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三维超声成像：快速且经济高效的肌肉骨骼组织形态测量

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DOI：

10.3791/55943

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2017年11月27日

 ,  ,  ,  , 
1Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioural and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam Movement Sciences, 2Department of Rehabilitation Medicine, VU University Medical Center Amsterdam, Amsterdam Movement Sciences

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

三维超声成像（3DUS）可实现对骨骼肌组织快速且经济有效的形态测量。本文介绍了一种利用三维超声成像测量肌肉体积和肌束长度的实验方案。

摘要

三维超声成像（3DUS）的发展目标是开发一种用于对人体肌肉进行三维形态学超声分析的技术。3DUS图像由经过校准的手持式二维B型超声图像构建而成，这些图像被定位到体素阵列中。超声（US）成像可量化肌肉尺寸、肌束长度以及羽状角。这些形态学参数是决定肌肉力量及产生力量的长度范围的重要因素。本文所述方案介绍了一种测定股外侧肌m. vastus lateralis和内侧腓肠肌m. gastrocnemius medialis体积与肌束长度的方法。3DUS利用三维解剖参考实现标准化。该方法为骨骼肌三维形态的量化提供了快速且经济有效的手段。在医疗健康和运动领域，肌肉形态测量信息对于诊断以及治疗或训练后的随访评估具有重要价值。

引言

在医疗和体育领域，肌肉形态学信息对于诊断以及治疗或训练后的随访评估具有重要价值1。超声（US）成像是常用于观察肌肉疾病2、重症疾病3,4、心血管疾病5、神经系统疾病6,7,8以及体育训练效果6,9,10中软组织结构的工具。超声成像可对肌肉大小、肌束长度和羽状角进行量化。这些形态学参数是决定肌肉力量及其发力时长度范围的重要因素11,12,13,14,15。

目前，超声成像测量主要在二维图像上进行，由检查者选择一个假定合适的超声探头方位和位置。这类二维方法将形态学测量限制在单一图像平面内，而感兴趣的参数可能并不位于该平面中。形态学分析需要采用三维方法，利用三维参考点提供非平面内的测量数据。已知磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）能够提供软组织的三维形态学表征16,17,18,19,20。然而，MRI成本较高，且并非在所有场合都可获得。此外，肌肉纤维的可视化需要特殊的MRI序列，例如扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）21。一种经济有效的MRI替代方案是三维超声（3DUS）成像。3DUS技术相较于MRI具有多项优势，e.g.，在检查过程中对受试者体位的空间限制更小。3DUS成像是一种依次采集二维（B模式超声）图像并将其排列成体素（voxel）阵列的技术22,23,24。3DUS图像重建过程包括五个步骤：（1）采集一系列手动操作的二维超声图像；（2）利用动作捕捉系统（Motion Capture, MoCap）追踪超声探头的位置；（3）同步MoCap系统的位置数据与超声图像；（4）通过校准后的参考坐标系计算超声图像在体素阵列中的位置和方向；（5）将这些图像放置到该体素阵列中。

3DUS 技术已成功应用于骨骼肌形态的评估15,25,26,27,28,29。然而，以往的方法7,15,25,30被证明操作繁琐、耗时较长且技术上存在局限性，因为仅能重建大块肌肉的微小片段。

为了改进三维超声（3DUS）方法，现已开发出一种新的3DUS方案，可在较短时间内实现完整肌肉的重建。本文详细描述了利用3DUS成像对股外侧肌（m. vastus lateralis，VL）和内侧腓肠肌（m. gastrocnemius medialis，GM）进行形态测量的方法。

方案

所有涉及人类受试者的研究程序均已获得荷兰阿姆斯特丹VU医学中心伦理委员会的批准。

1. 仪器设备

  1. 将超声设备连接至测量计算机。如有需要，使用图像采集硬件和/或软件存储连续的超声图像。
    注意：采用5 cm线性阵列探头（12.5 MHz）生成B型图像（25 Hz）。每次测量前，需优化成像深度、声学频率和输出功率，以清晰显示肌外和肌内结缔组织的界面。测量过程中不得更改这些设置。
  2. 将运动捕捉系统（MoCap系统）连接至测量计算机。
  3. 将运动捕捉系统的刚性标记簇牢固地连接至超声探头，以追踪超声探头的位置和方向。
  4. 将同步装置（压电晶体）连接至运动捕捉系统的触发输入端。
    注意：激活同步装置会瞬时激发压电晶体，向换能器发射声波。接收到的声波会在系统启动时于超声图像中产生明显的伪影（图1A，箭头）。
  5. 用水填充自制校准架（模型）。

