Methodenartikel

A Novel Anwendung von Muskel-Skelett-Ultraschall-Bildgebung

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DOI:

10.3791/50595

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17. September 2013

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir beschreiben eine neue Ultraschall-basierten Vektor-Gewebe-Doppler-Imaging-Technik, um die Muskelkontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung bei der dynamischen Aktivitäten zu messen. Dieser Ansatz bietet ergänzende Messungen der dynamischen Muskelfunktion und könnte zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die Muskel-Skelett-Erkrankungen führen.

Zusammenfassung

Ultraschall ist eine attraktive Modalität für die Bildgebung Muskel-und Sehnenbewegung während der dynamischen Aufgaben und kann eine ergänzende methodische Ansatz für biomechanische Studien in einer klinischen oder Laborumgebung zu schaffen. Zu diesem Ziel, Methoden zur Quantifizierung von Muskel Kinematik von Ultraschallbildern entwickelt werden, basierend auf Bildverarbeitung. Die zeitliche Auflösung dieser Verfahren ist in der Regel nicht ausreichend, für hochdynamische Aufgaben wie Drop Landung. Wir schlagen einen neuen Ansatz, der eine Doppler-Verfahren zur Quantifizierung von Muskel Kinematik nutzt. Wir haben eine neue Vektor-Gewebe-Doppler-Bildgebung (VTDI) Technik, die verwendet werden können, um Muskel-Skelett-Kontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung bei der dynamischen Aktivitäten mit Ultraschall zu messen. Das Ziel dieser Vorstudie war es, die Reproduzierbarkeit und mögliche Anwendbarkeit der VTDI Technik bei der Messung des Bewegungsapparates Geschwin untersuchenkeiten während eines Dropdown-Landung Aufgabe, bei gesunden Probanden. Die VTDI Messungen können gleichzeitig mit anderen biomechanischen Techniken wie 3D-Motion-Capture für gemeinsame Kinematik und Kinetik, Elektromyographie für Timing der Muskelaktivierung und Kraftmessplatten für die Bodenreaktionskraft durchgeführt werden. Integration dieser komplementären Techniken könnten zu einem besseren Verständnis der dynamischen Muskelfunktion und Dysfunktion der Pathogenese und Pathophysiologie von Erkrankungen des Bewegungsapparates zugrunde liegenden führen.

Einleitung

Muskel-Skelett-Erkrankungen sind im Erwachsenenalter ein weit verbreitet. Sie sind eine führende chronische Erkrankung in den USA 2 und wird berichtet, dass 25% der Menschen weltweit 3 beeinflussen. Muskel-Skelett-Erkrankungen sind mit verminderter Funktion in Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL), funktionelle Einschränkungen und geringere Lebensqualität 4 zugeordnet. Die wirtschaftliche Belastung ist wegen der Produktivitätsverlust und hohe Kosten für das Gesundheitswesen 4 signifikant. Die Pathophysiologie von mehreren dieser Störungen bleibt unzureichend verstanden. Zum Beispiel hat die Pathogenese der Osteoarthritis (OA) 4 folgende Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes (ACL) Verletzungen zu Änderungen der Quadrizeps-Muskelkraft und Funktion 5 in Verbindung gebracht worden, aber die zugrunde liegenden Mechanismen sind unklar. Die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären, ist es notwendig, um dynamische Muskelfunktion besser zu verstehen.

Die funktionaleBewertung der einzelnen Muskeln, während der Aufführung eines teilweisen oder eine gesamte Aufgabe, ADL und aktiven Lebensstil (zB Sport) bezogen können weitere Erkenntnisse über Muskelfunktion und ihre mögliche Rolle in der Pathogenese und Pathophysiologie dieser Erkrankungen bieten. Weiterhin ist die Quantifizierung der Verbesserung der Muskelfunktion während der Rehabilitation kann als Ergebnis Maßnahme verwendet werden. Herkömmliche Verfahren zur Messung der Muskel-und Gelenkfunktion in der Klinik umfassen körperliche Untersuchung, wie Beweglichkeit, Muskelkraft und / oder Muskelgruppe Ausdauer. Derzeit in der Klinik, Elektromyographie (EMG) wird verwendet, um Muskelaktivierung / Co-Aktivierung, die Frequenz und Amplitude der Muskelaktivität zu beurteilen. Jedoch ist ein Maß für EMG elektrische Aktivierung in den Muskel und stellt notwendigerweise nicht über die Muskelkraft, Kontraktionsfähigkeit und andere funktionelle Faktoren des Muskels. Weitere anspruchsvolle biomechanischen Assessments, wie 3D-Motion-Capture-System foder Joint-Kinetik und Kinematik und Kraftmessplatten für die Bodenreaktionskraft in einem Ganglabors 9.6 durchgeführt werden. Die Messungen von diesen Techniken sind auf dem Gemeinschaftsebene und nicht notwendigerweise einen direkten Verständnis der einzelnen Muskelfunktion während eines dynamischen oder funktionelle Aktivität. Die Fähigkeit zur Bildgebung der Muskulatur gleichzeitig durchzuführen, während eine dynamische Aktivität könnte möglicherweise zu einer besseren und realistischen Funktionsbewertung auf den Muskel-Ebene führen.

