方法論記事

3 D の超音波画像診断: 筋骨格系組織の迅速かつコスト効果の高い計測

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DOI:

10.3791/55943

⸱

2017年11月27日

 ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

(3DUS) 3 D 超音波により筋骨格系組織の迅速かつコスト効果の高い計測ができます。3DUS を使用して筋肉のボリュームと束の長さを測定するためのプロトコルを提案します。

要約

3次元超音波イメージング (3DUS) の発達の目的は、人間の筋肉の形態学的 3 D の超音波解析を実行するモダリティのエンジニアにです。3DUS 画像は校正フリーハンド 2D B モード超音波画像、ボクセル配列に配置されるから構成されます。超音波映像 (米国) では、筋肉のサイズ、分冊の長さ、および pennation の角度の定量化をことができます。これらの形態学的変数は、力の運動の筋肉力と寸法範囲の重要な因子です。提案するプロトコルは、外側広筋 , 腓腹筋筋のボリュームと束の長さを決定する方法について説明します。3DUS 3 D 解剖学的参照を使用して標準化が容易になります。このアプローチは、骨格筋の 3 D 形態の定量化の迅速かつコスト効率の高いアプローチを提供します。医療とスポーツ、筋肉の形態計測については治療やトレーニング後診断やフォロー アップ評価に非常に貴重です。

概要

医療とスポーツ、筋肉の形態については、治療やトレーニング1後診断やフォロー アップ評価で非常に貴重です。超音波映像 (米国)、筋疾患2, 重大な病気3,4, 心血管疾患5、神経疾患6、軟部組織構造の可視化のために一般的に使用されるツール 7、8、および物理的な訓練6,9,10の効果。米国イメージングは、筋肉のサイズ、分冊の長さ、および pennation の角度を数量化できます。これらの形態学的変数の筋肉力と寸法範囲の決定要因強制運動11,12,13,14,15であります。

現在、米国イメージング測定はほとんど審査を選択すると、2 D の画像で実行されます、おそらく、プローブの向き不向きと超音波の場所。興味のパラメーターはこの平面内に存在ではないかもしれませんが、このような 2D メソッドは形態計測を 1 つのイメージ面を制限します。形態素解析では、3 D のアプローチは、3 D 基準点を用いた面外測定を提供する必要があります。軟部組織のような 3 D 形態の表現は、磁気共鳴イメージング (MRI)16,17,18,19,20によって提供される知られています。しかし、MRI は高く、常に使用できません。また、筋線維の可視化には、拡散テンソル画像 (DTI)21などの特殊な MRI シーケンスが必要です。MRI にコスト効率の高い代替は 3 D の超音波 (3DUS) です。MRI 技術、例えば上のいくつかの利点を提供する 3DUS アプローチ、それは検査の間に被写体を配置するため以下の容量の制限を課します。3DUS イメージングは、順番に 2 D (B モード米国) 画像をキャプチャし、ボリューム要素 (ボクセル) 配列22,23,24に配置する手法です。3DUS 画像再構成のプロセスは、5 つの手順で構成されます: (1) フリーハンド 2D US 像のシリーズをキャプチャ(2) を用いたモーション キャプチャ (MoCap); 米国プローブの位置を追跡(3) 同期モーション キャプチャ位置や US 像(4) の場所と参照の校正システムを使用して配列のボクセル内超音波画像の向きを計算します。このボクセルの配列にこれらの画像を配置する (5).

3DUS のアプローチは、骨格筋15,25,26,27,28,29の形態の評価のため正常に適用されています。ただし、大きな筋肉の唯一の小さなセグメントが再構築、面倒、時間がかかり、技術的に限られたを以前のアプローチ7,15,25、30で証明しています。

3DUS のアプローチを改善するために時間の短い期間内に完全な筋肉の再構成を可能とする新しい 3DUS プロトコルが開発されています。このプロトコルの記事では、外側広筋(VL) , 腓腹筋筋(GM) の形態計測用画像 3DUS の使用について説明します。

プロトコル

被験者を含むすべてのプロシージャは、VU メディカル センター、アムステルダム、オランダの医療倫理委員会で承認されています。

1. 計装

  1. 測定コンピューターに超音波装置を接続します。必要な場合、順次超音波画像を格納するフレーム グラブ ハードウェアおよび/またはソフトウェアを使用します。
    メモ: 5 cm 線形アレイ プローブ (12.5 MHz) は B モード画像 (25 Hz) を生成するために使用されます。各測定の前に余分な筋肉内結合組織のインターフェイスを視覚化するイメージング深さ、音響周波数とパワーを最適化されています。測定の中にこれらの設定は変更されません。
  2. モーション キャプチャ システムを測定コンピューターに接続します。
  3. 剛 MoCap クラスター マーカーを米国プローブの向き、位置を追跡するための超音波プローブに接続します。
  4. 同期デバイス(圧電結晶) をモーション キャプチャ システムのトリガー入力に接続します。
    注: 同期デバイスの一時的活性化する圧電結晶に向かって探触子の音波を送信します。受信した音波は、米国のイメージ システム開始 (図 1A, 矢印) で独自のアイテムを作成します。
  5. カスタムメイド校正フレーム(ファントム) を水で埋めます。

