Name: 근골격계 초음파 이미징의 소설 응용 프로그램 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-09-17T09:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: 배우세요 근골격계 초음파 벡터 조직 도플러 영상 기법을 사용하여 rectus femoral 근육의 수축 속도, 변형률 및 변형률 속도를 측정하는 방법을. 이 기술은 동적 활동 중 근육 기능을 정량적으로 분석하여 퇴행성 질환의 병태생리학적 과정을 이해하는 데 활용됩니다.

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이 작품은 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 부여 번호 0953652에 의해 부분적으로는 조지 메이슨 대학 도서관 오픈 액세스 출판 기금에 의해 부분적으로 지원되었다. 우리는 고속 카메라에 대한 액세스를 제공하는 닥터 존 로버트 Cressman 주니어에게 감사의 말씀을 전합니다.

1. 수단 벡터 TDI는 두 개 이상의 독립적 인 경로에서 찍은 도플러 속도 측정에서 얻어진 속도 벡터를 추정에 기초한다. 연구 인터페이스 초음파 시스템은 vTDI 개발에 사용 하였다. 연구 인터페이스는 소프트웨어 개발 키트 (SDK)를 사용하여 저역 빔 포밍 및 펄스 시퀀스 제어를 허용했다. 128 트랜스 듀서 요소와보기의 38mm 필드로 구성된 5-14 MHz의 선형 배열 센서가 사용되었다. 연구 인터페이스는 두 개의 전송로 배열 변환기를 분리하고 구멍을 받고 일반에 대하여 15 °로 수신 빔을 조종하기 위해 사용되었다. 송신 빔은 관심 영역 (예를 들면 근육 배)에 집중되었다. 전송 및 수신 구멍 32 요소로 설정 하였다. 여덟 과목, 4 남자와 여자 4 명 (29.7 ± 6.5 세)을 대상으로 모집했다. 의 과목에서 운동 학적 측정오른쪽 하반신는 고속 성능 및 200 Hz의 샘플링 속도로 팔 카메라 모션 캡쳐 시스템을 사용하여 포착 하였다. 실험 기간 동안 그라운드 반력 데이터는 2000 Hz에서이 힘 플레이트 샘플링을 통해 얻어졌다. 고속 카메라를 삼각대에 장착하고 피사체로부터 2m에 배치는 500 프레임 / 초에서 드롭 착륙을 캡처하는 데 사용되었다. 2. 제목 준비 <ol><li> 반바지, 스포츠 브라 나 짧은 티셔츠와 운동화 한 켤레를 착용하는 과목을 부탁드립니다. </li><li> 10 분 자기 주도 워밍업 전에 데이터 수집에 스트레칭을 수행 할 대상을 지시합니다. 이것은 비정상적인 근육 수축을 방지하고 근육 경련의 범위를 줄이는 것이다. </li><li> 워밍업 세션 후, 몸의 특정 랜드 마크에 반사 마커를 배치합니다. 특히, 위치 보정 큰 trochanters 양측 내측과 외측 무릎에 마커와는 내측 및 lateraL malleoli. 사후에 추적 마커를 놓고 각 발 19 ~ 20에 허벅지와 정강이, 5 마커에 우수한 장골의 문장, 장소 클러스터를 전방. </li><li> 정적 시험을 얻기 위해 3D 카메라의 초점 영역의 중심에있는 스탠드 주제를 연출합니다. 참가자는 정적 3D 모션 캡쳐 데이터를 얻기 위해, 자신의 어깨에 걸쳐 자신의 팔을 힘 플레이트에 서 있어야합니다. </li><li> 그러면, 트랜스 듀서 홀더에 초음파 변환기를 배치하고 트랜스 듀서 홀더로부터 초음파 변환기의 빠지 피하는 좋은 기묘한을 지킨다. 트랜스 듀서 홀더는 Lexen의 폴리 카보네이트 (polycarbonate) 성형 플라스틱을 사용하여 만들어졌다. </li><li> 피부와 초음파 변환기와 좋은 접촉을 보장 변환기에서 초음파 전송 젤의 충분한 양을 적용합니다. </li><li> 이미지에 피사체의 허벅지 변환기 홀더와 함께 초음파 변환기를 배치 직근은 길이 도끼 근육 대퇴이다. 변환기는 중간 전방 장골 척추와 직근의 배 근육 대퇴 이미지 측면 epicondoyle 사이에 위치해야합니다. 다리에 초음파 변환기 및 변환기 홀더를 고정하기 전에, 대퇴사 근육 그룹의 축 슬라이스를 얻었다. 지침으로이를 사용, 확인 초음파 변환기는 이제 대퇴 직근 이미징되고 vastii 근육 그룹 이미징 방지하기 위해, 더 많은 측면 또는 중간 이동하지 않습니다합니다. </li><li> 이제, 피사체의 허벅지에 변환기 홀더를 고정 응집 자동 접착 붕대를 사용합니다. 이 절차 단계는 반사 마커를 차단하거나 포함하지 않도록하십시오. 자동 접착 붕대은 명확하거나 지나치게 빡빡하지 않아야합니다. 느슨한 붕대 드롭 랜딩 작업 중에 초음파 변환기가 떨어질 위험하고 너무 꽉 붕대는 불편을 일으키는 원인이되고, 표면 혈액의 흐름을 방해 할 가능성이 드롭 착륙 역학을 변경합니다. </li><li> t를 배치500 프레임 / 초에 영상을 수집하는 그는 고속 카메라를 멀리 시상면에서 피사체에서 최소 2 미터. 피사체의 전체 드롭 방문 시퀀스가​​ 캡처 할 수 있도록하는 카메라 렌즈를 초점. </li></ol> 3. 실험 프로토콜 <ol><li> 모든 마커와 초음파 변환기가 안전하면, 힘 플레이트에서 50cm에 높이 30cm 장소의 플랫폼에 서있는 주제를 부탁드립니다. 플랫폼 (약 2.5 m) 주변 지역 드롭 착륙 작업을 방해하거나 주제를 손상시킬 수있는 개체의 깨끗한 지 확인합니다. 이는 초음파 변환기 코드가 포함되어 있습니다. </li><li> 드롭 랜딩 작업을 시작하기 전에 및 전체 드롭 착륙 순서 동안 자신의 엉덩이에 손을 배치 할 주제를 지시합니다. </li><li> 초음파에 대한 데이터 수집, 3D 모션 캡쳐, 힘 플레이트와 드롭 착륙 작업을 시작하기 전에 고속 카메라를 시작합니다. 다른 악기 사이의 동기화를 달성 할 수있다모든 데이터 수집을 시작하는 하나의 키 입력을 사용하여 거라고. 키보드에 부착 된 압력 센서가 특정 키를 누를 동기 트리거 신호를 생성하기 위해 사용될 수있다. </li><li> 동시에, 두 다리와 플랫폼과 땅에서 드롭 랜딩 작업을 수행 할 대상을 연출합니다. 과목 대신 점프의 상자에서 드롭 있는지 확인합니다. 구체적인 지침은 착륙 기술에 대한 제공되지 않습니다. </li><li> 피사체가 완전히 안정화하고 드롭 착륙 순서를 완료하면 데이터 수집을 중지합니다. </li><li> 이 프로토콜에게 주제 당 5 회 반복한다. </li></ol> 4. 초음파 데이터 분석 <ol><li> 수출 및 컴퓨터에 초음파 시스템에서 원시 데이터를 저장합니다. </li><li> 각각의 원료 무선 주파수 (RF) 초음파 데이터를 빔이 40 MHz에서 디지털화가 나타납니다. MATLAB을 사용하여 데이터를 처리. </li><li> 반송파 주파수를 제거하기 위해 RF 데이터를 직교 복조를 수행한다. 합계를 제거ionary 및 20 Hz에서 고역 통과 필터를 사용하여 각각의 수신 빔의 각 깊이 직교 데이터를 필터링하여 저주파 혼란. </li><li> 모두 함께 추정 속도는 기존의 자기 상관 속도 추정기 (21)를 사용하여 광선을받을 수 있습니다. </li><li> (트랜스 듀서 함께) 측면 얻기 위해 각각의 속도 파형을 결합하고 그림 1과 같이 드롭의 방문 순서에 걸쳐 축 (트랜스 듀서에 수직) 속도 파형. </li><li> 이전 22 바와 같이 수학 식 1을 사용하여 각각의 속도 성분으로부터 생성 된 속도 벡터의 크기를 구하는 : <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation1.png" /> β는 1 F 2 개의 수신 주파수 성분이며, F의 t는 송신 주파수이고 F 빔 스티어링 각도이다. </li><li> 공간 gradi를 사용 dt가 측면과 축 변형률 드 /를 계산측면과 축 속도의 행군. <img alt="식 2" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation2.png" /> V 2 V 1은 거리 L.에 의해 분리 된 두 개의 공간 위치 추정 순간 속도 어디에 </li><li> 각각 축 방향 및 횡 방향 변형률을 통합하여, 축 방향 및 횡 방향 변형, 전자 계산합니다. <img alt="식 3" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation3.png" /></li></ol> 5. 3D 모션 캡처 데이터 분석 <ol><li> 추가 분석을 위해 컴퓨터에 3 차원 모션 캡쳐 데이터를 내보낼. </li><li> 정적 서 시험을 사용하여, 최소 제곱 최적화 (23) 3D 모션 캡쳐 소프트웨어를 사용하여 운동 학적 모델 (골반, 허벅지, 정강이, 발)를 만듭니다. </li><li> 엉덩이의 움직임, 무릎, 발목 관절의 양이 운동 학적 모델을 사용합니다. </li><li> 4 차 로우 패스 Butterwor를 사용하여 반사 마커 궤적과지면 반력 필터12 Hz에서 25 Hz에서 각각 3 차원 모션 캡처 소프트웨어 사용의 컷오프 주파수를 가진 번째 필터. </li><li> 뎀스터의 방법에 따라 각 참가자에 대해 추정 세그먼트 관성 특성을 이용하여, 표준 역 동성 분석을 이용하여 운동 학적 및 지상군 데이터에서 3-D 조인트 힘과 모멘트를 산출한다. 간 분절 공동 순간은 내부의 순간 (예를 들면 무릎 내선 순간 무릎에 적용되는 굴곡 하중에 저항한다)로 정의됩니다. </li></ol> 6. 고속 카메라 데이터 분석 <ol><li> 분석 및 초음파 및 3D 모션 캡쳐 학적 데이터와 비교하기위한 컴퓨터로 고속 카메라 데이터로부터 영상을 내보내. </li><li> 15 프레임 / 초에서 동영상을 재생하고 드롭 착륙 역학을 관찰합니다. </li><li> 그러면, 트랜스 듀서 홀더의 움직임과 해부에 표시 마커를 추적하여 전체 드롭 랜딩 시험 동안 초음파 변환기의 변위를 수치화고속 비디오 데이터를 이용하여 CAL 마크. 드롭 착륙 역학을 평가하는 것은 더 나은 다른 발사 및 착륙 스타일을 이해하는 동시에도를 수행 할 수 있습니다. </li></ol>