Die meisten Studien haben sich auf die Muskelfunktion in statischen Bauchlage konzentriert, und diese Methode kann neue Wege eröffnen, um unser Verständnis der Muskel Verhalten während der Echtzeit-Situationen weiter zu verbessern.

Diagnose-Ultraschall kann direkte Abbildung von Muskeln und Sehnen in Echtzeit ermöglichen, und deshalb ist eine attraktive Alternative zur Messung von Muskel-Skelett-Dynamik und Funktion während der ADL. Ultraschall-basierte quantitative Maßnahmen derMuskel Morphologie und Architektur, wie Muskel Dicke, Länge, Breite, Querschnittsfläche (CSA), Faserwinkel und Fiederungswinkel Faszikel Länge sind weit verbreitet 10-12. In den letzten Jahren wurden Bildverarbeitungsverfahren eingesetzt, um während der dynamischen Aufgaben 13-14 Bewertung und Quantifizierung dieser quantitativen Messungen. Diese Fortschritte haben einen neuen methodischen Ansatz, um das Verständnis in vivo Muskelfunktion aktiviert ist. Jedoch haben diese Verfahren in erster Linie zur Verwendung von herkömmlichen Graustufenbild (oder B-Modus) Ultraschallbildgebungs verlassen und daher nicht vollständig ausgenutzt, die Möglichkeiten der Ultraschall-Gewebegeschwindigkeiten, Dehnung und Dehnungsrate unter Verwendung von Doppler-Grundlagen, die gezeigt haben, wertvoll messen bei der Beurteilung der Herzmuskelfunktion 15-16.

Wir haben eine Vektor-Gewebe-Doppler-Bildgebung (VTDI) Technik, die Kontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit hoher zeitlicher Auflösung (sub MILLI messen kann, entwickeltd) bei der dynamischen Aktivitäten 17-18. Insbesondere kann die Technik VTDI Messungen der Muskeln und Sehnen bei hochdynamischen Aufgaben (zB Dropdown-Landung, Gang, etc.) bei hohen Frameraten zu machen. Die VTDI Technik ist eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Doppler-Ultraschall, der nur die Komponente der Geschwindigkeit entlang des Ultraschallstrahls schätzt, und ist daher abhängig von der Beschallungswinkel. VTDI schätzt die Geschwindigkeit der Muskeln und Sehnen mit zwei verschiedenen Ultraschallstrahlen in verschiedenen Winkeln gelenkt wird, und ist deshalb unabhängig von der Beschallungswinkel in der Bildebene. Da Muskelkontraktion geschieht in 3D, ist die Winkelstellung der Bildebene immer noch wichtig. Wir haben dieses Verfahren auf einer handelsüblichen Ultraschallsystem mit einem Forschungs-Schnittstelle, so dass diese Messungen in einem klinischen Umfeld durchgeführt werden.

Um die Wiederholbarkeit und potentielle Anwendbarkeit des VTDI syst untersuchenem bei der Messung der Rectus femoris Muskelgeschwindigkeiten bei einem dynamischen Aufgabe, führten wir eine erste Studie an gesunden, erwachsenen Freiwilligen. Dieses Papier zeigt die Methodik und Versuchsaufbau für die Schätzung Kontraktionsgeschwindigkeiten, Dehnung und Dehnungsgeschwindigkeit von Rectus femoris mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung während einer Dropdown-Landung Aufgabe.

Protokoll

1. Instrumentierung

Vektor-TDI wird zur Abschätzung der resultierende Geschwindigkeitsvektor von Doppler-Geschwindigkeitsmessungen von zwei oder mehr unabhängigen Richtungen gemacht wurden. Ultraschallsystem mit einem Forschungs Schnittstelle wurde für die Entwicklung VTDI verwendet. Das Forschungs Schnittstelle erlaubt geringe Strahlformung und Pulssequenzsteuerung mit Hilfe eines Software-Development-Kit (SDK). A 5-14 MHz-Linearschallkopf, bestehend aus 128 Wandlerelementen und mit 38 mm Sichtfeld verwendet. Die Forschung Schnittstelle wurde verwendet, um den Array-Wandler in zwei Sende-und Empfangsöffnungen aufgeteilt und die Empfangsstrahlen zu lenken um 15 ° gegenüber der Normal. Der Sendestrahl wurde in der Region von Interesse (z. B. Muskelbauch) fokussiert. Sende-und Empfangsöffnungen wurden auf 32 Elemente.