2. キャリブレーションします。

注: プローブの座標系に関して米国画像からにTから変換行列を計算する空間のキャリブレーションを実行します。この校正プロセスがずっと22で説明しました。概要については、下記をご覧ください。

  1. 幻の場所はあふれた水に安定した平面ファントム座標システム (Phxyz図 1B矢印) 内の既知の位置で有限会社クロスワイヤ (すなわち2 つの水中交差配線) を保持しています。 
  2. 温度計で水の温度を測定します。
  3. グローバル座標系 (Gl) の位置と幻の方向を記録するのにモーション キャプチャ ツールを使用します。
  4. 米国画像サンプリングを開始し、MoCap データ集録 (3.3.3 の手順で説明します) をアクティブにします。
  5. 水に米国の調査 (Pr) の頭が水没します。平行移動し、回転 40 の米国の調査米国画像 (Im) 有限会社クロスワイヤの可視性を維持するすべての方向に s (25 Hz でサンプリング)。
  6. データ集録を停止します。
  7. 圧電結晶作成成果物を含む最初の米国のフレームを識別することによってモーション キャプチャ データと米国の画像を同期し、それに応じて米国像をトリミング (3.4.1.1 の手順で説明します)。
  8. 関連する米国画像、有限会社クロスワイヤがはっきりと見えるし、これらの米国のイメージ (私イムxyz) の有限会社クロスワイヤの位置を追跡を識別し、水の温度のための位置を修正します。
  9. 一連の時間インスタンスでPr (式 1) Phから変換による移動Prに関して有限会社クロスワイヤの位置を確認 (私 = 1: n) ステップ 2.8 で有限会社クロスワイヤ識別に対応します。
    figure-protocol-1
  10. 2 方程式を解くことによってPr変換行列 (広報TIm) にImを計算、照合時にIm (2.8 のステップで測定) に有限会社クロスワイヤのすべての識別情報を含む (私 = 1: n) 有限会社クロスワイヤPr (2.9 のステップで計算される) での座標。
    figure-protocol-2

figure-protocol-3
図 1: 3DUS アルゴリズムの図します。(A) 超音波プローブは、グローバル座標系 (Gl) 内に堅く接続されているマーカーのクラスターを追跡するモーション キャプチャ (MoCap) システムを使用します。作るモーション キャプチャと超音波データの同期が行われる矢によって導入された成果物 (矢印) の使用圧電結晶をトリガーされます。(B) 位置、超音波画像の座標系 (Im) の向きがPrとIm内にある既知のポイントを識別することによってプローブ座標系 (Pr) を基準にして計算されます。この目的のため特注ファントム、ファントムの座標系 (Ph) 内の既知の位置で有限会社クロスワイヤ (すなわち2 水中交差配線) を保持している水で満たされた使用されます。(C) 変換のシリーズで知られているこのポイント、 Prで計算されます。(D) 知られている変換の完全なシリーズは、 Imからの画像をボクセル配列座標システム (Va) に変換できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

