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一种肌肉骨骼超声成像的新应用

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DOI：

10.3791/50595

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2013年9月17日

 ,  ,  , 
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

本文内容

摘要

我们介绍一种基于超声的矢量组织多普勒成像新技术，可在动态活动中以亚毫秒级的时间分辨率测量肌肉收缩速度、应变及应变率。该方法可提供动态肌肉功能的互补性测量，有助于更好地理解肌肉骨骼系统疾病潜在的发病机制。

摘要

超声成像是一种用于动态任务中肌肉与肌腱运动可视化研究的优选方法，可为临床或实验室环境下的生物力学研究提供一种互补的方法学手段。为实现这一目标，目前正基于图像处理技术开发用于量化超声影像中肌肉运动学参数的方法。然而，这些方法的时间分辨率通常不足以满足高动态任务（如跳落着地）的需求。我们提出了一种利用多普勒技术量化肌肉运动学的新方法。我们开发了一种新型的矢量组织多普勒成像（vTDI）技术，该技术可在动态活动中以亚毫秒级时间分辨率，利用超声测量肌肉骨骼的收缩速度、应变及应变率。本项初步研究的目的是在健康受试者中，探究vTDI技术在测量跳落着地任务期间肌肉骨骼速度方面的可重复性及其潜在应用价值。vTDI测量可与其他生物力学技术同步进行，例如用于关节运动学和动力学分析的三维运动捕捉、用于肌肉激活时序分析的肌电图，以及用于测量地面反作用力的测力台。整合这些互补性技术有望加深对肌肉动态功能及其在肌肉骨骼系统疾病发病机制与病理生理过程中功能障碍的理解。

引言

肌肉骨骼系统疾病在成年人中广泛流行1。在美国，这类疾病是主要的慢性病之一2，全球约有25%的人群受到其影响3。肌肉骨骼系统疾病与日常生活活动（ADL）功能下降、功能受限以及生活质量降低密切相关4。由于生产力损失和高昂的医疗费用，其带来的经济负担显著4。目前，许多此类疾病的病理生理机制仍未能充分阐明。例如，前交叉韧带（ACL）损伤修复后骨关节炎（OA）4的发生已被证实与股四头肌力量和功能的改变有关5，但其潜在机制尚不明确。为了阐明这些潜在机制，有必要更深入地理解肌肉的动态功能。

在进行与日常生活活动（ADL）和主动生活方式（即 体育运动）相关的部分或完整任务过程中，对单个肌肉的功能进行评估，可进一步揭示肌肉功能及其在这些疾病发病机制和病理生理过程中的潜在作用。此外，在康复过程中对肌肉功能改善的量化可作为疗效评估的指标。临床上测量肌肉和关节功能的传统技术包括体格检查，如关节活动范围、肌力和/或肌群耐力。目前在临床中，肌电图（EMG）被用于评估肌肉的激活/共激活、肌肉活动的频率和幅度。然而，EMG 反映的是肌肉的电激活状态，并不能必然提供有关肌肉力量、收缩能力及其他肌肉功能因素的信息。其他复杂的生物力学评估方法，例如用于关节动力学和运动学分析的三维运动捕捉系统，以及用于测量地面反作用力的测力台，可在步态实验室中进行6-9。这些技术所获得的测量数据处于关节层面，未必能直接反映在动态或功能性活动中单个肌肉的功能状态。若能在执行动态活动的同时对肌肉进行成像，将有望实现更准确、更贴近实际的肌肉层面功能评估。

大多数研究集中于静态俯卧位下的肌肉功能，而该方法可为进一步深入理解实时状态下肌肉活动行为开辟新的途径。

诊断性超声能够实现对肌肉和肌腱的实时直接成像，因此在日常生活活动（ADL）期间测量骨骼肌动力学与功能方面具有吸引力。基于超声的肌肉形态与结构的定量测量指标，如肌肉厚度、长度、宽度、横截面积（CSA）、肌纤维羽状角和肌束长度，已被广泛使用10-12。近年来，图像处理方法已被用于在动态任务中评估和量化这些定量指标13-14。这些进展推动了一种理解活体（in vivo）肌肉功能的新方法学路径。然而，这些方法主要依赖传统的灰阶（或B模式）超声成像，因此尚未充分利用基于多普勒原理的超声技术来测量组织速度、应变及应变率，而后者在评估心肌功能方面已被证明具有重要价值15-16。

