Artículo de método

Proyección de imagen de ultrasonido 3D: morfometría rápida y rentable de tejido músculo-esquelético

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DOI:

10.3791/55943

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27 de noviembre de 2017

 ,  ,  ,  , 
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

En este artículo

Resumen

Ultrasonido 3D imaging (3DUS) permite morfometría rápida y rentable de los tejidos musculoesqueléticos. Presentamos un protocolo para medir longitud volumen y fascículo del músculo usando 3DUS.

Resumen

El objetivo del desarrollo de la ecografía 3D imaging (3DUS) es Ingeniero de una modalidad para realizar análisis de ultrasonido morfológico 3D de músculos humanos. Se construyen imágenes 3DUS de calibrado a mano alzada 2D modo B imágenes de ultrasonido, que se colocan en una matriz de voxel. Imágenes por ultrasonido (US) permite la cuantificación del tamaño de los músculos, fascículo longitud y ángulo de pennation. Estas variables morfológicas son importantes determinantes de la gama de esfuerzo fuerza fuerza y longitud muscular. El protocolo presentado describe un enfoque para determinar volumen y fascículo largo del m. vastus lateralis y m. gastrocnemius medialis. 3DUS facilita la normalización utilizando referencias anatómicas 3D. Este enfoque proporciona un enfoque rápido y rentable para cuantificar la morfología 3D en los músculos esqueléticos. De salud y deportes, información sobre la morfometría de los músculos es muy valioso en diagnósticos y evaluaciones de seguimiento después del tratamiento o entrenamiento.

Introducción

De salud y deportes, información sobre la morfología de los músculos es muy valioso en diagnósticos y evaluaciones de seguimiento después del tratamiento o capacitación1. Imágenes por ultrasonido (US) son una herramienta comúnmente utilizada para la visualización de estructuras de tejidos blandos en enfermedades de músculo2, enfermedades graves3,4, las enfermedades cardiovasculares5, trastornos neurológicos6, 7,8y los efectos del entrenamiento físico6,9,10. Proyección de imagen de Estados Unidos permite la cuantificación del tamaño de los músculos, fascículo longitud y ángulo de pennation. Estas variables morfológicas son importantes determinantes de la gama de fuerza y longitud muscular fuerza esfuerzo11,12,13,14,15.

Actualmente, Estados Unidos imágenes son en su mayoría mediciones en imágenes 2D, con la elección de examinador un presumiblemente, orientación adecuada y la ubicación del ultrasonido sonda. Tales métodos 2D restringen las medidas morfológicas al plano de una imagen, mientras que el parámetro de interés puede no estar presente en este plano. Análisis morfológico requiere un enfoque 3D, proporcionando medidas de hacia fuera-de-plano usando puntos de referencia 3D. Una representación morfológica 3D de tejidos blandos es conocida por la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI)16,17,18,19,20. Sin embargo, la resonancia magnética es costoso y no siempre está disponible. Visualización de las fibras musculares requiere también, las secuencias especiales de MRI, como diffusion tensor imaging (DTI)21. Una alternativa rentable al MRI es proyección de imagen de ultrasonido 3D (3DUS). El enfoque de 3DUS ofrece varias ventajas sobre las técnicas de MRI, por ejemplo, impone menos limitaciones de espacio para posicionar el tema durante un examen. Imagen de 3DUS es una técnica de captura de imágenes 2D (modo B US) secuencialmente y posicionamiento en un volumen (voxel) de elemento matriz22,23,24. El proceso de reconstrucción de la imagen 3DUS consta de cinco pasos: (1) captura una serie de imágenes 2D a mano alzada de los Estados Unidos; (2) seguimiento de la posición de la sonda de los Estados Unidos, utilizando un sistema de captura de movimiento (MoCap); (3) sincronización de la posición de MoCap e imágenes de los Estados Unidos; (4) cálculo de la ubicación y orientación de las imágenes de ultrasonido dentro de la matriz de voxel usando un sistema calibrado de referencia; y (5) colocar estas imágenes en esta matriz de voxel.

El enfoque de 3DUS se ha aplicado con éxito para la evaluación de la morfología del músculo esquelético15,25,26,27,28,29. Sin embargo, han demostrado anteriores enfoques7,15,25,30 engorroso, lento y técnicamente limitada, como podrían ser reconstruidos sólo pequeños segmentos de músculos grandes.

Para mejorar el enfoque 3DUS, ha desarrollado un nuevo protocolo 3DUS que permite reconstrucción de músculos completos dentro de un período corto de tiempo. Este artículo de protocolo describe el uso de 3DUS imaging para morfometría del m. vasto lateral (VL) y m. gastrocnemius medialis (GM).

Protocolo

Todos los procedimientos en seres humanos han sido aprobados por el Comité de ética médica del centro médico VU, Amsterdam, los países bajos.