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</ol>

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초음파 영상은 3 차원 모션 캡처, dynamometry, 근전도, 및 지상 반력 측정과 같은 종래의 수단을 보완 할 수 동적 연구에서 근육 운동학의 직접적인 평가를 제공 할 수있는 능력을 갖는다. 이 방법은 기본적인 생체 역학 연구 및 임상 평가에 광범위하게 적용 할 수 있습니다. 원시 무선 주파수 (RF) 초음파 데이터 또는 봉투 감지 그레이 스케일 (또는 B-모드) 이미지 데이터에 대한 상호 상관을 사용하여 (1) 얼룩 추적 방법 : 초음파를 이용하여 조직의 움직임을 추정하는 세 가지 주요 방법이 있습니다. 이러한 기술은 광범위 골격 24-25 및 심장 (26)의 근육 움직임 추적 및 추정에 모두 사용되고, (2), 근육 다발 또는 기능 27-28 및 심장 (29) 모두에 사용되는 (3) 조직 도플러 이미징 기술을 추적하는 화상 처리 방법 -30과 골격 31 모션 추정. 공간 간 C를 기반으로 얼룩 추적orrelation 조직의 움직임을 추적하고 서브 픽셀 해상도의 움직임을 추적 할 수 있습니다 널리 사용되어왔다. 그러나, 스페 클 패턴은 큰 동작시 신속하게 상관 관계를 해제. 이미지 평면 중 운동은 또한 얼룩 추적을위한 도전을 포즈. 추적 근육 다발 길이 방법은 전체 다발이 역동적 인 작업을하는 동안 이미지의 시각화 잘 적용이 있습니다. 처리 된 화상 데이터에 의존하는 방법으로는 촬상 프레임 레이트에 의해 제한 낮은 시간 해상도를 가지고 있고, 따라서 높은 속도로 동작을 추적 할 수 없다. 또한, 이러한 다발 추적 방법은 비행기의 움직임 아웃에 매우 민감하다. 따라서 근육에 프로브 이동 상대는 추적이 실패 할 수 있습니다. 기존의 조직 도플러 영상 (TDI)의 속도 추정뿐만 아니라 작은 프로브의 움직임에 더 강력하고, 더 높은 시간 해상도를 가질 수 있습니다. 도플러 방법에 따라서 도플러 추정이 부정확 한 뒤 수 있습니다 만 초음파 빔을 따라 속도의 구성 요소를 추정 할 수있다근육의 움직임 insonation의 다양한 각도로 전자. 제안한 vTDI 방법은 서로 다른 각도로 스티어링 된 두 개의 서로 다른 초음파 빔을 이용하여이 문제를 극복한다, 따라서 속도 추정치는 결상면에서 insonation 각도 독립적이다. 또한, vTDI의 유효 시간 해상도는 약 0.1 밀리 될 수 있으므로이 방법은 동적 인 활동을하는 동안 (예 : 드롭 방문, 보행과 조깅을) 골격 근육의 움직임을 추적 할 수 있습니다. 우리의 접근의 다른 이점은 벡터 조직 도플러 촬상을 수행하기위한 임상 초음파 시스템을 기반으로 선형 어레이 영상 센서의 사용을 포함한다. 우리는 전자적으로 전송이 / 넓은 시야를 스캔, 빔 스티어링, 조리개의 크기와 위치를 포커스를받을 제어. 또한,이 방식은 동시에 실시간으로 촬상 듀플렉스 vTDI을 수행하도록 확장 될 수있다. 우리의 시스템은 우리가 L로 기존의 B-모드 영상을 수행 할 수 있습니다조직의 긴장과 운동 역학의 부량 관심 영역을 ocate. 이 방법은 임상 스캐너에 구현 된 이후, 우리는 생체 역학 연구를위한 보행 실험실에서이 vTDI 방법을 배포 할 수있게되었습니다. 이 기술의 한계는 인정해야합니다. 여러 요인들은 도플러 측정의 정확도에 영향을 미친다. (을 따라 근육 섬유에서) 두 가지 차원에서 vTDI 기반의 속도 추정 (32 요소 폭) 두 개의 송신 / 수신 서브 개구로 분할, 15 °로 빔을 조종하는 선형 배열 변환기가 필요합니다. 초음파는 높은 각도로 빔을 전송 및 수신 핸들은 엽 (叶)을 격자에 의한 속도 측정에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 vTDI의 빔 중첩 영역의 면적은 잠재적으로 속도 추정에 영향을 미치는 32 안쪽 가변 빔 포커스를 변경한다. 도플러 추정치의 분산은 t (1) 분석 시간 창 내에서 가속 및 감속의 조직 (2) 분산에 의존도플러 레인지 게이트 내의 문제 속도 (3) 광대역에 사용되는 개구 내의 가변 도플러 각도 송신라고도 초음파 빔을 수신 스펙트럼 형상 (33) 및 송신 초음파 펄스 (4)의 대역폭을 넓혀시기 도플러 시프트 반송파 주파수 (34)에 비례한다. 몇 가지 방법은 분산을 제한하는 데 사용될 수있다. 그런 자기 상관 위상 기반 속도 추정기는, 일반적 스펙트럼 추정기에 비해 더 작은 분석 시간 윈도우를 이용하지만, 그들은 도플러 시프트보다는 피크 시프트를 의미 추정된다. 광대역 2D 같은 푸리에 스펙트럼 추정기 (35)로 인해 펄스 대역폭 분산을 줄일 수있는 변환. 이 도플러 빔 스티어링을 이용 vTDI의 경우, 근육 빔 중첩 영역 상대적 조직 속도의 변화는 또 다른 고려 사항이다. 대퇴 직근의 근육 수축은 3D 및 수축를 내보에ITY 근육을 따라 공간적으로 변화한다. 따라서주의 깊게 관심 영역을 선택하는 것이 중요합니다. 이 연구에서, 우리는 vTDI를 사용하여 여덟 건강한 지원자에서 드롭 랜딩 작업하는 동안 대퇴 직근 근육 운동학의 반복성을 조사 하였다. 시험은 독립했다하더라도, 우리는 시련과 개인에 대한 높은 상관 반복 피크 근육의 수축 속도를 관찰했다. 우리는 현재 추가로이 패턴을 조사하는 연구에 더 많은 과목을 모집하고 있습니다. 이 연구는 비 침습적 제공하고 직근의 수축 속도의 실시간 측정 드롭 착륙하는 동안 근육 대퇴. 수축 속도의 다음과 같은 패턴을 드롭 랜딩 작업 (그림 2)의 다양한 단계에서 관찰되었다 : 1. 근육의 수축 속도는 (무릎 굴곡 (실행 단계) 및 연장 동안 축 방향에 비해 좌우 방향으로 지배적 인 공기 P하세). 대퇴 직근 근육의 공중파 단계에서 실행 단계 및 동심 수축시 편심 수축을 겪고 있기 때문에 이것은 예상된다. 2. 무시할 낮은 축 근육 속도와 세 번째 단계 (발가락이지면에 닿지) 동안 낮은 측면 근육 속도. 이것은이 단계 3시 대퇴 직근의 근육 수축을 낮출에 해당합니다. 발 뒤꿈치가 땅에 닿을 직후 축 방향 및 횡 방향의 근육 속도의 상당한 증가. 이 근육 섬유 각각 근육 섬유에 정상에 따라 속도의 증가를 초래, 아마 때문에 압축 형태로 편심 수축과 변화 모두를 겪고 근육 때문이다. 드롭 랜딩 작업이 높은 충격 작업이라는 사실에도 불구하고, vTDI는 반복 직근 근육 속도를 대퇴 보여 주었다. 이 근육이 과도한로드에서 무릎 관절을 보호 할 책임이있는 때문에이 초음파 기술은 임상 적 영향을 미칠 수 있습니다.따라서, 전방 십자 인대 재건술 환자에서 대퇴 직근 근육의 추가 평가는 OA의 초기 및 가속 발병으로 이어지는 메커니즘을 이해하기 위해 보증합니다. 이 연구의 참가자는 모두 30 ㎝ 높이 플랫폼에서 자연 드롭 랜딩 작업을 수행하도록 요청했지만, 우리는 점프 또는 실행의 높이의 차이를 발견했다. 또한, 고속 카메라 데이터를 사용하여, 모든 피사체가 다른 방울 착지 스타일을 한 것으로 관찰되었다. 이 작업을하는 동안 활성화 패턴의 가능한 차이의 결과로 근육 대퇴 직근의 피크 결과 속도 값의 주제 사이의 약간의 차이를 설명 할 수있다. 또 다른 가능한 요인은 잠재적으로 근육 수축의 다른 수준으로 이어질 및 생산을 강제 할 수있는 대퇴 직근 근육의 단면적의 차이입니다.

