Artykuł metodologiczny

Obrazowanie ultrasonograficzne 3D: szybka i opłacalna morfometria tkanki mięśniowo-szkieletowej

24.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55943

⸱

27 listopada 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

W tym artykule

Podsumowanie

Obrazowanie ultrasonograficzne 3D (3DUS) umożliwia szybką i tanią morfometrię tkanek mięśniowo-szkieletowych. Przedstawiamy protokół pomiaru objętości mięśni i długości pęczków za pomocą 3DUS.

Streszczenie

Celem rozwojowym obrazowania ultrasonograficznego 3D (3DUS) jest opracowanie metody do wykonywania morfologicznej analizy ultrasonograficznej 3D ludzkich mięśni. Obrazy 3DUS są konstruowane z kalibrowanych odręcznych obrazów ultrasonograficznych 2D w trybie B, które są umieszczane w matrycy wokselowej. Obrazowanie ultrasonograficzne (USG) umożliwia ilościowe określenie wielkości mięśni, długości pęczka i kąta klatki. Te zmienne morfologiczne są ważnymi determinantami siły mięśniowej i zakresu długości wywieranej siły. W przedstawionym protokole opisano podejście do określania objętości i długości pęczka m. vastus lateralis i m. gastrocnemius medialis. 3DUS ułatwia standaryzację przy użyciu odniesień anatomicznych 3D. Podejście to zapewnia szybkie i ekonomiczne podejście do ilościowego określania morfologii 3D w mięśniach szkieletowych. W opiece zdrowotnej i sporcie informacje na temat morfometrii mięśni są bardzo cenne w diagnostyce i/lub ocenach kontrolnych po leczeniu lub treningu.

Wprowadzenie

W opiece zdrowotnej i sporcie, informacje o morfologii mięśni są bardzo cenne w diagnostyce i/lub dalszych ocenach po leczeniu lub treningu1. Obrazowanie ultrasonograficzne (US) jest powszechnie używanym narzędziem do wizualizacji struktur tkanek miękkich w chorobach mięśni2, choroby krytyczne3,4, choroby sercowo-naczyniowe5, zaburzenia neurologiczne6,7,8, oraz efekty treningu fizycznego6,9,10. Obrazowanie USG umożliwia ilościowe określenie wielkości mięśni, długości pęczka i kąta klatacji. Te zmienne morfologiczne są ważnymi determinantami siły mięśniowej i długości zakresu siły nacisku11,12,13,14,15.

Obecnie, pomiary obrazowania w USA są najczęściej wykonywane na obrazach 2D, gdzie egzaminator wybiera przypuszczalnie odpowiednią orientację i lokalizację sondy ultradźwiękowej. Takie metody 2D ograniczają pomiary morfologiczne do jednej płaszczyzny obrazu, podczas gdy interesujący nas parametr może nie występować w tej płaszczyźnie. Analiza morfologiczna wymaga podejścia 3D, zapewniającego pomiary poza płaszczyzną przy użyciu punktów odniesienia 3D. Wiadomo, że taka morfologiczna reprezentacja 3D tkanek miękkich jest dostarczana przez obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI)16,17,18,19,20. Jednak rezonans magnetyczny jest drogi i nie zawsze dostępny. Ponadto wizualizacja włókien mięśniowych wymaga specjalnych sekwencji MRI, takich jak obrazowanie tensora dyfuzji (DTI)21. Opłacalną alternatywą dla rezonansu magnetycznego jest obrazowanie ultrasonograficzne 3D (3DUS). Podejście 3DUS ma kilka zalet w porównaniu z technikami MRI, np. nakłada mniejsze ograniczenia przestrzenne na ustawienie obiektu podczas badania. Obrazowanie 3DUS to technika sekwencyjnego przechwytywania obrazów 2D (B-mode US) i umieszczania ich w tablicy elementów objętości (wokseli)22,23,24. Proces rekonstrukcji obrazu 3DUS składa się z pięciu kroków: (1) Wykonanie serii odręcznych obrazów 2D z USA; (2) Śledzenie pozycji sondy amerykańskiej za pomocą systemu Motion Capture (MoCap); (3) Synchronizacja pozycji MoCap i obrazów amerykańskich; (4) Obliczanie położenia i orientacji obrazów ultrasonograficznych w obrębie woksela przy użyciu skalibrowanego układu odniesienia; oraz (5) Umieszczenie tych obrazów w tej tablicy wokseli.

Podejście 3DUS zostało z powodzeniem zastosowane do oceny morfologii mięśni szkieletowych15,25,26,27,28,29. Jednak poprzednie podejścia7,15,25,30 okazały się uciążliwe, czasochłonne i technicznie ograniczone, ponieważ można było zrekonstruować tylko małe segmenty dużych mięśni.

Aby ulepszyć podejście 3DUS, opracowano nowy protokół 3DUS, który pozwala na rekonstrukcję całych mięśni w krótkim czasie. W tym artykule opisano zastosowanie obrazowania 3DUS do morfometrii m. vastus lateralis (VL) i m. gastrocnemius medialis (GM).

Protokół

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały zatwierdzone przez komisję etyki medycznej centrum medycznego VU w Amsterdamie, Holandia.

