Une application roman de l'appareil locomoteur imagerie par ultrasons
Summary
Nous décrivons un nouveau vecteur Doppler tissulaire technique d'imagerie à base d'ultrasons pour mesurer la vitesse de contraction musculaire, la tension et la vitesse de déformation avec une résolution temporelle inférieure à une milliseconde lors d'activités dynamiques. Cette approche fournit des mesures complémentaires de la fonction musculaire dynamique et pourrait conduire à une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent les troubles musculo-squelettiques.
Abstract
L'échographie est une modalité intéressante pour les muscles de l'imagerie et le mouvement du tendon lors de tâches dynamiques et peut fournir une approche méthodologique complémentaire pour les études biomécaniques dans un cadre clinique ou de laboratoire. Dans ce but, des méthodes de quantification de la cinématique musculaires à partir d'images de l'échographie sont en cours de développement basés sur le traitement d'image. La résolution temporelle de ces méthodes n'est généralement pas suffisante pour les tâches hautement dynamiques, telles que la chute d'atterrissage. Nous proposons une nouvelle approche qui utilise une méthode Doppler pour quantifier la cinématique musculaires. Nous avons développé un nouveau vecteur imagerie Doppler tissulaire (vTDI) technique qui peut être utilisé pour mesurer la vitesse de contraction musculo-squelettiques, la souche et la vitesse de déformation avec une résolution temporelle inférieure à une milliseconde lors d'activités dynamiques à l'aide d'ultrasons. L'objectif de cette étude préliminaire était d'étudier la répétabilité et l'applicabilité potentielle de la technique dans la mesure vTDI veloc musculo-squelettiquestés au cours d'une tâche baisse atterrissage, chez des sujets sains. Les mesures vTDI peuvent être effectuées simultanément avec d'autres techniques biomécaniques, telles que la capture de mouvement 3D pour la cinématique et la cinétique communs, l'électromyographie pour le moment de l'activation musculaire et de la force des plaques pour la force de réaction du sol. L'intégration de ces techniques complémentaires pourrait conduire à une meilleure compréhension de la fonction musculaire dynamique et la dysfonction sous-jacente de la pathogenèse et la physiopathologie des troubles musculo-squelettiques.
Introduction
Troubles musculo-squelettiques sont largement répandus dans l'âge adulte 1. Ils sont une condition chronique conduisant aux États-Unis et 2 sont présentés à affecter 25% des personnes dans le monde 3. Troubles musculo-squelettiques sont associés à une diminution de la fonction dans les activités de la vie quotidienne (AVQ), des limitations fonctionnelles et une qualité de vie 4. Leur poids économique est important en raison de la perte de productivité et les coûts élevés des soins de santé 4. La physiopathologie de plusieurs de ces troubles reste mal compris. Par exemple, la pathogenèse de l'arthrose (OA) 4 après reconstruction du ligament croisé antérieur (LCA) des blessures a été liée à des altérations de la force du quadriceps et la fonction musculaire 5, mais les mécanismes sous-jacents ne sont pas claires. Pour élucider les mécanismes sous-jacents, il est nécessaire de mieux comprendre la fonction musculaire dynamique.
La fonctionnelleévaluation des muscles individuels, pendant l'exécution d'une tâche partielle ou un ensemble lié à ADL et les modes de vie actifs (c.-à-sport) peut fournir plus de renseignements sur la fonction musculaire et de son rôle potentiel dans la pathogenèse et la physiopathologie de ces troubles. En outre la quantification de l'amélioration de la fonction musculaire pendant la réadaptation peut être utilisée comme une mesure de résultat. Les techniques classiques de mesure de fonctions musculaires et articulaires dans la clinique impliquent un examen physique tels que l'amplitude des mouvements, la force musculaire et / ou groupe de l'endurance musculaire. Actuellement dans la clinique, l'électromyographie (EMG) est utilisé pour évaluer l'activation musculaire / co-activation, la fréquence et l'amplitude de l'activité musculaire. Cependant, EMG est une mesure de l'activation électrique dans le muscle et ne fournit pas nécessairement d'informations sur la force musculaire, la capacité de contraction et d'autres facteurs fonctionnels du muscle. D'autres évaluations biomécaniques sophistiqués, comme la 3D système de capture de mouvement fou cinétique et cinématique communes et des plaques de la force pour la force de réaction du sol peuvent être effectuées dans un laboratoire de la démarche 6-9. Les mesures effectuées par ces techniques sont au niveau articulaire et ne fournissent pas nécessairement une compréhension directe de la fonction individuelle de muscle au cours d'une activité dynamique ou fonctionnelle. La capacité d'effectuer une imagerie du muscle tout en effectuant simultanément une activité dynamique pourrait conduire à une évaluation fonctionnelle meilleure et plus réaliste au niveau musculaire.