근골격계 질환은 성인 1에서 널리 유행이다. 그들은 미국 2에서 선도적 인 만성 질환이며, 전 세계적으로 3 사람의 25 %에 영향을 미칠 것으로보고있다. 근골격계 질환은 일상 생활 (ADL), 기능 제한과 수명 4의 낮은 품질의 활동을 감소 기능과 연관된다. 경제적 부담 때문에 생산성 손실과 높은 의료 비용 4 중요하다. 이러한 장애의 여러 가지의 병태 생리는 부적절하게 이해 상태를 유지합니다. 예를 들어, 전방 십자 인대 (ACL) 부상의 재건 다음과 골관절염 (OA) 4의 병인은 대퇴사 두근의 근력과 기능 5 변경에 연결되어 있습니다,하지만 기본 메커니즘은 불분명하다. 기본 메커니즘을 설명하기 위하여, 더 나은 동적 근육 기능을 이해하기 위해 필요하다. 기능개별 근육의 평가는, 부분 또는 ADL과 활동적인 라이프 스타일 (예 : 스포츠)과 관련된 전체 작업의 성능을하는 동안 근육의 기능과 이러한 질환의 병인 및 병태 생리에서의 잠재적 인 역할에 대한 자세한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 또한 재활 동안 근육 기능 개선 정량화 결과 측정으로 사용될 수있다. 병원에서 근육과 관절 기능을 측정하는 종래의 기술은 운동 범위, 근력 및 / 또는 근육 그룹 지구력 등의 체력 검사를 포함한다. 현재 병원에서, 근전도 (EMG)를 근육 활성화 / 공동 활성화, 주파수 및 근육 활동의 진폭을 평가하는 데 사용된다. 그러나, EMG는 근육의 전기 활성의 측정은 반드시 근력, 수축 능력 및 근육의 다른 기능 요소에 대한 정보를 제공하지 않는다. 같은 3D 모션 캡쳐 시스템 F와 같은 다른 복잡한 생체 역학적 평가,또는 접지 반력 조인트 동역학 및 운동학 및 포스 판 보용 실험실 6-9에서 수행 될 수있다. 이들 기술에 의해 측정 조인트 레벨에 반드시 동적 또는 기능적 활동을하는 동안 개별 근육 기능의 이해를 직접 제공하지 않는다. 동적 활동을 수행하면서 동시에 근육의 이미징을 수행 할 수있는 능력은 잠재적으로 근육의 수준에서보다 효율적이고 현실적인 기능 평가로 이어질 수 있습니다. 연구의 대부분은 정적 인 경향이 위치에있는 근육의 기능에 초점을 맞추고있다,이 방법은 실시간 상황에서 근육의 행동에 대한 우리의 이해를 향상시키기 위해 새로운 길을 열 수 있습니다. 진단 초음파는 실시간으로 근육과 힘줄의 직접 이미지를 사용할 수 있습니다, 따라서 ADL 동안 근골격계 역학과 기능을 측정하기위한 매력적인 대안이다. 의 초음파 기반의 정량적 측정근육의 두께, 길이, 폭, 단면적 (CSA), 섬유 pennation 각도와 다발의 길이와 근육의 형태와 구조는, 널리 10-12을 사용하고 있습니다. 최근 몇 년 동안, 이미지 처리 방법은 동적 인 작업 13-14 동안 이러한 양적 조치를 평가하고 정량화하기 위해 사용되어왔다. 이러한 발전은 생체 근육의 기능에 대한 이해에 대한 새로운 방법 론적 접근 방식을 사용할 수있다. 그러나, 이러한 방법은 주로 기존의 그레이 스케일 (또는 B-모드) 초음파 영상을 사용에 의존, 따라서 충분히 가치있는 것으로 표시되었습니다 조직 속도, 변형 및 도플러 원리를 사용하여 변형 속도를 측정하는 초음파의 가능성을 악용하지 않은 심장 근육 기능 15-16을 평가. 우리는 높은 시간 해상도 (하위 millisecon와 수축 속도, 변형 및 변형 속도를 측정 할 수있는 벡터 조직 도플러 영상 (vTDI) 기술을 개발 한D) 동적 활동 17 ~ 18시. 특히, vTDI 기술은 높은 프레임 속도에서 매우 역동적 인 작업 (예 : 드롭 방문, 걸음 걸이 등)을하는 동안 근육과 힘의 측정을 수행 할 수 있습니다. vTDI 기술은 초음파 빔을 따른 속도 성분만을 추정 종래 도플러 초음파 비해 개선하고 insonation 각도에 따라서 좌우된다. vTDI는 서로 다른 각도로 스티어링 된 두 개의 서로 다른 초음파 빔을 이용하여 근육 및 힘줄의 속도를 추정하고, 결상면에서 insonation 각도 따라서 독립적이다. 근육 수축은 3D로 발생하기 때문에, 결상면의 만곡은 여전히​​ 중요하다. 우리는 임상 환경에서 만들어지는 이러한 측정을 가능하게 연구 인터페이스를 시판 초음파 시스템에서이 방법을 구현했습니다. 반복성과 vTDI의 SYST의 적용 가능성을 조사하려면EM은 동적 작업하는 동안 대퇴 직근 근육 속도를 측정, 우리는 건강한 성인 지원자에 예비 연구를 시행 하였다. 이 논문은 방법론과 수축 속도를 추정하기위한 실험 장치를 보여줍니다, 변형 및 직근의 변형 속도는 드롭 랜딩 작업 중에 밀리 초 이하의 시간 분해능을 가진 근육을 대퇴.