1. Instrumentacja

  1. Podłącz urządzenie do USG do komputera pomiarowego. W razie potrzeby użyj sprzętowego i/lub programowego modułu do przechwytywania klatek w celu zapisania sekwencyjnych obrazów USG.
    UWAGA: Do generowania obrazów w trybie B (25 Hz) zastosowano liniową głowicę 5-cm (12,5 MHz). Przed każdym pomiarem zoptymalizowano głębokość obrazowania, częstotliwość akustyczną oraz moc, aby uzyskać widoczność granic tkanek łącznych pozamiąższowych i wewnątrzmiąższowych. Ustawienia te nie są zmieniane podczas pomiaru.
  2. Podłącz system MoCap do komputera pomiarowego.
  3. Sztywno przymocuj grupę markerów MoCap do głowicy USG, aby śledzić jej pozycję i orientację.
  4. Podłącz urządzenie synchronizujące (kryształ piezoelektryczny) do wejścia wyzwalającego systemu MoCap.
    UWAGA: Aktywacja urządzenia synchronizującego powoduje chwilowe pobudzenie kryształu piezoelektrycznego, który wysyła fale dźwiękowe w stronę przetwornika. Odebrane fale dźwiękowe tworzą charakterystyczny artefakt na obrazie USG w momencie uruchomienia systemu (Rysunek 1A, strzałka).
  5. Napełnij specjalnie wykonaną ramkę kalibracyjną (fantom) wodą.

2. Kalibracja

UWAGA: Przeprowadź kalibrację przestrzenną, aby obliczyć macierz transformacji (toTfrom) obrazów US względem układu współrzędnych głowicy. Proces ten został opisany wcześniej2. Poniżej znajduje się krótki opis.

  1. Umieść fantom wypełniony wodą, w którym znajduje się krzyżowy drut pomiarowy (t. j. dwóch zanurzonych krzyżujących się drutów) w znanej pozycji w układzie współrzędnych fantoma (pHxyz Rycina 1B, strzałka), na stabilnej powierzchni.
  2. Zmierz temperaturę wody za pomocą termometru.
  3. Użyj wskaźnika systemu MoCap, aby zarejestrować pozycję i orientację fantoma w globalnym układzie współrzędnych (Gl).
  4. Rozpocznij próbkowanie obrazu US i aktywuj akwizycję danych MoCap (opisaną w kroku 3.3.3).
  5. Zanurz głowicę sondy USG (Pr) w wodzie. Przesuwaj i obracaj głowicę US przez 40 s (próbkowanie z częstotliwością 25 Hz) we wszystkich kierunkach, utrzymując widoczność krzyżaka na obrazach US (Im).
  6. Zatrzymaj akwizycję danych.
  7. Zsynchronizuj dane MoCap i obrazy USG, identyfikując pierwszą klatkę USG zawierającą artefakt wytworzony przez kryształ piezoelektryczny, a następnie odpowiednio przytnij sekwencję obrazów USG (opisano w kroku 3.4.1.1).
  8. Zidentyfikuj odpowiednie obrazy USG, na których wyraźnie widoczny jest drut przekreślny, a następnie wyznacz pozycję drutu przekreślnego na tych obrazach USG (iImxyz), i skoryguj ustawienie temperatury wody.
  9. Wyznacz pozycję nitki krzyżowej względem elementu ruchomego Pr poprzez szereg przekształceń z pH do Pr (Równanie 1) w momentach czasu (i = 1:n) odpowiadających identyfikacji drutów poprzecznych w kroku 2.8.
    Równanie macierzowe dla modelowania danych statystycznych, z wykorzystaniem wielowymiarowej macierzy prawdopodobieństwa.
  10. Oblicz Im Proszę podać tekst do przetłumaczenia. Pr macierz transformacji (PrTIm) poprzez rozwiązanie Równanie 2obejmujące wszystkie identyfikacje przewodu poprzecznego w Im (zmierzonych w kroku 2.8) w czasie dopasowanych (i = 1:n) współrzędnych krzyża nitkowego w Pr (obliczone w kroku 2.9). 
    Równanie macierzowe dla transformacji wektorowej; reprezentacja matematyczna w badaniach naukowych.

Schemat przechwytywania ruchu z osiami, prędkością i rotacją; obrazowanie i parametry dla badania analizy.
Rysunek 1: Schemat algorytmu 3DUS. (ASystem przechwytywania ruchu (Motion Capture, MoCap) jest wykorzystywany do śledzenia grupy markerów sztywno połączonych z głowicą ultradźwiękową w globalnym układzie współrzędnych (GlSynchronizacja danych z systemu MoCap i ultradźwięków odbywa się przy wykorzystaniu artefaktu (strzałka) wprowadzonego przez kryształ piezoelektryczny wyzwalany przez system Optotrak.B) Położenie i orientacja układu współrzędnych obrazu ultradźwiękowego (Im) oblicza się względem układu współrzędnych sondy (Pr) poprzez zidentyfikowanie znanego punktu w obrębie Pr i ImW tym celu zastosowano specjalnie zaprojektowany fantom wypełniony wodą, w którym umieszczono krzyżowe włókna pomiarowe (t.j. dwóch zanurzonych krzyżujących się drutów) w znanej pozycji w układzie współrzędnych fantoma (pH). (C) Poprzez serię przekształceń oblicza się ten znany punkt w Pr. (D) Mając pełną serię znanych przekształceń, obrazy z Im można przekształcić do dowolnego układu współrzędnych macierzy wokseli (Va). Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

3. Protokół eksperymentalny

UWAGA: Protokół eksperymentalny opisuje dwa powszechnie stosowane protokoły obejmujące obrazowanie 3DUS, tj. morfometrię GM i VL (Rycina 2A).