La majorité des études se sont concentrées sur la fonction musculaire en position couchée statiques, et cette méthode peut ouvrir de nouvelles voies pour améliorer notre compréhension du comportement du muscle lors de situations en temps réel.
L'échographie diagnostique peut permettre l'imagerie directe des muscles et des tendons en temps réel, et est donc une alternative intéressante pour mesurer la dynamique et la fonction musculo-squelettiques pendant ADL. Des mesures quantitatives basées sur l'échographie dela morphologie et l'architecture du muscle, tel que l'épaisseur du muscle, la longueur, la largeur, la surface en coupe transversale (CSA), l'angle d'obliquité de la fibre et de la longueur des fascicules ont été largement utilisés 10 à 12. Au cours des dernières années, les méthodes de traitement d'images ont été utilisées pour évaluer et quantifier ces mesures quantitatives au cours de tâches dynamiques 13-14. Ces progrès ont permis une nouvelle approche méthodologique pour la compréhension de la fonction musculaire in vivo. Cependant, ces méthodes ont principalement compté sur l'aide de niveaux de gris classique (ou mode B) l'imagerie par ultrasons, et n'ont donc pas pleinement exploité les possibilités de l'échographie pour mesurer les vitesses de tissus, la souche et la vitesse de déformation en utilisant les principes de Doppler, qui ont été montrés pour être utile dans l'évaluation de la fonction musculaire cardiaque 15-16.
Nous avons développé une imagerie vecteur Doppler tissulaire (vTDI) technique qui permet de mesurer la vitesse de contraction, la souche et la vitesse de déformation avec une haute résolution temporelle (de millisecon sousd) lors d'activités dynamiques 17-18. Plus précisément, la technique vTDI peut effectuer des mesures des muscles et des tendons lors de tâches très dynamiques (par exemple baisse de débarquement, la marche, etc) à des cadences élevées. La technique vTDI est une amélioration par rapport à l'échographie Doppler classique qui estime que la composante de la vitesse le long du faisceau ultrasonore, et est donc dépendant de l'angle d'insonation. vTDI estime la vitesse du muscle et le tendon au moyen de deux faisceaux ultrasonores pilotés différentes à différents angles, et est donc indépendante de l'angle d'insonation dans le plan d'imagerie. Cependant, étant donné que la contraction musculaire se produit en 3D, l'angulation du plan de formation d'image est toujours important. Nous avons mis en oeuvre ce procédé sur un système à ultrasons disponible dans le commerce avec une interface de recherche, ce qui permet ces mesures doivent être effectuées dans un environnement clinique.