<table><tbody><tr><td>초음파 시스템</td><td>Ultrasonix</td><td>Sonix RP</td><td></td></tr><tr><td>3D 모션 캡처 시스템</td><td>Vicon 모션 시스템</td><td>Vicon T-20</td><td></td></tr><tr><td>포스 플레이트</td><td>Bertec Corporation</td><td>Bertec 4060-10</td><td></td></tr><tr><td>고속 카메라</td><td>Photron</td><td>Photron 512 PCI 32K</td><td></td></tr></tbody></table>

근골격계 초음파 이미징의 소설 응용 프로그램

A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

초음파는 동적 인 작업을하는 동안 영상 근육과 힘줄의 움직임에 대한 매력적인 양상과 임상 또는 실험실 환경에서 생체 역학 연구를위한 상호 보완적인 방법 론적 접근 방식을 제공 할 수 있습니다. 이 목표를 향해, ​​초음파 영상에서 근육 운동 역학의 정량 방법이 개발 한 이미지 프로세싱을 기반으로하고 있습니다. 이러한 방법의 시간 해상도는 드롭 방문으로 매우 역동적 인 작업을 위해 일반적으로 충분하지 않습니다. 우리는 근육의 운동 역학을 정량화하기위한 도플러 방법을 활용하는 새로운 접근 방식을 제안한다. 우리는 새로운 벡터 조직 도플러 영상 초음파를 사용하여 동적 활동을하는 동안 밀리 초 이하의 시간 해상도와 근골격계 수축 속도, 변형 및 변형 속도를 측정 할 수있다 (vTDI) 기술을 개발했다. 이 예비 연구의 목적은 근골격계를 내보 측정의 반복성과 vTDI 기술의 적용 가능성을 알아보고자 하였다건강한 주제에있는 드롭 랜딩 작업 동안 ities. vTDI 측정은 공동 기구학 및 동역학에 대한 3 차원 모션 캡처,지면 반력에 대한 근육의 활성화와 힘 플레이트의 타이밍에 대한 근전도와 같은 다른 생체 역학 기술과 동시에 수행 할 수 있습니다. 이러한 보완적인 기술의 통합은 근골격계 질환의 병인 및 병태 생리를 기본 동적 근육의 기능과 장애의 더 나은 이해로 이어질 수 있습니다.