1. instrumentación

  1. Conecte el dispositivo de ultrasonido para el equipo de medición. Si es necesario, utilizar marco-grab hardware o software para almacenar las imágenes de ultrasonido secuencial.
    Nota: Una punta de prueba del arsenal linear de 5 cm (12,5 MHz) se utiliza para generar imágenes de modo B (25 Hz). Antes de cada medición, profundidad de imagen, frecuencia acústica y energía están optimizados para visualizar las interfaces de adicionales e intramuscular de los tejidos conectivos. Durante la medición, estos valores no se cambian.
  2. Conectar el sistema de MoCap al equipo de medición.
  3. Conectar rígidamente un marcador racimo de MoCap a la sonda de ultrasonido para rastrear la posición y orientación de la sonda de los Estados Unidos.
  4. Conecte el dispositivo de sincronización (cristal piezoeléctrico) a la entrada del disparador del sistema MoCap.
    Nota: El dispositivo de sincronización de momentáneamente activa el cristal piezoeléctrico, enviando ondas de sonido hacia el transductor. Las ondas sonoras recibidas crean un artefacto distinto en la imagen de Estados Unidos en el inicio del sistema (figura 1A, flecha).
  5. Rellene el cuadro de calibración a medida (fantasma) con agua.

2. calibrar

Nota: Realice una calibración espacial para calcular una matriz de transformación (aTde) de las imágenes de los Estados Unidos con respecto al sistema de coordenadas de la sonda. Este proceso de calibración ha sido descrito previamente22. Vea a continuación una breve descripción.

  1. Lugar el fantasma lleno de agua, manteniendo una cruzada (es decir los cables dos travesía sumergida) en una posición conocida dentro del sistema de coordenadas fantasma (Phxyz figura 1B, flecha), en una superficie estable.
  2. Medir la temperatura del agua con un termómetro.
  3. Utilice la herramienta de puntero de MoCap para registrar la posición y orientación del fantasma en el sistema de coordenadas global (Gl).
  4. Iniciar el muestreo de la imagen de Estados Unidos y activar adquisición de datos de MoCap (descrito en el paso 3.3.3).
  5. Sumerja la cabeza de la sonda (Pr) de Estados Unidos en el agua. Traducir y girar la sonda de los Estados Unidos de 40 s (muestreo a 25 Hz) en todas las direcciones, manteniendo la visibilidad de la cruzada en las imágenes de Estados Unidos (Im).
  6. Deje de adquisición de datos.
  7. Sincronizar el MoCap datos e imágenes de Estados Unidos al identificar el primer fotograma de los Estados Unidos que contiene el artefacto creado por el cristal piezoeléctrico y en consecuencia los cultivos la secuencia de la imagen de Estados Unidos (descrito en el paso 3.4.1.1).
  8. Identificar las imágenes pertinentes de Estados Unidos en el que la cruzada es claramente visible y rastrear la posición de la cruzada en estas imágenes de Estados Unidos (yosoyxyz) y corregir la posición para la temperatura del agua.
  9. Determinar la posición de la cruzada en relación con el movimiento Pr por una serie de transformaciones de Ph a Pr (ecuación 1) a instancias de tiempo (i = 1: n) correspondiente a la identificación cruzada en el paso 2.8.
    figure-protocol-1
  10. Calcular el Im a la matriz de transformación de la Pr (PrTIm) resolviendo la ecuación 2, que implica todas las identificaciones de la cruzada en Im (medido en el paso 2.8) a la hora de emparejar (i = 1 : n) coordenadas de la cruzada en Pr (calculado en el paso 2.9).
    figure-protocol-2

figure-protocol-3
Figura 1: esquema del algoritmo 3DUS. (A) sistema de captura de movimiento (MoCap) se utiliza para realizar un seguimiento de un grupo de marcadores rígidamente conectada a la sonda de ultrasonido dentro del sistema de coordenadas global (Gl). Sincronización de datos MoCap y ultrasonido se logra haciendo uso de un artefacto (flecha) introducido por Optotrak desencadenó el cristal piezoeléctrico. (B) la posición y orientación del sistema de coordenadas de imagen de ultrasonido (Im) se calcula en relación con el sistema de coordenadas de la punta de prueba (Pr) mediante la identificación de un punto conocido dentro de la Pr y la mensajería instantánea. Para ello, se utiliza un fantasma diseñado lleno de agua, manteniendo una cruzada (es decir, dos cables de travesía sumergida) en una posición conocida dentro del sistema de coordenadas fantasma (Ph). (C) con una serie de transformaciones, este punto conocido se calcula en el Pr. (D) con una completa serie de transformaciones conocidas, imágenes de la Im se pueden transformar en cualquier sistema de coordenadas de la matriz del voxel (Va). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. experimental protocolo

Nota: El protocolo experimental describe dos protocolos utilizados con 3DUS la proyección de imagen, es decir, morfometría de GM y VL (figura 2A).