  1. Pozycjonowanie badanego
    1. Dla eksperymentu GM:
      1. Poproś badanego o położenie się na stole badawczym w pozycji prone (na brzuchu), tak aby obie stopy wystawały poza krawędź stołu. 
      2. Ustawy dolną część nogi poziomo, umieszczając podpórkę pod kością piszczelową. Przymocuj udo do stołu badawczego za pomocą wyściełanych pasów mocujących, aby zapobiec wyprostowi kolana podczas protokołu eksperymentalnego. 
      3. Umieść stopę kończyny przeznaczonej do skanowania w specjalnie wykonanej podkładce pod stopę.31. 
      4. Podłącz wykonany na zamówienie klucz dynamometryczny z dołączonym goniometrem do płyty stopowej31Wyznacz kąt podnóżka odpowiadający zewnętrznie przyłożonemu momentowi obrotowemu, np.., 0 Nm (Rysunek 2A). 
      5. Utrwal stopę w orientacji odpowiadającej momentowi zgięcia grzbietowego netto wynoszącemu 0 Nm, używając wysuwanego pręta połączonego ze stołem (Rysunek 2A, strzałka).
    2. Dla eksperymentu VL:
      1. Poproś badanych o położenie się na plecach na stole badawczym. 
      2. Ustaw kąt zgięcia kolana (t. j. zdefiniowany operacyjnie jako kąt między liniami łączącymi środki kostka boczna z epicondylus lateralis a ten drugi z trochanter większy) do 60°poprzez umieszczenie podudzi na wsporniku.
      3. Umieścić belkę o przekroju trójkątnym pod pośladkami, aby zapobiec ruchom stawu biodrowego. 
      4. Przymocuj dolną część nogi do podpory za pomocą dwóch wyściełanych pasów mocujących, aby zapobiec ruchom nogi podczas protokołu eksperymentalnego. 
      5. Ustaw kąt w stawie biodrowym (t.j. zoperacjonalizowany jako kąt między liniami łączącymi wyrostek kruczy z trochanter większya ostatni z nadkłykciem tętnica udowa bocznado 95°poprzez zmianę kąta nachylenia oparcia stołu zabiegowego. 
        Uwaga: Wybrano opisaną pozycję, ponieważ odpowiada ona kątom w stawach podczas optymalnych pomiarów izometrycznego wyprostu kolana32,33. 
  2. Lokalizacja punktów orientacyjnych kości i obszaru zainteresowania (ROI) 
    Uwaga: Procedurę tę przeprowadza się w celu naprowadzowania badania ultrasonograficznego 3D oraz dla poeksperymentalnej kwantyfikacji postawy uda, podudzia i stopy badanego. Należy zidentyfikować i zarejestrować położenie anatomicznych punktów orientacyjnych w globalnym układzie współrzędnych, używając wskaźnika narzędzia MoCap.
    1. Dla eksperymentu GM:
      1. Zidentyfikuj drogą palpacji następujące punkty orientacyjne i zaznacz je za pomocą chirurgicznego markera do skóry: najbardziej wystające grzbietowe części przyśrodkowego i bocznego nadkłykcia kości udowej oraz środki kostek piszczelowej i strzałkowej.
      2. Za pomocą urządzenia US zidentyfikuj i zaznacz markerem chirurgicznym do skóry najbardziej powierzchowne punkty przyśrodkowego i bocznego kłykcia kości udowej (na stronie grzbietowej nogi) oraz najbardziej proksymalne miejsce przyczepu mięśnia GM do kości piętowej. 
    2. Do pomiaru VL:
      1. Zidentyfikuj za pomocą palpacji następujące punkty orientacyjne i zaznacz je chirurgicznym pisakiem do skóry: kostki przyśrodkową i boczną (jak powyżej); najbardziej proksymalne przyczep ścięgna rzepki do guzowatość piszczeli; przyrostki przyśrodkowy i boczny kości ramiennej (jak powyżej); wierzchołek rzepki oraz najbardziej przyśrodkowe, proksymalne i boczne granice przyczepu na rzepce; oraz wyrostek kruczy na barku.
      2. Zidentyfikuj za pomocą urządzenia USG i zaznacz najbardziej powierzchowny aspekt trochanter większy or najbardziej proksymalne przyczepienie mięśnia VL na trochanter większy.
    3. W przypadku wszystkich mięśni należy użyć wskaźnika MoCap do zarejestrowania zaznaczonych punktów orientacyjnych (opisanych w sekcjach 3.2.1 i 3.2.2) w globalnym układzie współrzędnych. Należy przesunąć wskaźnik MoCap do zidentyfikowanych punktów orientacyjnych anatomicznych, a następnie zarejestrować ich położenie w oprogramowaniu MoCap, naciskając przycisk „record”. 
    4. Wykorzystaj badanie ultrasonograficzne w celu zidentyfikowania przyśrodkowej i bocznej krawędzi mięśnia; zaznacz krawędzie przyśrodkową i boczną na skórze za pomocą chirurgicznego markera skórnego. 
  3. Badanie ultrasonograficzne 3D
    1. Poinstruować badanego, aby nie poruszał się podczas badania ultrasonograficznego 3D.
    2. Nanieś obfitą ilość żelu do ultrasonografii na badany obszar (ROI), aby zapewnić odpowiedni kontakt między skórą a głowicą USG. 
      Uwaga: Takie zastosowanie żelu pozwala na ograniczenie nacisku głowicy, a tym samym deformacji tkanki, co jest niezbędne do uzyskania wyraźnego obrazu USG. 
    3. Otwórz oprogramowanie do przechwytywania klatek (np., WinDV34) na komputerze pomiarowym i rozpocząć akwizycję obrazów USG, klikając przycisk „Record”. 
      1. Następnie należy uruchomić i aktywować akwizycję danych MoCap, naciskając przycisk „start” na urządzeniu synchronizacyjnym; spowoduje to automatyczną aktywację urządzenia synchronizacyjnego (t. j. kryształ piezoelektryczny) znajdujący się w pobliżu głowicy USG, co powoduje powstanie wyraźnego artefaktu w obrazie USG w momencie uruchomienia systemu MoCap (Rycina 1A, strzałka). 
    4. Przesuwaj głowicę ze stałą prędkością nad obszarem zainteresowania (ROI), wywierając minimalny nacisk, przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości obrazu; czynność tę nazywa się „przeskanowaniem”. Upewnij się, że zarejestrowano wyraźne obrazy USG w przekroju anatomicznym mięśnia docelowego.
    5. Wizualnie sprawdź, czy badany porusza się podczas badania; w przypadku ruchu badanego przerwij skanowanie i powtórz procedurę od kroku 3.3.1.
    6. Protokół skanowania dla eksperymentu GM
      1. Umieść głowicę USG proksymalnie w stosunku do kłykci kości udowej na przyśrodkowej stronie uda. Wykonaj przesunięcie (opisane w sekcjach 3.3.1 – 3.3.5) w kierunku proksymalno-dystalnym wzdłuż przyśrodkowej krawędzi mięśnia brzuchatego łydki (GM), zapewniając widoczność przyśrodkowej krawędzi GM i ścięgna Achillesa na obrazach przekroju anatomicznego, aż do miejsca jego przyczepu do kości piętowej.
      2. Wykonaj dodatkowe przejścia (opisane w sekcjach 3.3.3 – 3.3.5), aż do momentu zeskanowania całego ROI i całkowitego obrazowania przyśrodkowej krawędzi mięśnia (Rysunek 2B). Należy wykorzystać ślad w żelu z poprzedniego przejścia jako pomoc przy kolejnym przejściu, tak aby obszar ten lekko nakładał się (0,5 cm) na obszar uprzednio przeszkanowany.
    7. Protokół skanowania dla eksperymentu VL
      1. Umieść głowicę USG na bocznej części plateau piszczeli. Rozpocznij przesuwanie głowicy w kierunku dystalno-proksymalnym wzdłuż bocznej krawędzi m. vastus lateralis (VL), zapewniając widoczność bocznej krawędzi m. VL, aż do miejsca jego przyczepu początkowego na krętar k १२.
      2. Wykonaj dodatkowe przejścia (zgodnie z opisem w sekcjach 3.3.3 – 3.3.5), aż do momentu zeskanowania całego ROI i pełnego zobrazowania przyśrodkowej krawędzi mięśnia VL (Rysunek 2B). Należy wykorzystać ślad w żelu z poprzedniego przejścia jako prowadnicę dla kolejnego przejścia, lekko nakładając je (0,5 cm) na poprzednio opracowany obszar.
        Uwaga: Podczas protokołu skanowania należy zapobiegać ruchom badanego, ponieważ ruchy negatywnie wpływają na pozycjonowanie obrazów 2D US w macierzy wokseli. Liczba skanowań jest określana przez szerokość głowicy oraz szerokość docelowego mięśnia. Zazwyczaj, przy szerokości głowicy 4 cm i szerokości mięśnia 12 lub 18 cm, do pokrycia ROI wraz z jego granicami potrzeba odpowiednio 5 lub 7 skanowań. 