방법을 보여주는 우리의 이전 직장에서 대표 결과는 다음과 같다. 우리의 현재의 연구에 사용 된 방법은 영상과 모션 캡처를 통합하는 동안, 아래에 제시 대표적인 결과는 이러한 측정을 별도로 수행 된 연구에서이다. I. 초음파 (vTDI) 3D 모션 캡처 및 고속 카메라, 피사체의 점프의 패턴의 데이터를 사용하여, 방문 및 안정화 단계는 각 시험에 대한 공부했다. 축 방향 및 외 직근이 vTDI에서 근육 속도를 대퇴은 3D 모션 캡처 및 고속 카메라에서 수집 된 데이터를 비교 하였다. 이 데이터를 사용하여, 드롭 착륙 순서에 걸쳐 축 방향 및 횡 방향 대퇴 직근 근육 속도의 시간적 특성을 연구 하였다. 긍정적 인 측면 속도는, 무릎 굴곡시 대퇴 직근 근육의 편심 수축에 대응부정적인 측면 속도는 무릎 확장하는 동안 근육의 동심 수축에 대응하면서. 이것은도 2에 도시되어있다. 모든 주제에 대한 전체 드롭 방문 순서는 약 1.45 ± 0.27 초 지속되었다. 각 과목의 경우, 축 방향 및 횡 근육 속도는 0.99의 기울기 및 R2가 = 825 (도 3)과 실험 사이의 강한 반복성을 보였다. 두 과목 (두 사람이) 더 높은 속도가 있었을 때 8 번 중 6 번 주제에 대한 속도 값은 48-62cm / sec의 유사 범위에 있었다. 각 과목의 개별 체중과 근육의 두께에 대한 조정 때 남성은 (72.96 cm / 초)이 여성보다 훨씬 높은 근육 속도 (48.71 cm / 초), P = 0.029을 발표했다. 초음파 트랜스 듀서의 위치는 고속 카메라를 사용하여 드롭 방문 순서를 생각 추적 하였다. 대전 자부와 커프스 (녹색 대시 사이의 선분 사이의 각도에드 선분) 중반 허벅지와 팔목 (자주색 점선 구간) 사이의 라인 세그먼트 (segment)를 계산 하였다. 주제 당 2 시험 16 시험의 총, (재판 1 &amp; 2는 1 주제와 관련 등) 그림 4에서 관찰된다. 착륙시 해부학 적 마커 변환기 홀더 상대의 최소 각도 변화 (0.91 °​​ ± 0.54도)는 16 실험을 통해 관찰되었다. 초음파 변환기 각도 변화가 (ICC 2,1 = 0.90, P &lt;0.05)뿐만 아니라 높은 반복성을 발표했다.이 착륙 시험 중에 변환기 운동은 최소한의 것을 보여주고 속도 측정으로 인해 모든 변환기의 움직임에 영향을받지 않았다. II. 3D 모션 카메라 · 포스 플레이트 우리는 주로 무릎과 엉덩이 굴곡 각도, 무릎 외반 각도와 무릎의 외반 순간에 집중했다. 엉덩이 F : 우리는지면과의 초기 접촉시, 주제는 다음과 같은 운동 패턴을주었습니다LEXION 41 ° ± 13도, 무릎 굴곡 23 ° ± 9도, 무릎 외반 0.03 ° ± 6도. 그들이 착륙 단계 진행으로, 달성의 최대 각도는 : 엉덩이 굴곡 58 ° ± 19도, 무릎 굴곡 54 ° ± 24도, 무릎 외반 -4 ± 8도 (그림 5) °. 무릎 외반 모멘트가 착륙 단계 (그림 6) 동안 최대로 초기 접지에서 0.1 ± 0.1 ㎚ / km에 0.03 ± 0.03에서 감소를 발표했다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig1.jpg" /> 그림 1. 직근의 vTDI 속도 측정의 표현은 근육 대퇴. 회색 빔이 두 개의 개별 전송을 대표하는 빔과 레드 라인 (무릎의 근위-말단 방향) 횡 방향 속도 성분을 나타내며, 파란색 선은 축 속도를 나타냅니다를받을 (근육의 두께에 따라) 구성 요소입니다. &lt;P 클래스 = &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig2.jpg" /> 그림 2. 드롭 착지시 축 방향과 횡 속도는 비디오 프레임들의 시퀀스 (상부 패널)에 비교된다. 하판은 초기 무릎의 굴곡에 대응하는 축 방향 및 측 방향 속도가이고, B는 무릎 확장자에 대응하고, C는에 대응 발가락 바닥에 충격을 가한 경우, D는 땅을 치는 발 뒤꿈치에 해당하고, E는 무릎 굴곡 포스트 착륙 해당하고 F 무릎 확장 및 안정화에 해당합니다. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig3.jpg" /> 그림 3. 8 과목 (과목당 2 시험)의 결과 속도 벡터의 크기의 반복은. 남자는 파란색 동그라미에 붉은 다이아몬드와 여자로 표시되어 있습니다. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig4.jpg" /> 그림 4. 패널 A. 오류초음파 변환기 홀더 제 선분 및 허벅지 중간 (보라색 점선 부분)에 대한 마커 및 초음파 변환기에 의해 선분과 대전 자부의 마커 사이의 각도 (녹색 선분을 점선). 패널 B. 허벅지 중간 및 초음파 변환기 및 대 전자에 마커 제 선분에 초음파 변환기 홀더 및 마커 제 선분 사이의 각도의 절대 오차. <img alt="그림 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig5.jpg" /> 그림 5. 그림은 드롭 랜딩 작업 중에 3D 모션 캡처를 보여줍니다. 플랫폼에서 발사 초기 무릎의 굴곡에 대응이, B는 지상 눈에 띄는 발가락에 해당하고, C가 바닥을 치는 발 뒤꿈치에 대응, D는 무릎 굴곡 포스트 착륙에 해당하고 E는 KNE에 해당전자 확장 및 안정화. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50595/50595fig5hires.jpg" target="_blank">큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig6.jpg" /> 그림 6. 그림은 드롭 점프의 자세 단계에서 담당자 무릎 외반 모멘트의 변화를 보여줍니다. 무릎 외반 모멘트가 착륙 단계에서 최대 초기 접지에서 0.1 ± 0.1 ㎚ / km에 0.03 ± 0.03에서 증가를 발표했다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50595/50595fig6hires.jpg" target="_blank">큰를 보려면 여기를 클릭하십시오 그림.</a>

우리는 역동적 인 활동을하는 동안 밀리 초 이하의 시간 분해능을 가진 근육의 수축 속도, 변형 및 변형 속도를 측정하는 새로운 초음파 기반의 벡터 조직 도플러 영상 기술에 대해 설명합니다. 이 방법은 동적 인 근육 기능의 보완적인 측정을 제공하고 근골격계 질환을 기본 메커니즘에 대한 이해로 이어질 수 있습니다.

Ultrasound is an attractive modality for imaging muscle and tendon  motion during dynamic tasks and can provide a complementary methodological  approach ...