Acht Probanden, 4 Männer und 4 Frauen (29,7 ± 6,5 Jahre) wurden in die Studie rekrutiert. Kinematic Maßnahmen von den Themen derrechten unteren Extremitäten wurden mit einem Acht-Kamera Motion-Capture-System mit High-Speed-Fähigkeit und einer Abtastrate von 200 Hz erfasst. Bodenreaktionskraft-Daten während des Experiments wurden durch zwei Kraftmessplatten Abtastung mit 2.000 Hz erreicht.

Ein High-Speed-Kamera auf einem Stativ montiert ist und bei 2 m vom Motiv platziert, wurde verwendet, um die Drop Landung auf 500 Bilder / sec zu erfassen.

2. Betreff Vorbereitung

  1. Fragen Sie die Themen, die ein Paar Shorts, Sport-BH oder einem kurzen T-Shirt und Laufschuhe tragen.
  2. Weisen Sie die Themen, um eine 10 min selbstgesteuerten Warm-up und Stretching vor der Datensammlung durchzuführen. Dies ist, um eine abnormale Muskelkontraktionen zu vermeiden und den Umfang etwaiger Muskelkrämpfe reduzieren.
  3. Nach dem Warm-up, legen reflektierenden Markierungen auf bestimmte Landmarken auf den Körper. Insbesondere Ort Kalibrierungsmarkierungen auf den Trochanter major, bilateralen medialen und lateralen und medialen Knie und lateral Knöchel. Zeigen Tracking-Markierungen auf der hinteren und vorderen oberen Darmbeinkämme und Ort Cluster an den Oberschenkeln und Schäfte und fünf Markierungen auf jedem Fuß 19-20.
  4. Richten Sie die Themen an den Stand in der Mitte der Fokusbereich der 3D-Kameras, um eine statische Studie zu erhalten. Die Teilnehmer müssen sich auf die Kraftmessplatten, die Arme über ihre Schultern stehen, um statische 3D-Motion-Capture-Daten zu erhalten.
  5. Legen Sie dann die Ultraschallwandler in einem Wandler Halter und sorgen für eine gute Apparat, um Herausziehen der Ultraschallwandler von der Wandlerhalter zu vermeiden. Der Wandler Halter wurde mit Hilfe Lexen Polycarbonat und formbaren Kunststoff.
  6. Um einen guten Kontakt mit der Haut und Ultraschallwandler zu gewährleisten, gelten großzügige Menge Gel Ultraschallübertragung auf den Wandler.
  7. Setzen Sie den Ultraschallwandler zusammen mit dem Wandlerhalter auf den Oberschenkel des zu Bild der Rectus femoris in Längs Axtist. Der Wandler muss auf halbem Weg zwischen der vorderen Darmbeinstachel und der seitlichen epicondoyle für Bild in der Bauch des Rectus femoris platziert werden. Bevor die Ultraschallwandler und der Wandler Halter, um das Bein zu erhalten, eine axiale Scheibe der Quadrizeps-Muskel-Gruppe. Mit dieser als einer Führung, stellen Sie sicher, dass der Ultraschallwandler wird nun die Abbildung der Rectus femoris und bewegt sich nicht mehr lateral oder medial, um zu vermeiden, die Abbildung der Vasti Muskelgruppe.
  8. Verwenden Sie nun eine zusammenhängende selbstklebenden Verband, den Wandler Halter auf der Person Oberschenkel zu sichern. Machen Sie diesen Verfahrensschritt nicht verdecken oder blockieren reflektierenden Markierungen. Die selbstklebenden Verband darf nicht lax oder übermäßig dicht sein. Lax Verbands riskieren der Ultraschallwandler zu fallen während der Dropdown-Landung Aufgabe und eine zu enge Verbandunbehagen verursachen, oberflächliche Blutfluss stören und möglicherweise Tropfen Landung Dynamik verändern.
  9. Zeigen ter Hochgeschwindigkeitskamera mindestens 2 m entfernt von dem Thema in der Sagittalebene, um Videos mit einer 500 Frames / sec zu sammeln. Fokus der Kameralinse, um sicherzustellen, dass der gesamte Rückgang Landesequenz des Subjekts erfasst wurde.