  1. Posicionamiento del tema
    1. Para el experimento de GM:
      1. Pedir el tema de la mentira propensa en una mesa de examen con los dos pies que se cernían sobre el borde de la mesa.
      2. Alinear la pierna horizontalmente, colocando un soporte debajo de la tibia. Fijar el muslo a la mesa de examen acolchada trincajes para evitar la extensión de la rodilla durante el protocolo experimental.
      3. Ajuste el pie de la pierna que se analizarán en el estribo a medida31.
      4. Conectar la llave a la medida con un goniómetro conectado a la placa base31. Encontrar el ángulo de la placa correspondiente a un esfuerzo de torsión aplicado externamente, por ejemplo., 0 Nm (figura 2A).
      5. Fijar la placa base en la orientación correspondiente al momento de dorsiflexión neto Nm 0, mediante el uso de una barra extensible que se conecta a la tabla (figura 2A, flecha).
    2. Para el experimento de VL:
      1. Preguntar los temas a la mentira supina en una mesa de examen.
      2. Ajustar el ángulo de flexión de la rodilla (es decir, puesta en marcha como el ángulo entre las líneas que unen los centros de los lateralis del maléolo con lateralis de epicondylus y el segundo con el trocánter mayor) a 60 °, por posicionamiento de las extremidades inferiores en un soporte.
      3. Coloque una viga con forma triangular por debajo de las nalgas para evitar el movimiento de cadera.
      4. Fijar la pierna más baja a la ayuda con dos acolchados trincajes para evitar el movimiento de las piernas durante el protocolo experimental.
      5. Ajustar el ángulo de cadera (es decir, puesta en marcha como el ángulo entre las líneas de conexión os coracoides con el trocánter mayory el segundo con el epicóndilo lateral femoralis) a 95 °, cambiando el ángulo de la nuevo soporte de la mesa de examen.
        Nota: Esta actitud se describe ha sido elegida, como se asemeja a ángulos de las juntas durante la extensión de rodilla isométrica óptimas medidas32,33.
  2. Localización de puntos de referencia óseos y de región de interés (ROI)
    Nota: Esto se hace para la dirección de la examinación del ultrasonido 3D y para la cuantificación posterior experimental de pata superior, pierna y pie postura del sujeto. Identificar y registrar las posiciones de los puntos óseos anatómicos en el sistema global de coordenadas con la herramienta de puntero de MoCap.
    1. Para el experimento de GM:
      1. Identificar los siguientes hitos por palpación y marcarlos con un marcador quirúrgico de la piel: los aspectos dorsales más prominentes del epicóndilo medial y lateral del fémur y los centros del maléolo de la tibia y el peroné.
      2. Utilizar el dispositivo de los Estados Unidos, identifique y marque con un marcador quirúrgico de la piel los puntos más superficiales de los cóndilos medial y lateral del fémur (en el lado dorsal de la pierna) y la localización más proximal de la inserción de la GM en el calcáneo.
    2. Para la medición de VL:
      1. Identificar los siguientes hitos por palpación y marcarlos con un marcador quirúrgico de la piel: el maléolo medial y lateral (como arriba); la inserción más proximal del tendón rótula de las tibias de tuberositas; el epicóndilo medial y lateral (como arriba); el ápice de la rótula y más límites de inserción medial, proximal y lateral de la rótula; y os coracoides en el hombro.
      2. Identificar con el equipo de Estados Unidos y marca el aspecto más superficial del trocánter mayor y la inserción más proximal del VL sobre el trocánter mayor.
    3. Para todos los músculos, utilice la herramienta de puntero de MoCap para grabar los hitos marcados (descritos en las secciones 3.2.1 y 3.2.2) en el sistema de coordenadas global. Mueva la herramienta de puntero de MoCap a los puntos anatómicos identificados y utilizar el software de MoCap para grabar la posición pulsando el botón "record".
    4. Utilizar ultrasonido para identificar la frontera muscular medial y lateral; marcar los bordes mediales y laterales en la piel con un marcador quirúrgico de la piel.
  3. Ecografía 3D
    1. Indicar el tema no se mueva durante el examen de ultrasonido de 3D.
    2. Aplicar gel de ultrasonido amplia en el ROI para asegurar buen contacto entre la piel y la sonda de los Estados Unidos.
      Nota: Dicha aplicación de gel permite limitar la presión de la sonda y deformación del tejido necesario para obtener una imagen clara de los Estados Unidos.
    3. Abra el software de frame grabber (p. ej., WinDV34) en el equipo de medición y comenzar la adquisición de la imagen de Estados Unidos haciendo clic en el botón "Grabar".
      1. Posteriormente, iniciar y activar la adquisición de datos MoCap pulsando el botón "Inicio" en el dispositivo de sincronización; Esto activa automáticamente el dispositivo de sincronización (es decir, cristal piezoeléctrico) situado cerca de la sonda de los Estados Unidos, creando un artefacto distinto en la imagen de Estados Unidos a instancias de iniciación de MoCap (figura 1A, flecha).
    4. Presión de prueba mínima pero asegurando la calidad de la imagen, mueva la sonda a una velocidad constante sobre el retorno de la inversión; Esto se conoce como un "barrido". Asegúrese de que se registren imágenes de US transversales claro anatómicas del músculo objetivo.
    5. Compruebe visualmente para el movimiento del sujeto durante el examen; Si el sujeto se mueve, el barrido de la interrupción y repita desde el paso 3.3.1.
    6. Protocolo de barrido para el experimento de GM
      1. Coloque la sonda de US proximal a los cóndilos del fémur en el aspecto medial del muslo. Realizar un barrido (como se describe en las secciones 3.3.1 - 3.3.5) en la dirección proximo-distal a lo largo de la frontera intermedia del GM, asegurando visibilidad dentro de las imágenes anatómicas transversales del borde medial del GM y el tendón de Aquiles, todo a su inserción en el calcáneo.
      2. Añadir barridos adicional (como se describe en la sección 3.3.3 - 3.3.5) hasta que se analiza el retorno de la inversión total y el borde medial del músculo es reflejado totalmente (figura 2B). Use el rastro en el gel de la barra anterior para guiar el barrido siguiente, ligeramente superpuestas (0,5 cm) el anterior área barrido.
    7. Protocolo de barrido para el experimento de VL
      1. Coloque la sonda de los Estados Unidos en el aspecto lateral de la meseta de la tibia. Empezar un barrido en sentido distal-proximal del borde lateral del VL, garantizar la visibilidad de la frontera lateral del VL, hasta el origen en el trocánter mayor.
      2. Añadir barridos adicional (como se describe en la sección 3.3.3 - 3.3.5) hasta que el retorno de la inversión todo es analizado y el borde medial del VL es reflejado totalmente (figura 2B). Use el rastro en el gel de la barra anterior para guiar el barrido siguiente, ligeramente superpuestas (0,5 cm) el anterior área barrido.
        Nota: Durante el protocolo de barrido, movimiento de la materia debe ser prevenido, como movimientos afectan negativamente la colocación de las imágenes 2D de Estados Unidos en la matriz del voxel. Se determina el número de barridos por la anchura de la sonda y la anchura del músculo objetivo. Por lo general, con una anchura de la punta de prueba de 4 cm y un ancho de músculo de 12 o 18 cm, barridos de 5 o 7, respectivamente se necesitan para cubrir el retorno de la inversión incluyendo las fronteras.