我们开发了一种矢量组织多普勒成像（vTDI）技术，可在动态活动中以高时间分辨率（亚毫秒级）测量收缩速度、应变及应变率17-18。具体而言，vTDI 技术能够在高帧率下对肌肉和肌腱在高度动态任务（例如 落地动作、步态、等）中的表现进行测量。vTDI 技术是对传统多普勒超声的改进，后者仅能估算沿超声束方向的速度分量，因而依赖于声束入射角度。vTDI 则利用两个以不同角度偏转的超声束来估算肌肉和肌腱的速度，因此在成像平面内不受声束入射角度的影响。然而，由于肌肉收缩是三维发生的，成像平面的角度调整仍然至关重要。我们已在配备科研接口的商用超声系统上实现了该方法，使得这些测量可在临床环境中进行。

为探究vTDI系统在测量中的可重复性及其潜在应用价值 股直肌 在动态任务期间对肌肉速度进行测量，我们对健康成年志愿者开展了一项初步研究。本文展示了估计肌肉收缩速度、应变及应变率的方法学与实验装置 股直肌 在下落着地任务中以亚毫秒级时间分辨率测量肌肉活动。

方案

1. 仪器设备

Vector TDI 基于从两个或更多独立方向获取的多普勒速度测量值来估算合成速度矢量。开发 vTDI 时使用了一台具备研究接口的超声系统。该研究接口可通过软件开发工具包（SDK）实现对波束成形和脉冲序列的底层控制。实验采用一支频率范围为 5-14 MHz 的线阵探头，该探头由 128 个阵元组成，视场宽度为 38 mm。利用研究接口将阵列探头划分为两个发射和接收孔径，并对接收波束进行偏转控制 15° 相对于法线。发射声束聚焦于感兴趣区域（例如 肌腹。发射和接收孔径均设为32个阵元。

本研究共招募了八名受试者，包括四名男性和四名女性（29.7±6.5 岁）。采用一套具备高速功能、采样频率为 200 Hz 的八相机运动捕捉系统，采集受试者右侧下肢的运动学数据。实验过程中的地面反作用力数据通过两个以 2,000 Hz 采样频率工作的测力台获取。

使用安装在三脚架上且距离受试者2 m的高速摄像机，以500帧/秒的速度捕捉下落着地过程。

2. 受试者准备

  1. 要求受试者穿着短裤、运动背心或短款T恤以及跑鞋。
  2. 在数据采集前，指导受试者进行10分钟自主热身和拉伸。此举旨在避免异常肌肉收缩，并减少肌肉痉挛的可能性。
  3. 热身结束后，在身体特定解剖标志处放置反光标记点。具体而言，在大转子、双侧膝关节内侧和外侧以及内、外踝处放置校准标记点；在双侧髂前上棘和髂后上棘处放置追踪标记点，并在大腿和小腿部位放置标记簇，每只脚放置五个标记点19-20。
  4. 引导受试者站立于三维摄像机视野区域的中心位置，以获取静态试验数据。受试者需双臂交叉置于肩部，双脚站立于测力台上，以采集静态三维运动捕捉数据。
  5. 随后，将超声探头放入探头支架中，并确保固定牢固，防止超声探头从支架中脱落。该探头支架由Lexen聚碳酸酯和可塑性塑料制成。
  6. 为确保探头与皮肤之间良好接触，需在超声探头上涂抹足量的超声耦合凝胶。
  7. 将装有探头支架的超声探头置于受试者大腿部位，沿纵轴成像rectus femoris肌。探头应放置于anterior iliac spine与lateral epicondyle之间的中点位置，以成像rectus femoris肌腹。在固定超声探头及支架之前，先获取股四头肌群的横断面图像作为参考。据此调整，确保超声探头正对rectus femoris肌，且不向内侧或外侧偏移，以避免成像到vastii肌群。
  8. 使用自粘性弹力绷带将探头支架牢固固定于受试者大腿。操作时需注意不得遮挡或覆盖任何反光标记点。绷带松紧应适中：过松可能导致在下落着地任务中探头脱落，过紧则可能引起不适、影响表层血流，甚至改变下落着地的动力学特征。
  9. 将高速摄像机置于受试者矢状面方向至少2 m远处，以500帧/秒的速度采集视频。调节镜头焦距，确保能够完整记录受试者整个下落着地过程。