3. Experiment Protokoll

  1. Sobald alle Markierungen und der Ultraschallwandler sind sicher, fragen Sie die Themen, die auf einer Plattform von Höhe 30 cm Platz bei 50 cm von den Kraftmessplatten stehen. Stellen Sie sicher, dass der Bereich rund um die Plattform (ca. 2,5 m) ist klar von jeglichen Gegenständen, die den Fall Landung Aufgabe behindern oder verletzen könnte das Thema. Dies umfasst die Ultraschallwandler Kabel.
  2. Weisen Sie die Patienten, ihre Hände auf ihre Hüften vor Beginn der Lande Drop Aufgabe und während der gesamten Landesequenz Drop platzieren.
  3. Starten Sie die Datensammlung für Ultraschall, 3D-Motion-Capture-, Kraftmessplatten und den Hochgeschwindigkeitskamera vor der Tropfenlande Aufgabe zu starten. Die Synchronisation zwischen den verschiedenen Instrumenten erreichen könnend durch Verwendung einer einzigen Taste drücken, um alle Datenerfassung zu starten. Ein Drucksensor an der Tastatur befestigt werden verwendet, um ein Synchronisierungsauslösesignals, wenn eine bestimmte Taste gedrückt wird, zu erzeugen.
  4. Richten Sie das Motiv in die Drop-Aufgabe aus der Landeplattform und Land mit beiden Beinen gleichzeitig durchführen. Stellen Sie sicher, dass die Themen Drop aus Feld statt Springen von ihm. Keine speziellen Hinweise sind in Bezug auf Landetechnik zur Verfügung gestellt.
  5. Stoppen Sie die Datenerfassung einmal das Thema vollständig stabilisiert und beendet das Drop Landesequenz.
  6. Wiederholen Sie diesen Protokoll fünf Mal pro Thema.

4. Ultraschall-Datenanalyse

  1. Export und die Rohdaten von dem Ultraschallsystem zu speichern, um einen Computer.
  2. Die rohen Radiofrequenz (RF)-Ultraschalldaten von jedem Empfangsstrahl wird bei 40 MHz digitalisiert. Verarbeiten Sie die Daten mit Hilfe von MATLAB.
  3. Führen Quadraturdemodulation auf den RF-Daten, die Trägerfrequenz zu entfernen. Entfernen stationary und Niederfrequenz-Unordnung durch Filtern der Quadratur-Daten von jedem der Empfangsbalken und für jede Tiefe mit einer 20-Hz-Hochpassfilter.
  4. Schätzen die Geschwindigkeiten entlang der beiden Empfangsstrahlen unter Verwendung der herkömmlichen Autokorrelationsschätzer Geschwindigkeit 21.
  5. Kombinieren der einzelnen Geschwindigkeitswellenformen lateral erhalten (entlang der Transducer) und axial (senkrecht zur Wandler) Geschwindigkeitswellenformen während der Tropfenlandesequenz, wie in Fig. 1 zu sehen.
  6. Erhalten, die Größe des resultierenden Geschwindigkeitsvektors aus den einzelnen Geschwindigkeitskomponenten unter Verwendung der Gleichung 1 wie oben beschrieben 22:
    figure-protocol-1
    wo β der Strahllenkwinkel, f 1 und f 2 sind die beiden empfangenen Frequenzkomponenten f und t die Sendefrequenz.
  7. Berechnen Sie die laterale und axiale Belastungsrate de / dt mit der räumlichen gradiEltern in der lateralen und axialen Geschwindigkeiten.
    figure-protocol-2
    wobei V 2 und V 1 sind zwei räumlichen Positionen durch einen Abstand L getrennt geschätzten Momentangeschwindigkeiten
  8. Berechnen der axialen und Querdehnung, E, durch die Integration der axialen und lateralen Verformungsrate auf.
    figure-protocol-3

5. 3D Motion Capture Data Analysis

  1. Exportieren Sie die 3D-Motion-Capture-Daten auf einen Computer zur weiteren Analyse.
  2. Verwenden der statischen Stand Versuch, erstellen Sie eine kinematische Modell (Becken, Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß) mit 3D-Motion-Capture-Software mit einem Least-Squares-Optimierung 23.
  3. Verwenden Sie diese kinematische Modell, um die Bewegung an der Hüfte, Knie und Sprunggelenke zu quantifizieren.
  4. Filtern Sie die reflektierende Marker Trajektorien und Bodenreaktionskräfte mit einem 4. Ordnung Tiefpass Butterworth Filter mit einer Grenzfrequenz von 7 Hz und 25 Hz, jeweils mit 3D-Motion-Capture-Software.
  5. Berechnen Sie 3-D-Gelenkkräfte und Momente aus der kinematischen und Bodenkraftdaten über einen Standard-inverse Dynamikanalyse mit Segment für jeden Teilnehmer geschätzt, nach den Methoden der Dempster Trägheitseigenschaften. Inter-Segment gemeinsamen Momente werden als interne Momente (zB ein Knie interne Neben Moment eine Flexion Last auf die Knie angewendet wider) definiert.