figure-protocol-4
Figura 2: Esquema del montaje experimental y barridos de la sonda de ultrasonido sobre los músculos objetivo (m. gastrocnemius medialis (GM) instalación y configuración del m. vasto lateral (VL)). (A) determinadas configuraciones conjuntas del tema de las dos condiciones experimentales. Los objetos mostrados en verde son regulables para ajustar la posición y orientación de las extremidades. La flecha indica una barra extensible que se utiliza para fijar el ángulo de la placa base. (B) camino de varios barridos de la sonda de ultrasonido sobre las regiones de interés. Las flechas azules representan solo barridos sobre la región de interés. Izquierda: barridos sobre el GM; Derecha: barridos sobre el VL. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Reconstrucción de matriz de voxel de ultrasonido 3D
    1. Reconstruir una matriz de voxel único 3DUS (3DUS imagen) de un solo barrido sobre la piel de un ROI anatómica específica (p. ej., músculo, tendón) bin-relleno y repintes la matriz de voxel 3DUS utilizando un script personalizado. Con el fin de reconstruir un arsenal de voxel 3DUS, seguir los siguientes pasos experimentales posteriores.
      1. Sincronizar el MoCap datos e imágenes de Estados Unidos al identificar el primer fotograma de los Estados Unidos por consiguiente secuencia de imágenes que contiene el artefacto creado por el cristal piezoeléctrico y el cultivo de los Estados Unidos con VirtualDub software35. En primer lugar, coloque el cursor de selección de marco en el marco partido identificado y pulse el botón de "Inicio" del teclado. A continuación, mueva el cursor hasta el final de la medición (el último contacto con la piel) y pulse el botón "finalizar". Presione la tecla "F7" para exportar la secuencia de la imagen recortada.
      2. Definir un sistema de coordenadas de voxel matriz (Va) que puede ser llenado con imágenes de los Estados Unidos, utilizando un script personalizado. Asegúrese de que la Va está orientado según la dirección de exploración y tamaño para ajustarse a todas las imágenes de los Estados Unidos de un solo barrido.
        Nota: Inicialmente, la Va consiste en vóxeles de forma rectangular, con los ejes más largo en la dirección del barrido; esta forma mejora la eficiencia de llenado.
      3. Asignar los voxels en la Va con gris-valores de los píxeles de las imágenes de Estados Unidos, usando una secuencia de comandos personalizada. Este proceso se describe como forward mapping o bin-relleno (ecuación 3; Figura 1 C) 23 , 24.
        figure-protocol-5
        Nota: Esto muestra mapeo de imágenes 2D de Estados Unidos en la Va según la orientación y posición de las imágenes en el sistema de coordenadas Va hacia adelante. En definitiva, las posiciones de todos los píxeles de una imagen (Imxyz(1:n)) en caso de tiempo (i), al mismo tiempo asignados hacia adelante en la matriz de voxel. El procedimiento de relleno de bin sólo llena los vóxeles dirigido, dejando los no abordados vóxeles vacía (es decir, negro).
        Nota: figure-protocol-6 indica la inversa de la matriz de transformación descrita (es decir, un Pr a Gl matriz de transformación).
      4. Utilizando un script personalizado identificar brechas dentro de la matriz de voxel (es decir, negro voxels). Seguir los siguientes pasos utilizando procesamiento de imágenes binarias:
        1. Crear una matriz de voxel binario lleno de bin en el que están marcados todos los vóxeles llenados. Utilice imagen binaria dilatación y erosión, con el mismo tamaño estructuración-elemento para etiquetar todo voxels relevantes (es decir, valores de gris voxels) dentro de la región explorada. Detectar brechas restando la matriz llena de bin binario voxel (con boquetes) de los voxels relevantes (sin espacios).
          Nota: Las operaciones de dilatación y erosión subsecuente son pasos de procesamiento de imágenes para completar las imágenes binarias. Realizando estos pasos uno tras otro, los límites exteriores permanecen mientras las lagunas interior se eliminan.
      5. Llenar los vacíos identificados mediante un "procedimiento de inpaint" y rodean vóxeles gris valor36.
        Nota: Esta técnica de inpaint puede utilizarse para: "brechas con un interpolant lisa basado en minimizar la suma de los cuadrados de la segunda derivada en cada voxel marcada por diferencias finitas de la red"36.
      6. Igualar las dimensiones del voxel de la Va por interpolación 'bicúbica del ' y guardar la matriz de voxel como una imagen TIFF apiladas (3DUS imagen).
  2. Reconstrucción de barridos múltiples
    1. Reconstruir todos los barridos (descritos en la sección 3.4) que cubre un ROI más grande según el mismo sistema de coordenadas Va para combinar múltiples barridos.
    2. Crear un nuevo sistema de coordenadas Va tamaño para dar cabida a todos los barridos reconstruidos.
    3. Coloque el individuo Vapaso a paso en el más grande Va. Si un voxel ya esté asignada por otra Va, este voxel sólo se sobrescribirán si el voxel nuevo tiene un valor gris ≥10 en una escala de 8 bits, de lo contrario se descarta el nuevo valor de voxel gris.

