Name: 3D Ultraschall-Bildgebung: schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: Lernen Sie die 3D-Ultraschall-Bildgebung zur schnellen und kostengünstigen Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebes. Diese nicht-invasive Methode ermöglicht die präzise Messung von Muskelvolumen und Faszikellänge in vivo.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Die Autoren sind sehr dankbar, dass Adam Shortland und Nicola Fry teilten ihre Algorithmen für die 3-dimensionalen Ultraschall im Jahr 2004, die die Inspiration für die Entwicklung der Software, die in dieser Studie verwendet wurden.

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Eine valide und zuverlässige 3DUS Technik präsentiert, die für die schnelle Analyse von morphometrische Variablen der Skelettmuskulatur ermöglicht. Verschiedene 3DUS Ansätze für die Weichgewebe Bildgebung wurden für ungefähr ein Jahrzehnt42,43, aber die 3DUS Ansätze noch nicht häufig verwendet werden. MRT ist ein "Goldstandard" für die Schätzung der in Vivo Muskel-Volumen (zB., verweist auf16,17,18,19,20). MRI Gültigkeit wurde getestet und in Studien zum Vergleich Phantome oder cadaveric Organe des bekannten Volumens auf MRT-basierte Volumen Schätzungen44,45bestätigt. Doch, MRI-Verfügbarkeit für die Forschung ist begrenzt und Scans sind Zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus nutzen Sie Versuchsperson, die Körperhaltungen durch die Bohrung begrenzt sind der MRI Scanner. Typische MRT-Bilder erzeugen nicht genügend Kontrast zur Durchführung von Messungen der Variablen von Muskel-Geometrie (Faszikel Längen und Winkel). 3D Muskel Geometrie kann jedoch auch mittels MRI mit zusätzlichen Techniken, z.B., DTI Technik21beurteilt werden. Ähnlich wie bei MRI, US-Bildgebung bietet ausreichende Unterscheidung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Arten von Gewebe (d.h. sichtbar in uns Bilder), die eine gültige Modalität für weiche Gewebe Volumen Bewertung1,30 ,44,46,47,48,49. Im Gegensatz zu MRI haben 3DUS Bilder ausreichenden Kontrast zur Analyse auf Volumen und Muskel Geometrie aus der gleichen Messung durchführen.
Darüber hinaus ermöglicht die Technik präsentiert Bilder von mehreren fegt in ein Array für die Untersuchung von größeren Muskeln kombiniert. Diese neue 3DUS-Methode stellt ein mögliches Instrument zur klinischen Beurteilung der Muskel Morphologie. Diese Methode kann auch verwendet werden, für imaging Weichgewebe Strukturen als Muskel (z.B., Sehnen, Organe, Arterien).
Änderungen an der Offline Verarbeitungszeit zu verbessern:
Modifikationen des 3DUS Ansatzes wurden hauptsächlich zur Verbesserung der Bearbeitungszeit und Messung von größeren Muskeln. Die offline Bearbeitungszeit eines 3DUS Bildes hängt Voxel-Array-Einstellungen, Sampling-Frequenz, Größe des ROI, Dauer und Geschwindigkeit der Sweep, Anzahl der Sweeps und der verwendeten Arbeitsstation. Zuvor war eine Wiederaufbau-Zeit von ≈ 2 h notwendig zur Rekonstruktion nur einen Streich nachgeben 750 US-Bilder (30 s bei 25 Hz)15,25,30. Mit dem vorliegenden 3DUS Verfahren dauert der gleiche Schwung nur 50 s Rekonstruktion (Verbesserung der 'offline' Bearbeitungszeit um 99 %). Diese Verbesserung kann durch den verstärkten Füllung Algorithmus erklärt werden, die große Vektoroperationen um die Voxel Frame-by-Frame, anstatt Pixel pro Pixel und erhöhte Arbeitsspeicher (RAM) von Workstations, größere Voxel-Arrays zu konstruieren füllen nutzt. Mit dem neuen 3DUS-Ansatz nimmt eine typische Rekonstruktion repräsentieren eine Sweep-Länge von 30 cm mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s, mit einer Voxel Zielgröße von 0.2 x 0.2 x 0,2 mm3 und einer Sampling-Frequenz von 25 Hz die folgende Zeit zu rekonstruieren :
A. ca. 10 s zu identifizieren die Synchronisation Puls und relevante US Bilder auszuwählen. B. etwa 120 s zu bestimmen, die Kalibrierung Transformationsmatrix (PrTIm). c. ca. 10 s für die bin-Füllung-Bühne. d. ca. 30 s für die Ausführung der Schritte spaltfüllenden.
Insgesamt, nehmend 170 S., Schritt b muss nur durchgeführt werden, sobald eine starre Verbindung die MoCap-Markierungen, um die Sonde unter der Annahme verlassen 50 s für den Wiederaufbau von einem einzigen Durchlauf. Kombination von zwei einzigen Durchlauf rekonstruiert Voxel Arrays dauert ca. 10 s.
Einschränkungen und wichtige Schritte:
Es gibt mehrere 3DUS imaging Aspekte, die berücksichtigt werden sollten:
i. US-Bildqualität: höherer räumlicher Auflösung der USA 2D-Bilder bieten mehr Pixel innerhalb der Voxel-Array platziert werden. Dies würde erlauben, die Voxel-Maße zu verringern, führt zu höheren Voxel-Dichte. Einige derzeit verfügbaren Ultraschallgeräte verwenden räumliche Compoundierung um laute körnige Textur, zulassend besser artefaktfrei Unterscheidung der Schnittstellen von Geweben zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit, Speckle zu reduzieren ist Edge-Enhancement. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass dieser Ansatz nicht wünschenswert, da es verformt sich das Bild in einem Versuch, verschiedene Schnittstellen, damit verzerren die wahre anatomischen Position der Schnittstellen zu schaffen.
II. MoCap-Genauigkeit: Pixel nur genau platziert werden in einem Voxel, wenn der Lagesensor genau die Koordinaten der Sonde quantifiziert. Mit einem Anstieg der Bildauflösung wird MoCap Genauigkeit immer wichtiger. Präsentiert 3DUS setup funktioniert am besten mit einem Voxel Maß von 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3, mit einem MoCap-System mit einer Genauigkeit von 0,1 mm, mit reichlich Genauigkeit um das 3DUS Voxel-Array zu rekonstruieren.