6. High-Speed-Kamera-Daten-Analyse

  1. Exportieren Sie die Videos von den High-Speed-Kamera-Daten an einen Computer für die Analyse und den Vergleich mit Ultraschall und 3D-Motion-Capture-kinematische Daten.
  2. Spielen Sie den Film mit 15 Bildern / s und beachten Sie die Dropdown Landung Dynamik.
  3. Dann Quantifizierung der Bewegung des Wandlerhalters und die Verlagerung der Ultraschallwandler während der gesamten Tropfenlande Studie durch die Verfolgung der sichtbaren Markierungen auf der anatomischcal Sehenswürdigkeiten mit den High-Speed-Videodaten. Die Beurteilung der Tropfen Landung Dynamik kann auch gleichzeitig durchgeführt, um die verschiedenen Start-und Lande Arten besser zu verstehen.

Ergebnisse

Repräsentative Ergebnisse aus früheren Arbeiten zeigen die Verfahren sind unten dargestellt. Während die in unserer aktuellen Forschung verwendeten Verfahren integrieren Imaging-und Motion-Capture, die im Folgenden dargestellt sind repräsentative Ergebnisse aus Studien, in denen diese Messungen wurden getrennt durchgeführt.

I. Ultraschall (VTDI)

Mit den Daten aus der 3D-Motion-Capture-und dem High-Speed-Kamera, dem Muster der Person springen, wurden Lande-und Stabilisierungsphasen für jeden Versuch untersucht. Die axiale und laterale Rectus femoris Geschwindigkeiten von VTDI wurden, um Daten von 3D-Motion-Capture-und High-Speed-Kamera gesammelt, verglichen. Mit Hilfe dieser Daten wurden die zeitlichen Eigenschaften der axiale und laterale Rectus femoris Muskelgeschwindigkeiten in der gesamten Drop Landesequenz untersucht. Positive Seitengeschwindigkeiten entsprechen exzentrischen Kontraktion des Rectus femoris Muskel während der Kniebeugung,während negative laterale Geschwindigkeiten entsprechen konzentrischen Kontraktion des Muskels während der Knieextension. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Das gesamte Drop-Landesequenz für alle Fächer dauerte etwa 1,45 ± 0,27 Sekunden.

Für jeden Probanden zeigten die axiale und laterale Muskelgeschwindigkeiten eine starke Wiederholbarkeit zwischen Studien mit einer Steigung von 0,99 und R2 = 0,75 (Abbildung 3). Velocity-Werte für sechs von acht Probanden waren in einem ähnlichen Bereich von 48 bis 62 cm / sec, während zwei Patienten (Männer) hatten höhere Geschwindigkeiten. Männer (72,96 cm / s) vorgestellt deutlich höhere Muskel Geschwindigkeit als Frauen (48,71 cm / s), p = 0,029, bei der Einstellung für individuelle Gewicht und Muskelstärke jedes Thema.

Die Position des Ultraschallwandlers wurde verfolgt, dachte der Dropdown-Landesequenz unter Verwendung der High-Speed-Kamera. Der Winkel zwischen der Strecke zwischen dem Trochanter und der Manschette (grüne Strich gemachted Liniensegment) und die Strecke zwischen der Mitte des Oberschenkels und der Manschette (violett gestrichelte Linie Segment) berechnet. Insgesamt 16 Studien mit 2-Studien pro Fach (Versuch 1 und 2 beziehen sich auf ein zu unterwerfen und so weiter) sind in Abbildung 4 beobachtet. Minimale Winkeländerung (0,91 ° ± 0,54 °) der Wandlerhalterung relativ zu den anatomischen Markierungen während der Landung wurde über alle 16 Studien beobachtet. Der Ultraschallwandler Winkeländerung präsentierte eine hohe Wiederholgenauigkeit sowie (ICC 2,1 = 0,90, p <0,05). Dies zeigt, dass der Wandler Bewegung bei der Landung Studie war minimal und die Geschwindigkeitsmessungen wurden nicht wegen einer Wandlerbewegung betroffen.