4. medición de las Variables de la morfología muscular

  1. Utilice el kit de herramientas de interacción médica37 (MITK) para cargar la imagen 3DUS y recuperar las coordenadas del origen, inserción y extremo distal del vientre muscular.
    1. Después de cargar la imagen en 3D, configurar el corte 'Acoplamiento Cruz rotación'. Alinee los ejes con músculos o estructuras óseas precisamente recuperar las coordenadas.
      Nota: MITK se prefiere sobre otros software de análisis de imágenes 3D para la evaluación de puntos anatómicos, ya que permite rápida e interactiva voxel matriz de corte en cualquier dirección ("acoplamiento Cruz de rotación"), facilitando el procedimiento de identificación.
  2. Para medir el volumen muscular, utilice MITK para identificar los límites del vientre muscular entre el origen y el extremo distal del vientre muscular. Utilizar la segmentación MITK incorporada para segmentar manualmente las secciones anatómicas múltiples uniformemente, distribuidos a lo largo de la longitud del vientre muscular (figura 3A).
    1. Abra la herramienta de' segmentación' y crear una 'nueva segmentación.' Empezar a segmentar los límites de músculo en un corte transversal a la mitad a lo largo del vientre muscular. Prensa 'A' en el teclado para agregar una segmentación manual y dibujar pulsando el botón izquierdo del ratón y moviendo el cursor después de los límites del músculo. De prensa ' para quitar partes de segmentación.
    2. Presione la tecla correspondiente al último modo seleccionado (es decir, 'A' o de ') para mover el punto de mira para otras secciones transversales a lo largo del vientre muscular. Repita el paso 4.2.1 para segmentar la nueva sección seleccionada. Repita este paso para por lo menos 6 veces, antes de continuar al siguiente paso.
    3. Encuentra 'Interpolación' para 'activar', revisar las segmentaciones propuestas de los límites del músculo (líneas amarillas) en los cortes transversales a lo largo de la longitud del vientre muscular.
    4. Añadir segmentaciones adicionales en las secciones en las que la segmentación interpolada propuesta (línea amarilla) no coincide con el límite del músculo en la imagen. Repita el paso 4.2.2.
    5. Presione el botón 'Confirm para todos los sectores' y seleccionar el plano en que se realizaron las segmentaciones.
    6. Guarde el volumen binario como un archivo de datos (NRRD) trama casi cruda y calcular el tamaño de la etiqueta de volumen utilizando un script personalizado.
  3. Encontrar la orientación del plano longitudinal medio fascículo del vientre muscular, que contiene toda la longitud de fascículos (figura 3A)38.
    Nota: El plano medio longitudinal está definido por tres puntos. El origen y el extremo distal del vientre muscular son los dos primeros puntos. El tercer punto se encuentra en una imagen transversal anatómica a mitad de camino entre el origen y el extremo distal del vientre muscular. Dentro de esta imagen de sección transversal anatómica, el punto medio entre los dos primeros puntos proyectados en la tangente de los rendimientos de la aponeurosis distal un tercer punto junto con el origen y extremo distal del vientre muscular define el plano medio longitudinal.
  4. Desde el plano medio longitudinal, mida la longitud del fascículo en una posición estandarizada previamente definida entre el origen y el extremo distal del vientre muscular (e.g., 50%). Segmento de los límites del músculo. Coloque una línea hasta la mitad y gire esta línea hasta que coincida con la dirección de los fascículos subyacentes. Las intersecciones de esta línea con los límites del músculo representa la estimación de la longitud del fascículo (figura 3B).
    Nota: Anteriormente, resultaba necesario tener en cuenta, a veces curvado, orientación de la aponeurosis distal38, como se ve en una imagen transversal anatómica (figura 3B), tomada a mitad de camino entre origen y distal extremo del vientre muscular.