III. Sample-Frequenz: die niedrigste Zeitauflösung von der US-Bilder oder MoCap-Datenstrom bestimmt die Samplefrequenz. Dies betrifft die Sweep-Zeit oder die Voxel-Array-Einstellungen. Beispielsweise ermöglicht die Verdoppelung der Abtastfrequenz von 25 bis 50 Hz einen Sweep in der halben Zeit durchgeführt werden. Alternativ bietet keine Veränderung der Laufgeschwindigkeit, mehr Bilder, um die Voxel-Reihe, so dass weniger Lücken gefüllt werden und dadurch potenziell Erhöhung der Voxel-Array-Auflösung füllen. Erhöhung der Voxel-Array-Auflösung, ohne Erhöhung der Abtastfrequenz, erfordert jedoch einen langsameren Scan, der das Potenzial von Bewegungsartefakten zunehmen wird.
IV. Image-Wiederaufbau-Zeit: schnelle Umbauten erfordern eine leistungsstarke Workstation mit ausreichend RAM zur Verfügung. Darüber hinaus ist Wiederaufbau Zeit weitgehend abhängig von der Voxel Array Umfangs und der Komplexität des Prozesses spaltfüllenden.
v. experimentelles Protokoll: Standardisierung des experimentellen Protokolls, beispielhaft in der vorliegenden Studie für die VL und GM, ist wichtig für den Vergleich der morphologischen Messungen (z.B., Faszikel Länge, Faszikel Winkel, Bauch Muskel Länge, Länge der Sehne, Aponeurose Länge) zwischen Subjekten und Überwachung in Fächer in Langzeitstudien. Beachten Sie jedoch, dass die Morphologie bewertet in Ruhe während der Muskelaktivierung verändern kann. Beispielsweise kann die Knie Beinstrecker Morphologie während maximale Kontraktion für das VL-Experiment, eine hohe Pennation-Winkel und kürzere Faszikeln in 60° Knie Beugung, im Vergleich zu Morphologie bei Rest50demonstrieren. Unter bestimmten Bedingungen (z. B.., Spastik), Elektromyographie (EMG) kann verwendet werden, um die ruhenden Muskel-Aktivität während der Untersuchung zu überprüfen.
VI. Sonde Druck und Gewebe Verformung: wenn reichlich Ultraschallgel auf den ROI angewendet wird, beschränkt sich die Menge des Drucks für Vollkontakt zwischen Sonde und der Haut bleiben. Als Richtschnur empfehlen wir, einen ROI Scannen sollten Lust schwebt über der Haut, und Druck nur angewendet werden, sollte um in Kontakt mit dem Gel und dabei die Haut zu halten. Jedoch möglicherweise leichte Gewebe Verformung unvermeidbar, sogar mit einem großzügigen Betrag von Ultraschallgel. Sonde Größe und einen gekrümmten ROI beeinflussen die erforderliche Menge an Druck oder Gel verwendet. Sonde größer und stärker gekrümmt ROI erfordern mehr Druck und/oder mehr Gel, als kleinere Sonden mit einem ähnlichen gebogen ROI. Eine andere mögliche Lösung ist die Nachhall (d.h. nicht-Haut-Kontakt) Region der USA Bilder verwerfen. Darüber hinaus ist Gewebe Verformung am wahrscheinlichsten in den ersten Gewebeschichten wie Haut und subkutanem Fettgewebe Schichten auftreten. Beachten Sie, dass Probanden mit wenig bis keine Subkutane Fettgewebe daher anfälliger für Nebenwirkungen von Druck sind. Darüber hinaus tritt die Verformung des Gewebes sehr wahrscheinlich in der Mitte der Sonde, die in der Regel nicht der Region Überschneidungen mit anderen fegt.
VII. bildgebende und anatomische Kenntnisse: ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Verwendung bildgebende Modalität ist, dass das Wissen über die Anatomie und die bildgebende Modalität für sinnvolle Interpretation zu erhalten. Anatomische Unterschiede zwischen den einzelnen Themen und Bildartefakte muss erkannt und in den Identifikationsprozess anatomischer Strukturen berücksichtigt werden. Auch bei gesunden und/oder gut entwickelte Muskeln kann eindeutige Identifizierung schwierig sein, weil es anatomische Kenntnisse zu differenzieren zwischen verschiedenen Komponenten eines Muskels oder Muskel Gruppen51erfordert. Jedoch in atrophierten Muskulatur (z. B. ältere Menschen, bei Pathologie oder einem Kadaver), die eindeutige Identifizierung ist noch komplizierter, weil eine kleinere Größe und Kontrast verringert, und daher weniger ausgeprägt Gewebe Schnittstellen (Abbildung 4 ). Wir glauben, dass ohne anatomische Vorkenntnisse, wir wurden beschränkt werden würde, in richtige Urteilsfindung bei der Gestaltung dieser 3DUS Ansatz und in der 3DUS Messungen. Z. B. für GM Experimente verursachen verschiedene Fußplatte Winkel nicht unbedingt zu erwartenden Veränderungen im Muskel Sehne komplexe Längen, durch Verformung innerhalb der Fuß7. Anatomische Informationen über Krümmung des distalen Aponeurose war auch Voraussetzung für eine angemessene Auswahl von der Mitte-Längsebene in alle Themen-38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Abbildung 4: Variation und die Qualität der rekonstruierten anatomischen Querschnitt 3DUS Bilder von der Quadrizeps-Muskel bis zur Mitte des Oberschenkels. (A) Beispiel für einen männlichen menschlichen Kadaver zeigt ein Bild von einem verkümmerten Zustand bei Tod (Tod Alter: 81 Jahre). Ermittlung der Grenzen der einzelnen Köpfe des Quadrizeps-Muskel ist schwierig. (B) Beispiel für einen sitzenden Mann (30 Jahre). (C) Beispiel für einen männlichen Athleten Ruderer (im Alter von 30 Jahren). Repräsentieren die weißen Quadrate für Maßstab 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Zukünftige Anwendungen:
Das 3DUS-Konzept bietet eine imaging-Tools, die für verschiedene Zwecke und Einstellungen im Sport- und Kliniken verwendet werden kann. In klinischer Interventionen bezieht sich auf die körperliche Fitness Level52Wirksamkeit. Mit 3DUS für die Überwachung der Patienten mit Risiko des Verlustes von Muskel Masse ist wichtig (z.B.Referenzen53,54,55) und potenziell ermöglicht die Anpassung der Behandlung. Eine weitere mögliche Anwendung der 3DUS liegt bei der Überwachung der morphologischen Anpassungdes des Muskels als Reaktion auf Intervention (Training) und/oder Verletzungen.
Dieses Protokoll beschrieben eine Zeit und kosteneffektive Methode zur Messung der Weichgewebe Struktur des menschlichen Körpers basierend auf Freihand 3DUS fegt. Darüber hinaus erwies sich als Bewertung der sinnvollen morphologische Parameter der M. Vastus Lateralis und M. Gastrocnemius Medialis valide und reliable.

