تطبيق رواية من العظام والعضلات التصوير بالموجات فوق الصوتية
سبتمبر 17, 2013
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.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تقدير الانكماش والسرعات والإجهاد ومعدل الإجهاد لعضلة الفخذ المستقيمة بدقة زمنية أقل من الملي ثانية أثناء مهمة هبوط الهبوط باستخدام تصوير دوبلر للأنسجة المتجهة. يتم تحقيق ذلك عن طريق إعداد الموضوع أولا عن طريق وضع علامات عاكسة على الأطراف السفلية للموضوع ومحول الطاقة على فخذ الهدف. بعد ذلك ، يطلب من الشخص الوقوف مع ذراعيه عبر الصدر في منتصف حجم التقاط الحركة ، ويتم التقاط تجربة ثابتة.
ثم أثناء الوقوف على منصة ، يقوم الشخص بمهمة الهبوط عن طريق الهبوط من المنصة والهبوط بكلتا الساقين في وقت واحد. في النهاية ، يمكن الحصول على نتائج تظهر حركية عضلة الفخذ المستقيمة أثناء مهمة هبوط الهبوط من خلال تصوير دوبلر للأنسجة المتجهة ، بالإضافة إلى تحديد حركية وحركية المفاصل باستخدام نظام التقاط الحركة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية أو غيرها من الطرق الموجودة مثل 3D والتقاط الحركة وتخطيط كهربية العضل هي أن التصوير بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يوفر تقديرات مباشرة لحركة العضلات الفردية.
بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع تصوير دوبلر بالأنسجة المتجهة بالعديد من المزايا مقارنة بتقنيات التصوير بالموجات فوق الصوتية الموجودة حاليا لأنه يمكن أن يوفر حجم واتجاه حركة العضلات بمعدلات إطارات عالية جدا ، خاصة في أنشطة مثل الهبوط. يمكن لهذه الطريقة الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجالات الميكانيكا الحيوية وعلامات إعادة التأهيل من خلال توفير مقاييس كمية للحركة العضلية الهيكلية أثناء المهام الديناميكية. يمكن تطبيق هذه الطريقة لفهم العملية الفيزيولوجية المرضية للمرض التنكسي ، مثل البداية المبكرة لهشاشة العظام ، وإصابات الأربطة اللاحقة للتنظيم الأمامي.
هذا لأنه يمكننا تحديد ميكانيكا المفاصل والوظيفة العضلية الهيكلية بشكل متزامن أثناء الأنشطة الديناميكية. لفهم العمليات الأساسية لهذه التطور المبكر في هذا الإجراء ، اطلب من الشخص ارتداء حمالة صدر رياضية أو قميص قصير وشورت وحذاء جري. للبدء ، قم بتوجيه الأشخاص لإجراء إحماء ذاتي التوجيه لمدة 10 دقائق والتمدد قبل جمع البيانات.
هذا لتجنب أي تقلصات عضلية غير طبيعية وتقليل نطاق أي تقلصات عضلية. بعد جلسة الإحماء ، استخدم شريطا لاصقا لوضع علامات معايرة عاكسة على الأغاني الأكبر ، والركبة الثنائية والإنسية والجانبية ، والميلي الجانبي. ثم ضع علامات التتبع على القمم الحرقفية العلوية الخلفية والأمامية.
ضع مجموعات على الفخذين والسيقان ، وأخيرا ، قم بلصق خمس علامات على كل قدم. بعد ذلك ، ضع محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بإحكام في حامل محول طاقة مصمم خصيصا ، ولضمان الاتصال الجيد بينه وبين الجلد ، ضع كمية وفيرة من جل نقل الموجات فوق الصوتية. ثم ضع محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية مع حامل على فخذ الموضوع في منتصف الطريق بين العمود الفقري الحرقفي الأمامي واللقيمة الجانبية.
قبل تثبيت محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية والحامل على الساق ، احصل على رؤية محورية أو مقطعية لمجموعة عضلات الفخذ. باستخدام هذا كدليل ، قم بتدوير محول الطاقة إلى عرض طولي وللتأكد من أن محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية يقوم الآن بتصوير الأنثى المستقيمة ولا يتحرك بشكل جانبي أو وسطي. لتجنب تصوير مجموعات عضلات العين الشاسعة دون سد أي من العلامات العاكسة، استخدم ضمادة ذاتية اللصق لتثبيت الحامل بشكل مريح على فخذ الهدف.