2. 校准

注意：执行空间校准以计算变换矩阵（到T从) 相对于探头坐标系的超声图像中的位置。该校准过程此前已有描述22请参见下文的简要描述。

  1. 将装有水的模体放置好，其中固定一个十字线装置（即 在已知位置的模体坐标系内，两条浸没的交叉导线）pHxyz 图1B，箭头），置于稳定表面上。
  2. 使用温度计测量水温。
  3. 使用 MoCap 指针工具记录模体在全局坐标系中的位置和方向（Gl).
  4. 启动超声图像采样，并激活运动捕捉数据采集（见步骤 3.3.3）。
  5. 将超声探头的头部浸入Pr）于水中。以25 Hz的采样频率，多方向平移和旋转超声探头40秒，同时保持超声图像中十字线可见。Im).
  6. 停止数据采集。
  7. 通过识别包含压电晶体产生伪影的第一帧超声图像，对运动捕捉数据和超声图像进行同步，并据此裁剪超声图像序列（详见步骤 3.4.1.1）。
  8. 在超声图像中识别出十字准线清晰可见的相关图像，并追踪该十字准线在这些超声图像中的位置（iImxyz，并调节水温至合适位置。
  9. 确定十字线相对于运动部件的位置 Pr 通过一系列转化步骤从 pH 至 Pr (公式 1在对应于步骤 2.8 中十字线识别的时间点（i = 1:n）处
    用于统计数据分析建模的矩阵方程，包含多维概率矩阵。
  10. 计算 Im 至 Pr 变换矩阵（PrTIm通过求解 公式 2，包括十字线的所有识别步骤 Im （在步骤 2.8 中测得）与十字线在时间上匹配的（i = 1:n）坐标处 Pr （在步骤 2.9 中计算得出）。 
    向量变换的矩阵方程；科学研究中的数学表示

带有坐标轴、速度、旋转的运动捕捉示意图；用于分析研究的成像及参数。
图1：三维超声（3DUS）算法示意图。（A）运动捕捉（MoCap）系统用于在全局坐标系（Gl）内追踪刚性连接于超声探头的一组标记物。通过Optotrak触发的压电晶体引入的伪影（箭头所示），实现MoCap数据与超声数据的同步。（B）通过识别探头坐标系（Pr）和超声图像坐标系（Im）中的一个已知点，计算Im相对于Pr的位置和方向。为此，使用一个定制设计的水填充模体，其中包含一个位于模体坐标系（Ph）内已知位置的十字交叉导线（即两条浸没的交叉导线）。（C）通过一系列变换，计算该已知点在Pr中的位置。（D）通过完整的已知变换序列，可将来自Im的图像转换至任意体素阵列坐标系（Va）。请点击此处查看本图的放大版本。