Im Gesundheitswesen und Sport wird Informationen über die Morphologie der Muskeln sehr wertvoll bei der Diagnostik und/oder Follow-up-Auswertungen nach Behandlung oder Ausbildung1. Ultraschall (US) ist allgemein ein Werkzeug zur Visualisierung von Weichteilstrukturen im Muskel Erkrankungen2, schwere Erkrankungen3,4, Herz-Kreislauf-Krankheiten5, neurologische Störungen6, 7,8und Wirkungen von körperlichem Training6,9,10. US-Bildgebung ermöglicht die Quantifizierung der Muskelgröße, Faszikel Länge und Winkel des Pennation. Diese morphologischen Variablen sind wichtige Determinanten der Muskel Kraft und Länge Auswahl an Anstrengung11,12,13,14,15zwingen.
Derzeit US-imaging Messung erfolgt meist in 2D Bilder, bei der Auswahl der Prüfer eine geeignete Ausrichtung und Position des Ultraschalls vermutlich Sonde. 2D Methoden beschränken morphologische Messungen auf einer Bildebene, während der Parameter von Interesse möglicherweise nicht innerhalb dieser Ebene vorhanden. Morphologische Analyse erfordert einen 3D Ansatz, Bereitstellung von Out-of-Plane Messungen mittels 3D Bezugspunkte. Solche 3D morphologische Darstellung der Weichteile ist bekanntermaßen von Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)16,17,18,19,20zur Verfügung gestellt werden. MRI ist jedoch teuer und nicht immer verfügbar. Visualisierung der Muskelfasern erfordert auch spezielle MRT-Sequenzen, wie Diffusion Tensor imaging (DTI)21. Eine kostengünstige Alternative zum MRI ist 3D Ultraschall (3DUS). Das 3DUS-Konzept bietet mehrere Vorteile gegenüber MRT-Verfahren, z. B., es gelten weniger Raum Einschränkungen für die Positionierung zum Themas während einer Prüfung. 3DUS Imaging ist eine Technik, die sequenziell 2D (B-Mode-US) Aufnahmen und positionieren sie in ein Volumen-Element (Voxel) Array22,23,24. Der Prozess der 3DUS Bildrekonstruktion besteht aus fünf Schritten: (1) Erfassung einer Reihe von Freihand US 2D-Bilder; (2) Verfolgung der Position der US-Sonde, mit einem Motion Capture (MoCap) System; (3) synchronisieren die MoCap-Position und US-Bilder; (4) berechnet die Position und Ausrichtung von Ultraschallbildern innerhalb der Voxel-Arrays mit einem kalibrierten System der Referenz; und (5) diese Bilder in diesem Voxel-Array.
Der 3DUS Ansatz wurde zur Beurteilung der Morphologie der Skelettmuskulatur15,25,26,27,28,29erfolgreich angewendet. Jedoch erwiesen frühere Ansätze7,15,25,30 umständlich, zeitaufwendig und technisch begrenzt, da nur kleine Teile der großen Muskeln rekonstruiert werden konnte.
Verbesserung den 3DUS Ansatz, ein neues 3DUS-Protokoll entwickelt wurde, die Rekonstruktion der vollständigen Muskeln innerhalb kurzer Zeit ermöglicht. Dieses Protokoll-Artikel beschreibt die Verwendung von 3DUS imaging für Morphometrie des M. Vastus Lateralis (VL) und M. Gastrocnemius Medialis (GM).

