disciplinas durou aproximadamente 1,45 ± 0,27 segundos. Para cada paciente, os axiais e musculares laterais velocidades mostrou uma forte repetibilidade entre ensaios, com um declive de 0,99 e R2 = 0,75 (Fig. 3). Os valores de velocidade para seis dos oito indivíduos estavam em uma faixa semelhante de 48-62 cm / s, enquanto que dois indivíduos (tanto homens) tinham velocidades mais altas. Do sexo masculino (72,96 centímetros / seg) apresentou velocidade significativamente maior músculo do que as mulheres (48,71 centímetros / segundo), p = 0,029, quando o ajuste para peso e músculo indivíduo espessura de cada sujeito. A posição do transdutor de ultra-som foi rastreado através da seqüência drop-pouso de usar a câmera de alta velocidade. O ângulo entre o segmento de linha feita entre o trocânter ea braçadeira (traço verdeed segmento de linha) eo segmento de linha entre o meio da coxa e do manguito (segmento roxo linha tracejada) foi calculado. Um total de 16 ensaios, com dois ensaios por assunto (ensaio 1 e 2 referem-se a sujeitar 1 e assim por diante) são observadas na Figura 4. Variação angular mínima (0,91 ± 0,54 ° graus) do titular do transdutor em relação aos marcadores anatômicos durante o pouso foi observada ao longo de todos os 16 ensaios. A variação angular do transdutor de ultra-som apresentou uma alta repetibilidade bem (ICC 2,1 = 0,90, p <0,05). Isso mostra que o movimento do transdutor durante o julgamento de pouso era mínima e as medições de velocidade não foram afetados devido a qualquer movimento do transdutor. II. Placas 3D Movimento Camara e da Força Estamos focados principalmente no joelho e ângulos de flexão do quadril, ângulo valgo do joelho, e do joelho valgo momento. Descobrimos que durante o contato inicial com o solo, os indivíduos tiveram os seguintes padrões cinemáticos: quadril flexion 41 ° ± 13 graus, flexão do joelho 23 ° ± 9 graus e joelho valgo 0,03 ° ± 6 graus. À medida que progridem durante a fase de aterragem, os ângulos máximos atingidos foram: flexão do quadril 58 ° ± 19 graus, flexão do joelho 54 ° ± 24 graus e joelho valgo -4 ° ± 8 graus (Figura 5). Joelho valgo momento apresentou uma redução de 0,03 ± 0,03-0,1 ± 0,1 Nm / km desde o contato inicial do solo para o seu máximo durante a fase de pouso (Figura 6). Figura 1. Representação da medição da velocidade VTDI do músculo reto femoral. O feixe de cinza representam os dois de transmissão individual e receber vigas e a linha vermelha representa a componente da velocidade lateral (ao longo da direção proximal-distal do joelho) ea linha azul representa a velocidade axial componente (ao longo da espessura do músculo). <p class = "jove_content"> Figura 2. Axiais e laterais velocidades durante a aterragem gota são comparadas com a sequência de quadros de vídeo (painel superior). O painel inferior representa as velocidades axiais e laterais, em que A corresponde à flexão inicial do joelho, B corresponde à extensão do joelho, C corresponde ao toe batendo no chão, D corresponde ao calcanhar batendo no chão, E corresponde ao joelho pós flexão de pouso e F corresponde à extensão do joelho e estabilização. Figura 3. Repetibilidade da magnitude do vetor velocidade resultante para todos os 8 indivíduos (2 ensaios por indivíduo). Homens são indicados em diamantes vermelhos e mulheres em círculos azuis. Figura 4. Painel A. O erroo ângulo entre o segmento de recta feita pelo titular do transdutor de ultra-sons e o marcador por meio da coxa (segmento roxo linha tracejada) e o segmento de linha feita pelo transdutor de ultra-sons e o marcador no trocânter (verde tracejada segmento de recta). Painel B. O erro absoluto do ângulo entre o segmento de recta feita pelo titular do transdutor de ultra-sons e o marcador no meio da coxa e o segmento de linha feita pelo transdutor de ultra-sons e o marcador no trocânter. Figura 5. Figura mostra a captura de movimentos 3D durante a tarefa de pouso queda. A corresponde à flexão inicial para o lançamento da plataforma, B corresponde ao dedo do pé atingir o solo, C corresponde ao calcanhar atingir o solo, D corresponde a flexão do joelho pós aterragem e E corresponde à knee extensão e estabilização. Clique aqui para ver maior figura. Figura 6. Figura mostra joelho valgo representante mudanças momento durante a fase de apoio da drop-salto. Joelho valgo momento apresentou um aumento de 0,03 ± 0,03-0,1 ± 0,1 Nm / km desde o contato inicial do solo para o seu máximo durante a fase de pouso. Clique aqui para ampliar figura.