3. 实验方案

注意：实验方案描述了两种常见的涉及三维超声（3DUS）成像的实验方法，即股内侧肌（GM）和股外侧肌（VL）的形态测量（图 2A）。

  1. 受试者体位摆放
    1. 对于GM实验：
      1. 让受试者俯卧于检查台上，双足悬于台缘之外。 
      2. 将小腿调整至水平位置，可在胫骨下方放置支撑物。使用带软垫的绑带将大腿固定于检查台上，以防止在实验过程中发生膝关节伸展。 
      3. 将待扫描的下肢足部放入定制的足板中31. 
      4. 将自制的扭矩扳手（附带角度计）连接至脚踏板31. 找出与外加扭矩相对应的足板角度， 例如，0 Nm（图2A). 
      5. 使用连接至实验台的可伸缩杆，将足板固定在对应于0 Nm净背屈力矩的方向上图2A，箭头）。
    2. 对于VL实验：
      1. 让受试者仰卧于检查床上。 
      2. 设定膝关节屈曲角度（即 定义为连接各中心点的直线之间的夹角 外踝 与 外上髁 而后者与 大转子) 至 60°，将小腿置于支撑物上。
      3. 在臀部下方放置一个三角形支撑垫，以防止髋部移动。 
      4. 用两条带衬垫的绑带将小腿固定在支撑装置上，以防止在实验过程中腿部移动。 
      5. 设定髋关节角度（即 定义为连接线之间的夹角 喙突 与 大转子，后者与上髁相连 股外侧肌) 至 95°通过调节检查床背部支撑的角度。 
        注意：选择该姿势是因为其关节角度与等长膝关节伸展测量的最佳状态相似32,33. 
  2. 骨性标志及感兴趣区域（ROI）的定位 
    注意：此步骤用于指导三维超声检查，并用于实验后对受试者大腿、小腿和足部姿势的定量分析。使用运动捕捉指针工具，在全局坐标系中识别并记录解剖骨性标志点的位置。
    1. 对于GM实验：
      1. 通过触诊确定以下解剖标志，并使用外科皮肤标记笔进行标记：股骨内侧和外侧髁最突出的背侧部位，以及胫骨和腓骨踝突的中心。
      2. 使用超声设备，用外科皮肤标记笔标出股骨内侧髁和外侧髁（位于腿部背侧）最表浅的点，以及腓肠肌在跟骨止点处最靠近近端的位置。 
    2. 对于 VL 测量：
      1. 通过触诊确定以下解剖标志，并使用外科皮肤标记笔进行标记：内踝和外踝（同上）；髌腱最 proximal 的附着点 胫骨结节；股骨内上髁和外上髁（同上）；髌骨的尖端以及髌骨上最内侧、近端和外侧的附着边界；以及 喙突 在肩部。
      2. 使用美国设备进行识别，并标记最表浅的部位 大转子 股外侧肌在最远端和最近端的附着点 大转子.
    3. 对于所有肌肉，使用动作捕捉指针工具在全局坐标系中记录标记的解剖标志点（见3.2.1和3.2.2节）。将动作捕捉指针工具移至已确定的解剖标志点处，通过按下动作捕捉软件中的“记录”按钮来记录其位置。 
    4. 使用超声识别内侧和外侧肌肉边界；使用外科皮肤标记笔在皮肤上标记内侧和外侧边界。 
  3. 三维超声检查
    1. 指导受试者在三维超声检查期间保持静止不动。
    2. 在感兴趣区域涂抹足量超声耦合剂，以确保皮肤与超声探头之间充分接触。 
      注意：使用凝胶可限制探头压力，从而减少组织变形，这是获得清晰超声图像所必需的。 
    3. 打开图像采集卡软件（例如WinDV34在测量计算机上点击“Record”按钮，开始超声图像采集。 
      1. 随后，按下同步设备上的“start”按钮，启动并激活 MoCap 数据采集；这将自动激活同步设备即 压电晶体）位于超声探头附近，在运动捕捉启动瞬间于超声图像中产生明显的伪影图1A，Arrow）。 
    4. 在施加最小探头压力的同时确保图像质量，以恒定速度在感兴趣区域上移动探头；此操作称为“扫查”。务必记录目标肌肉清晰的解剖学横断面超声图像。
    5. 检查受试者在检查过程中是否有移动；若受试者移动，则中止扫描，并从步骤 3.3.1 重新开始。
    6. GM 实验的扫描方案
      1. 将超声探头置于大腿内侧股骨髁近端。沿股内侧肌（GM）内侧缘，从近端向远端进行扫查（如3.3.1–3.3.5节所述），确保在解剖学横断面图像中始终可见股内侧肌内侧缘及跟腱，直至跟腱止于跟骨处。
      2. 按照第3.3.3–3.3.5节所述，添加额外的扫描切面，直至完成对整个感兴趣区域的扫描，并完整成像肌肉的内侧边界（图2B). 使用前一次扫查凝胶中的轨迹来引导下一次扫查，与前一次扫查区域略微重叠（0.5 cm）。
    7. VL 实验的扫描方案
      1. 将超声探头置于胫骨平台的外侧。从股外侧肌（VL）的外侧边界开始，沿远端至近端方向进行扫查，确保全程可见股外侧肌外侧边界，直至其起点处 大转子.
      2. 根据第3.3.3–3.3.5节所述，添加额外的扫描（扫查），直至完成整个感兴趣区域（ROI）的扫描，并完全显示股外侧肌（VL）的内侧边界。图2B). 使用前一次扫查凝胶中的轨迹来引导下一次扫查，与前一次扫查区域略微重叠（0.5 cm）。
        注意：在扫查过程中应防止受试者移动，因为移动会对二维超声图像在体素阵列中的定位产生负面影响。扫查次数由探头宽度和目标肌肉宽度决定。通常情况下，当探头宽度为4 cm，目标肌肉宽度为12 cm或18 cm时，分别需要5次或7次扫查以覆盖包括边界的感兴趣区域。 