<table><tbody><tr><td>Ultraschallgerät (Technos MPX)</td><td>Esaote, Italien</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Linear Array Sonde (12,5 MHz, 5 cm)</td><td>Esaote, Italien</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Workstation (HP Z440)</td><td>HP, USA</td><td>http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html</td><td></td></tr><tr><td>Framegrabber (Canopus, ADVC 300)</td><td>Canopus, Japan</td><td>ADVC 300</td><td></td></tr><tr><td>Motion Capture System (Certus)</td><td>NDI, Kanada</td><td>http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/</td><td></td></tr> <tr><td>Synchronisationsgerät</td><td>VU, NL</td><td>Kontakt korrespondierender Autor</td><td></td></tr><tr><td>Kalibrierrahmen</td><td>VU, NL</td><td>Kontakt korrespondierender Autor</td><td></td></tr><tr><td>Thermometer</td><td>Greisinger, Germarny</td><td>GTH 175/PT</td><td></td></tr><tr><td>Untersuchungsliege</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Beliebige Untersuchungsliege</td></tr><tr><td>Neigungsmesser</td><td>Lafayette Instrument, USA</td><td>ACU001</td><td></td></tr><tr><td>Verstellbare Fußplatte</td><td>VU, NL</td><td>Kontakt korrespondierender Autor</td><td></td></tr><tr><td>Drehmomentschlüssel</td><td>VU, NL</td><td>Kontakt korrespondierender Autor</td><td></td></tr><tr><td>Ausziehbare Stange</td><td>VU, NL</td><td>Kontakt korrespondierender Autor</td><td></td></tr><tr><td>Goniometer (Gollehon)</td><td>Lafayette Instrument, USA</td><td>1135</td><td></td></tr><tr><td>Dreieckiger Balken</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Aus einem Stück steifem Schaumstoff hergestellt</td></tr><tr><td>Zurrgurte</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Jeder Zurrgurt</td></tr><tr><td>Chirurgischer Hautmarker</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Jeder chirurgische Hautmarker</td></tr><tr><td>Ultraschall-Übertragungsgel</td><td>Servoson</td><td>NA</td><td>Es wird ein klebriger Geltyp empfohlen</td></tr></tbody></table>

3d ultraschall-bildgebung: schnelle und kostengünstige morphometrie des muskel-skelett-gewebe