ثم للحصول على تجربة التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد ثابتة ، قم بتوجيه الموضوع للوقوف على لوحات القوة في وسط منطقة التركيز البؤري للكاميرات ثلاثية الأبعاد مع أذرعهم عبر أكتافهم. لإكمال الإعداد ، ضع الكاميرا عالية السرعة على بعد مترين على الأقل من الهدف في المستوى السهمي وقم بتركيز عدسة الكاميرا لضمان إمكانية التقاط تسلسل هبوط الهدف بالكامل. اطلب من الشخص الوقوف على منصة بارتفاع 30 سم و 50 سم من ألواح القوة وخالية من أي أجسام ، وطلب من الشخص أن يضع يديه على الوركين قبل بدء مهمة الهبوط وأثناء تسلسل هبوط الهبوط بالكامل قبل بدء مهمة الهبوط ، ابدأ جمع البيانات للموجات فوق الصوتية 3D.
التقاط الحركة لوحات القوة والكاميرا عالية السرعة. بعد ذلك ، قم بتوجيه الموضوع لأداء مهمة الهبوط عن طريق السقوط بدلا من القفز من المنصة والهبوط بكلتا الساقين في وقت واحد. بمجرد أن يستقر الموضوع تماما ويكمل تسلسل هبوط الهبوط ، أوقف جمع البيانات.
لتحليل بيانات الموجات فوق الصوتية بتردد الراديو الخام ، استخدم MATLAB لاستيراد ملف بيانات الموجات فوق الصوتية وإجراء إزالة التشكيل التربيعي على البيانات لإزالة تردد الموجة الحاملة. قم بإنشاء صور في الوضع en من كل من حزم الاستقبال لتصور حركة العضلات ، واستخدم مقدر سرعة الارتباط التلقائي التقليدي لتقدير السرعات على طول كل من حزم الاستقبال. اجمع بين الأشكال الموجية للسرعة الفردية للحصول على أشكال موجة السرعة الجانبية والمحورية طوال تسلسل هبوط الهبوط.
باستخدام المعادلة التالية ، احصل على حجم متجه السرعة الناتج من مكونات السرعة الفردية حيث بيتا هي زاوية توجيه الحزمة. F1 و F اثنان هما مكونان للتردد المستقبل ، و FT هو تردد الإرسال. احسب معدل الإجهاد الجانبي والمحوري de epsilon على DT باستخدام التدرجات المكانية في السرعات الجانبية والمحورية.
إذا كان V اثنين و V واحد عبارة عن سرعات فورية مقدرة بموقعين مكانيين مفصولين بمسافة L.ثم احسب الإجهاد المحوري والجانبي epsilon من خلال دمج معدل الإجهاد المحوري والجانبي على التوالي. بعد تصدير بيانات التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد ، استخدم برنامج التقاط الحركة ثلاثي الأبعاد مع تحسين المربعات على الأقل لإنشاء نموذج حركي للحوض وساق الفخذ والقدم. باستخدام النموذج ، حدد الحركة في مفاصل الورك والركبة والكاحل.
لتصفية مسارات العلامة العاكسة وقوى رد الفعل الأرضي. استخدم مرشح Butterworth منخفض التمرير من الدرجة الرابعة بتردد قطع يبلغ سبعة هرتز و 25 هرتز على التوالي. باستخدام تحليل ديناميكيات عكسية قياسية وخصائص القصور الذاتي للقطعة المقدرة للموضوع.
وفقا لطرق dempster ، احسب القوى المشتركة ثلاثية الأبعاد واللحظات من بيانات القوة الحركية والأرضية لتحليل بيانات الكاميرا عالية السرعة. بعد تصدير الفيديو ، قم بتشغيله بمعدل 15 إطارا في الثانية وراقب ديناميكيات الهبوط المتساقط. ثم باستخدام البيانات ، حدد حركة حامل محول الطاقة وإزاحة محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية أثناء تجربة هبوط الهبوط بأكملها.