3. 实验方案

  1. 当所有标记点和超声探头固定稳妥后，让受试者站在一个高度为30 cm的平台上，平台距离测力台50 cm。确保平台周围约2.5 m范围内的区域无任何可能妨碍下落着地任务或造成受试者受伤的物体，包括超声探头的连接线。
  2. 指导受试者在开始下落着地任务之前，将双手置于髋部，并在整个下落着地过程中保持此姿势。
  3. 在开始下落着地任务之前，启动超声、三维运动捕捉系统、测力台和高速摄像机的数据采集。通过单次按键操作可实现不同设备之间的同步采集。可通过连接至键盘的压力传感器在按下特定按键时产生同步触发信号。
  4. 指导受试者从平台执行下落着地任务，并用双腿同时着地。确保受试者是从箱子上自然下落而非主动跳跃。不对着地技术提供具体指导。
  5. 当受试者完全稳定并完成下落着地动作后，停止数据采集。
  6. 每位受试者重复此流程五次。

4. 超声数据的分析

  1. 将超声系统的原始数据导出并存储至计算机。
  2. 每个接收波束的原始射频（rf）超声数据以 40 MHz 的频率进行数字化。使用 MATLAB 处理数据。
  3. 对射频数据执行正交解调以去除载波频率。通过使用 20 Hz 高通滤波器对每个接收波束在各个深度处的正交数据进行滤波，去除静止和低频杂波。
  4. 使用传统的自相关速度估计器21估算两个接收波束上的速度。
  5. 合并各个速度波形，以获得在整个下落着地过程中沿换能器方向（横向）和垂直于换能器方向（轴向）的速度波形，如图1所示。
  6. 使用前述公式（1）22，根据各个速度分量计算合速度矢量的大小：
    静力平衡；速度公式 \(v = \frac{c}{4f_t}\)；数学公式；教学用途。
    其中 β 为波束偏转角，f1 和 f2 为两个接收频率分量，ft 为发射频率。
  7. 通过横向和轴向速度的空间梯度计算横向和轴向应变率 de/dt。
    应变变化率公式，\( \frac{d\epsilon}{dt} = \frac{V_2(t) - V_1(t)}{L} \)，公式示意图。
    其中 V2 和 V1 为在相距 L 的两个空间位置处估算的瞬时速度。
  8. 通过对轴向和横向应变率分别积分，计算轴向和横向应变 e。
    静力平衡；积分公式；方程。

5. 三维运动捕捉数据分析

  1. 将三维运动捕捉数据导出至计算机，以进行进一步分析。
  2. 利用静态站立试验，使用三维运动捕捉软件结合最小二乘优化方法建立运动学模型（包括骨盆、大腿、小腿和足部）23。
  3. 使用该运动学模型量化髋关节、膝关节和踝关节处的运动。
  4. 使用三维运动捕捉软件，对反光标记点轨迹和地面反作用力分别应用四阶低通巴特沃斯滤波器进行滤波，截止频率分别为 7 Hz 和 25 Hz。
  5. 基于运动学数据和地面力数据，采用标准逆动力学分析方法计算三维关节力和力矩，其中环节惯性参数根据 Dempster 方法为每位受试者进行估算。关节间力矩定义为内力矩（e.g. 膝关节内伸展力矩将抵抗施加于膝关节的屈曲载荷）。