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

Das Entwicklungsziel der 3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ist eine Modalität um 3D Ultraschall morphologische Analyse der menschlichen Muskeln führen zu konstruieren. 3DUS Bilder entstehen aus kalibrierten Freihand 2D B-Mode-Ultraschall-Bildern, die in einem Voxel-Array angeordnet sind. Ultraschall (US) ermöglicht die Quantifizierung der Muskelgröße, Faszikel Länge und Winkel des Pennation. Diese morphologischen Variablen sind wichtige Determinanten der Muskel Kraft und Länge Auswahl an Kraft Anstrengung. Die vorgestellte Protokoll beschreibt einen Ansatz um Volumen und Faszikel Länge der M. Vastus Lateralis und M. Gastrocnemius Medialiszu bestimmen. 3DUS erleichtert die Standardisierung 3D anatomische Referenzen verwenden. Dieser Ansatz ermöglicht einen schnellen und kostengünstigen Ansatz zur Quantifizierung der 3D Morphologie in der Skelettmuskulatur. Im Gesundheitswesen und Sport gibt Informationen über die Morphometrie der Muskeln sehr wertvoll bei der Diagnostik und/oder Follow-up-Auswertungen nach Behandlung oder Training.

Die beschriebenen 3DUS-Technik wurde verwendet, um morphologische Daten von GM und VL in vier männlichen menschlichen Leichen sammeln, Alter bei Tod 76,8 ± 7,9 Jahre (Mittelwert ± SD). Die Leichen wurden über das Spendenprogramm des Institut für Anatomie und Neurowissenschaften an der Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Niederlande. Die Leichen blieben mit einer Einbalsamierung Methode zur Erhaltung der morphologischen Eigenschaften der Gewebe39.
Vor der Präparation eine 3DUS Bild der GM und VL nach der Methodik beschrieben wurde. Während der Dissektion wurden entfernt, Haut, Unterhaut und Faszien, die Überlagerung der GM und VL. Eine Mitte-Längsschnitt wurde geschnitten, wobei die Ausrichtung der distalen Aponeurose zu berücksichtigen. Mit einem Bremssattel war die Faszikel Länge gemessen, auf halbem Weg zwischen dem Ursprung und dem distalen Ende des Muskels Bauch. Anschließend war der Bauch Muskel nach der Tenotomie, seziert und untergetaucht in einer kalibrierten Wassersäule. Verwendung von ImageJ, die Bände wurden auf Fotografien der Wassersäule mit und ohne den Bauch Muskel gemessen und Muskelvolumen wurde aus den Unterschied-40berechnen. Faszikel Länge und Volumen wurden drei Mal gemessen und der Mittelwert und Standardabweichung berechnet wurden. Kriterium Gültigkeit zwischen den 3DUS Methode und Dissektion Messungen wurde getestet mit einem Pearson-Korrelation für durchschnittliche Faszikel Länge und Muskel-Volumen. Intra-Rater Zuverlässigkeit der 3DUS Methode abgeleitete Faszikel Länge und Volumen Messungen wurde quantifiziert mit ein zwei-Wege-Modell Intra-Klasse Korrelationskoeffizient (ICC3,3)41gemischt und nach der logarithmischen Transformation der Daten, die Variationskoeffizienten (CV) wurde berechnet. Die Gültigkeit der Faszikel Länge und Muskel-Volumen-Messungen wurden durch signifikante und hohe Korrelationen bestätigt (R = 0.998, p < 0,01 und R = 0.985, p < 0,01, beziehungsweise). Intra-Rater Zuverlässigkeit der 3DUS-Methode abgeleitet Messungen Faszikel Länge und Volumen war hoch (ICC3,3 0.983, 7,3 % und ICC3,3 0.998, CV CV 5,4 %, beziehungsweise). Es wird festgestellt, dass der 3DUS Ansatz präsentiert ein valides und reliables Instrument für Volumen und Faszikel Länge Bewertung menschlichen VL und GM (Tabelle 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabelle 1: Kadaver Validierungsdaten. C# ist Kadaver Zahl, GM ist M. Gastrocnemius Medialis, VL M. Vastus Lateralis. "Dissektion" zeigt Ergebnisse aus dem Kadaver Dissektion, und "3DUS" zeigt die Ergebnisse aus der 3DUS-Bildanalyse von den Leichen.

3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ermöglicht die schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll zur Messung der Muskellänge Volumen und Faszikel mit 3DUS.

3D Ultraschall-Bildgebung: schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe

The developmental goal of 3D ultrasound imaging (3DUS) is to engineer a modality to perform 3D morphological ultrasound analysis of human muscles. 3DUS ...