본 절차의 전반적인 목적은 벡터 조직 도플러 영상을 사용하여 드롭 랜딩 작업 중 대퇴직근의 수축, 속도, 변형 및 변형률을 밀리초 미만의 시간 분해능으로 추정하는 것입니다. 이를 위해 먼저 피험자의 하지에 반사 마커를 부착하고 피험자의 허벅지에 트랜스듀서를 배치하여 준비합니다. 다음으로 피험자가 팔을 가슴 위에 얹은 채 모션 캡처 볼륨의 중앙에 서도록 요청한 후, 정적 시도를 캡처합니다.그 다음, 피험자는 플랫폼 위에 서 있다가 플랫폼에서 뛰어내려 양발로 동시에 착지하는 드롭 랜딩 과제를 수행합니다. 최종적으로 벡터 조직 도플러 영상을 통해 드롭 랜딩 과제 중 대퇴직근의 운동학적 특성을 확인할 수 있으며, 모션 캡처 시스템을 사용하여 관절의 운동학 및 운동역학을 정량화한 결과를 얻을 수 있습니다. 이 기술이 3D 모션 캡처나 근전도 검사와 같은 기존의 다른 방법들과 비교하여 갖는 주요 장점은 초음파 영상이 개별 근육 운동에 대한 직접적인 추정치를 제공할 수 있다는 점입니다.또한, 벡터 조직 도플러 영상은 매우 높은 프레임 속도로 근육 움직임의 크기와 방향을 모두 제공할 수 있어, 특히 드롭 랜딩과 같은 활동에서 기존의 초음파 영상 기술보다 여러 가지 장점을 가집니다. 이 방법은 동적 과제 수행 중 근골격계 운동학의 정량적 측정값을 제공함으로써 생체역학 및 재활 징후 분야의 핵심적인 질문들에 대한 답을 제시할 수 있습니다. 또한, 이 방법은 골관절염의 조기 발병이나 전방 십자 인대 부상 후와 같은 퇴행성 질환의 병태생리학적 과정을 이해하는 데 적용될 수 있습니다.이는 동적인 활동 중에 관절 역학과 근골격계 기능을 동시에 정량화할 수 있기 때문입니다. 이러한 초기 발달의 근본적인 과정을 이해하기 위해, 본 절차에서는 피험자에게 스포츠 브라 또는 짧은 티셔츠, 반바지 및 러닝화를 착용하도록 요청하십시오. 시작하기 전, 데이터 수집에 앞서 피험자가 10분 동안 스스로 웜업과 스트레칭을 수행하도록 지시하십시오.이는 비정상적인 근육 수축을 방지하고 근육 경련의 범위를 줄이기 위함입니다. 웜업 세션 후, 접착 테이프를 사용하여 대전자, 양측 무릎의 내측과 외측, 그리고 외측 비골두에 반사 보정 마커를 부착하십시오. 그런 다음 후상장골극과 전상장골극에 추적 마커를 부착하십시오.허벅지와 종아리에 클러스터를 배치하고, 마지막으로 각 발에 5개의 마커를 부착합니다. 다음으로, 맞춤 제작된 트랜스듀서 홀더에 초음파 트랜스듀서를 단단히 고정하고, 트랜스듀서와 피부 사이의 접촉을 원활하게 하기 위해 초음파 전용 겔을 충분히 도포합니다. 그런 다음 홀더가 장착된 초음파 트랜스듀서를 피험자의 상전장골극과 외측상과 사이의 중간 지점인 허벅지에 배치합니다.초음파 트랜스듀서와 홀더를 다리에 고정하기 전, 대퇴사두근 군의 축면 또는 횡단면 영상을 얻습니다. 이를 가이드 삼아 트랜스듀서를 종단면 방향으로 회전시켜, 초음파 트랜스듀서가 대퇴직근을 촬영하고 있으며 외측이나 내측으로 움직이지 않는지 확인합니다. 반사 마커를 가리지 않으면서 외측광근 군이 촬영되는 것을 방지하기 위해, 자가 점착성 밴디지를 사용하여 홀더를 피험자의 허벅지에 편안하게 고정합니다.그 다음, 정적 3D 동작 캡처 시험을 얻기 위해, 피험자가 양팔을 어깨 위에 올린 상태로 3D 카메라의 포커스 영역 중심에 있는 지면반력기에 서 있도록 안내합니다. 설정을 완료하려면, 고속 카메라를 시상면에서 피험자로부터 최소 2m 떨어진 곳에 배치하고, 피험자의 전체 드롭 랜딩 시퀀스가 캡처될 수 있도록 카메라 렌즈의 초점을 맞춥니다. 피험자에게 높이 30cm의 플랫폼 위에 서게 하고, 지면반력기에서 50cm 떨어진 주변에 장애물이 없는 상태에서, 드롭 랜딩 과제를 시작하기 전과 전체 드롭 랜딩 시퀀스 동안 양손을 골반 위에 올리도록 지시하며, 드롭 랜딩 과제를 시작하기 전 초음파 3D 데이터 수집을 시작합니다.포스 플레이트와 고속 카메라를 이용해 동작을 캡처합니다. 다음으로, 피험자에게 플랫폼에서 점프하는 것이 아니라 아래로 떨어지듯 내려와 양발로 동시에 착지하는 드롭 랜딩 과제를 수행하도록 지시합니다. 피험자가 완전히 안정되고 드롭 랜딩 시퀀스를 완료하면 데이터 수집을 중단합니다.원시 무선 주파수 초음파 데이터를 분석하려면, MATLAB을 사용하여 초음파 데이터 파일을 가져오고 데이터에 직교 복조를 수행하여 반송파 주파수를 제거하십시오. 두 수신 빔 모두에서 en 모드 영상을 생성하여 근육의 움직임을 시각화하고, 기존의 자기 상관 속도 추정기를 사용하여 두 수신 빔을 따른 속도를 추정하십시오. 