3 実験的プロトコル

注: 実験的プロトコルでは、3DUS イメージング、すなわち GM と VL (図 2A) の形態を含む 2 つのよく実行されるプロトコルについて説明します。

  1. 対象の位置決め
    1. GM 実験。
      1. うそをつく傾向がある診察台に両足をテーブルの端から張り出す状態で被写体を求めます。
      2. 脛骨の下でサポートを配置することによって、水平方向に脚の下部を合わせます。実験的プロトコル中膝伸展を防ぐためにパッドを入れられたラッシング ストラップで診察台に太ももを固定します。
      3. カスタムメイドのフット プレート31にスキャンされる脚の足に適合します。
      4. カスタムメイドのトルクレンチをフット プレート31に取り付けられている角度計に接続します。外部から適用されるトルクなどに対応するフット プレート角度を見つける。, 0 Nm (図 2A)。
      5. キャブをテーブル (図 2A矢印) に接続されている拡張棒を用いて 0 Nm 純屈モーメントに対応する方向で修正します。
    2. VL 実験。
      1. 診察台に仰臥する科目を求めます。
      2. 膝関節屈曲角度 (すなわち epicondylus 筋と大転子が付いている後者外果外側の中心を結ぶ線の間の角度として機能) を 60 ° で設定します。サポートで下肢をポジショニングします。
      3. 股関節の動きを防ぐためにお尻の下に三角形の梁を配置します。
      4. 実験的プロトコル中に脚の動きを防ぐために 2 つのパッド入りラッシング ストラップでサポートに下肢を固定します。
      5. 95 ° の角度を変更することにより股関節の角度 (すなわち転子の主要なと上顆筋反射で後者os coracoidesを結ぶ線の間の角度として機能) を設定、診察台のサポートをバックアップします。
        注: この説明のポーズが選択されている最適な等尺性膝拡張測定32,33中の関節角度が似ています。
  2. 利益 (率 ROI) の領域と骨ランドマークのローカリゼーション
    注: これは、件名の大腿、下腿、足の姿勢の後実験の定量化、3 D 超音波検査の指導のため。識別し、モーション キャプチャ ツールを使用してグローバル座標系で骨の解剖学的ランドマークの位置を記録します。
    1. GM 実験。
      1. 触診で次の目印を特定および外科皮膚マーカーを使用してそれらをマーク: 内側と外側の大腿骨顆と脛骨と腓骨果の中心の最も顕著な背側面。
      2. 米国デバイスを使用して、識別し、外科皮膚マーカーを使用する (足の背側) の内側と外側の大腿骨顆の最も表面的なポイントと踵骨に GM の挿入のもっとも近位の位置をマークします。
    2. VL 測定。
      1. 触診で次の目印を特定および外科皮膚マーカーを使用してそれらをマーク: (上); として内側と外側果tuberositas 脛骨; の膝蓋腱の最も近位の挿入(上); として内側と外側顆膝蓋骨と膝蓋骨の上、近位、内側と外側の挿入境界ほとんどの頂点肩にos coracoides 。
      2. 米国のデバイスを識別し、大転子の最も表面的な側面と大転子の VL の最も近位に挿入をマークします。
    3. すべての筋肉、グローバル座標系で (セクション 3.2.1、3.2.2 で説明) マークのランドマークを記録するのにモーション キャプチャ ツールを使用します。特定の解剖学的ランドマークにモーション キャプチャ ツールを移動し、「記録」ボタンを押すと位置を記録するモーション キャプチャ ソフトウェアを使用。
    4. 内側と外側の筋肉の境界を識別するために超音波を使用します。外科皮膚マーカーを使用して皮膚の内側と外側の境界線をマークします。
  3. 3 D 超音波検査
    1. 3 D 超音波検査中に移動しないように主題を指示します。
    2. 肌と米国の調査の間の適切な接触を確保するための投資収益率に十分な超音波ゲルを適用します。
      注: ゲルのようなアプリケーションでは、プローブ圧およびこうして米国の明確なイメージを得るために必要な組織の変形を制限することができます。
    3. 測定コンピューター上のフレーム グラバー ソフトウェア (例えば、WinDV34) を開き、「レコード」ボタンをクリックして米国画像集録を開始します。
      1. その後、開始し、同期デバイスの「スタート」ボタンを押すとモーション キャプチャ データ集録をアクティブにします。これは自動的にモーション キャプチャ開始 (図 1A, 矢印) インスタンス US 画像で明瞭なアーティファクトの作成米国の調査の近くに位置する同期デバイス (すなわち圧電結晶) をアクティブにします。
    4. 最小プローブ圧力を行使はまだ画質を確保しながら一定の速度で ROI; 上のプローブを移動する.これを「スイープ」と呼びます。ターゲットの筋肉の明確な解剖学的断面米国画像が記録されていることを確認します。
    5. 視覚的に、審査時に被写体の動きを確認します。場合は、被写体の動き、スイープを中止し、3.3.1 のステップからを繰り返します。
    6. 遺伝子組み換え実験のためのプロトコルを掃引します。
      1. 太ももの内側の側面に近位大腿骨顆に米国プローブを配置します。GM は、GM と、アキレス腱の内側の境界線の解剖学的断面の画像内で視認性を確保するすべての方法下の内側縁に沿って近位・遠位方向に (前述のセクション 3.3.1 - 3.3.5) スイープの実行その踵骨に挿入します。
      2. 全体の ROI がスキャンされ、筋の内側縁が完全にイメージ化されるまで、(前述のセクション 3.3.3 - 3.3.5) 追加スイープを追加 (図 2B)。前回のスイープのゲルのトレースを使用して、次の掃引、少し重複 (0.5 cm) 前の掃引領域を進めます。
    7. VL 実験プロトコルを掃引します。
      1. 脛骨高原の外側面に米国プローブを配置します。大転子の原産地まで、VL の横罫線の可視性を確保、VL の外側縁の近位遠位方向に掃引を開始します。
      2. 全体の ROI がスキャンされ、VL の内側の縁が完全にイメージ化されるまで、(前述のセクション 3.3.3 - 3.3.5) 追加スイープを追加 (図 2B)。前回のスイープのゲルのトレースを使用して、次の掃引、少し重複 (0.5 cm) 前の掃引領域を進めます。
        注: スイープ プロトコル中に被写体の動きがようにの動きに悪影響をボクセル配列の 2次元の US 像の位置と。掃引回数は、プローブの幅、ターゲットの筋肉の幅によって決まります。通常、プローブ幅 4 cm、12 または 18 cm の筋幅 5 または 7 のスイープ、それぞれカバーするためにボーダーを含む投資収益率。