figure-protocol-7
Figura 3: esquema del análisis 3DUS. (A) identificación y segmentación de los límites del músculo blanco en una imagen transversal anatómica hasta la mitad a lo largo del vientre muscular. La línea verde representa la orientación del plano medio longitudinal (es decir, orientados perpendicularmente a la orientación de la aponeurosis distal (línea azul punteada). (B) medición de la longitud del fascículo se realiza en el plano del fascículo longitudinal medio. La región transparente rojo está segmentada por la identificación de los límites del músculo. Una línea amarilla punteada se coloca a mitad de camino en el vientre del músculo y girar hasta que coincida con la dirección de los fascículos subyacentes. Las intersecciones de esta línea con los aponeuroses proximales y distales (conectados por línea amarilla sólida gruesa) representan la estimación de la longitud del fascículo. La línea verde representa la posición y orientación del plano transversal anatómico. Parte superior: GM (m. gastrocnemius medialis) e inferior: músculo VL (m. vastus lateralis). Representan los cuadrados blancos para la escala de 1 cm x 1 cm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

La técnica 3DUS descrita se utilizó para recoger datos morfológicos de la GM y VL en cuatro cadáveres humanos masculinos, edad a la muerte 76,8 ± 7,9 años (media ± SD). Los cadáveres fueron obtenidos mediante el programa de donación del Departamento de anatomía y neurociencia de la Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, los países bajos. Los órganos fueron preservados utilizando un método de embalsamamiento destinado a mantener las características morfológicas del tejido39.

Antes de la disección, se hizo una imagen 3DUS del GM y VL según la metodología descrita. Durante la disección, piel, tejido subcutáneo y las fajas superponer el GM y VL fueron quitadas. Se cortó una sección media longitudinal, tomando la orientación de la aponeurosis distal en cuenta. Usando un calibre, la longitud del fascículo fue medido, a medio camino entre el origen y el extremo distal del vientre muscular. Posteriormente, después de la tenotomía, el vientre del músculo fue disecado y sumergido en una columna de agua calibrado. Utilizar ImageJ, los volúmenes se midieron en las fotografías de la columna de agua con y sin el vientre muscular y volumen muscular se calcula de la diferencia de40. Volumen y fascículo longitud se midieron tres veces y se calcularon los valores promedio y desviación estándar. Validez de criterio entre las mediciones 3DUS disección y método se evaluó mediante correlación de Pearson para volumen muscular y de longitud medio fascículo. Confiabilidad intra-evaluador del método 3DUS fascículo derivadas medidas de longitud y el volumen se cuantificó usando un dos vías mixta modelo intra-clase coeficiente de correlación (ICC3,3)41y después de la transformación logarítmica de los datos, la se calculó el coeficiente de variación (CV). La validez de las mediciones fascículo muscular y longitud volumen fueron confirmados por las correlaciones significativas y alta (r = 0.998, p < 0,01 y r = 0.985, p < 0.01, respectivamente). Fiabilidad intra-evaluador del método 3DUS derivados de mediciones de la longitud del fascículo y volumen era alto (ICC3,3 0.983, CV CV 7,3% y ICC3,3 0.998, 5,4%, respectivamente). Se concluye que el enfoque de 3DUS presentado es una herramienta válida y confiable para la evaluación de volumen y fascículo longitud de VL y GM (tabla 1).

figure-results-1
Tabla 1: Cadáver validación datos. C# es el número de cadáveres, GM es m. gastrocnemius medialis, VL es m. vastus lateralis. "Disección" muestra los resultados de la disección del cadáver, y "3DUS" muestra los resultados del análisis de imagen 3DUS de los cadáveres.

Discusión

Una técnica válida y confiable 3DUS se presenta que permite el análisis rápido de variables morfométricas de los músculos esqueléticos. 3DUS diferentes enfoques para la proyección de imagen de tejidos blandos han estado disponibles por aproximadamente una década42,43, sin embargo los enfoques 3DUS todavía no se utilizan comúnmente. La resonancia magnética es un gold standard para la estimación de en vivo volumen muscular (por ej., referencias16,17,18,19,20). Validez de MRI ha sido probado y confirmado en estudios que compararon los fantasmas u órganos cadavéricos de volumen conocido para las estimaciones de volúmenes basada en MRI44,45. Sin embargo, la disponibilidad de MRI para la investigación es limitada y son lentos y costosos. Además, apoderarse de sujeto experimental posturas están limitadas por el diámetro de los scanners de MRI. Típicas imágenes generan contraste insuficiente para realizar las mediciones de las variables de geometría de músculo (fascículo longitudes y ángulos). Sin embargo, geometría 3D del músculo puede ser evaluada también mediante MRI usando técnicas adicionales, por ejemplo, DTI técnica21. Similar a la proyección de imagen de resonancia magnética, los Estados Unidos proporciona distinción adecuada en las interfaces entre los diferentes tipos de tejidos (es decir, visible en nosotros imágenes), proporcionando una modalidad válida para tejidos blandos volumen evaluación1,30 ,44,46,47,48,49. En contraste con el MRI, imágenes 3DUS tienen suficiente contraste para realizar análisis en geometría volumen y músculo de la misma medida.

Además, la técnica presentada permite combinar imágenes de barridos múltiples en un arreglo de discos, para el estudio de los músculos más grandes. Este nuevo método 3DUS proporciona una herramienta potencial para evaluación clínica de la morfología muscular. Este método puede utilizarse también para imágenes de estructuras de tejidos blandos que no sean de músculo (p. ej., tendones, vísceras, arterias).

