3D 超声成像: 快速、经济高效的肌骨骼组织形态分析

该方法的总体目标是根据人体肌肉组织的超声分析进行 3D 体内形态学评估。该方法是一种很有前途的技术，可用于回答医疗保健和运动中有关治疗和训练后肌肉功能诊断和随访的关键问题。这种技术的优点是，通过 3D 超声测量肌肉是磁共振成像的一种快速且经济高效的替代方案。

这种 3D 超声技术提供了一种非侵入性方法，用于测定体内骨骼肌生理横截面积中的肌肉体积、束长。自 1980 年以来，我们一直在积极研究肌肉的形状功能关系，首先是人类尸体肌肉并制作这些肌肉的数学模型，然后是动物实验。借助改进的超声技术，我们现在将能够在体内研究人体肌肉。

要评估腓肠肌内侧肌 （GM），首先让受试者俯卧在检查台上，双脚越过检查台边缘。在胫骨下方放置一个支撑物，使小腿水平对齐，并用带衬垫的绑扎条将大腿固定在检查台上，以防止实验过程中膝盖伸展。将要扫描的腿脚安装到定制的脚踏板上，并将定制的扭矩扳手与连接到脚踏板的测角仪连接起来。

找到与适当的外部施加扭矩相对应的脚踏板角度，并使用连接到工作台的可伸缩杆将脚踏板固定在相应的适当方向。然后，通过触诊确定股骨内侧和外上髁最突出的背侧以及胫骨和腓骨的踝关节中心，并用手术皮肤标记标记它们的位置。使用超声识别股骨内侧和外侧髁的最浅表点，并使用手术皮肤标记物进行标记。

指示受试者在检查过程中不要移动，在感兴趣区域涂抹充足的超声凝胶，然后在测量计算机上打开图像采集卡软件。患者在测量过程中必须保持静止，以防止 3D 超声图像中出现运动伪影。单击 Capture 开始超声图像采集，然后按下同步设备上的按钮以启动和激活运动捕捉数据采集。

位于超声探头附近的同步设备将被激活，在动作捕捉开始时在超声图像中创建独特的伪影。在保持图像质量的同时施加最小压力，将超声探头放在大腿内侧股骨髁近端，并沿 GM 内侧沿近端远端以恒定速度扫描探头。使用上次扫描的凝胶，添加额外的 0.5 厘米重叠扫描，直到扫描了整个感兴趣区域并且肌肉的内侧边界完全成像。在获取超声图像时，涂抹充足的超声凝胶以防止因探头压力过大而导致组织变形非常重要。

采集完所有图像后，使用自定义脚本通过阵列的 bin 填充和内绘，从特定感兴趣区域的单独扫描中重建单个 3D 超声体素阵列。然后，使用相同的体素阵列坐标系重建覆盖一个较大感兴趣区域的所有单个扫描，以合并多个扫描。要测量肌肉体积，首先将感兴趣的 3D 超声图像加载到医疗交互工具包中。

将切片设置为 Coupled crosshair rotation （耦合十字准线旋转），并将轴与肌肉或骨骼结构对齐，以精确检索肌肉腹部的起点、插入点和远端的坐标。打开分割工具并创建一个新的分割，勾勒出在沿肌肉腹部一半的横截面中识别的肌肉边界。按键盘上的 A 键添加手动分割，单击鼠标左键并沿肌肉边界移动光标。

要分割新的横截面，请根据最后选择的模式按下 A 或 S 按钮，将十字准线移动到沿肌肉腹部的其他横截面，并跟踪下一个肌肉边界，如刚才所示。选择所有段后，设置插值以启用并查看沿肌肉腹部长度的所有横截面中肌肉边界的建议分割。正确分割所有肌肉边界后，对所有切片按 Confirm（确认），然后选择进行分割的平面。

将二进制卷另存为 Nearly Raw Raster Data 文件，并使用自定义脚本计算标记的卷大小。然后，使用自定义脚本定位包含整个束长度的肌肉腹部的中纵向束平面的方向。从纵向中平面开始，在肌肉腹部起点和远端之间的预定义标准化位置测量束长度，并分割肌肉边界。

在感兴趣区域的中间放置一条线，然后旋转该线，直到它与底层分束的方向匹配。线与肌肉边界的交点将代表束长度的估计值。这张男性人类尸体的图像显示了死亡时沿大腿一半的股四头肌萎缩状态，与久坐不动的 30 岁男性或 30 岁男性运动员的股四头肌中发现的边界相比，很难识别股四头肌各个头部的边界。

与 3D 超声方法的相同组织的物理解剖数据相比，3D 超声方法证实了束长度和肌肉体积的有效性，具有显着和高度相关性，对于 3D 超声方法衍生的测量具有很高的评分者间可靠性。确认 3D 超声方法是评估人类股外侧肌和腓内肌体积和束长度的有效且可靠的工具。按照此程序，可以量化肌肉形态并与关节活动范围和身体机能相关。

该技术现在已准备好作为神经肌肉疾病患者或肌肉减少症患者肌肉功能的常规评估实施。这种 3D 超声成像技术也有可能用于测量其他组织的形态，例如骨骼、肌腱和血管。这项技术的发展为神经肌肉领域的研究人员研究肌肉形态如何限制活动能力铺平了道路。

在运动生理学中，评估运动员短跑和耐力表现的形态学决定因素。