Schemat biomechaniki mięśni nogi, z koncentracją na mięśniach GM i VL podczas analizy wysiłku fizycznego.
Rysunek 2: Schemat układu eksperymentalnego oraz przesunięć głowicy ultradźwiękowej nad mięśniami docelowymi (m. gastrocnemius medialis konfiguracja (GM) i m. vastus lateralis (konfiguracja VL). (A) Specyficzne konfiguracje stawów badanego dla dwóch warunków eksperymentalnych. Obiekty zaznaczone na zielono są regulowane w celu ustawienia pozycji i orientacji kończyn. Strzałka wskazuje wysuwaną prętową regulację służącą do ustalenia kąta nachylenia podnóżka. (B) Ścieżka wielokrotnych przesunięć głowicy ultradźwiękowej nad obszarami zainteresowania. Niebieskie strzałki reprezentują pojedyncze przesunięcia nad obszarami zainteresowania. Lewo: przesunięcia nad mięśniem brzuchatym głowy (GM); Prawo: przesunięcia nad mięśniem szerokim grzbietu (VL). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Rekonstrukcja macierzy wokseli obrazowania 3D w ultrasonografii 
    1. Zrekonstruuj pojedynczą macierz wokseli 3DUS (obraz 3DUS) z pojedynczego przesunięcia głowicy po skórze w obrębie określonego anatomicznego obszaru zainteresowania (ROI)np., mięsień, ścięgno) poprzez wypełnianie luk (bin-filling) i inpainting macierzy wokseli 3DUS za pomocą niestandardowego skryptu. Aby zrekonstruować macierz wokseli 3DUS, należy wykonać następujące kroki po zakończeniu eksperymentu.
      1. Zsynchronizuj dane MoCap i obrazy USG, identyfikując pierwszą klatkę USG zawierającą artefakt powstały w wyniku działania kryształu piezoelektrycznego, a następnie odpowiednio przytnij sekwencję obrazów USG za pomocą oprogramowania VirtualDub35Najpierw ustaw suwak wyboru klatek na zidentyfikowanej klatce początkowej i naciśnij klawisz „home” na klawiaturze. Następnie przesuń suwak do końca pomiaru (ostatniego kontaktu ze skórą) i naciśnij klawisz „end”. Naciśnij klawisz „F7”, aby wyeksportować przyciętą sekwencję obrazów. 
      2. Zdefiniuj macierz wokseli (Vaukład współrzędnych, który może zostać wypełniony obrazami US za pomocą niestandardowego skryptu. Należy upewnić się, że Va jest zorientowany zgodnie z kierunkiem skanowania i ma rozmiar dopasowany do wszystkich obrazów US pochodzących z jednego przejścia. 
        Uwaga: Początkowo Va składa się z prostopadłościennych wokseli, których dłuższe osie są skierowane wzdłuż kierunku skanowania; taki kształt poprawia efektywność wypełniania. 
      3. Przypisz woksele w Va z wartościami szarości pikseli z obrazów US, przy użyciu niestandardowego skryptu. Proces ten opisuje się jako mapowanie bezpośrednie lub wypełnianie koszyków (Równanie 3; Rycina 1C)23,24. 
        Równania równowagi statycznej; matematyczny wzór macierzowy; schemat edukacyjny.
        Uwaga: Przedstawiono tutaj mapowanie bezpośrednie obrazów US 2D w Va zgodnie z orientacją i położeniem obrazów w układzie współrzędnych Va. Krótko mówiąc, pozycje wszystkich pikseli jednego obrazu (Obrazowaniexyz(1:n)) w momencie czasowym (i) są jednocześnie rzutowane na macierz wokseli. Procedura wypełniania koszy wypełnia jedynie zaadresowane woksele, pozostawiając woksele niezaadresowane puste (t. j. czarny).
        Uwaga: Równanie z Pr, T, i, G, reprezentujące model matematyczny lub statystyczny, obraz symbolu. oznacza odwrotność wcześniej opisanej macierzy transformacji (t. j. a Pr do Gl macierz transformacji).
      4. Za pomocą niestandardowego skryptu zidentyfikuj luki wewnątrz tablicy wokseli (t. j. czarne voksele). Wykonaj następujące kroki, stosując binarną analizę obrazu:
        1. Utwórz wypełnioną binarną tablicę wokseli, w której wszystkie wypełnione woksele są oznakowane. Wykorzystaj binarną dylatację i erozję obrazu z elementem strukturalnym o tym samym rozmiarze, aby oznakować wszystkie istotne woksele (t. j. woksele o określonej wartości szarości) wewnątrz zeskanowanego obszaru. Luki wykrywa się poprzez odjęcie binarnej macierzy wokseli wypełnionej binami (z lukami) od odpowiednich wokseli (bez luk).
          Uwaga: Kolejne operacje dylatacji i erozji są etapami przetwarzania obrazu służącymi do uzupełnienia obrazów binarnych. Wykonanie tych kroków jeden po drugim pozwala zachować zewnętrzne granice przy jednoczesnym usunięciu luk wewnątrz obrazu. 
      5. Wypełnij zidentyfikowane luki, stosując „procedurę inpaintingu”, i otocz woksele o wartościach szarych36.
        Uwaga: Niniejszą technikę inpaintingu można wykorzystać do: „wypełniania luk gładkim interpolantem w oparciu o minimalizację sumy kwadratów drugiej pochodnej w każdym oznakowanym wokselu, mierzonej za pomocą różnic skończonych na siatce”36.
      6. Wyrównaj wymiary wokseli dla Va za pomocą interpolacji „bicubic” i zapisz macierz wokseli jako skumulowany obraz .tiff (obraz 3DUS).
  2. Rekonstrukcja z wielu skanów
    1. Zrekonstruuj wszystkie poszczególne skany (opisane w sekcji 3.4) obejmujące jeden większy ROI zgodnie z tą samą Va układ współrzędnych do scalania wielu pomiarów.
    2. Utwórz nowy Va układ współrzędnych o rozmiarze dopasowanym do wszystkich pojedynczych zrekonstruowanych skanów.
    3. Umieść osobnik Vakrok po kroku do większej VaJeśli woxel został już przypisany przez inny Vaten woksel zostanie nadpisany tylko wtedy, gdy nowy woksel będzie miał wartość szarości ≥10 w skali 8-bitowej; w przeciwnym razie nowa wartość szarości woksela zostanie odrzucona.