Pour étudier la répétabilité et l'applicabilité potentielle du syst vTDIlui dans la mesure des vitesses de muscle grand droit fémoral lors d'une tâche dynamique, nous avons effectué une étude préliminaire sur des volontaires sains adultes. Cet article démontre la méthodologie et la configuration expérimentale pour estimer les vitesses de contraction, la souche et le taux du muscle droit fémoral de souche musculaire avec une résolution temporelle inférieure à une milliseconde lors d'une tâche goutte-atterrissage.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'échographie a la capacité de fournir une évaluation directe de la cinématique musculaires dans les études dynamiques qui peuvent compléter les mesures conventionnelles, telles que la capture de mouvement 3D, dynamométrie, électromyographie, et les mesures de force de réaction au sol. Cette approche peut être largement applicable pour la recherche en biomécanique fondamentaux et l'évaluation clinique. Il existe trois principales méthodes pour estimer le mouvement des tissus par ultrasons: (1) les méthodes de suivi de chatoiement qui utilisent corrélation croisée sur radiofréquence brut (RF) des données de l'échographie ou l'échelle de gris (ou mode B) des données d'image de l'enveloppe détectée. Ces techniques ont été largement utilisés dans les deux squelettique 24-25 et le suivi cardiaque 26 de mouvement musculaire et estimation; (2) les méthodes de traitement d'image qui suivent les faisceaux musculaires ou fonctions 27-28 et (3) les techniques d'imagerie Doppler tissulaire utilisés dans les deux cardiaque 29 estimation 31 -30 mouvement et squelettique. suivi de chatoiement sur la base spatiale contre-correlation a été largement utilisé pour suivre le mouvement des tissus et peut suivre le mouvement de la résolution sous-pixel. Cependant, figures de tavelures décorréler rapidement pendant les grandes motions. Proposition de plan de l'image constitue également un défi pour le suivi du chatoiement. Méthodes de suivi muscle longueur des fascicules ont une meilleure applicabilité où tout le fascicule est visualisé sur l'image pendant la tâche dynamique. Les méthodes qui s'appuient sur des données d'image de traitement ont faible résolution temporelle limitée par la vitesse de défilement d'image et ne peuvent donc pas suivre le mouvement à des vitesses élevées. En outre, ces méthodes de suivi des fascicules sont très sensibles à de mouvement plan. Ainsi sonde mouvement par rapport au muscle peut provoquer le suivi à l'échec. estimations de la vitesse de l'imagerie Doppler tissulaire classique (TDI) peuvent avoir une résolution temporelle plus élevée, ainsi sont plus robustes à de petits mouvements de la sonde. méthodes d'estimation Doppler peuvent composantes de vitesses uniquement le long du faisceau d'ultrasons, ainsi les estimations peuvent être inexacts Doppler due à l'angle variable de insonation avec le mouvement du muscle. Notre méthode proposée vTDI surmonte ce problème en utilisant deux faisceaux d'ultrasons différentes directrices des angles différents, donc l'estimation de la vitesse est indépendante de l'angle d'insonation dans le plan d'imagerie. En outre, la résolution temporelle effective de vTDI peut être d'environ 0,1 ms et donc cette méthode peut suivre le mouvement du muscle squelettique au cours d'activités dynamiques (par exemple baisse atterrissage, la marche et le jogging).
D'autres avantages de notre approche comprennent l'utilisation d'un transducteur d'imagerie à balayage linéaire basé sur un système à ultrasons clinique pour effectuer l'imagerie Doppler tissulaire vecteur. Nous avons contrôlé électroniquement la transmission / réception de direction de faisceau, la taille de l'ouverture et de concentrer destinations, pour balayer un champ de vision large. En outre, cette approche peut être étendue à effectuer duplex avec vTDI simultanée imagerie en temps réel. Notre système nous permet également d'effectuer l'imagerie en mode B conventionnel pour locate la région d'intérêt, pour la quantification de la déformation du tissu et de la cinématique. Puisque cette méthode a été appliquée sur un scanner clinique, nous avons été en mesure de déployer cette méthode vTDI dans un laboratoire de la marche pour la recherche sur la biomécanique.
Les limites de cette technique doivent être reconnus. Divers facteurs influent sur la précision des mesures Doppler. estimations de vitesse sur la base vTDI en deux dimensions (long et en travers des fibres musculaires) nécessite la sonde linéaire à être divisé en deux d'émission / réception sous-ouvertures (32 éléments de large) et d'orienter les faisceaux de 15 °. Direction l'échographie transmettre et recevoir des poutres à des angles plus pourrait affecter les mesures de vitesse en raison de grille lobes. En outre, la zone de la région de chevauchement de faisceaux dans vTDI change avec la variation de focalisation du faisceau 32 des profondeurs, qui pourraient affecter les estimations de vitesse. La variance de l'estimation Doppler dépendent de (1) l'accélération et la décélération du tissu à l'intérieur de la fenêtre temporelle d'analyse (2) la variance de tvitesse de délivrance au porte de distance Doppler (3) l'angle Doppler différents au sein de l'ouverture utilisée pour Wideband spectrales transmises et reçues faisceaux d'ultrasons, aussi connu comme géométrique élargissement 33 et (4) la largeur de bande de l'impulsion ultrasonore émise, depuis le décalage Doppler est proportionnelle à la fréquence porteuse 34. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour limiter la variance. Phase base estimateurs de vitesse, tels que l'auto-corrélation, utilisent généralement des petites fenêtres de temps d'analyse par rapport aux estimateurs spectraux, mais ils estiment signifie décalage Doppler plutôt que le changement de pic. Wideband estimateurs spectraux comme la transformée de Fourier 2D 35 peut réduire la variance due à la largeur de bande de l'impulsion. Dans le cas de vTDI, qui utilise deux faisceaux à direction Doppler, la variance des vitesses de tissus dans la région de chevauchement de faisceaux par rapport au muscle est un autre facteur à considérer. La contraction de muscle droit fémoral est en 3D et la veloc de contractiontion varie dans l'espace le long du muscle. Par conséquent, il est important de choisir soigneusement la région d'intérêt.