II. 3D-Motion-Kamera und Kraftmessplatten

Wir vor allem auf Knie und Hüfte gebeugt Winkel-, Knie-valgus-Winkel und Knie valgus Moment konzentriert. Wir fanden, dass bei der ersten Verbindung mit dem Boden, hatten Probanden die folgenden kinematischen Muster: hip flexion 41 ° ± 13 °, 23 ° Kniebeugung ± 9 Grad und Knie valgus 0,03 ° ± 6 Grad. Als sie während der Landephase die Fortschritte, waren die maximale Winkel erreicht: Hüftbeugung 58 ° ± 19 °, 54 ° Kniebeugung ± 24 Grad und Knie valgus -4 ° ± 8 Grad (Abbildung 5). Knie Valgusmoments präsentiert einen Rückgang von 0,03 ± 0,03 bis 0,1 ± 0,1 Nm / km von der ersten Bodenkontakt zu ihrer maximalen während der Landephase (Abbildung 6).

figure-results-1
Fig. 1 ist. Vertretung der VTDI Geschwindigkeitsmessung des Rectus femoris. Die graue Balken repräsentieren die beiden einzelnen Sende-und Empfangsbalken und die rote Linie stellt die seitliche Geschwindigkeitskomponente (zusammen proximal-distaler Richtung des Knies) und die blaue Linie stellt die axiale Geschwindigkeit Komponente (entlang der Muskeldicke).

figure-results-2
2. Axiale und laterale Geschwindigkeiten während Abfall Landung auf der Sequenz von Videorahmen (oberes Feld) verglichen. Die untere Platte ist die axiale und laterale Geschwindigkeiten, wobei A entspricht der Ausgangskniebeugung entspricht b der Knieextension, C entspricht dem Zehen den Boden fällt, entspricht D an der Ferse den Boden fällt, entspricht E, um die Kniebeugung nach der Landung und F entspricht der Kniestreckung und Stabilisierung.

figure-results-3
3. Wiederholbarkeit der Größe des resultierenden Geschwindigkeitsvektor für alle 8 Themen (2 Versuchen pro Thema). Männer sind in roten Diamanten und Frauen in blauen Kreisen bezeichnet.

figure-results-4
4. Panel A. Der Fehlerder Winkel zwischen der Strecke von Ultraschallwandler Halter gemacht und der Marker auf der Mitte des Oberschenkels (violett gestrichelte Linie Segment) und dem Liniensegment durch die Ultraschallwandler gemacht und der Marker auf dem Trochanter (grün gestrichelte Linie Segment). Panel B. Der absolute Fehler in dem Winkel zwischen dem Liniensegment von Ultraschallwandlerhalter und der Markierung auf der Mitte des Oberschenkels und des Liniensegments von dem Ultraschallwandler und dem Marker auf dem Trochanter gemacht.

figure-results-5
5. Abbildung zeigt die 3D-Motion-Capture während der Landung Drop Aufgabe. A entspricht der ersten Kniebeugung für den Start von der Plattform entspricht B bis zu den Zehen den Boden fällt, C entspricht der Ferse auf den Boden fällt, entspricht D Kniebeugung nach der Landung und E entspricht der KNEe-Erweiterung und Stabilisierung. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen.

figure-results-6
6. Abbildung zeigt repräsentative Knie valgus Moment ändert sich während der Standphase des Dropdown-Sprung. Knie Valgusmoments präsentiert einen Anstieg von 0,03 ± 0,03 bis 0,1 ± 0,1 Nm / km von der ersten Bodenkontakt zu ihrer maximalen während der Landephase. Klicken Sie hier, um zu vergrößern Figur.