Modificaciones para mejorar el tiempo de procesamiento fuera de línea:

Modificaciones del enfoque 3DUS fueron dirigidos principalmente a mejorar el tiempo de procesamiento y medición de los músculos más grandes. El tiempo de procesamiento fuera de línea de una imagen 3DUS depende de la configuración de array de voxel, frecuencia de muestreo, tamaño de retorno de la inversión, duración y velocidad de barrido, número de barridos y la estación de trabajo utilizado. Anteriormente, era necesaria para reconstruir un único barrido rendimiento 750 imágenes de Estados Unidos una época de reconstrucción de ≈ 2 h (30 s a 25 Hz)15,25,30. Con el presente método 3DUS, el barrido de la misma lleva sólo 50 s tiempo de reconstrucción (mejorar el tiempo de procesamiento 'offline' 99%). Esta mejora puede explicarse por el algoritmo de relleno mejorado que utiliza operaciones de vectores grandes para llenar lo vóxeles cuadro por cuadro, en vez de píxel por píxel y mayor acceso aleatorio memoria (RAM) de las estaciones de trabajo para construir matrices de voxel más grandes. Con el nuevo enfoque 3DUS, una reconstrucción típica que representa una longitud de barrido de 30 cm a una velocidad de 1 cm/s, con un tamaño de voxel objetivo de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 y una frecuencia de muestreo de 25 Hz, toma el siguiente tiempo para reconstruir :

a. aproximadamente 10 s para identificar el pulso de sincronización y seleccione imágenes relevantes de Estados Unidos.
b. aproximadamente 120 s para determinar la matriz de transformación de calibración (PrTIm).
c. aproximadamente 10 s para la etapa de llenado de bin.
d. aproximadamente 30 s para la ejecución de los pasos de relleno de huecos.

En total, tomando nota de s. 170, paso b sólo debe realizarse una vez, suponiendo una conexión rígida de los marcadores de MoCap a la sonda, dejando 50 s para la reconstrucción de un solo barrido. Combinando dos barrido solo reconstruido voxel matrices toma aproximadamente 10 s.

Limitaciones y pasos críticos:

Hay varios 3DUS imagen los aspectos que deben tenerse en cuenta:

i. calidad de la imagen de Estados Unidos: mayor resolución espacial de imágenes 2D de los Estados Unidos proporcionan más píxeles para colocarse dentro de la matriz del voxel. Esto permitiría las dimensiones voxel a disminuir, llevando a mayor densidad de voxel. Varias máquinas de ultrasonido disponibles en la actualidad utilizan composición espacial para reducir la textura granular ruidosa, lo que permite mejor distinción libre de artefactos de las interfaces de los tejidos. Otra opción para reducir el punto es realce de bordes. Sin embargo, cabe señalar que este enfoque no es deseable, ya que deforma la imagen en un intento de crear interfaces distintas, de tal modo distorsionar la verdadera posición anatómica de las interfaces.

II. MoCap exactitud: píxeles se pueden exactamente colocar solamente en un voxel, si el sensor de posición cuantifica con precisión las coordenadas de la sonda. Con un aumento en la resolución de imagen, precisión de MoCap se vuelve más importante. 3DUS presentan configuración funciona mejor con una dimensión del voxel de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, usando un sistema MoCap con una precisión de 0.1 mm, proporciona suficiente precisión para reconstruir la matriz de voxel 3DUS.

III. frecuencia de muestra: la menor resolución temporal de la secuencia de datos MoCap o imágenes de Estados Unidos determina la frecuencia de muestreo. Esto afecta el tiempo de barrido o la configuración de array de voxel. Por ejemplo, duplicando la frecuencia de muestreo de 25 a 50 Hz permite un barrido a realizar en la mitad del tiempo. Por otra parte, no cambia la velocidad de barrido, ofrece imágenes más para llenar el array de voxel, dejando menos espacios a llenar y así potencialmente aumentar la resolución de la matriz de voxel. Sin embargo, aumentar la resolución de la matriz de voxel, sin aumentar la frecuencia de muestreo, requiere una exploración más lento, lo que aumentará el potencial de los artefactos de movimiento.

IV. tiempo de reconstrucción de la imagen: rápidas reconstrucciones requieren una potente estación de trabajo con suficiente memoria RAM disponible. Además, el tiempo de reconstrucción varía en gran medida basada en el vóxel matriz volumen y complejidad de los procesos de rellenado de huecos.

v. Protocolo Experimental: estandarización del protocolo experimental, como se ejemplifica en el presente estudio para el VL y GM, es esencial para la comparación de mediciones morfológicas (p. ej., fascículo longitud, ángulo de fascículo, vientre muscular longitud, longitud del tendón, aponeurosis longitud) entre los sujetos y monitoreo dentro de sujetos en estudios longitudinales. Sin embargo, tenga en cuenta que puede alterar la morfología evaluada en reposo durante la activación del músculo. Por ejemplo, para el experimento de VL, la morfología del extensor de la rodilla durante la contracción máxima puede mostrar un ángulo de pennation alta y fascículos más cortas en flexión de rodilla de 60°, en comparación con la morfología en el resto50. En ciertas condiciones (por ej., espasticidad), electromiografía (EMG) puede utilizarse para verificar los niveles de actividad de reposo muscular durante el examen.