figure-protocol-4
実験のセットアップおよびターゲットの筋肉 (筋腓腹筋筋(GM) のセットアップおよび外側広筋(VL) セットアップ) に超音波プローブのスイープの図 2: 概略図。(A) 2 つの実験条件のための主題の特定の共同構成。緑色で表示されているオブジェクトは、位置と手足の向きを設定する調整できます。矢印は、フット プレートの角度を修正するために使用される拡張可能なロッドを示します。(B) 関心領域の超音波プローブの複数のスイープのパス。青い矢印は、興味の地域に単一スイープを表しています。GM; 上左: スイープVL 上右: スイープ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

  1. 3 D 超音波ボクセル配列再構成
    1. 配列を再構築単一 3DUS ボクセル配列 (3DUS 画像) 単一スイープから特定の解剖学的 ROI (例えば筋肉、腱) の肌のビン充填、修復 3DUS ボクセル カスタム スクリプトを使用して。3DUS ボクセル アレイを再構築するために次の後実験手順を取る。
      1. 最初の米国のフレームを識別することによってモーション キャプチャ データと米国の画像を同期圧電結晶作成成果物を含む米国のトリミング動画像に応じて VirtualDub ソフトウェア35。最初に、識別された開始フレームにフレーム選択スライダーを置き、キーボードの「ホーム」ボタンを押します。次に、測定 (最後の皮膚接触) の末尾にスライダーを移動し、「終了」ボタンを押します。トリミングされた画像シーケンスをエクスポートするのには「F7」ボタンをを押します。
      2. カスタム スクリプトを使用して、米国の画像にいっぱいことができますボクセル配列 (Va) 座標系を定義します。Vaは走査方向に従って指向し、単一スイープのすべての米国のイメージに合うようにサイズを確認します。
        最初に、 Vaで構成されています長方形画素; スイープの方向に長い軸を持つこの図形は、充填効率を向上させます。
      3. カスタム スクリプトを使用して、米国画像からピクセルのグレー値とVaのボクセルを割り当てます。このプロセスは前方のマッピングまたはビン充填 (式 3;として記述されています。図 1C)23,24。
        figure-protocol-5
        注: これは前方向きと Va の座標系内の画像の位置によるとVaの 2 D の US 像のマッピングを示します。要するに、1 つのイメージのすべてのピクセルの位置 (Imxyz(1:n)) (i) 時間インスタンスでは、同時に前方にマップ ボクセル配列。ビン充填手順のみ非対応ボクセル空 (すなわち黒) を残して宛のボクセルを塗りつぶします。
        注: figure-protocol-6 (すなわち Gl変換行列をPr ) の前述の変換行列の逆行列を示します。
      4. ボクセル配列 (すなわち黒ボクセル) 内の不備を特定するカスタム スクリプトを使用しています。バイナリ イメージ処理を使用して、以下の手順を実行します。
        1. すべて塗りつぶされたボクセルが分類されるバイナリ ボクセルのビン充填配列を作成します。すべて関連するボクセル (すなわちグレー値ボクセル) をラベルにバイナリ イメージ膨張と同じサイズの構築 - 要素、侵食を使用して、スキャンした領域の内側。関連するボクセル (隙間無し) から (ギャップ) とバイナリ ボクセルのビン充填配列を差し引くことによってギャップを検出します。
          注: 以降の膨張と侵食の操作、バイナリ画像を完了するための画像処理手順です。1 つの別の後でこれらの手順を実行によって外側の境界は内部が削除されますギャップ中残る。
      5. 「修復する手順」を使用して特定ギャップを埋める、グレー値ボクセル36で囲みます。
        注: この修復する手法に使用できる:「グリッド上差分を用いてラベル付きボクセル二次導関数の二乗の和を最小化に基づいて滑らかな補間曲線とのギャップを埋める」36。
      6. '双三次' 補間によるVaのボクセルの大きさを均等化し、積み上げ .tiff イメージ (3DUS) としてボクセル配列を保存します。
  2. 複数のスイープ復興
    1. (セクション 3.4 で説明) 個々 のすべてのスイープを再構築する複数のスイープを結合する同じVa座標系に従って 1 つ大きな ROI をカバーします。
    2. すべての個々 の再建されたスイープを収容できるサイズに新しいVa座標系を作成します。
    3. 個々 の商品の大きいメーカーにステップバイ ステップです。ボクセルは別メーカーで既に割り当てられている場合、新しいボクセル 8 ビット規模のグレー値 ≥10 がある場合、このボクセルは上書きのみ、新しい灰色のボクセル値は破棄されますそれ以外の場合。