6. 高速摄像机数据分析

  1. 将高速摄像机数据中的视频导出至计算机，以便与超声波和三维运动捕捉运动学数据进行分析和比较。
  2. 以每秒15帧的速度播放视频，观察下落着地过程中的动态变化。
  3. 然后，利用高速视频数据，通过追踪解剖标志点上可见标记物的运动，量化换能器支架的运动以及超声波换能器在整个下落着地试验过程中的位移。同时可对下落着地动态进行评估，以更深入理解不同的起跳与着地方式。

结果

以下展示了我们先前工作中体现这些方法的代表性结果。尽管当前研究中采用的方法整合了成像与运动捕捉技术，但下述代表性结果来自将这些测量分别进行的研究。

I. 超声（vTDI）

利用三维运动捕捉和高速摄像机的数据，对每次试验中受试者跳跃、落地及稳定阶段的动作模式进行了研究。轴向和侧向 股直肌 来自vTDI的肌肉速度数据与从三维运动捕捉和高速摄像机采集的数据进行了比较。利用这些数据，分析了轴向和侧向运动的时间特性 股直肌 下落着地过程中肌肉速度的变化得到了研究。正向的侧向速度对应于肌肉的离心收缩 股直肌 膝关节屈曲时肌肉的向心收缩对应于正的侧向速度，而膝关节伸展时肌肉的向心收缩则对应于负的侧向速度。这一点在下图中得以说明 图2所有受试者的整个跳落过程持续时间约为1.45±0.27秒。

每位受试者的轴向和侧向肌肉速度在不同试验间表现出高度可重复性，斜率为0.99，R² = 0.75（图3）。八名受试者中有六名的肌肉速度处于相似范围（48–62 cm/sec），而另外两名受试者（均为男性）的速度较高。在校正每位受试者的体重和肌肉厚度后，男性（72.96 cm/sec）的肌肉速度显著高于女性（48.71 cm/sec），p = 0.029。

使用高速摄像机追踪超声探头在下落着地过程中的位置。计算了大转子与袖带之间线段（绿色虚线段）和大腿中段与袖带之间线段（紫色虚线段）之间的夹角。图4展示了共16次试验的结果，每位受试者进行2次试验（试验1和2对应受试者1，依此类推）。在全部16次试验中，探头固定装置相对于解剖标志物的角位移变化极小（0.91°±0.54°）。超声探头的角度变化也表现出较高的重复性（ICC2,1 = 0.90，p<0.05）。这表明在着地过程中探头的移动极小，速度测量结果未受到探头移动的影响。

II. 三维运动相机与测力台

我们主要关注膝关节和髋关节的屈曲角度、膝关节外翻角度以及膝关节外翻力矩。研究发现，在初始触地阶段，受试者表现出以下运动学特征：髋关节屈曲 41°±13 度，膝关节屈曲 23°±9 度，膝关节外翻 0.03°±6 度。在着陆阶段的后续过程中，达到的最大角度分别为：髋关节屈曲 58°±19 度，膝关节屈曲 54°±24 度，膝关节外翻 -4°±8 度（图 5）。从初始触地到着陆阶段达到最大值的过程中，膝关节外翻力矩由 0.03±0.03 Nm/km 减小至 0.1±0.1 Nm/km（图 6）。

Ultrasound Doppler image, Rectus Femoris muscle with vector tissue Doppler beams, 25mm distance.
图1. vTDI速度测量示意图 股直肌 肌肉 灰色光束表示两个独立的发射和接收光束，红线表示侧向速度分量（沿膝关节近端-远端方向），蓝线表示轴向速度分量（沿肌肉厚度方向）。

显示步态分析中步相及轴向与侧向数据速度图的示意图。
图 2. 跳落着地过程中的轴向与侧向速度与视频帧序列进行比较（上图）。 下图为轴向与侧向速度，其中 A 对应初始膝关节屈曲，B 对应膝关节伸展，C 对应脚趾触地，D 对应脚跟触地，E 对应着地后的膝关节屈曲，F 对应膝关节伸展与稳定。