Dans cette étude, nous avons étudié la répétabilité de la cinématique du muscle grand droit fémoral lors d'une tâche baisse atterrissage chez huit volontaires sains en utilisant vTDI. Même si les essais sont indépendants, nous avons observé des vitesses de contraction musculaire de pointe hautement corrélés et reproductibles pour les personnes entre les essais. Nous recrutons actuellement plus de sujets dans notre étude pour examiner plus en détail ce modèle. Cette étude a permis non invasive et la mesure en temps réel de la vitesse de contraction du muscle rectus femoris-goutte pendant l'atterrissage. Les profils de vitesses de contraction suivants ont été observés au cours des différentes phases de la tâche d'atterrissage de gouttes (figure 2): 1. Les vitesses de contraction musculaire dominent dans la direction latérale par rapport à la direction axiale au cours de la flexion du genou (phase de lancement) et l'extension (dans l'air-phase). Ceci est attendu, étant donné que le muscle rectus femoris est en cours de contraction excentrique au cours de la phase de lancement et au cours de la phase de contraction concentrique in-the-air. 2. Faibles vitesses musculaires latérales au cours de la troisième phase (orteil toucher le sol), avec des vitesses négligeable bas musculaires axiale. Cela correspond à abaisser droit antérieur contraction musculaire au cours de cette phase 3. Augmentation substantielle des vitesses musculaires axiales et latérales juste après que le talon touche le sol. Ceci est probablement dû à la contraction du muscle à la fois subir et les changements de forme excentrique en raison de la compression, ce qui provoque l'augmentation des vitesses le long des fibres musculaires et perpendiculaire aux fibres musculaires, respectivement. En dépit du fait que la tâche d'atterrissage de goutte est une tâche aux chocs élevée, vTDI démontré rectus femoris répétable vitesses musculaires. Cette technique de l'échographie pourrait avoir un impact clinique depuis ce muscle est principalement responsable de la protection de l'articulation du genou de charge excessive.Par conséquent, une évaluation de la muscle droit fémoral chez les patients avec une reconstruction du LCA est justifié de comprendre les mécanismes qui conduisent à l'apparition précoce et accéléré de l'arthrose.
Bien que les participants à cette étude ont tous été invités à effectuer une tâche naturelle baisse atterrissage d'une plateforme de 30 cm de haut, nous avons trouvé des différences dans la hauteur du saut ou lancer. Aussi, en utilisant les données de la caméra à grande vitesse, il a été observé que tous les sujets avaient un style d'atterrissage de chute différente. Cela pourrait expliquer les légères différences entre les sujets dans les valeurs de vitesse résultants pointe du muscle droit antérieur comme une conséquence de différences possibles dans les modes d'activation au cours de la tâche. Un autre facteur est possible les différences de surface de section transversale du muscle rectus femoris, ce qui pourrait conduire à différents niveaux de la contraction musculaire et la force de production.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été financé en partie par la concession numéro 0953652 de la National Science Foundation et en partie par les bibliothèques de l'Université George Mason fonds de publication en libre accès. Nous tenons à remercier le Dr John Robert Cressman Jr. pour fournir un accès à la caméra à haute vitesse.
Materials
| Name of Equipment | Company | Model Name | |
| Ultrasound System | Ultrasonix | Sonix RP | |
| 3D Motion Capture System | Vicon Motion Systems | Vicon T-20 | |
| Force Plates | Bertec Corporation | Bertec 4060-10 | |
| High Speed Camera | Photron | Photron 512 PCI 32K |
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