4. 筋形態の変数の測定

  1. 医療の相互作用ツールキット37 (MITK) を使用して、3DUS 画像を読み込み、起源、挿入、および筋腹の遠位端の座標を取得します。
    1. 3 D 画像をロードした後、'結合十字回転' にスライスを設定します。筋肉や骨の構造の座標を正確に取得すると軸を合わせます。
      注: MITK は最寄り解剖学的ポイントの評価の他の 3 D イメージング解析のソフトウェアを任意の方向 (「結合十字回転」) 識別手順を容易に高速でインタラクティブなボクセル配列スライスできるので。
  2. 筋肉量を測定するために MITK を起源と筋腹の遠位端の筋腹の境界を識別するために使用します。筋腹長 (図 3A) に沿って分布して手動で複数の解剖学的断面を均等に分割するのに組み込みの MITK セグメンテーションを使用します。
    1. 'セグメンテーション ツール' を開き、'新しいセグメンテーション' を作成断面の筋腹の途中で特定された筋肉の境界を分割を開始します。手動分割を追加し、マウスの左ボタンを押すと筋の境界に続くカーソルの移動によって描画、キーボードの 'A' キーを押します。プレスの「セグメンテーションの部分を削除しますします。
    2. 最後の選択したモードに対応するキーを押します (すなわち'A' またはの ') 腹部の筋肉に沿って他の断面に十字を移動します。4.2.1 新しい選択した断面を分割する手順を繰り返します。次のステップに進む前に、少なくとも 6 回この手順を繰り返します。
    3. 筋腹の長さに沿ってすべての断面で '有効にする'、筋の境界 (黄色の線) の提案の区切りを確認するには、補間' を設定します。
    4. 提案された補間細分化 (黄色の線) は画像で筋肉の境界と一致しない断面に追加の区切りを追加します。4.2.2 のステップを繰り返します。
    5. 'すべてのスライスの確認」ボタンを押して、区切りが作られた平面を選択します。
    6. ほぼ生のラスター データ (NRRD) ファイルとしてバイナリのボリュームを保存し、カスタム スクリプトを使用してラベル付けされたボリュームのサイズを計算します。
  3. 線維束 (図 3A)38の完全な長さを含む筋腹の半ば縦束平面の方向を見つけます。
    注: 半ば縦平面は、3 つの点によって定義されます。起源と筋腹の遠位端は、最初の 2 つのポイントです。3 番目のポイントは、起源と筋腹の遠位端の中間解剖学的断面画像で発見されます。この解剖学的断面の画像内 3 遠位腱膜利回りのタンジェントに投影された最初の 2 点間の中点起源と共にポイントし、筋腹の遠位端は、半ば縦平面を定義します。
  4. 半ば縦平面から起源と筋腹を (例えば50%) の遠位端との間の事前に定義された標準化された位置で束の長さを測定します。筋肉の境界をセグメント化します。途中で線を配置し、基になる線維束の方向が一致するまでにこの行を回転させます。この線筋の境界との交点は、束長 (図 3B) の推定値を表します。
    注: 以前は、それを証明した考慮に入れる時、湾曲、38の遠位腱膜の配向必要な起源の中間および遠位を撮影した解剖学的断面画像 (図 3B) に見られるように筋腹の終わり。

figure-protocol-7
図 3: 3DUS 解析の概略図。(A) 身分証明書と解剖学的断面イメージ筋腹の途中で対象筋の境界の分割。緑実線を表します (すなわち指向の遠位腱 (青点線) の向きに垂直半ば縦方向の平面の向き。(B) 束長の測定は、半ば縦束平面内で実行されます。赤の透明な領域は、筋肉の境界の識別によって分割されます。黄色の点線は中間筋腹上に配置、それは根本的な線維束の方向と一致するまでを回転します。(太い黄色実線接続) 近位および遠位 aponeuroses とこのラインの交点は、束長の推定値を表します。緑実線の位置と解剖学的断面平面の方向を表します。上部: GM (m. 腓腹筋筋) と下部: VL (外側広筋) の筋。スケールの白の正方形を表す 1 cm × 1 cmこの図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。 。