Das übergeordnete Ziel dieser Methodik besteht darin, eine 3D-in-vivo-morphologische Beurteilung auf der Grundlage einer Ultraschallanalyse menschlichen Muskelgewebes durchzuführen. Die Methode ist eine aussichtsreiche Technik, um zentrale Fragen im Gesundheitswesen und Sport bezüglich der Diagnose und Nachverfolgung der Muskelaktivität nach Behandlung und Training zu beantworten. Die Vorteile dieser Technik liegen darin, dass die Messung der Muskulatur mittels 3D-Ultraschall eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Magnetresonanztomographie darstellt.Diese 3D-Ultraschalltechnik bietet eine nichtinvasive Methode zur Bestimmung des Muskelvolumens und der Fasikellänge in einer physiologischen Querschnittsfläche von Skelettmuskeln in vivo. Seit 1980 beschäftigen wir uns aktiv mit der Untersuchung der Beziehung zwischen Form und Funktion von Muskeln, zunächst an menschlichen Muskelpräparaten aus Leichen und durch die Erstellung mathematischer Modelle dieser Muskeln, anschließend in Tierversuchen. Mit der verbesserten Ultraschalltechnik werden wir nun in der Lage sein, menschliche Muskeln in vivo zu untersuchen.Um den Musculus gastrocnemius medialis, oder GM, zu untersuchen, lassen Sie zunächst den Probanden bauchseits auf einer Untersuchungsliege liegen, wobei beide Füße über die Tischkante hinausragen. Legen Sie eine Unterlage unter die Tibia, um das Unterschenkel horizontal auszurichten, und befestigen Sie den Oberschenkel mit gepolsterten Spanngurten an der Untersuchungsliege, um eine Kniestreckung während des Experiments zu verhindern. Setzen Sie den Fuß des zu untersuchenden Beins in eine speziell angefertigte Fußplatte ein und verbinden Sie eine speziell angefertigte Drehmomentwaage mit angebrachtem Goniometer mit der Fußplatte.Finden Sie den Fußplattenwinkel, der dem geeigneten extern aufgebrachten Drehmoment entspricht, und verwenden Sie eine verlängerbare Stange, die mit dem Tisch verbunden ist, um die Fußplatte in der entsprechenden geeigneten Ausrichtung zu fixieren. Anschließend identifizieren Sie durch Palpation die am stärksten hervortretenden dorsalen Anteile der mediale und lateralen Femurepikondylen sowie die Zentren der Tibia- und Fibulamalleolen und markieren deren Positionen mit einem chirurgischen Hautmarker. Identifizieren Sie mithilfe von Ultraschall die am wenigsten tief liegenden Punkte der medialen und lateralen Femurkondylen und markieren Sie diese mit einem chirurgischen Hautmarker.Weisen Sie die Versuchsperson an, sich während der Untersuchung nicht zu bewegen, tragen Sie eine ausreichende Menge Ultraschallgel auf dem interessierenden Bereich auf und öffnen Sie die Frame-Grabber-Software auf dem Messcomputer. Es ist entscheidend, dass die Versuchsperson während der Messungen still bleibt, um Bewegungsartefakte im 3D-Ultraschallbild zu vermeiden. Klicken Sie auf „Capture“, um die Ultraschallaufnahme zu starten, und drücken Sie anschließend die Taste am Synchronisationsgerät, um die Erfassung der Bewegungsdaten zu initiieren und zu aktivieren.Die Synchronisationseinrichtung, die sich in der Nähe der Ultraschallsonde befindet, wird aktiviert und erzeugt einen deutlichen Artefakt im Ultraschallbild beim Start der Bewegungsaufnahme. Unter geringem Druck, jedoch bei gleichbleibend guter Bildqualität, platzieren Sie die Ultraschallsonde proximal zu den Femurkondylen an der medialen Seite des Oberschenkels und führen Sie die Sonde mit konstanter Geschwindigkeit in proximal-distaler Richtung entlang der medialen Begrenzung des Musculus glutaeus maximus (GM). Unter Verwendung des Gels vom vorherigen Durchgang führen Sie zusätzliche Überlappungsdurchgänge mit 0,5 cm hinzu, bis der gesamte interessierende Bereich abgescannt und die mediale Begrenzung des Muskels vollständig dargestellt ist. Es ist wichtig, ausreichend Ultraschallgel aufzutragen, um eine Gewebsverformung infolge übermäßigen Drucks durch die Sonde während der Bildaufnahme zu verhindern.Wenn alle Bilder aufgenommen wurden, verwenden Sie ein benutzerdefiniertes Skript, um ein einzelnes 3D-Ultraschall-Voxel-Array aus einem einzelnen Scan über einen bestimmten Bereich von Interesse durch Befüllen der Bin und In-Painting des Arrays zu