Discussion

A ultra-sonografia tem a capacidade de fornecer uma avaliação direta da cinemática musculares em estudos dinâmicos que podem complementar as medidas convencionais, tais como captura de movimento 3D, dinamometria, eletromiografia, e terrestres medidas de força de reação. Esta abordagem pode ser amplamente aplicável para biomecânica fundamentais de pesquisa e avaliação clínica. Há três abordagens principais para estimar o movimento do tecido usando ultra-som: (1) métodos de rastreamento salpico que usam de correlação cruzada em radiofreqüência (RF) raw dados de ultra-som ou escala de cinza (ou em modo-B) dados de imagem detectou-envelope. Estas técnicas têm sido amplamente utilizados, tanto esquelético 24-25 e monitoramento cardíaco 26 movimento muscular e estimativa, (2) métodos de processamento de imagens que acompanham os fascículos ou recursos 27-28 e (3) técnicas de imagem Doppler tecidual utilizados em ambos cardíaca 29 musculares estimativa de movimento 31 -30 e esquelético. Speckle tracking baseado em espacial cross-correlation tem sido amplamente utilizada para rastrear o movimento do tecido e pode acompanhar o movimento com resolução sub-pixel. No entanto, os padrões de speckle decorrelate rapidamente durante movimentos maiores. Movimento para fora do plano da imagem também representa um desafio para o rastreamento de manchas. Métodos de monitoramento comprimento muscular fascículo tem melhor aplicabilidade em todo o fascículo é visualizado na imagem durante a tarefa dinâmica. Métodos que se baseiam em dados de imagem de processamento têm baixa resolução temporal limitada pela taxa de quadros de imagem e, portanto, não pode controlar o movimento em velocidades elevadas. Além disso, estes métodos de rastreio fascículo são muito sensíveis a para fora do plano de movimento. Assim, o movimento da sonda em relação ao músculo pode causar o rastreamento falhar. Estimativas de velocidade de Doppler tecidual convencional (TDI) pode ter maior resolução temporal, assim são mais robustos para pequenos movimentos da sonda. Métodos Doppler pode estimar os componentes de velocidades só ao longo do feixe de ultrassom, assim, estimativas de Doppler pode ser imprecisa duE para o ângulo que varia de insonação com o movimento do músculo. O nosso método proposto VTDI ultrapassa este problema através da utilização de dois feixes de ultra-sons diferentes direccionais em ângulos diferentes, pelo que a estimativa da velocidade é independente do ângulo de insonação no plano de imagem. Além disso, a resolução temporal efetiva de VTDI pode ser de aproximadamente 0,1 ms e, portanto, este método pode acompanhar o movimento do músculo esquelético durante atividades dinâmicas (por exemplo drop-pouso, marcha e corrida).

Outras vantagens da nossa abordagem incluem o uso de um transdutor de imagiologia de matriz linear com base em um sistema de ultra-clínico para a realização de vector tecido Doppler. Nós controlado eletronicamente a transmissão / recepção de direção do feixe, tamanho da abertura e focar locais, para a digitalização de um grande campo de visão. Além disso, esta abordagem pode ser estendida para realizar duplex VTDI com simultânea de imagens em tempo real. Nosso sistema também permite-nos realizar imagem modo B convencional para locate a região de interesse para a quantificação de tensão do tecido e cinemática. Uma vez que este método foi implementado em um scanner clínico, temos sido capazes de implementar este método VTDI em um laboratório de marcha para biomecânica pesquisa.