男性和女性试验速度（cm/s）的散点图及线性回归；y=0.9947x，R²=0.7472。
图 3. 所有 8 名受试者（每人 2 次试验）合速度矢量大小的可重复性。 男性以红色菱形表示，女性以蓝色圆形表示。

膝关节运动分析；膝盖包裹传感器；显示多次试验中角度变化的图表。
图 4. 面板 A. 超声探头支架与大腿中段标记点构成的线段（紫色虚线段）和超声探头与大转子标记点构成的线段（绿色虚线段）之间夹角的误差。面板 B. 上述两条线段之间夹角的绝对误差。

人体深蹲动作的生物力学分析，示骨骼标记点和关节角度的示意图。
图 5. 该图显示了下落着地任务期间的三维运动捕捉。A 对应从平台起跳时的初始膝关节屈曲，B 对应脚趾接触地面，C 对应脚跟接触地面，D 对应着地后的膝关节屈曲，E 对应膝关节伸展与稳定阶段。 点击此处查看高清大图。

膝外翻力矩图，站立相，运动学，生物力学分析，数据变异性。
图6. 图显示了下落跳跃动作支撑相期间典型的膝外翻力矩变化。 从初始触地到着陆阶段达到峰值，膝外翻力矩由0.03±0.03 Nm/km增加至0.1±0.1 Nm/km。 点击此处查看高清图像。

讨论

超声成像能够直接评估动态研究中的肌肉运动学，可作为三维运动捕捉、测力计、肌电图和地面反作用力测量等传统方法的补充。该方法可广泛应用于基础生物力学研究和临床评估。利用超声估计组织运动主要有三种方法：（1）基于散斑追踪的方法，通过在原始射频（RF）超声数据或包络检波后的灰度（即B模式）图像数据上进行互相关分析实现。这些技术已广泛应用于骨骼肌24-25和心肌26的运动追踪与估计；（2）图像处理方法，用于追踪肌束或特定结构特征27-28；（3）组织多普勒成像技术，已用于心肌29-30和骨骼肌31的运动估计。基于空间互相关的散斑追踪技术已被广泛用于组织运动的追踪，可实现亚像素分辨率的运动检测。然而，在大范围运动过程中，散斑模式会迅速失去相关性。此外，运动方向偏离成像平面也会给散斑追踪带来挑战。当动态任务中整个肌束均能在图像中被清晰显示时，肌束长度追踪方法具有更好的适用性。依赖图像数据处理的方法其时间分辨率较低，受限于成像帧率，因此无法准确追踪高速运动。此外，这类肌束追踪方法对平面外运动非常敏感。因此，探头相对于肌肉的移动可能导致追踪失败。传统组织多普勒成像（TDI）提供的速度估计具有更高的时间分辨率，并且对微小的探头移动更具鲁棒性。但多普勒方法仅能估计沿超声波束方向的速度分量，因此由于声束入射角随肌肉运动而变化，可能导致速度估计不准确。我们提出的vTDI方法通过使用两个以不同角度偏转的超声波束克服了这一问题，从而使速度估计在成像平面内不受入射角影响。此外，vTDI的有效时间分辨率可达约0.1 ms，因此该方法能够追踪骨骼肌在动态活动（例如 跳落着地、步态和慢跑）中的运动。

本方法的其他优势包括采用基于临床超声系统的线性阵列成像换能器进行矢量组织多普勒成像。我们通过电子方式控制发射/接收波束偏转、孔径大小和聚焦位置，以扫描大范围视野。此外，该方法还可扩展用于执行双工vTDI，实现同步实时成像。我们的系统还支持进行常规B模式成像，以定位用于组织应变和运动学量化分析的兴趣区域。由于该方法已在临床扫描仪上实现，我们已能够将此vTDI方法部署于步态实验室，用于生物力学研究。