개별 속도 파형을 결합하여 드롭 랜딩 시퀀스 전반의 횡방향 및 축방향 속도 파형을 얻으십시오.다음 방정식을 사용하여, 빔 조향 각도가 beta일 때 개별 속도 성분으로부터 합성 속도 벡터의 크기를 구하십시오. F1과 F 두 개는 수신된 두 주파수 성분이며, FT는 송신 주파수입니다. 횡방향 및 축방향 속도의 공간 구배를 이용하여 횡방향 및 축방향 변형률 속도 de epsilon over DT를 계산하십시오.V two와 V one이 거리 L로 떨어진 두 공간 지점에서 추정된 순간 속도라고 가정합니다. 그 후, 축 방향 및 횡 방향 변형률 속도를 각각 적분하여 축 방향 및 횡 방향 변형률 epsilon을 계산합니다. 3D 모션 캡처 데이터를 내보낸 후, 최소제곱 최적화 기능이 포함된 3D 모션 캡처 소프트웨어를 사용하여 골반, 대퇴, 하퇴 및 발의 운동학적 모델을 생성합니다. 해당 모델을 사용하여 고관절, 슬관절 및 족관절의 움직임을 정량화합니다.반사 마커의 궤적과 지면 반발력을 필터링합니다. 각각 7 Hz 및 25 Hz의 차단 주파수를 가진 4차 저역 통과 버터워스 필터를 사용하십시오. 표준 역역학 분석과 피험자에 대해 추정된 분절 관성 특성을 사용합니다.Dempster의 방법에 따라, 고속 카메라 데이터를 분석하기 위해 운동학 및 지면 반력 데이터로부터 3D 관절력과 모멘트를 계산합니다. 비디오를 내보낸 후, 초당 15프레임으로 재생하여 낙하 착지 역학을 관찰합니다. 그런 다음 해당 데이터를 사용하여 전체 낙하 착지 시험 동안의 트랜스듀서 홀더의 움직임과 초음파 트랜스듀서의 변위를 정량화합니다.여기서 보이는 것처럼 해부학적 랜드마크의 가시적 마커를 추적함으로써, 드롭 랜딩 시퀀스 전반에 걸친 대퇴직근의 축방향 및 측방향 속도의 시간적 특성을 분석하면, 양의 측방향 속도는 무릎 굴곡 시 대퇴직근의 편심성 수축에 해당하며 음의 측방향 속도는 무릎 신전 시 근육의 동심성 수축에 해당함을 알 수 있습니다. 이 그래프에서 나타나듯이, 모든 피험자의 전체 드롭 랜딩 시퀀스는 피험자당 약 1.45 ± 0.27초 동안 지속되었으며, 축방향 및 측방향 근육 속도는 기울기 0.99, r squared 0.75로 시행 간에 강한 반복성을 보였습니다. 8명 중 6명의 피험자에 대한 속도 값은 48에서 62 cm/s의 유사한 범위 내에 있었습니다.남성 피험자 2명의 속도가 더 높게 나타났으나, 각 피험자의 개별 체중과 근육 두께를 보정했을 때 남성이 여성보다 유의미하게 더 높은 근육 속도를 보였습니다. 초음파 트랜스듀서의 위치는 고속 카메라를 통해 드롭 랜딩 시퀀스 동안 추적되었습니다. 트랜스듀서와 커프 사이의 선분과 허벅지 중간과 커프 사이의 선분 사이의 각도를 계산하였습니다.이 그림은 피험자당 2회씩, 총 16회의 시행 결과를 나타냅니다. 착지 시 해부학적 표식에 대한 트랜스듀서 홀더의 각도 변화는 16회 전체 시행 동안 최소한으로 관찰되었습니다. 초음파 트랜스듀서의 각도 변화 또한 높은 재현성을 보였습니다.이는 착지 시험 중 트랜스듀서의 움직임이 최소였으며, 속도 측정값이 트랜스듀서의 움직임에 의해 영향을 받지 않았음을 보여줍니다. 무릎 및 고관절 굴곡 각도, 무릎 외반 각도 및 무릎 외반 모멘트에 초점을 맞춘 결과, 지면과의 초기 접촉 시 고관절 굴곡 41 ± 13°, 무릎 굴곡 23 ± 9°, 무릎 외반 0.03 ± 6°의 운동학적 패턴이 확인되었으며, 이는 착지 단계가 진행됨에 따라 변화하였습니다. 도달한 최대 각도는 고관절 굴곡 58 ± 19°, 무릎 굴곡 54 ± 24°, 무릎 외반 -4 ± 8°였습니다. 또한, 무릎 외반 모멘트는 지면 초기 접촉 시 0.03 ± 0.03 N·m/kg에서 착지 단계 중 최대 0.1 ± 0.1 N·m/kg로 감소하였습니다.전체 방법론에 숙달되면, 전체 데이터 수집을 수행하는 데 약 1시간이 소요될 수 있습니다. 이 절차를 수행하는 동안, 작업 전반에 걸쳐 초음파 탐촉자와 피부 사이에 충분한 접촉이 유지되는지 확인하고, 3D 마커가 이탈되지 않도록 하는 것이 중요합니다. 탐촉자의 움직임이 과도할 경우.해당 절차는 반복 수행되어야 합니다. 이 영상을 시청한 후, 여러분은 벡터 조직 도플러 영상을 이용하여 드롭 랜딩 과제 중 높은 시간 해상도로 대퇴직근의 속도, 변형률 및 변형률 속도를 추정하는 방법에 대해 충분히 이해하게 되었을 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Medicine