من خلال تتبع العلامات المرئية على المعالم التشريحية كما هو موضح هنا ، يوضح تحليل الخصائص الزمنية لسرعات عضلات الفخذ المستقيمة المحورية والجانبية في جميع أنحاء تسلسل هبوط الهبوط أن السرعات الجانبية الموجبة تتوافق مع الانقباض غريب الأطوار لعضلة الفخذ المستقيمة أثناء ثني الركبة بينما تتوافق السرعات الجانبية السلبية مع الانقباض متحد المركز للعضلة أثناء تمديد الركبة. استمر تسلسل هبوط الهبوط بأكمله لجميع الموضوعات حوالي 1.45 زائد أو ناقص 0.27 ثانية لكل موضوع كما هو موضح في هذه المؤامرة ، أظهرت سرعات العضلات المحورية والجانبية قابلية تكرار قوية بين التجارب مع ميل 0.99 و r مربع يساوي 0.75. كانت قيم السرعة لستة من أصل ثمانية أشخاص في نطاق مماثل من 48 إلى 62 سم في الثانية.
في حين أن اثنين من الذكور كان لديهما سرعات أعلى ، قدم الذكور سرعة عضلية أعلى بكثير من الإناث عند تعديل الوزن الفردي لكل موضوع وسمك العضلات. تم تتبع موضع محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية من خلال تسلسل هبوط الهبوط باستخدام الكاميرا عالية السرعة. تم حساب الزاوية بين مقطع الخط المصنوع بين الترنت والكفة والجزء الخطي بين منتصف الفخذ والكفة.
يمثل هذا الرقم ما مجموعه 16 تجربة مع تجربتين لكل موضوع. لوحظ الحد الأدنى من التباين الزاوي لحامل محول الطاقة بالنسبة للعلامات التشريحية أثناء الهبوط خلال جميع التجارب ال 16. أنتج محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، التباين الزاوي قابلية عالية للتكرار أيضا.
هذا يدل على أن حركة محول الطاقة أثناء تجربة الهبوط كانت ضئيلة ولم تتأثر قياسات السرعة بأي حركة محول مع التركيز على زوايا ثني الركبة والورك ، وزاوية أروح الركبة ، ولحظة أروح الركبة ، وتم العثور على الأنماط الحركية التالية من خلال التلامس الأولي مع ثني الورك الأرضي ، 41 زائد أو ناقص 13 درجة ثني الركبة 23 زائد أو ناقص تسع درجات وأروح الركبة 0.03 زائد أو ناقص ست درجات مثل تقدموا خلال مرحلة الهبوط. كانت الزوايا القصوى التي تم تحقيقها هي ثني الورك 58 زائد أو ناقص 19 درجة ، وثني الركبة 54 زائد أو ناقص 24 درجة ، وأروح الركبة ناقص أربع زائد أو ناقص ثماني درجات. بالإضافة إلى ذلك ، انخفضت لحظة أروح الركبة من 0.03 زائد أو ناقص 0.03 إلى 0.1 ، زائد أو ناقص 0.1 نيوتن متر لكل كيلوغرام من التلامس الأولي مع الأرض إلى الحد الأقصى أثناء مرحلة الهبوط.
بمجرد إتقان المنهجية بأكملها ، يمكن أن تستغرق هذه العملية حوالي ساعة واحدة للقيام بجمع البيانات بالكامل. أثناء تنفيذ هذا الإجراء ، من المهم التأكد من وجود اتصال كاف بين محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية والجلد طوال المهمة ، والتأكد من عدم إزاحة أي من العلامات ثلاثية الأبعاد. إذا كانت هناك حركة محول طاقة مفرطة.
يجب تكرار الإجراء. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، كان من المفترض أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تقدير سرعات إجهاد ومعدل إجهاد عضلة الفخذ المستقيمة بدقة زمنية عالية أثناء مهمة هبوط القطرات باستخدام تصوير دوبلر للأنسجة المتجهة.
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تقنية تصوير دوبلر الأنسجة بالموجات فوق الصوتية الجديدة لتقدير سرعة انقباض العضلات، والإجهاد، ومعدل الإجهاد مع دقة زمنية دون الملي ثانية خلال الأنشطة الديناميكية. تعمل هذه الطريقة على تعزيز فهمنا لوظيفة العضلات وآثارها على الاضطرابات الهيكلية العضلية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الميكانيكا الحيوية
- إعادة التأهيل
الخلفية
- تشمل الطرق الحالية لقياس ديناميكيات العضلات التقاط الحركة ثلاثي الأبعاد والتصوير الكهربائي للعضلات.
- يوفر تصوير الموجات فوق الصوتية تقديرات مباشرة لحركة العضلات، وهو مفيد للمهام الديناميكية.