Limitações desta técnica deve ser reconhecido. Vários fatores afetam a precisão das medições Doppler. estimativas de velocidade baseado VTDI em duas dimensões (ao longo e através das fibras musculares) exige que o transdutor linear a ser dividido em dois de transmissão / recepção sub-aberturas (32 elementos de largura) e orientar os feixes de 15 °. Dirigir o ultra-som transmitir e receber feixes de ângulos mais elevados poderiam afetar as medidas de velocidade devido a ralar lobos. Além disso, a área da região de sobreposição do feixe em VTDI muda com diferentes profundidades de foco do feixe 32, que potencialmente afectam as estimativas de velocidade. A variação das estimativas Doppler depender de (1) a aceleração e desaceleração do tecido dentro da janela de tempo de análise (2) variação da tvelocidade de emissão dentro do portão gama de Doppler (3) o ângulo de Doppler variando dentro da abertura utilizada para Wideband espectral transmitida e recebida feixes de ultra-som, também conhecidos como geométrico alargamento 33 e (4) a largura de banda do impulso de ultra-sons transmitido, uma vez que o desvio de Doppler é proporcional à frequência portadora 34. Vários métodos podem ser utilizados para limitar a variância. Estimadores velocidade de fase com base, tais como a auto-correlação, normalmente utilizam menores janelas de tempo de análise em comparação com estimadores espectrais, mas eles estimam significa efeito Doppler ao invés do deslocamento do pico. Wideband estimadores espectrais, como a transformada de Fourier 35 2D pode reduzir a variância devido à largura de banda de impulso. No caso de VTDI, que utiliza dois feixes direccionais Doppler, a variação de velocidade do tecido na região de feixe de sobreposição em relação ao músculo é outro factor a considerar. A contração do músculo reto femoral é em 3D ea veloc contraçãodade varia espacialmente ao longo do músculo. Portanto, é importante escolher com cuidado a região de interesse.

Neste estudo, foi investigada a repetibilidade da cinemática do músculo reto femoral durante uma tarefa drop-pouso em oito voluntários saudáveis, utilizando VTDI. Mesmo que os ensaios eram independentes, observou-se velocidades de contração muscular pico altamente correlacionados e repetíveis para os indivíduos entre os ensaios. Estamos actualmente a recrutar mais assuntos em nosso estudo para examinar melhor esse padrão. O estudo forneceu não-invasivo e de medição em tempo real das velocidades de contração do músculo reto femoral durante drop-pouso. Foram observados os seguintes padrões de velocidades de contração durante as várias fases da tarefa de pouso de queda (Figura 2): 1. Velocidades de contração muscular dominar no sentido lateral em relação a direção axial durante a flexão do joelho (fase de lançamento) e extensão (in-the-air phase). Isso é esperado, já que o músculo reto femoral está passando por contração excêntrica durante a fase de lançamento e contração concêntrica na fase de in-the-air. 2. Baixas velocidades musculares laterais durante a terceira fase (tep tocando o chão), com velocidades insignificante baixo do músculo axial. Isto corresponde a reduzir a contração do músculo rectus femoris, durante esta fase 3. Aumento substancial na velocidade musculares axiais e laterais, logo após o calcanhar toca o chão. Isto é provavelmente devido à contracção do músculo submetidos tanto excêntrico e alterações na forma, devido à compressão, provocando aumento da velocidade ao longo das fibras musculares e normal às fibras musculares, respectivamente. Apesar do facto de que a tarefa de aterragem gota é uma tarefa de alto impacto, VTDI demonstrado rectus femoris repetível velocidades musculares. Esta técnica de ultra-som pode ter impacto clínico uma vez que este músculo é o principal responsável por proteger a articulação do joelho a partir de uma carga excessiva.Portanto, uma avaliação mais aprofundada do músculo reto femoral em pacientes com reconstrução do LCA tem a garantia de compreender os mecanismos que levam ao aparecimento precoce e acelerado da OA.

Embora os participantes do estudo foram todos convidados a executar uma tarefa natural, drop-pouso de uma plataforma de 30 cm de altura, encontramos diferenças na altura do salto ou lançamento. Além disso, usando os dados da câmara de alta velocidade, foi observado que todos os sujeitos tinham um modelo de aterragem gota diferente. Isto poderia explicar as pequenas diferenças entre os indivíduos nos valores de velocidade resultantes de pico do músculo reto femoral, como consequência de possíveis diferenças nos padrões de ativação durante a tarefa. Um outro factor possível é a diferença na área de secção transversal do músculo rectus femoris, o que poderia potencialmente levar a diferentes níveis de contracção muscular e forçar a produção.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado em parte por Grant Número 0953652 do National Science Foundation e em parte pelo bibliotecas George Mason University acesso aberto fundo publicação. Gostaríamos de agradecer ao Dr. John Robert Cressman Jr. para fornecer acesso à câmera de alta velocidade.

Materials

Name of Equipment Company Model Name
Ultrasound System Ultrasonix Sonix RP
3D Motion Capture System Vicon Motion Systems Vicon T-20
Force Plates Bertec Corporation Bertec 4060-10
High Speed Camera Photron Photron 512 PCI 32K
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referencias

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