rekonstruieren. Verwenden Sie anschließend dasselbe Voxel-Array-Koordinatensystem, um alle einzelnen Scans, die einen größeren Bereich von Interesse abdecken, zu rekonstruieren und mehrere Scans zusammenzuführen. Um das Muskelvolumen zu messen, laden Sie zuerst das 3D-Ultraschallbild von Interesse im Medical Interaction Tool Kit.Stellen Sie den Schnitt auf gekoppelte Fadenkreuz-Rotation ein und richten Sie die Achse an muskulären oder knöchernen Strukturen aus, um die Koordinaten des Ursprungs, der Ansatzstelle und des distalen Endes des Muskelbauchs präzise zu ermitteln. Öffnen Sie das Segmentierungswerkzeug und erstellen Sie eine neue Segmentierung, die die in einem Querschnitt in der Mitte des Muskelbauchs identifizierten Muskelbegrenzungen umreißt. Drücken Sie die Taste A auf der Tastatur, um eine manuelle Segmentierung hinzuzufügen, indem Sie die linke Maustaste klicken und den Cursor entlang der Muskelbegrenzungen bewegen.Um einen neuen Querschnitt zu segmentieren, drücken Sie je nach zuletzt gewähltem Modus die Taste A oder S, um den Fadenkreuz auf andere Querschnitte entlang des Muskelbauchs zu verschieben, und verfolgen Sie die nächste Muskelbegrenzung, wie gerade gezeigt. Wenn alle Segmente ausgewählt wurden, aktivieren Sie die Interpolation und überprüfen Sie die vorgeschlagenen Segmentierungen der Muskelbegrenzungen in allen Querschnitten entlang der Länge des Muskelbauchs. Sobald alle Muskelbegrenzungen korrekt segmentiert wurden, bestätigen Sie alle Schnitte und wählen die Ebene aus, in der die Segmentierungen erstellt wurden.Speichern Sie das binäre Volumen als Nearly Raw Raster Data-Datei und verwenden Sie ein benutzerdefiniertes Skript, um die Größe des markierten Volumens zu berechnen. Verwenden Sie anschließend ein benutzerdefiniertes Skript, um die Orientierung der mittigen longitudinalen Faszikelebene des Muskelbauchs zu bestimmen, die die gesamte Länge der Faszikel enthält. Messen Sie ausgehend von der mittigen longitudinalen Ebene die Faszikelänge an einer vordefinierten standardisierten Position zwischen dem Ursprung und dem distalen Ende des Muskelbauchs und segmentieren Sie die Muskelbegrenzungen.Platzieren Sie eine Linie in der Mitte des interessierenden Bereichs und drehen Sie die Linie, bis sie in die Richtung der zugrunde liegenden Faszikel verläuft. Der Schnittpunkt der Linie mit den Muskelbegrenzungen stellt die Schätzung der Faszikellänge dar. Dieses Bild einer männlichen menschlichen Leiche veranschaulicht einen atrophierten Zustand des Quadrizepsmuskels in der Mitte des Oberschenkels zum Zeitpunkt des Todes, wodurch die Identifizierung der Grenzen der einzelnen Köpfe des Quadrizepsmuskels im Vergleich zu denen im Quadrizepsmuskel eines 30-jährigen männlichen Bewegungsmuffels oder eines 30-jährigen männlichen Athleten erschwert wird.Die Gültigkeit der Faszerlänge sowie des Muskelvolumens wurde durch signifikante und hohe Korrelationen mittels der 3D-Ultraschallmethode im Vergleich zu den Daten der physischen Dissektion derselben Gewebe bestätigt, wobei eine hohe Inter-Rater-Reliabilität für die aus der 3D-Ultraschallmethode gewonnenen Messungen vorlag. Dies bestätigt, dass der 3D-Ultraschallansatz ein valides und zuverlässiges Instrument zur Beurteilung von Volumen und Faszerlänge der menschlichen Muskeln Musculus vastus lateralis und Musculus gastrocnemius medialis darstellt. Mithilfe dieses Verfahrens kann die Muskelmorphologie quantifiziert und mit dem Gelenkbewegungsumfang sowie der körperlichen Leistungsfähigkeit in Beziehung gesetzt werden.Diese Technik ist nun bereit dafür, als routinemäßige Beurteilung der Muskel­funktion bei Patienten mit neuromuskulären Erkrankungen oder bei Personen, die an Sarkopenie leiden, eingesetzt zu werden. Die 3D-Ultraschall­bildgebung könnte außerdem potenziell zur Messung der Morphologie anderer Gewebe wie Knochen, Sehnen und Blutgefäße verwendet werden. Die Entwicklung dieser Technik hat Forschern auf dem Gebiet der neuromuskulären Erkrankungen den Weg geebnet, um zu untersuchen, wie die Muskel­morphologie die Mobilität einschränkt.Und in der Trainingsphysiologie, um morphologische Determinanten der Sprint- und Ausdauerleistung von Athleten zu bewerten.