4. Pomiar zmiennych morfologii mięśni

  1. Użyć zestawu narzędzi Medical Interaction Toolkit37 (MITK) do załadowania obrazu 3DUS i wyznaczenia współrzędnych początku, przyczepu oraz końcowego odcinka brzuszca mięśnia.
    1. Po załadowaniu obrazu 3D ustawić tryb przekrojenia na „Coupled crosshair rotation”. Osie należy wyrównać z mięśniem lub strukturami kostnymi, aby precyzyjnie wyznaczyć współrzędne.
      UWAGA: W ocenie punktów anatomicznych MITK jest preferowany nad innym oprogramowaniem do analizy obrazowania 3D, ponieważ umożliwia szybkie i interaktywne przekroje macierzy wokseli w dowolnym kierunku („Coupled crosshair rotation”), co ułatwia procedurę identyfikacji.
  2. W celu pomiaru objętości mięśnia użyć MITK do zidentyfikowania granic brzuszca mięśnia pomiędzy jego początkiem a końcowym odcinkiem. Użyć wbudowanej w MITK funkcji segmentacji, aby ręcznie przeprowadzić segmentację wielu anatomicznych przekrojów poprzecznych, rozłożonych równomiernie wzdłuż długości brzuszca mięśnia (Ryc. 3A).
    1. Otworzyć „segmentation tool” i utworzyć „new segmentation”. Rozpocząć segmentację granic mięśnia zidentyfikowanych w przekroju poprzecznym w połowie długości brzuszca mięśnia. Nacisnąć klawisz „A” na klawiaturze, aby dodać segmentację ręczną, a następnie rysować, naciskając lewy przycisk myszy i przesuwając kursor wzdłuż granic mięśnia. Nacisnąć klawisz „S”, aby usunąć fragmenty segmentacji.
    2. Naciskać klawisz odpowiadający ostatnio wybranemu trybowi (np. „A” lub „S”), aby przenieść celownik na inne przekroje wzdłuż brzuszca mięśnia. Powtórzyć krok 4.2.1 w celu segmentacji nowo wybranego przekroju. Powtórzyć ten krok co najmniej 6 razy przed przejściem do następnego etapu.
    3. Ustawić „Interpolation” na „enable”, a następnie przejrzeć zaproponowane segmentacje granic mięśnia (żółte linie) we wszystkich przekrojach wzdłuż długości brzuszca mięśnia.
    4. Dodać dodatkowe segmentacje w tych przekrojach, w których zaproponowana interpolowana segmentacja (żółta linia) nie odpowiada granicy mięśnia na obrazie. Powtórzyć krok 4.2.2.
    5. Nacisnąć przycisk „Confirm for all slices” i wybrać płaszczyznę, w której wykonano segmentacje.
    6. Zapisywać objętość binarną jako plik danych rastrowych nearly raw (NRRD) i obliczyć rozmiar objętości oznaczonej za pomocą niestandardowego skryptu.
  3. Wyznaczyć orientację płaszczyzny średnio-podłużnej pęczków brzuszca mięśnia, obejmującej pełną długość pęczków (Ryc. 3A)38.
    UWAGA: Płaszczyzna średnio-podłużna jest definiowana przez trzy punkty. Pierwszymi dwoma punktami są początek i końcowy odcinek brzuszca mięśnia. Trzeci punkt znajduje się na anatomicznym obrazie przekroju poprzecznego w połowie drogi między początkiem a końcowym odcinkiem brzuszca mięśnia. Na tym obrazie przekroju poprzecznego punkt środkowy między pierwszymi dwoma punktami, rzutowany na styczną do rozcięgna dystalnego, wyznacza trzeci punkt, który wraz z początkiem i końcowym odcinkiem brzuszca mięśnia definiuje płaszczyznę średnio-podłużną.
  4. W płaszczyźnie średnio-podłużnej zmierzyć długość pęczków w predefiniowanej, zestandaryzowanej pozycji pomiędzy początkiem a końcowym odcinkiem brzuszca mięśnia (np. 50%). Przeprowadzić segmentację granic mięśnia. Umieścić linię w połowie i obracać ją do momentu, aż będzie zgodna z kierunkiem pęczków znajdujących się pod spodem. Punkty przecięcia tej linii z granicami mięśnia stanowią szacunkową długość pęczków (Ryc. 3B).
    UWAGA: Wcześniej uznano za konieczne uwzględnienie czasami zakrzywionej orientacji rozcięgna dystalnego38, co widać na anatomicznym obrazie przekroju poprzecznego (Ryc. 3B>) wykonanym w połowie drogi między początkiem a końcowym odcinkiem brzuszca mięśnia.