Diskussion

Ultraschall-Bildgebung hat die Fähigkeit, direkte Beurteilung der Muskel-Kinematik in dynamischen Studien, die konventionellen Maßnahmen, wie z. B. 3D-Motion-Capture-, Dynamometrie, Elektromyographie und Bodenreaktionskraftmessungen ergänzen können. Dieser Ansatz kann breit anwendbar für die Grundlagenforschung und klinische Biomechanik Evaluierung sein. Es gibt drei Haupt Ansätze zur Schätzung Gewebebewegung mittels Ultraschall: (1) Speckle-Tracking-Methoden, die Kreuzkorrelation für Roh-Radiofrequenz (RF)-Ultraschalldaten oder Umschlag erkannt Graustufen (oder B-Modus) Bilddaten zu verwenden. Diese Techniken sind weit verbreitet sowohl in der Skelett-und Herz 24-25 26 Muskel Motion-Tracking und die Schätzung verwendet, (2) Methoden der Bildverarbeitung, die die Muskelfaserbündel oder Funktionen 27-28 und (3) Gewebe-Doppler-Imaging-Techniken in beiden Herz 29 verwendet verfolgen -30 und Skelett 31 Bewegungsschätzung. Speckle-Tracking auf Basis von räumlichen Quer correlation wurde häufig verwendet, um die Bewegung von Gewebe zu verfolgen und kann Bewegungen mit Sub-Pixel-Auflösung verfolgen. Allerdings dekorrelieren Speckle-Muster schnell bei größeren Bewegungen. Bewegung aus der Bildebene stellt auch eine Herausforderung für Speckle-Tracking. Methoden zur Verfolgung Muskel Faszikel Länge haben bessere Anwendbarkeit, wo die gesamte Faszikel wird in dem Bild während der dynamischen Aufgabe visualisiert. Methoden, die auf Bildverarbeitung Daten verlassen haben geringe zeitliche Auflösung der Bildgebung Bildrate beschränkt und kann daher nicht Bewegung bei hohen Geschwindigkeiten zu verfolgen. Darüber hinaus sind diese Faszikel Tracking-Methoden sind sehr empfindlich auf Bewegung aus der Ebene. So Sonde Bewegung relativ zum Muskel könnte der Verfolgung zu scheitern. Velocity Schätzungen von herkömmlichen Gewebe-Doppler-Imaging (TDI) können höhere zeitliche Auflösung haben, aber auch robuster sind, um kleine Bewegungen Sonde. Doppler-Verfahren können Geschwindigkeiten Komponenten nur entlang des Ultraschallstrahls zu schätzen, so Doppler Schätzungen könnte ungenau du seinE Um die unterschiedlichen Beschallungswinkel mit der Bewegung des Muskels. Unsere vorgeschlagene VTDI Verfahren überwindet dieses Problem durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Ultraschallstrahlen in verschiedenen Winkeln gelenkt wird, damit der Geschwindigkeitsschätzung ist unabhängig von der Beschallungswinkel in der Bildebene. Auch kann die effektive zeitliche Auflösung von etwa 0,1 ms VTDI und daher diese Methode kann die Bewegung der Skelettmuskulatur während der dynamischen Aktivitäten zu verfolgen (zB Dropdown-Landung, Gang und Joggen).

Weitere Vorteile des Ansatzes umfassen die Verwendung einer linearen Anordnung Bildwandler auf der Basis einer klinischen Ultraschallsystem zur Durchführung Vektor Gewebe-Doppler-Bildgebung. Wir elektronisch gesteuert die Sende-/ Empfangsstrahllenkung, Maschenweite und Fokus-Standorte für das Scannen eines großen Sichtfeld. Darüber hinaus kann dieser Ansatz erweitert, um Duplex-VTDI mit gleichzeitiger Echtzeit-Bildgebung durchzuführen. Unser System ermöglicht es uns auch, konventionellen B-Bild zu l durchführenocate die Region von Interesse für die Quantifizierung der Gewebedehnung und Kinematik. Da diese Methode wurde auf einem klinischen Scanner implementiert, haben wir in der Lage sein, diese Methode in einem VTDI Ganglabor für Biomechanik Forschung einzusetzen.

Einschränkungen dieser Technik muss quittiert werden. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Doppler-Messungen. VTDI basierend Geschwindigkeitsschätzungen in zwei Dimensionen (entlang und über Muskelfasern) erfordert die linearen Array-Wandler in zwei Sende / Empfangs-Subaperturen aufgeteilt werden (32 Elemente breit) und die Strahlen zu lenken um 15 °. Lenkung der Ultraschall-Sende-und Empfangsbalken zu höheren Winkeln könnte Geschwindigkeit Maßnahmen aufgrund von Gitterkeulen beeinflussen. Auch der Bereich der Strahlüberdeckungsbereich in VTDI ändert sich mit unterschiedlichen Strahlfokustiefen 32, die möglicherweise die Geschwindigkeitsschätzungen. Die Varianz des Dopplerschätzungen hängen (1) Beschleunigung und Verzögerung des Gewebes innerhalb des Analyse-Zeitfenster (2) Varianz tAusgabegeschwindigkeit innerhalb des Doppler Range-Gate (3) die unterschiedlichen Doppler-Winkels in der Öffnung für Wideband verwendet spectral der gesendeten und empfangenen Ultraschallstrahlen, die auch als geometrische Erweiterung 33 und (4) die Bandbreite des übertragenen Ultraschallimpulses, da die Doppler-Verschiebung ist proportional zu der Trägerfrequenz 34. Mehrere Verfahren können verwendet werden, um die Varianz zu begrenzen. Phase-Geschwindigkeit Schätzer, wie der Autokorrelation, nutzen typischerweise kleiner Analysezeitfenster im Vergleich zu Spektralschätzer, aber sie schätzen meine Dopplerverschiebung statt der Peak-Verschiebung. Wideband Spektralschätzer wie der 2D-Fourier-Transformation 35 kann die Varianz aufgrund der Impulsbandbreite zu reduzieren. Im Fall von VTDI, die zwei gelenkten Strahlen verwendet Doppler, ist die Varianz der Gewebegeschwindigkeiten in dem Strahlüberschneidungsbereich relativ zum Muskel weiterer zu berücksichtigender Faktor. Der Rectus femoris Muskelkontraktion ist in 3D und der Kontraktion Velocitykeit variiert räumlich entlang des Muskels. Daher ist es wichtig, den Bereich von Interesse sorgfältig auszuwählen.