必须承认该技术存在局限性。多种因素会影响多普勒测量的准确性。基于vTDI的二维速度估计（沿肌纤维方向和垂直肌纤维方向）需要将线性阵列换能器分为两个发射/接收子孔径（每个宽32个阵元），并将声束偏转15°。超声发射和接收声束偏转至更大角度时，可能因栅瓣效应而影响速度测量结果。此外，vTDI中声束重叠区域的大小会随声束聚焦深度的变化而改变。 32，可能影响速度估计值。多普勒估计的方差取决于以下因素：（1）分析时间窗口内组织的加速与减速；（2）多普勒取样门内组织速度的变异；（3）用于宽带谱的发射与接收超声束孔径内多普勒角度的变化，亦称为几何展宽 33 （4）发射的超声脉冲的带宽，因为多普勒频移与载波频率成正比 34. 可采用多种方法来减小方差。基于相位的速度估计方法（如自相关法）通常比谱估计法使用更短的分析时间窗，但其估计的是平均多普勒频移而非峰值频移。宽带谱估计法（如二维傅里叶变换） 35 可以减小由脉冲带宽引起的方差。在vTDI（利用两个偏转多普勒波束）的情况下，相对于肌肉组织，波束重叠区域中组织速度的方差是另一个需要考虑的因素。 股直肌 肌肉收缩具有三维特性，且收缩速度在肌肉的不同空间位置上存在差异。因此，准确选择感兴趣区域至关重要。

在本研究中，我们考察了该方法的重复性 股直肌 使用vTDI技术对八名健康志愿者在下落着地任务中的肌肉运动学进行测量。尽管各次试验相互独立，但我们观察到个体在不同试验间的肌肉收缩峰值速度具有高度相关性和可重复性。目前我们正在招募更多受试者，以进一步探究这一模式。本研究实现了对肌肉收缩速度的无创、实时测量。 股直肌 肌肉在下落着地过程中的收缩速度。在下落着地任务的不同阶段观察到以下收缩速度模式（图2）：1. 在膝关节屈曲（起跳阶段）和伸展（腾空阶段）期间，肌肉收缩速度在横向方向上占主导地位，相较于轴向方向。这是预料之中的，因为 股直肌 肌肉在起跳阶段经历离心收缩，而在腾空阶段经历向心收缩。2. 在第三阶段（脚趾触地时）侧向肌肉速度较低，轴向肌肉速度可忽略不计。这对应于较低的 股直肌 此阶段3中的肌肉收缩。足跟刚接触地面后，轴向和侧向肌肉速度显著增加。这可能是由于肌肉同时经历了离心收缩以及因受压导致的形态变化，从而分别引起沿肌纤维方向和垂直于肌纤维方向的速度增加。尽管下落着地任务属于高冲击动作，vTDI仍表现出良好的可重复性 股直肌 肌肉速度。这种超声技术可能具有临床意义，因为该肌肉主要负责保护膝关节免受过度负荷。因此，有必要进一步评估 股直肌 对接受前交叉韧带重建的患者进行肌肉研究，有助于理解导致骨关节炎早期和加速发生机制。

尽管本研究中的所有受试者均被要求从一个30 cm高的平台完成自然下落着陆任务，但我们发现他们在起跳或起始高度上存在差异。此外，通过高速摄像数据观察到，所有受试者的下落着陆方式各不相同。这可能解释了受试者之间股直肌（rectus femoris）合速度峰值存在轻微差异的原因，这种差异可能是由于任务过程中肌肉激活模式的不同所致。另一个可能的因素是股直肌（rectus femoris）横截面积的个体差异，这可能导致肌肉收缩程度和力量产生的不同水平。

披露

所有作者均无财务披露或利益冲突，且本研究已获得本机构IRB的批准。

致谢

本研究工作部分由美国国家科学基金会资助，资助号为0953652，部分由乔治梅森大学图书馆开放获取出版基金资助。我们感谢小约翰·罗伯特·克雷斯曼博士提供高速相机的使用权限。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
超声系统UltrasonixSonix RP
三维运动捕捉系统Vicon Motion SystemsVicon T-20
测力台Bertec CorporationBertec 4060-10
高速摄像机PhotronPhotron 512 PCI 32K

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