小腿肌肉生物力学示意图，重点展示在体力活动分析期间内侧腓肠肌（GM）和股外侧肌（VL）的情况。
图2：实验装置示意图及超声探头在目标肌肉（m. gastrocnemius medialis（GM）装置和m. vastus lateralis（VL）装置）区域的扫描路径。（A）两种实验条件下受试者的特定关节配置。绿色显示的部件可调节，用于设定肢体的位置和方向。箭头指示用于固定脚板角度的可伸缩杆。（B）超声探头在感兴趣区域进行多次扫描的路径。蓝色箭头表示在感兴趣区域的单次扫描。左侧：在GM上的扫描；右侧：在VL上的扫描。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 三维超声体素阵列重建
    1. 通过在特定解剖学感兴趣区域（例如，肌肉、肌腱）的皮肤表面进行单次扫描，使用自定义脚本通过“箱填充”（bin-filling）和“图像修复”（inpainting）方法重建单个三维超声（3DUS）体素阵列（即3DUS图像）。为完成3DUS体素阵列的重建，请执行以下实验后处理步骤。
      1. 通过识别包含压电晶体产生伪影的第一帧超声图像，使用 VirtualDub 软件35同步运动捕捉（MoCap）数据与超声图像，并相应裁剪超声图像序列。首先，将帧选择滑块定位至已确定的起始帧，然后按下键盘上的“home”键；接着，将滑块移至测量结束位置（最后一次皮肤接触），按下“end”键；最后按下“F7”键导出裁剪后的图像序列。
      2. 使用自定义脚本定义一个可用于填充超声图像的体素阵列（Va）坐标系。确保该Va的方向与扫描方向一致，并且尺寸足以容纳单次扫描中的所有超声图像。
        注：初始状态下，Va由矩形体素构成，其长轴方向与扫描方向一致；这种形状可提高填充效率。
      3. 使用自定义脚本将超声图像中的像素灰度值分配给Va中的体素。该过程称为前向映射或箱填充（公式3；图1C）23,24。
        静力平衡方程；数学矩阵公式；教学示意图。
        注：图示为根据二维超声图像在Va坐标系中的方位和位置，将其向前映射至体素阵列中。简言之，在时间点（i）的一幅图像（Imxyz(1:n)）中所有像素的位置被同时向前映射至体素阵列中。箱填充过程仅填充被寻址的体素，未被寻址的体素保持为空（即 黑色）。
        注：包含Pr, T, i, G的公式，表示数学或统计模型，符号图像。 表示前述变换矩阵的逆矩阵（即 从 Pr 到 Gl 的变换矩阵）。
      4. 使用自定义脚本识别体素阵列内的空缺区域（即 黑色体素），并通过二值图像处理执行以下步骤：
        1. 创建一个经箱填充的二值体素阵列，其中所有已填充的体素被标记。使用相同尺寸的结构元素进行二值图像的膨胀与腐蚀操作，以标记扫描区域内所有相关体素（即 具有灰度值的体素）。通过从无空缺的相关体素阵列中减去含空缺的箱填充二值体素阵列来检测空缺。
          注：后续的膨胀与腐蚀操作是用于完善二值图像的图像处理步骤。依次执行这些步骤后，可保留外部边界并消除内部空缺。
      5. 使用“图像修复程序”（inpaint procedure）填充已识别的空缺区域，并围绕具有灰度值的体素进行插值36。
        注：该图像修复技术可用于：“基于在网格上通过有限差分法测量的每个标记体素的二阶导数平方和最小化，以平滑插值填充空缺”36。
      6. 通过“双三次”插值统一Va的体素尺寸，并将体素阵列保存为堆叠的 .tiff 图像（即3DUS图像）。
  2. 多次扫描的重建
    1. 根据相同的Va坐标系，重建覆盖更大感兴趣区域的所有单次扫描（如第3.4节所述），以便合并多次扫描数据。
    2. 创建一个新的Va坐标系，其尺寸需足以容纳所有单独重建的扫描结果。
    3. 将各个单独的Va逐步放置到更大的Va中。若某一体素已被其他Va赋值，则仅当新体素的灰度值在8位尺度下≥10时才覆盖原值，否则舍弃该新体素的灰度值。