의학

진단 초음파 영상은 사람과 동물을 대상으로 각종 호흡기 질환을 진단하는 데 효과적 일 수있다. 우리는 구체적으로 마우스 모델에서 다이아 프램 역학을 분석하는 박사 ZUO의 실험실에 의해 이용 포괄적 인 초음파 프로토콜을 보여줍니다. 이것은 또한 마우스 호흡기 근육의 기능에 대한 정량적 인 정보를 제공 할 수있는 비 침습적 연구 기법이다.

마우스 다이어프램 기능의 진단 초음파 이미징

3D 초음파 (3DUS) 이미징 골격 조직의 신속 하 고 비용 효율적인 morphometry 수 있습니다. 우리는 3DUS를 사용 하 여 근육 볼륨 및 잘라냅니다 길이 측정 하는 프로토콜을 제시.

3 차원 초음파 영상: 골격 조직의 신속 하 고 비용 효율적인 Morphometry

이 연구는 근육 근막 길이 측정을 목적으로 확장 된 시야 초음파 (EFOV-US) 방법을 사용하여 고품질 근골격계 이미지를 얻는 방법을 설명합니다. 우리는 일반적인 전통적인 초음파 (T-US) 프로브의 시야를 지나서 확장하는 매심을 가진 근육에 이 방법을 적용합니다.

근육 근막 길이를 측정하기 위해 골격 근육의 품질 확장 된 시야 초음파 이미지 획득

이 프로토콜은 기존의 비침습적 이미지 양식에 대한 실용적이고 비용 효율적이며 빠른 대안으로 로봇 초음파 (미국)를 보여줍니다.

마우스 신장의 생체 내 분석을 위한 3D 로봇 초음파 사용

밝기 모드 초음파는 골프 스윙 중에 측면 복벽 근육의 시각적 바이오 피드백을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 스윙 후 시각 및 언어 교육은 근육 활성화와 외부 및 내부 복사근의 타이밍을 증가시킬 수 있습니다.

밝기 모드 초음파를 사용하여 시각적 바이오피드백 제공 골프 스윙 중

초음파 영상은 임상 및 연구 환경에서 점점 더 접근성이 높아지고 있으며, 일관된 프로토콜은 연구 간 비교 및 임상 해석에 도움이 될 것입니다. 초음파 평가를 위한 이 프로토콜은 건강한 건병증성 힘줄 및 파열된 힘줄에서 아킬레스건 형태를 평가하는 유효하고 신뢰할 수 있는 방법입니다.

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