- فهم حركية العضلات أمر بالغ الأهمية لمعالجة الأمراض التنكسية مثل التهاب المفاصل العظمي.
- يوفر تصوير دوبلر الأنسجة المتجهي كلاً من مقدار واتجاه حركة العضلات بمعدلات إطار عالية.
هدف الدراسة
- تقدير سرعات الانقباض والإجهاد ومعدل الإجهاد لعضلة الفخذ المستقيمة.
- تحليل ديناميكيات العضلات أثناء مهمة الهبوط الأرضي.
- تحديد حركية المفاصل والديناميكيات المتزامنة مع وظيفة العضلات.
الطرق المستخدمة
- يقوم الأشخاص بأداء مهمة الهبوط الأرضي بينما يتم مراقبتهم باستخدام أنظمة الموجات فوق الصوتية والتقاط الحركة.
- توضع علامات عاكسة على أطراف الشخص لتتبع الحركة بدقة.
- يتم وضع محول الموجات فوق الصوتية على الفخذ لالتقاط حركة العضلات.
- تتضمن تحليل البيانات استخدام MATLAB لمعالجة بيانات الموجات فوق الصوتية ونتائج التقاط الحركة.
النتائج الرئيسية
- نجحت التقنية في تصوير حركية العضلات خلال الأنشطة الديناميكية.
- تم الحصول على مقاييس كمية لانقباض العضلات ومعدلات الإجهاد.
- تم تحديد ميكانيكا المفاصل بشكل متزامن، مما يوفر نظرة شاملة لوظيفة الجهاز العضلي الهيكلي.
- يمكن أن تساعد النتائج في استراتيجيات إعادة التأهيل للاضطرابات الهيكلية العضلية.
الاستنتاجات
- تقدم هذه التقنية القائمة على الموجات فوق الصوتية مزايا كبيرة على الطرق التقليدية.
- تعزز فهمنا لديناमिकيات العضلات فيما يتعلق بميكانيكا المفاصل.
- تشير النتائج إلى آثار على دراسة وعلاج الأمراض التنكسية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This method enables high-temporal-resolution quantification of muscle kinematics during dynamic tasks, supporting mechanistic de-risking in musculoskeletal target validation. By providing direct, quantitative measures of muscle contraction velocity, strain, and strain rate, it enhances predictive confidence in preclinical models of muscle function and dysfunction. Integration with motion capture and EMG allows cross-functional validation of biomechanical hypotheses in discovery workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying muscle dynamics during functional tasks like drop landing.
- Operational Value: Provides repeatable, sub-millisecond resolution data to de-risk mechanistic assumptions about muscle function in disease models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, directional muscle motion readouts suitable for assay standardization in preclinical screening.
- Operational Value: Supports reproducible biomarker-like outputs when combined with motion capture and force plate data for multi-parametric assessment.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates understanding of pathophysiological processes in degenerative diseases such as osteoarthritis through concurrent muscle and joint quantification.
- Operational Value: Enables translational continuity from discovery to preclinical validation by linking muscle function to joint mechanics and kinetics.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation to preclinical assessment by providing mechanistic readouts that inform lead identification and disease model qualification.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by measuring muscle strain and strain rate during dynamic challenges.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative outputs with high repeatability (slope 0.99, R² 0.75) for reliable compound or intervention evaluation.
- Analytics: Produces measurable kinematic and kinetic parameters (velocity, strain, joint angles, moments) enabling comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects muscle dysfunction to joint pathology in musculoskeletal disorders, supporting biomarker-aligned preclinical advancement.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable imaging capability applicable across multiple musculoskeletal disease models and dynamic functional assays.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing ambiguity in muscle function readouts during dynamic tasks.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through minimal transducer movement and high repeatability across trials.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing direct, quantitative muscle data to complement indirect biomechanical proxies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on validated muscle mechanism engagement in disease-relevant systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound imaging, motion capture systems, and biomechanical data synchronization.
- Needs instrumentation including ultrasound transducer with vector Doppler capability, motion capture cameras, force plates, and EMG.
- Demands cross-team standardization for marker placement, transducer positioning, and data collection timing.
- Involves adaptation considerations when applying to different muscle groups or dynamic tasks beyond drop landing.
- Limited by the need for technical expertise in MATLAB-based quadrature demodulation and velocity vector computation.