4. 肌肉形态学参数的测量

  1. 使用医学交互式工具包37（MITK）加载三维超声（3DUS）图像，并提取肌肉起点、止点及肌腹远端末端的坐标。
    1. 加载三维图像后，将切片模式设置为“耦合十字线旋转”。将坐标轴与肌肉或骨性结构对齐，以精确获取坐标。
      注意：在评估解剖点时，MITK优于其他三维影像分析软件，因为它支持在任意方向上快速且交互式地对体素阵列进行切片（“耦合十字线旋转”），从而有助于提高识别效率。
  2. 为测量肌肉体积，使用 MITK 确定肌腹起点至远端末端之间的肌腹边界。利用 MITK 内置的分割功能，沿肌腹长度方向均匀地手动分割多个解剖横截面（图3A）。
    1. 打开“分割工具”并创建“新分割”。从位于肌腹中段的横截面开始，识别并分割肌腹边界。按键盘上的“A”键以添加手动分割，按住鼠标左键并沿肌腹边界移动光标进行绘制。按“S”键可删除部分分割区域。
    2. 按下上一次选择模式对应的按键（即“A”或“S”），将十字线移动至沿肌腹方向的其他横截面。重复步骤4.2.1，对新选定的横截面进行分割。在进入下一步前，至少重复此操作6次。
    3. 将“插值”设置为“启用”，查看沿肌腹长度方向所有横截面中建议的肌腹边界分割结果（黄色线条）。
    4. 在插值生成的分割线（黄色线）与图像中实际肌腹边界不匹配的横截面中，增加额外的手动分割。重复步骤4.2.2。
    5. 点击“确认所有切片”按钮，并选择进行分割的平面。
    6. 将二值化体积保存为近似原始光栅数据（NRRD）文件，并使用自定义脚本计算标记区域的体积大小。
  3. 确定包含完整肌束长度的肌腹中纵面方向（图3A）38。
    注意：中纵面由三个点定义。肌腹的起点和远端末端为前两个点。第三个点位于肌腹起点与远端末端之间的中点横截面图像中。在此横截面图像中，将前两点投影到远端腱膜切线上的中点即为第三个点，该点与肌腹起点和远端末端共同定义中纵面。
  4. 从中纵面测量肌腹起点与远端末端之间预定义标准化位置（例如，50%处）的肌束长度。分割肌腹边界。在中点处绘制一条直线，并旋转该直线直至其方向与下方肌束走向一致。该直线与肌腹边界的交点之间的距离即为肌束长度的估计值（图3B）。
    注意：以往研究表明，有必要考虑远端腱膜有时呈弯曲的形态38，这一点可在肌腹起点与远端末端中点处获取的解剖横截面图像中观察到（图3B）。

解剖学横截面与肌束平面超声图像，肌肉起点、止点及肌腹示意图。
图 3：三维超声（3DUS）分析示意图。 （A）在肌腹中点处的解剖学横截面图像中识别并分割目标肌肉边界。实线绿色标记代表中矢状纵向平面的方向（即 垂直于远端肌腱膜的方向，蓝色虚线所示）。（B）在中矢状纵向肌束平面内测量肌束长度。通过识别肌肉边界对红色透明区域进行分割。在肌腹中点处放置一条黄色虚线，并旋转至与下方肌束走向一致。该线与近端和远端肌腱膜的交点（由粗实线黄色线连接）即为肌束长度的估算值。实线绿色标记表示解剖学横截面的位置和方向。上图：内侧腓肠肌（GM，m. gastrocnemius medialis）；下图：股外侧肌（VL，m. vastus lateralis）。白色方格为比例尺，代表 1 cm × 1 cm。请点击此处查看此图的放大版本。