VI. deformación del tejido y presión de la sonda: si se aplica gel de ultrasonido amplia sobre el retorno de la inversión, la cantidad de presión por contacto entre la sonda y la piel es limitada. Como orientación, le aconsejamos que escanear un ROI debe sentirse como flotando sobre la piel, y sólo se debe aplicar presión para mantener en contacto con el gel y por lo tanto la piel. Sin embargo, deformación leve de tejido puede ser inevitable, incluso con una generosa cantidad de gel de ultrasonido. Tamaño de la sonda y un ROI curvado afectan la cantidad de presión o gel utilizado. Mayor tamaño de la sonda y un ROI más curvado requieren más presión y más gel, que las sondas más pequeñas con un similar curva de retorno de la inversión. Otra posible solución es descartar la región reverberación (es decir, no--contacto con la piel) de las imágenes de los Estados Unidos. Además, la deformación del tejido es más probable que ocurra en las primera capas de tejido, como piel y de tejido adiposo subcutáneo. Tenga en cuenta que sujetos con poco o ningún tejido adiposo subcutáneo, por tanto, son más propensos a los efectos adversos de la presión. Además, la deformación del tejido se produce probablemente en el centro de la sonda, que no suele ser la región de solapamiento con otros barridos.

VII. conocimientos anatómicos e imágenes: otra consideración importante en el uso de cualquier modalidad de proyección de imagen es que el conocimiento de la anatomía y la modalidad de imágenes es esencial para obtener la interpretación significativa. Variación anatómica entre sujetos y objetos de la imagen debe ser reconocido y tenido en cuenta en el proceso de identificación de estructuras anatómicas. Incluso con los músculos sanos y bien desarrollados, identificación clara puede ser difícil ya que requiere conocimientos anatómicos para diferenciar entre los diferentes componentes de un músculo o entre músculo grupos51. Sin embargo, en el músculo atrofiado (es decir, personas de edad avanzada, en el caso de patología, o un cadáver), la clara identificación es aún más complicada debido a un tamaño más pequeño y disminuye el contraste de la imagen, y por lo tanto el tejido menos distinta interfaces (figura 4 ). Creemos que sin previo conocimiento anatómico, que habría limitados en hacer juicios correctos en el diseño de este enfoque 3DUS y en la realización de las mediciones 3DUS. Por ejemplo, para experimentos de GM, ángulos de la placa base diferentes no necesariamente causan cambios esperados en músculo longitudes complejo tendón, debido a la deformación en el pie7. También era esencial una selección adecuada del plano medio longitudinal en todos temas38información anatómica detallada sobre la curvatura de la aponeurosis distal.

figure-discussion-1
Figura 4: variación y calidad de reconstrucción imágenes anatómicas 3DUS transversal del músculo cuádriceps mitad de muslo. (A) de un cadáver humano masculino se muestra una imagen de un estado atrofiado en la muerte (edad de muerte: 81 años). Identificación de los límites de los cabezas del músculo cuádriceps es difícil. (B) ejemplo de un hombre sedentario (30 años). (C) ejemplo de un remero de atleta masculino (años 30). Representan los cuadrados blancos para la escala de 1 cm x 1 cm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Futuras aplicaciones:

El enfoque de 3DUS proporciona una herramienta de imagen que puede utilizarse para diversos propósitos y programación en deportes y clínicas. En las intervenciones clínicas efectividad se relaciona con el nivel de aptitud física52. Utilizando 3DUS para monitoreo de pacientes que están en riesgo de perder músculo masa es importante (por ejemplo, referencias53,54,55) y potencialmente permite el ajuste del tratamiento. Otra aplicación potencial de 3DUS radica en el seguimiento de la adaptación morfológica del músculo en respuesta a intervención (entrenamiento) o lesiones.

Este protocolo describe un método rentable y tiempo de medir la estructura del tejido suave del cuerpo humano basado en freehand 3DUS barridos. Por otra parte, evaluación de los parámetros morfológicos significativos del m. vastus lateralis y m. gastrocnemius medialis demostró para ser válido y confiable.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores están muy agradecidos a Adam Shortland y Nicola Fry quien compartió sus algoritmos para el ultrasonido 3-d en 2004, que fueron la inspiración para el desarrollo del software utilizado en este estudio.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Dispositivo de ultrasonido (Technos MPX)Esaote, ItaliaNA
Sonda de matriz lineal (12,5 Mhz, 5 cm)Esaote, ItaliaEstación
(HP Z440)HP, EE. UU.http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html
Framegrabber (Canopus, ADVC 300)Canopus, JapónADVC 300
(Certus)NDI, Españahttp://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
Dispositivo de sincronizaciónVU, NLContactar con el autor
Marco de calibraciónVU, NLContactar con el autor
TermómetroGreisinger, GermarnyGTH 175/PT
Mesa de exploraciónNANA Cualquiermesa
InclinómetroInstrumento Lafayette, EE. UUACU001
Reposapiés ajustableVU, NLContactar con el autor
llave dinamométricaVU, NLContactar con el autor
Varilla extensibleVU, NLContactar con el autor
Goniómetro (Gollehon)Instrumento Lafayette, EE. UU1135
Viga de forma triangularNANAHecha de un trozo de espuma rígida
Correas de amarreNANACualquier correa de amarre
Rotulador cutáneo quirúrgicoNANACualquier rotulador cutáneo quirúrgico
Gel de transmisión por ultrasonidosServosonNASe recomienda un tipo de gel pegajoso
de trabajo NA Sistema de captura de movimiento para correspondenciapara correspondenciade exploración. para correspondenciapara correspondenciapara correspondencia.

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