Ultradźwiękowe obrazy w przekroju anatomicznym i w płaszczyźnie pęczków mięśniowych oraz schemat przyczepu początkowego, końcowego i brzuszca mięśnia.
Rysunek 3: Schemat analizy 3DUS. (A) Identyfikacja i segmentacja granic docelowego mięśnia na obrazie anatomicznym w przekroju poprzecznym, wykonanym w połowie długości brzuszca mięśnia. Ciągła zielona linia reprezentuje orientację płaszczyzny środkowej podłużnej (t. j. zorientowane prostopadle do orientacji rozcięgna dystalnego (niebieska przerywana linia). (B) Pomiar długości pęczka wykonuje się w płaszczyźnie środkowej wzdłuż pęczka. Czerwony przezroczysty obszar jest segmentowany poprzez identyfikację granic mięśnia. Przerywaną żółtą linię umieszcza się w połowie brzuszca mięśnia i obraca do momentu, aż pokryje się ona z kierunkiem pęczków znajdujących się poniżej. Punkty przecięcia tej linii z aponeurozą proksymalną i dystalną (połączonymi grubą ciągłą żółtą linią) stanowią szacunkową wartość długości pęczka. Ciągła zielona linia reprezentuje położenie i orientację anatomicznej płaszczyzny przekroju poprzecznego. Góra: GM (m. gastrocnemius medialis) i dół: VL (m. vastus lateralis) mięśnia. Białe kwadraty służące jako skala reprezentują obszar 1 cm x 1 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Wyniki

Opisana technika 3DUS została wykorzystana do zebrania danych morfologicznych mięśnia pośladkowego wielkiego (GM) oraz mięśnia szerokiego grzbietu (VL) u czterech męskich zwłok ludzkich w wieku 76,8 ± 7,9 lat w chwili śmierci (średnia ± SD). Zwłoki pozyskano w ramach programu donacji Katedry Anatomii i Neuronauki Centrum Medycznego Vrije Universiteit (VUmc) w Amsterdamie, Holandia. Ciała zakonserwowano metodą balsamowania mającą na celu zachowanie cech morfologicznych tkanki39.

Przed sekcją wykonano obraz 3DUS mięśnia brzuchatego głowy (GM) oraz mięśnia długiego głowy (VL) zgodnie z opisaną metodologią. Podczas sekcji usunięto skórę, tkankę podskórną i powięzie pokrywające GM i VL. Wykonano cięcie wzdłużne pośrodkowo, uwzględniając orientację rozcięgna dystalnego. Za pomocą suwmiarki zmierzono długość pęczków mięśniowych w połowie odległości między początkiem a końcem dystalnym brzuszca mięśnia. Następnie, po przetnięciu ścięgna, wypreparowano brzuszec mięśnia i zanurzono go w skalibrowanej kolumnie wody. Za pomocą programu ImageJ zmierzono objętości na fotografiach kolumny wody z brzuścem mięśnia oraz bez niego, a objętość mięśnia obliczono z różnicy40. Długość pęczków i objętość mierzono trzykrotnie, a następnie obliczono wartości średnie i odchylenie standardowe. Trafność kryterialną między metodą 3DUS a pomiarami z sekcji sprawdzono za pomocą korelacji Pearsona dla średniej długości pęczków i objętości mięśnia. Wiarygodność wewnątrzoperatorską pomiarów długości pęczków i objętości uzyskanych metodą 3DUS określono za pomocą dwukierunkowego mieszanego modelu współczynnika korelacji wewnątrzklasowej (ICC3,3)41, a po logarytmicznej transformacji danych obliczono współczynnik zmienności (CV). Trafność pomiarów długości pęczków i objętości mięśnia potwierdzono poprzez istotne i wysokie korelacje (odpowiednio r = 0,998, p <0,01 oraz r = 0,985, p <0,01). Wiarygodność wewnątrzoperatorska pomiarów długości pęczków i objętości uzyskanych metodą 3DUS była wysoka (odpowiednio ICC3,3 0,983, CV 7,3% oraz ICC3,3 0,98, CV 5,4%). Stwierdzono, że przedstawione podejście 3DUS jest trafnym i niezawodnym narzędziem do oceny objętości i długości pęczków ludzkiego VL i GM (Tabela 1).

