Name: 3D 超声成像: 快速、经济高效的肌骨骼组织形态分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: 学习使用三维超声成像技术进行活体肌肉形态学评估，快速测量肌肉体积和肌纤维长度。该方法为磁共振成像提供了经济高效的无创替代方案，适用于临床诊断和运动医学研究。

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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。

作者无任何利益冲突需要披露。

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。
<img alt="超声成像示意图，横断面 A-C，展示组织结构与形态。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 4"> 
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。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
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。

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。

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

三维超声成像：快速且经济高效的肌肉骨骼组织形态测量

3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue

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.&#160;vastus lateralis和内侧腓肠肌m.&#160;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。

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 &lt;0.01；r = 0.985，p &lt;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）。
<img alt="尸体肌肉分析；解剖 vs 3DUS；体积与肌束长度表格；数据比较。" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="表 1"> 
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。

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。

三维超声成像（3DUS）的发展目标是构建一种可用于对人体肌肉进行三维形态学超声分析的成像技术。3DUS ...

本方法学的总体目标是基于对人体肌肉组织的超声分析，进行体内三维形态学评估。该方法是一种有前景的技术，可用于解答医疗和体育领域中关于治疗及训练后肌肉功能诊断与随访的关键问题。该技术的优势在于，采用三维超声测量肌肉是一种快速且成本效益高的磁共振成像替代方案。这种三维超声技术为在体内测定骨骼肌的肌肉体积、肌束长度以及生理横截面积提供了一种无创方法。自1980年以来，我们一直致力于研究肌肉的结构与功能关系，最初是在人体尸体肌肉上进行研究，并建立这些肌肉的数学模型，随后开展动物实验。随着超声技术的改进，我们现在能够对活体人体肌肉进行研究。为了评估内侧腓肠肌（GM），首先让受试者俯卧于检查台上，双足置于台边之外。在胫骨下方放置支撑物，使小腿保持水平，并使用带衬垫的绑带将大腿固定于检查台上，以防止实验过程中膝关节伸展。将待扫描下肢的足部固定于定制的足板上，并将带有角度计的定制扭矩扳手连接至足板。 找到与适当外加扭矩相对应的足板角度，并使用连接到台面的可伸缩杆将足板固定在相应的适当位置。然后，通过触诊确定股骨内、外侧髁最突出的背侧部位以及胫骨和腓骨踝突的中心位置，并用外科皮肤标记笔标记其位置。使用超声确定股骨内、外侧髁最表浅的点，并用外科皮肤标记笔进行标记。指导受试者在检查过程中保持静止，于目标区域涂抹充足的超声耦合剂，并在测量计算机上打开帧捕获软件。在测量期间，患者必须保持不动，以防止三维超声图像中出现运动伪影。单击“Capture”开始超声图像采集，随后按下同步装置上的按钮，以启动并激活运动捕捉数据的采集。位于超声探头附近的同步装置将在启动运动捕捉时被激活，从而在超声图像中产生明显的伪影。在施加最小压力的同时保持图像质量，将超声探头置于大腿内侧股骨髁附近，并以恒定速度沿股内侧肌（GM）内侧边界进行由近端至远端的扫查。利用前一次扫查残留的耦合剂，继续以0.5厘米的重叠范围进行额外的连续扫查，直至完成整个目标区域的扫描，并完整获取肌肉内侧边界的图像。在获取超声图像时，必须使用充足的超声耦合剂，以防止因探头压力过大而导致组织变形。当所有图像采集完成后，使用自定义脚本通过对特定感兴趣区域的单次扫描进行数组填充实和图像修复，重建单个三维超声体素阵列。然后，使用相同的体素阵列坐标系对覆盖更大感兴趣区域的多次扫描进行重建，以合并多个扫描数据。为测量肌肉体积，首先在医学交互工具包中加载感兴趣的三维超声图像。将切片设置为联动十字线旋转，并将轴线与肌肉或骨性结构对齐，以精确定位肌肉起点、止点及肌腹远端的坐标。打开分割工具，创建一个新的分割区域，勾勒出位于肌腹中段横截面上所识别的肌肉边界。按下键盘上的 A 键，通过单击鼠标左键并沿肌肉边界移动光标，手动添加分割区域。要分割一个新的横截面，请根据上次选择的模式按 A 或 S 按钮，将十字光标沿肌肉腹部移动到其他横截面，并如上所述追踪下一个肌肉边界。当所有片段均已被选中后，启用插值功能，并沿肌肉腹部长度方向检查所有横截面上肌肉边界的建议分割结果。当所有肌肉边界均被正确分割后，点击确认所有切片，并选择进行分割的平面。将二值化体积保存为近原始光栅数据文件，并使用自定义脚本计算标记区域的体积大小。然后，使用自定义脚本确定包含完整肌束长度的肌腹中点纵束平面的方向。从该中点纵断面，在肌腹起点与远端终点之间的预定义标准化位置测量肌束长度，并分割肌肉边界。在感兴趣区域的中点处画一条线，并旋转该线直至其方向与潜在的肌束走向一致。该线与肌肉边界的交点即代表肌束长度的估算值。此男性尸体图像显示了在死亡时大腿中段处股四头肌的萎缩状态，相较于久坐的30岁男性或30岁男性运动员的股四头肌，其各肌头边界的识别更为困难。通过与相同组织的实体解剖数据进行比较，三维超声方法测得的肌束长度和肌肉体积均显示出显著且高度的相关性，且三维超声测量结果具有较高的评估者间可靠性。这证实了三维超声技术是一种评估人体股外侧肌和内侧腓肠肌体积及肌束长度的有效且可靠的工具。采用此方法后，可对肌肉形态进行量化，并将其与关节活动范围及身体运动表现相关联。该技术现已可用于对患有神经肌肉疾病或肌少症患者的肌肉功能进行常规评估。这种三维超声成像技术还可能用于测量其他组织（如骨骼、肌腱和血管）的形态。该技术的发展为神经肌肉领域研究人员探索肌肉形态如何限制机体活动能力开辟了道路。在运动生理学中，用于评估运动员短跑和耐力表现的形态学决定因素。

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