结果

采用所述的三维超声（3DUS）技术，收集了四具男性人体尸体股内侧肌（GM）和股外侧肌（VL）的形态学数据，死亡年龄为76.8 ± 7.9岁（均值±标准差）。尸体来源于荷兰阿姆斯特丹Vrije Universiteit医学中心（VUmc）解剖学与神经科学系的遗体捐赠项目。尸体采用一种旨在保持组织形态特征的防腐方法进行保存39。

在解剖之前，根据所述方法对股外侧肌（VL）和腓肠肌（GM）进行三维超声（3DUS）成像。解剖过程中，去除覆盖在股外侧肌和腓肠肌上的皮肤、皮下组织及筋膜。沿纵轴中线切开，切取时考虑远端腱膜的走向。使用游标卡尺测量肌束长度，测量位置位于肌腹起点与远端终点之间的中点处。随后，在肌腱切断后，将肌腹完整剥离并浸入经校准的量筒水中。利用 ImageJ 软件，通过拍摄量筒在放入与未放入肌腹时的图像，测量水位差，由此计算肌组织体积40。肌束长度和体积均测量三次，取平均值并计算标准差。采用皮尔逊相关分析评估 3DUS 方法与解剖测量在平均肌束长度和肌肉体积之间的效标效度。通过双因素混合模型计算组内相关系数（ICC3,3）41，以量化 3DUS 方法所测肌束长度和体积的测量者内重复性，并在对数据进行对数转换后计算变异系数（CV）。肌束长度和肌肉体积测量的有效性通过高度显著的相关性得到验证（r = 0.998，p <0.01；r = 0.985，p <0.01，分别对应）。3DUS 方法测量肌束长度和体积的测量者内重复性较高（ICC3,3 为 0.983，CV 为 7.3%；ICC3,3 为 0.998，CV 为 5.4%，分别对应）。综上所述，本研究所提出的 3DUS 方法是一种评估人体股外侧肌和腓肠肌体积及肌束长度的有效且可靠的工具（表 1）。

尸体肌肉分析；解剖 vs 3DUS；体积与肌束长度表格；数据比较。
表 1：尸体验证数据。 C# 表示尸体编号，GM 表示m. gastrocnemius medialis，VL 表示m. vastus lateralis。“解剖”列显示尸体解剖的结果，“3DUS”列显示对尸体进行三维超声（3DUS）图像分析的结果。

讨论

本文介绍了一种有效且可靠的三维超声（3DUS）技术，可实现对骨骼肌形态学参数的快速分析。尽管用于软组织成像的不同3DUS方法已有约十年的发展历史42,43，但这些3DUS方法目前仍未被广泛使用。磁共振成像（MRI）是评估in vivo肌肉体积的“金标准”（例如，参考文献16,17,18,19,20）。MRI的有效性已在多项研究中得到验证，这些研究通过将已知体积的模型或尸体器官与基于MRI的体积估算值进行比较，证实了其准确性44,45。然而，MRI在科研中的可及性有限，且扫描过程耗时且成本高昂。此外，受试者的实验体位也受到MRI扫描仪孔径大小的限制。典型的MR图像通常缺乏足够的对比度，难以对肌肉几何参数（如肌束长度和角度）进行测量。尽管如此，通过采用额外技术（例如，扩散张量成像技术DTI21），也可利用MRI评估三维肌肉几何结构。与MRI类似，超声（US）成像可在不同类型组织的界面处提供足够的区分度（即在超声图像中可见），因而成为评估软组织体积的有效手段1,30,44,46,47,48,49。与MRI相比，3DUS图像具有足够的对比度，可基于同一测量数据同时对体积和肌肉几何结构进行分析。

此外，该技术还可将多次扫描的图像组合成一个阵列，用于研究更大的肌肉。这种新型三维超声（3DUS）方法为临床评估肌肉形态提供了潜在工具。该方法也可用于肌肉以外的其他软组织结构的成像。例如、肌腱、内脏器官、动脉）。