結果

説明 3DUS 技術は、4 つの男性人間の死体で GM と VL の形態学的データを収集、年齢死 76.8 ± 7.9 歳 (平均 ± SD) 使用されました。死体は解剖学と神経科学 Vrije Universiteit 医療センター (VUmc)、アムステルダム、オランダの寄付プログラムを介して得られました。遺体は39組織の形態学的特徴を維持することを目的とした防腐メソッドを使用して保存されました。

郭清の前に、記述されている方法に従って GM と VL の 3DUS イメージをしました。解剖時に皮膚、皮下組織と筋膜の GM と VL オーバーレイが削除されました。アカウントに遠位腱膜の配向を考慮半ば縦断面がカットされました。キャリパーを使用して、束長は測定、起源と筋腹の遠位端の中間。その後、腱後の筋腹を切開し、校正の水柱に浸漬します。ImageJ を用いた、水の列の筋腹との写真のボリュームを測定した、筋量差40から計算。束の長さとボリューム 3 回測定し、平均値と標準偏差の値を算出しました。3DUS メソッドおよび解剖測定間基準の妥当性は、平均束の長さや筋肉のボリュームのピアソンの相関を使用してテストされました。イントラ評価者信頼性派生の束の長さや体積の測定が双方向モデル内クラス相関係数 (ICC3, 3)41、混合を使用して定量化された 3DUS メソッドとデータの対数変換後、バリエーション (CV) の係数を算出しました。分冊の長さと筋量測定の妥当性は有意な高い相関によって確認された (r 0.998、p = < 0.01 と r = p 0.985 < 0.01、それぞれ)。3DUS メソッドの内部評価者信頼性派生束長の測定とボリュームが高かった (ICC3, 3 0.983、CV の 7.3%、および ICC3, 3 0.998、CV 5.4%、それぞれ)。3DUS アプローチが人間の VL と GM (表 1) のボリュームと束の長さ評価のための有効で信頼性の高いツールであることがわかった。

figure-results-1
表 1:死体検証データ。C# は、死体の数、GM はメートルの腓腹筋筋VL は外側広筋。「郭清」は死体解剖結果を示し、"3DUS"が、死体の 3DUS 画像解析の結果を示します。

ディスカッション

骨格筋の形態計測学的変数の高速解析では、有効な信頼できる 3DUS 技術が表示されます。軟部組織イメージングのための別の 3DUS アプローチは、しかし、3DUS のアプローチがまだ一般的使用されませんの約 10 年間42,43、利用されています。MRI は生体内の筋肉のボリュームの推定の「ゴールド スタンダード」(e.g。、16,17,18,19,20を参照します).MRI の有効性がテストされており、ファントムや MRI ・ ベースのボリュームの見積もり44,45知られているボリュームの死体の臓器を比較する研究で確認されました。しかし、研究のため MRI 可用性が制限されるとスキャンは時間のかかり、高価です。さらに、MRI スキャナーの姿勢は穴によって限られる実験の主題をつかみます。典型的な MR 画像は筋肉ジオメトリ (束の長さと角度) の変数の測定を実行する十分なコントラストを生成します。ただし、3 D 筋肉幾何学はまた付加的な技術、例えば、DTI テクニック21を使用して MRI を使用して評価できます。MRI、アメリカ合衆国の画像と同様に異なったタイプのティッシュ (すなわち私たち内に表示される画像)、軟部組織量評価1,30 の有効なモダリティを提供のインターフェイスで適切な区別を提供します、44,46,47,48,49。MRI と対照をなして 3DUS 画像ボリュームと筋肉の両方のジオメトリ同じ測定からの分析を実行するための十分なコントラストがあります。

さらに、提示テクニックは大きな筋肉の研究のための 1 つの配列に複数のスイープの画像を組み合わせることができます。この新しい 3DUS メソッドは、筋群の形態の臨床評価のための潜在的なツールを提供します。このメソッドは、(例えば腱、内臓、動脈) の筋肉以外の軟部組織構造をイメージングも使用できます。

オフラインの処理時間を短縮する変更:

3DUS のアプローチの変更は処理時間を改善しより大きな筋肉を測定が主目的だった。3DUS イメージのオフライン処理時間は、ボクセル配列設定、サンプリング周波数、投資収益率、期間およびスイープ、スイープ、数および使用されるワークステーションの速度のサイズによって異なります。以前は、≈ 2 h の再構成時間は 750 US 像を降伏のみ 1 つのスイープを再構築するために必要な (30 25 Hz で s)15,25,30。現在の 3DUS メソッドでは、同じ掃引 (99% 'オフライン' の処理時間が向上します) のみ 50 の s 再構成時間がかかります。この改善は、ボクセル - フレームで、ピクセルとボクセルの大きい配列を構築するワークステーションの増加のランダム アクセス メモリ (RAM) あたりのピクセルではなくを埋めるため大規模なベクトル演算を利用して強化された充填アルゴリズムによって説明できます。新しい 3DUS アプローチで 1 cm/s の速度で 30 cm の掃引長さを表す典型的な再建対象ボクセル サイズが 0.2 × 0.2 × 0.2 mm の3 25 の Hz のサンプリング周波数以下に時間がかかる再構築:

a. 約 10 s 同期パルスを識別し、関連する米国の画像を選択します。
b. 約 120 の校正変換行列 (広報TIm) を決定します。
c 約 10 のビン熟期。
d. 約 30 のギャップ充填の手順を実行するため。

170 s. メモ、手順 b、プローブにモーション キャプチャのマーカーの剛接合を前提に一度実行する必要を取る合計で 50 を残して s シングル掃引の再建のため。シングル掃引の 2 つを組み合わせることは再建ボクセル配列は約 10 秒です。

制限事項と重要なステップ:

考慮する必要がありますいくつかの 3DUS の画像の側面があります。

i.米国画質:米国, 二次元画像の分解能を提供より多くのピクセルをボクセル配列内に配置します。これは、ように減らすには、ボクセル サイズ ボクセル密度の向上に 。空間コンパウンドを使用して組織のインターフェイスの良いアーティファクトのない区別を可能にするノイズの粒状組織を減らすためにいくつかの現在入手可能な超音波マシン。スペックルを低減する別のオプションは、エッジの強化です。しかし、インタ フェースの実際の解剖学的位置をそれにより歪曲の異なるインターフェイスを作成する試みで画像を変形するので、このアプローチは望ましい、ないことに注意してください。

ii.モーション キャプチャの精度:ピクセルのみ正確に配置できます、ボクセルに位置センサーは、プローブの座標を正確に定量化する場合。画像の解像度の増加、モーション キャプチャの精度がより重要になります。提示された 3DUS は、0.2 mm3を使用してモーション キャプチャ システム 3DUS ボクセル アレイの再構築に十分な精度を提供する、0.1 mm の精度で x 0.2 x 0.2 のボクセルの寸法で最高作品をセットアップします。

iii.サンプリング周波数:米国画像または MoCap データ ストリームの最小時間分解能は、サンプル頻度を決定します。これは、スイープ時間またはボクセルのアレイの設定に影響します。例えば、25 からサンプル周波数が 50 Hz の 2 倍の半分の時間で実行する掃引をことができます。また、掃引速度を変更しない、ボクセル配列、埋められるべき少数のギャップを残して、それにより潜在的配列のボクセル解像度を増加するより多くの画像を提供します。ただし、サンプリング周波数を増加させることがなく、配列のボクセル解像度を増やす動きアーチファクトの可能性を増加する遅いスキャンが必要です。

iv.画像の再構成時間:高速再構成十分な利用可能な RAM を搭載した強力なワークステーションを必要とします。さらに、再建時間異なります主ボクセル アレイ ・ ボリュームとギャップ充填プロセスの複雑さに基づく。

(動)実験的プロトコル:実験的プロトコルの標準化は VL と GM は、本研究において例示するとおり、(例えば束長、分冊角度、腹部の筋肉の形態学的測定の比較のために不可欠長さ、腱の長さ、腱膜長さ) 科目と縦方向の研究の被験者個人内の監視の間。ただし、残りで評価形態が筋中に変更できます。たとえば、VL 実験のため高高泉と 60 ° 屈曲、残り50の形態と比較して短い線維束を最大収縮時に膝伸筋の形態が示します。一定の条件で (e.g。、痙性)、検査中に安静時筋活動レベルを確認する筋電図 (EMG) を使用することがあります。