Analiza mięśni preparatów anatomicznych; sekcja vs 3DUS; tabela objętości i długości pęczków; porównanie danych.
Tabela 1: Dane z walidacji na zwłokach. C# to numer zwłok, GM to m. gastrocnemius medialis, VL to m. vastus lateralis„Dissection” przedstawia wyniki sekcji zwłok, a „3DUS” pokazuje wyniki analizy obrazowania 3DUS zwłok.

Dyskusja

Przedstawiono poprawną i niezawodną technikę 3DUS, która umożliwia szybką analizę zmiennych morfometrycznych mięśni szkieletowych. Różne podejścia 3DUS do obrazowania tkanek miękkich są dostępne od około dekady42,43, jednak techniki 3DUS nadal nie są powszechnie stosowane. Rezonans magnetyczny (MRI) jest „złotym standardem” w szacowaniu objętości mięśni in vivo (np. referencje16,17,18,19,20). Poprawność MRI została przetestowana i potwierdzona w badaniach porównujących fantomy lub organy pośmiertne o znanej objętości z szacunkami objętości opartymi na MRI4,45. Jednak dostępność MRI do celów badawczych jest ograniczona, a skanowanie jest czasochłonne i kosztowne. Ponadto pozycje badanych obiektów są ograniczone przez średnicę otworu skanerów MRI. Typowe obrazy MR generują niewystarczający kontrast, aby przeprowadzić pomiary zmiennych geometrii mięśni (długości i kąty pęczków). Niemniej jednak geometria mięśni 3D może być oceniana również za pomocą MRI przy zastosowaniu dodatkowych technik, np. techniki DTI21. Podobnie jak MRI, obrazowanie US zapewnia odpowiednie rozróżnienie na granicach między różnymi typami tkanek (tzn. widoczne na obrazach US), stanowiąc poprawną metodę oceny objętości tkanek miękkich1,30,4,46,47,48,49. W przeciwieństwie do MRI, obrazy 3DUS mają wystarczający kontrast, aby przeprowadzić analizę zarówno objętości, jak i geometrii mięśni w ramach tego samego pomiaru.

Ponadto zaprezentowana technika pozwala na łączenie obrazów z wielu skanowań w jedną macierz, co umożliwia badanie większych mięśni. Ta nowa metoda 3DUS stanowi potencjalne narzędzie do klinicznej oceny morfologii mięśni. Metoda ta może być wykorzystana również do obrazowania struktur tkanek miękkich innych niż mięśnie (np. ścięgien, narządów wewnętrznych, tętnic).

Modyfikacje w celu skrócenia czasu przetwarzania w trybie offline:

Modyfikacje podejścia 3DUS były nakierowane głównie na skrócenie czasu przetwarzania oraz możliwość pomiaru większych mięśni. Czas przetwarzania offline obrazu 3DUS zależy od ustawień macierzy wokseli, częstotliwości próbkowania, rozmiaru obszaru ROI, czasu trwania i prędkości przesunięcia głowicy, liczby przesunięć oraz użytej stacji roboczej. Wcześniej do rekonstrukcji tylko jednego przesunięcia, dającego 750 obrazów US (30 s przy 25 Hz), wymagany był czas rekonstrukcji wynoszący ≈ 2 h15,25,30. W obecnej metodzie 3DUS to samo przesunięcie wymaga czasu rekonstrukcji wynoszącego jedynie 50 s (co skraca czas przetwarzania „offline” o 9%). Poprawę tę można wyjaśnić usprawnionym algorytmem wypełniania, który wykorzystuje operacje na dużych wektorach do wypełniania wokseli klatka po klatce zamiast piksel po pikselu, a także zwiększoną pamięcią operacyjną (RAM) stacji roboczych, co pozwala na budowanie większych macierzy wokseli. Przy zastosowaniu nowego podejścia 3DUS, typowa rekonstrukcja reprezentująca przesunięcie o długości 30 cm przy prędkości 1 cm/s, z docelowym rozmiarem woksela 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 i częstotliwością próbkowania 25 Hz, wymaga następującego czasu rekonstrukcji:

a. Około 10 s na identyfikację impulsu synchronizacyjnego i wybór odpowiednich obrazów US.
b. Około 120 s na wyznaczenie macierzy transformacji kalibracyjnej (PrTIm).
c. Około 10 s na etap wypełniania koszy (bin-filling).
d. Około 30 s na wykonanie kroków wypełniania luk (gap-filling).

Łącznie proces ten zajmuje 170 s. Należy zauważyć, że krok b musi zostać wykonany tylko raz, zakładając sztywne połączenie markerów MoCap z sondą, co pozostawia 50 s na rekonstrukcję pojedynczego skanowania. Połączenie dwóch zrekonstruowanych macierzy wokseli z pojedynczych skanowań zajmuje około 10 s.

Ograniczenia i krytyczne etapy:

Należy wziąć pod uwagę kilka aspektów obrazowania 3DUS:

i. Jakość obrazu US: Wyższa rozdzielczość przestrzenna obrazów 2D US zapewnia więcej pikseli do rozmieszczenia w macierzy wokseli. Pozwala to na zmniejszenie wymiarów wokseli, co prowadzi do wyższej ich gęstości. Kilka obecnie dostępnych aparatów US wykorzystuje tzw. spatial compounding w celu redukcji ziarnistej tekstury szumu, co umożliwia lepsze rozróżnianie granic tkanek bez artefaktów. Inną opcją redukcji plamkowania (speckle) jest wzmacnianie krawędzi (edge enhancement). Należy jednak zauważyć, że podejście to nie jest pożądane, ponieważ deformuje obraz w próbie stworzenia wyraźnych granic, zniekształcając tym samym rzeczywistą anatomiczną pozycję tych interfejsów.