3d-ultrasound-imaging-fast-cost-effective-morphometry-musculoskeletal

Research

Forschung

JoVE Journal

Medicine

Medizin

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.

A Novel Anwendung von Muskel-Skelett-Ultraschall-Bildgebung

Wir analysierten die Gelenkkinematik aus vierdimensionalen Computertomographiedaten. Die sequenzielle 3D-3D-Registrierungsmethode liefert halbautomatisch die Kinematik des sich bewegenden Knochens in Bezug auf den Subjektknochen aus vierdimensionalen Computertomographiedaten.

Vierdimensionale CT-Analyse mit sequenzieller 3D-3D-Registrierung

Diese Studie beschreibt, wie man mit der EFOV-US-Methode (Extended Field-of-View Ultrasound) qualitativ hochwertige muskuloskelettale Bilder erhält, um muskelfaszikellängenmessungen durchzuführen. Wir wenden diese Methode auf Muskeln mit Faszikeln an, die über das Sichtfeld herkömmlicher herkömmlicher Ultraschallsonden (T-US) hinausgehen.

Erhalten von qualitativ hochwertigen Ultraschallbildern mit erweitertem Sichtfeld der Skelettmuskulatur zur Messung der Muskelfaszikellänge

Dieses Protokoll demonstriert Roboterultraschall (US) als praktische, kostengünstige und schnelle Alternative zu herkömmlichen nicht-invasiven Bildmodalitäten.

Verwendung von 3D-Roboterultraschall für die In-vivo-Analyse von Mausnieren

Die Ultraschallbildgebung wird in klinischen und Forschungsumgebungen immer zugänglicher, und ein konsistentes Protokoll wird für den Vergleich zwischen Studien und für klinische Interpretationen von Vorteil sein. Dieses Protokoll für die Ultraschalluntersuchung ist eine valide und zuverlässige Methode zur Beurteilung der Achillessehnenmorphologie bei gesunden, tendinopathischen und gerissenen Sehnen.

Messung der gesunden und verletzten Morphologie des Trizeps surae

Die Verfahren zur Beurteilung von Körpergröße, -form und -zusammensetzung durch kommerziell erhältliche Lösungen für die dreidimensionale optische Bildgebung ermöglichen die schnelle Erfassung genauer und reproduzierbarer Daten. Ärzte könnten die Erfassung innovativer und nützlicher Biomarker ("E-Tape"-Messungen) in die Routineuntersuchung von Patienten implementieren, um ihren Gesundheitszustand zu charakterisieren.

Klinische Anthropometrie und Körperzusammensetzung aus 3-dimensionaler optischer Bildgebung

Hier stellen wir das Messprotokoll des Ultraschallgeräts mit bidirektionaler Axialübertragung (BDAT) im Detail vor und testen es in einer Reproduzierbarkeitsstudie unter Berücksichtigung von 14 gesunden Teilnehmern und 3 Bedienern. Die Reliabilität, gemessen mit den Intraklassen-Korrelationskoeffizienten (ICC), war für vier interessante Parameter gut bis ausgezeichnet.

Beurteilung des kortikalen Knochens mit ultraschallgeführten Wellen: Eine Reproduzierbarkeitsstudie in einer gesunden Population

Hier beschreiben wir ausführlich eine Methode, die auf Mikrocomputertomographie basiert, um 3D-Modelle von kraniomaxillofazialen Knochen bei Mäusen zu segmentieren und zu vermessen, um die Entwicklung des kraniomaxillofazialen Knochens bei Mäusen besser beurteilen zu können, als dies mit aktuellen Methoden möglich ist.

Analyse von kraniomaxillofazialen Fehlbildungen bei Mäusen mittels dreidimensionaler Mikrocomputertomographie

Dieses Protokoll verwendet Mikro-Computertomographie, um eine kostengünstige Quantifizierung der fettfreien Masse zu ermöglichen, einschließlich Skelettmuskel- und Viszeralgewebe, Fettgewebe und Skelettgewebe bei Kleintieren. Sie unterscheidet zwischen magerem und fettem Gewebe, was für die biomedizinische Forschung, insbesondere in der translationalen Forschung an Kleintieren, erhebliche Vorteile bietet.

Nicht-invasive Quantifizierung der Skelettmuskulatur bei Kleintieren mittels Mikro-Computertomographie

Dieses Video zeigt die Verwendung eines schienengebundenen Hochfrequenz-Ultraschall-Sonde zur Echokardiographie auf einer narkotisierten Maus durchführen. Die Methoden beschreiben sowohl herkömmliche zweidimensionale und M-Modus Messungen der Herzfunktion neben neuere, leistungsfähigere Werkzeuge wie Farb-Doppler-, Dehnungs-Analyse, sowie allgemeine und gezielte Kontrast-Bildgebung.

Murine Echokardiographie und Ultraschall-Bildgebung

Lernen Sie die 3D-Ultraschall-Bildgebung zur schnellen und kostengünstigen Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebes. Diese nicht-invasive Methode ermöglicht die präzise Messung von Muskelvolumen und Faszikellänge in vivo.

3D Ultraschall-Bildgebung: schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe

Weitere Videos entdecken