In dieser Studie untersuchten wir die Reproduzierbarkeit der Rectus femoris Muskel Kinematik während einer Dropdown-Landung Aufgabe in acht gesunden Probanden mit VTDI. Auch wenn die Studien waren unabhängig, beobachteten wir stark korrelierten und wiederholbare Spitzenmuskelkontraktion Geschwindigkeiten für Personen zwischen Studien. Wir sind derzeit die Einstellung von mehr Themen in unserer Studie, um dieses Muster weiter zu prüfen. Diese Studie wurde nicht-invasiv vorgesehen und Echtzeit-Messung der Kontraktionsgeschwindigkeit des rectus femoris während Drop-Landung. Die folgenden Muster der Kontraktion Geschwindigkeiten wurden während der verschiedenen Phasen des Tropfenlande Task (Fig. 2) beobachtet: 1. Muskelkontraktion Geschwindigkeiten dominieren in der Querrichtung während der Kniebeugung (Startphase) und Erweiterung gegenüber axialer Richtung (in-the-Air-phase). Dies ist zu erwarten, da der Rectus femoris Muskel erfährt exzentrischen Kontraktion während der Startphase und konzentrischen Kontraktion während in-the-Air-Phase. 2. Low seitlichen Muskelgeschwindigkeiten in der dritten Phase (Zehen den Boden berühren), mit vernachlässigbar geringen axialen Muskelgeschwindigkeiten. Dies entspricht Rectus femoris Muskelkontraktion in dieser Phase 3 senken. Deutlicher Anstieg der axiale und laterale Muskelgeschwindigkeiten direkt nach der Ferse den Boden berührt. Dies ist wahrscheinlich auf die Muskellaufen beide exzentrischen Kontraktion und Formänderung aufgrund der Kompression, Erhöhung der Geschwindigkeiten entlang der Muskelfasern und senkrecht zu den Muskelfasern, jeweils verursacht. Trotz der Tatsache, dass die Tropfenlande Aufgabe ist eine hohe Schlag Aufgabe VTDI gezeigt wiederholbare rectus femoris Geschwindigkeiten. Diese Ultraschalltechnik konnte die klinische Auswirkungen haben, da dieser Muskel ist in erster Linie für den Schutz des Kniegelenks vor übermäßiger Belastung verantwortlich.Deshalb ist eine weitere Beurteilung der Rectus femoris Muskel bei Patienten mit ACL-Rekonstruktion gerechtfertigt, um die Mechanismen, die zu der frühen und beschleunigt Beginn der OA zu verstehen.

Obwohl die Teilnehmer dieser Studie waren alle aufgefordert, eine natürliche Dropdown-Landung Aufgabe aus einem 30 cm hohen Plattform, fanden wir Unterschiede in der Höhe des Sprungs oder Einführung. Auch mit den High-Speed-Kamera-Daten wurde festgestellt, dass alle Probanden eine unterschiedliche Tropfenlande Stil hatte. Dies könnte die geringen Unterschiede zwischen den Fächern in der Spitzen resultierenden Geschwindigkeitswerte des Rectus femoris erklären als Folge der möglichen Unterschiede in der Aktivierungsmuster während der Aufgabe. Ein weiterer möglicher Faktor ist der Unterschied in der Querschnittsfläche des rectus femoris, die potentiell auf verschiedenen Ebenen der Muskelkontraktion und Krafterzeugung könnte.

Offenlegungen

Keiner der Autoren haben keine finanziellen Angaben oder Interessenkonflikten und die Studie wurde von IRB unserer Institution genehmigt.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde zum Teil durch Grant Number 0953652 von der National Science Foundation und zum Teil von der George Mason University Bibliotheken Open Access-Fonds unterstützt. Wir möchten Dr. John Robert Cressman Jr. für den Zugang zum Hochgeschwindigkeitskamera zu danken.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
UltraschallgerätUltrasonixSonix RP
3D Motion Capture SystemVicon Motion SystemsVicon T-20
Force PlatesBertec CorporationBertec 4060-10
HochgeschwindigkeitskameraPhotronPhotron 512 PCI 32K

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