改进以缩短离线处理时间：

3DUS 技术的改进主要旨在缩短处理时间并实现对更大肌肉的测量。3DUS 图像的离线处理时间取决于体素阵列设置、采样频率、感兴趣区域（ROI）大小、扫描持续时间与速度、扫描次数以及所用工作站的性能。此前，重建一次扫描（产生 750 张超声图像，即 25 Hz 下 30 秒的数据）需要约 2 小时的重建时间15,25,30。而采用当前的 3DUS 方法，相同扫描的重建时间仅需 50 秒（使“离线”处理时间缩短了 99%）。这一改进可归因于优化的填充算法：该算法利用大规模向量运算逐帧填充体素，而非逐像素填充，同时工作站更大的随机存取存储器（RAM）也支持构建更大的体素阵列。采用新的 3DUS 方法，典型重建参数为：扫描长度 30 cm，扫描速度 1 cm/s，目标体素尺寸 0.2 × 0.2 × 0.2 mm3，采样频率 25 Hz，其重建所需时间如下：

a. 约 10 秒用于识别同步脉冲并选择相关的超声图像。
b. 约 120 秒用于确定校准变换矩阵（PrTIm）。
c. 约 10 秒用于填充阶段（bin-filling stage）。
d. 约 30 秒用于执行填补间隙（gap-filling）步骤。

总共耗时 170 秒。注意，假设运动捕捉标记物与探头之间为刚性连接，则步骤 b 仅需执行一次，单次扫描重建耗时 50 秒。合并两次单扫描重建的体素数组约需 10 秒。

局限性与关键步骤：

进行三维超声成像时，应注意以下几个方面：

i. 超声图像质量： 更高的二维超声图像空间分辨率可在体素阵列中容纳更多的像素，从而减小体素尺寸，提高体素密度。目前多种可用的超声设备采用空间复合技术以减少噪声颗粒状纹理，从而更清晰地区分组织界面，减少伪影。另一种减少斑点噪声的方法是边缘增强，但应注意，该方法并不理想，因为它会通过人为强化界面来扭曲图像，从而失真地改变组织界面的真实解剖位置。

ii. 运动捕捉精度： 只有当位置传感器能够准确定量探针的坐标时，像素才能被准确地放置到体素中。随着图像分辨率的提高，运动捕捉精度变得愈发重要。本研究所提出的三维超声成像系统在体素尺寸为 0.2 × 0.2 × 0.2 mm3 时效果最佳，配合使用精度为 0.1 mm 的运动捕捉系统，足以精确重建三维超声体素阵列。

iii. 采样频率： 超声图像或运动捕捉数据流中时间分辨率较低者决定了采样频率。这会影响扫描时间或体素阵列的设置。例如，将采样频率从 25 Hz 提高到 50 Hz，可使扫描时间缩短一半。或者，在不改变扫描速度的情况下，可获得更多的图像来填充体素阵列，从而减少需要插补的空缺，可能提高体素阵列的分辨率。然而，在不提高采样频率的情况下增加体素阵列分辨率，需要更慢的扫描速度，这将增加运动伪影的风险。

iv. 图像重建时间：快速重建需要功能强大的工作站并具备充足的可用内存。此外，重建时间在很大程度上取决于体素数组的体积以及空缺填充过程的复杂程度。

v. 实验方案： 实验方案的标准化，如本研究中针对股外侧肌（VL）和股内侧肌（GM）所示范的，对于形态学测量结果的比较至关重要例如，肌束长度、肌束角度、肌腹长度、肌腱长度、腱膜长度）在受试者间的差异以及纵向研究中对受试者个体内的监测。但需注意，在静息状态下评估的肌肉形态在肌肉激活过程中可能发生改变。例如，在股外侧肌（VL）实验中，膝伸肌在最大收缩期间可能表现出较大的羽状角和较短的肌束 60° 膝关节屈曲，与静息状态下的形态学表现相比较50. 在特定条件下（例如., 痉挛），可在检查期间使用肌电图（EMG）来验证静息状态下的肌肉活动水平。