vi.プローブ圧力および組織の変形: ROI に十分な超音波ゲルを適用すると、プローブと皮膚の間完全に接触を維持する圧力の量が限られています。指導としては、皮膚の上に置くように感じます、ROI をスキャンし、ゲルとの接触、それによって皮膚を保つためにのみ圧力を適用するをお勧めします。ただし、わずかな組織の変形は避け、超音波ゲルの寛大な量でもあります。プローブ サイズと湾曲した ROI 圧力またはゲルの必要量に影響を与えます。プローブ サイズとより曲線の ROI が必要より多くの圧力および/または似たような小さいプローブよりもより多くのゲル湾曲投資収益率。別の解決策は、US 像の残響 (すなわち非-皮膚接触) 領域を破棄することです。さらに、組織の変形は皮膚と皮下脂肪層など、最初の組織層で発生するらしい。ない皮下脂肪にはほとんどの科目したがって圧力の悪影響を受けやすいことに注意してください。さらに、プローブは、ない他のスイープと重複の領域は、通常の中心で最も可能性の高い組織の変形が発生します。

vii.画像と解剖学的知識:任意のイメージングのモダリティを使用してのもう一つの重要な考察は解剖学とイメージング法の両方の知識が意味を持った解釈を得るために不可欠です。主題およびイメージの成果物の間の解剖学的変異は認識でき、解剖学的構造の識別プロセスで考慮する必要があります。筋肉グループ51間または 1 つの筋肉のさまざまなコンポーネント間を区別するために解剖学的知識が必要なため健康およびよく発達した筋肉とも明確に識別が困難することができます。しかし、萎縮筋 (すなわち老人、病理学、または死体の場合)、明確な同一証明はサイズが小さいのでさらにもっと複雑、画像コントラストを減少、従ってより少なく明瞭組織インターフェイス (図 4).我々 は信じている解剖学的知識なし我々 はこの 3DUS のアプローチを設計、3DUS 測定を行う正しい判断を行うに制限されています。たとえば、GM 実験のため異なるフット プレート角度必ずしも内が発生しない予想される変更筋腱複雑な長さ、フィート7内の変形に伴う。遠位腱膜の曲率の詳細な解剖学的情報はすべて科目38半ば縦平面の適切な選択のために不可欠であった。

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図 4: 変化と品質の太ももの途中の大腿四頭筋の解剖学的断面 3DUS 画像を再構築します。男性のひと死体の (A) 例の死で萎縮状態のイメージが表示されます (死の年齢: 81 年)。大腿四頭筋の個々 の頭部の境界の同定は困難です。座りがちな男性 (30 歳) の (B) の例です。(C) 男性アスリートの漕ぎ手 (30 歳) の例です。スケールの白の正方形を表す 1 cm × 1 cmこの図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。 。

将来のアプリケーション:

3DUS アプローチは、スポーツや診療所の設定、さまざまな目的に使用できるイメージング ツールを提供します。臨床的介入の有効性は体力レベル52に関連付けられます。3DUS を使用して筋肉を失う危険にさらされている患者を監視するため質量は、重要である (例えば、参照,5354,55) と治療の調整の可能性があることができます。3DUS の別の潜在的なアプリケーションは、監視介入 (トレーニング) や傷害への応答での筋肉の形態学的適応であります。

このプロトコルは、コストと時間の効率がフリーハンド 3DUS スイープに基づく人体の軟部組織構造測定法を説明します。また、外側広筋 , 腓腹筋筋の有意義な形態学的パラメーターの評価は、有効かつ信頼性の高いことが分かった。

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

著者は、アダム ショートランドと 2004 年は、この研究で使用されるソフトウェアの開発のためのインスピレーションされた 3 次元超音波そのアルゴリズムの共有者ニコラ ・ フライに非常に感謝しています。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
超音波装置(テクノスMPX)エサオテ、イタリアNA
リニアアレイプローブ(12.5 Mhz、5 cm)エサオテ、イタリアNA
ワークステーション(HP Z440)HP、米国http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html
フレームグラバー(Canopus、ADVC 300)カノープス、日本ADVC 300
モーションキャプチャシステム(Certus)NDI、カナダhttp://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
同期装置VU、NL責任著者
キャリブレーションフレームVU、NL責任著者
温度計Greisinger、GermarnyGTH 175/PT
診察台NANA 任意の診察台
傾斜計ラファイエット計器米国 ACU001
調整可能なフットプレートVU、NL責任著者
トルクレンチVU、NL責任著者
拡張ロッドVU、NL責任著者
ゴニオメーター (Gollehon)ラファイエット計器、米国1135
三角形のビームNANA硬いフォームを作った
ラッシングストラップNANA任意のラッシングストラップ
サージカルスキンマーカーNANA任意のサージカルスキンマーカー
超音波透過ジェルサーボソンNA粘着性ゲルタイプがおすすめです
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参考文献

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