vi. 探头压力与组织形变： 若在感兴趣区域（ROI）上施加了充足的超声耦合剂，则探头与皮肤保持完全接触所需的压力应尽可能小。作为指导，我们建议扫描感兴趣区域时应感觉如同在皮肤上方悬停，仅需施加轻微压力以维持与耦合剂、从而与皮肤的接触。然而，即使使用大量超声耦合剂，轻微的组织形变仍可能难以避免。探头尺寸和曲率较大的感兴趣区域会影响所需压力或耦合剂的用量。相较于尺寸较小且曲率相似的探头，尺寸更大或曲率更明显的感兴趣区域需要更大的压力和/或更多的耦合剂。另一种可能的解决方案是舍弃超声图像中因反射（i.e. 非皮肤接触）产生的区域。此外，组织形变最可能发生在表层组织，例如皮肤和皮下脂肪层。需注意，皮下脂肪极少或缺失的受试者因此更容易受到压力带来的不良影响。同时，组织形变最常发生在探头中心区域，而该区域通常并非与其他扫描区域重叠的部分。

vii. 成像与解剖学知识：使用任何成像方式时另一个重要的考虑因素是，必须具备解剖学知识以及对成像方式本身的了解，才能获得有意义的解读。在识别解剖结构的过程中，需要识别并考虑受试者之间的解剖变异以及图像伪影。即使在健康和/或发育良好的肌肉中，清晰识别也可能较为困难，因为需要依靠解剖学知识来区分单块肌肉内的不同组成部分或不同肌群之间的界限51。然而，在萎缩肌肉中（i.e. 老年人、病理情况或尸体标本），由于肌肉体积更小、图像对比度降低，导致组织界面更加模糊，因此清晰识别更加复杂（图4）。我们认为，若无事先的解剖学知识，在设计本三维超声（3DUS）方法及实施3DUS测量时，将难以做出正确判断。例如，在腓肠肌（GM）实验中，由于足部内部的形变，不同的足底板角度并不一定会引起肌腱复合体长度的预期变化7。此外，关于远端腱膜曲率的详细解剖信息，对于在所有受试者中恰当选择中纵切面至关重要38。

超声成像示意图，横断面 A-C，展示组织结构与形态。
图4：大腿中段股四头肌重建解剖横断面三维超声图像的变异性和质量。（A）一例男性人体尸体示例，显示死亡时萎缩状态的图像（死亡年龄：81岁）。股四头肌各头边界难以辨认。（B）一名久坐男性（30岁）的示例。（C）一名男性运动员赛艇运动员（30岁）的示例。白色标尺方块代表1 cm × 1 cm。请点击此处查看此图的放大版本。

未来应用：

3DUS 方法提供了一种可用于体育和临床多种场景的成像工具。临床干预的效果与个体的体能水平相关52。使用 3DUS 监测有肌肉量流失风险的患者具有重要意义（例如，参见文献53,54,55），并可能有助于调整治疗方案。3DUS 的另一个潜在应用在于监测肌肉在干预（训练）和/或损伤后的形态学适应变化。

本方案描述了一种基于自由手式三维超声（3DUS）扫描的、测量人体软组织结构的经济高效且节省时间的方法。此外，还可对具有重要意义的形态学参数进行评估 股外侧肌 和 内侧腓肠肌 被证明是有效且可靠的。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者非常感谢 Adam Shortland 和 Nicola Fry，他们在 2004 年分享了用于三维超声的算法，这些算法为本研究中所用软件的开发提供了灵感。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
超声设备（Technos MPX）Esaote，意大利NA
线性阵列探头（12.5 MHz，5 cm）Esaote，意大利NA
工作站（HP Z440）HP，美国http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html
视频采集卡（Canopus，ADVC 300）Canopus，日本ADVC 300
运动捕捉系统（Certus）NDI，加拿大http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
同步设备VU，荷兰联系通讯作者
校准架VU，荷兰联系通讯作者
温度计Greisinger，德国GTH 175/PT
检查床NANA任意类型的检查床
倾角仪Lafayette Instrument，美国ACU001
可调节足板VU，荷兰联系通讯作者
扭矩扳手VU，荷兰联系通讯作者
可伸缩杆VU，荷兰联系通讯作者
角度计（Gollehon）Lafayette Instrument，美国1135
三角形梁NANA由一块硬质泡沫制成
绑带NANA任意类型的绑带
外科皮肤标记笔NANA任意类型的外科皮肤标记笔
超声耦合凝胶ServosonNA推荐使用黏性凝胶类型

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