ii. Dokładność MoCap: Piksele mogą zostać precyzyjnie umieszczone w wokselu tylko wtedy, gdy czujnik pozycji dokładnie określa współrzędne sondy. Wraz ze wzrostem rozdzielczości obrazu dokładność MoCap staje się bardziej istotna. Przedstawiony układ 3DUS działa najlepiej przy wymiarach woksela 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, przy użyciu systemu MoCap o dokładności 0,1 mm, co zapewnia wystarczającą precyzję do rekonstrukcji macierzy wokseli 3DUS.

iii. Częstotliwość próbkowania: Najniższa rozdzielczość czasowa obrazów US lub strumienia danych MoCap determinuje częstotliwość próbkowania. Wpływa to na czas skanowania lub ustawienia macierzy wokseli. Na przykład podwojenie częstotliwości próbkowania z 25 do 50 Hz pozwala na wykonanie skanowania w połowie czasu. Alternatywnie, przy zachowaniu tej samej prędkości skanowania, uzyskuje się więcej obrazów do wypełnienia macierzy wokseli, co pozostawia mniej luk do uzupełnienia i tym samym potencjalnie zwiększa rozdzielczość macierzy wokseli. Jednakże zwiększenie rozdzielczości macierzy wokseli bez zwiększenia częstotliwości próbkowania wymaga wolniejszego skanowania, co zwiększa ryzyko wystąpienia artefaktów ruchowych.

iv. Czas rekonstrukcji obrazu: Szybka rekonstrukcja wymaga wydajnej stacji roboczej z odpowiednią ilością dostępnej pamięci RAM. Ponadto czas rekonstrukcji znacznie różni się w zależności od objętości macierzy wokseli oraz stopnia złożoności procesu uzupełniania luk.

v. Protokół eksperymentalny: Standaryzacja protokołu eksperymentalnego, przedstawiona w niniejszym badaniu dla mięśnia VL i GM, jest niezbędna do porównywania pomiarów morfologicznych (np. długości pęczka, kąta pierzastości, długości brzuszca mięśnia, długości ścięgna, długości aponeurozy) pomiędzy badanymi osobami oraz monitorowania zmian w obrębie jednej osoby w badaniach podłużnych. Należy jednak pamiętać, że morfologia oceniana w spoczynku może ulec zmianie podczas aktywacji mięśniowej. Na przykład w przypadku eksperymentu z mięśniem VL, morfologia prostowników kolana podczas maksymalnego skurczu przy 60° zgięcia w stawie kolanowym może wykazywać większy kąt pierzastości i krótsze pęczki w porównaniu z morfologią spoczynkową50. W określonych warunkach (np. spastyczność) do weryfikacji poziomu aktywności mięśniowej w spoczynku podczas badania można zastosować elektromiografię (EMG).

vi. Nacisk głowicy i deformacja tkanek: Jeśli w obszarze zainteresowania (ROI) zastosowano wystarczającą ilość żelu ultradźwiękowego, zakres nacisku niezbędnego do pełnego kontaktu głowicy ze skórą jest ograniczony. Jako wytyczną zalecamy, aby skanowanie ROI przypominało przesuwanie głowicy tuż nad skórą, a nacisk był stosowany jedynie w celu utrzymania kontaktu z żelem, a tym samym ze skórą. Niemniej jednak niewielka deformacja tkanek może być nieunikniona, nawet przy obfitym zastosowaniu żelu ultradźwiękowego. Wielkość głowicy oraz krzywizna ROI wpływają na wymagany nacisk lub ilość użytego żelu. Większe głowice oraz obszary ROI o większej krzywiźnie wymagają większego nacisku i/lub większej ilości żelu niż mniejsze głowice przy podobnej krzywiźnie ROI. Innym możliwym rozwiązaniem jest odrzucenie obszaru pogłosu (i.e. braku kontaktu ze skórą) na obrazach US. Dodatkowo deformacja tkanek najczęściej występuje w pierwszych warstwach tkanek, takich jak skóra i tkanka tłuszczowa podskórna. Należy zauważyć, że osoby z niewielką ilością lub całkowitym brakiem tkanki tłuszczowej podskórnej są zatem bardziej podatne na niekorzystne skutki nacisku. Ponadto deformacja tkanek najczęściej występuje w centrum głowicy, co zazwyczaj nie jest obszarem nakładania się na inne przebiegi skanowania.

vii. Obrazowanie i wiedza anatomiczna: Kolejną ważną kwestią przy stosowaniu jakiejkolwiek metody obrazowania jest to, że znajomość zarówno anatomii, jak i samej metody jest niezbędna do uzyskania sensownej interpretacji. Różnice anatomiczne między osobnikami oraz artefakty obrazowania muszą być rozpoznane i uwzględnione w procesie identyfikacji struktur anatomicznych. Nawet w przypadku mięśni zdrowych i/lub dobrze rozwiniętych, jednoznaczna identyfikacja może być trudna, ponieważ wymaga wiedzy anatomicznej w celu odróżnienia poszczególnych komponentów jednego mięśnia lub różnych grup mięśniowych51. Natomiast w przypadku mięśni zanikowych (i.e. u osób starszych, w stanach patologicznych lub w preparatach zwłokowych), jednoznaczna identyfikacja jest jeszcze bardziej skomplikowana ze względu na mniejszy rozmiar i zmniejszony kontrast obrazu, a tym samym mniej wyraźne granice między tkankami (Rysunek 4). Uważamy, że bez wcześniejszej wiedzy anatomicznej nasze możliwości w zakresie formułowania poprawnych wniosków podczas projektowania tego podejścia 3DUS oraz wykonywania pomiarów 3DUS byłyby ograniczone. Na przykład, w badaniach nad mięśniem brzuchatym łydki (GM), różne kąty podestu niekoniecznie powodują oczekiwane zmiany w długościach kompleksu mięśnia i ścięgna, ze względu na odkształcenia w obrębie stopy7. Ponadto szczegółowe informacje anatomiczne dotyczące krzywizny rozcięgna dystalnego były niezbędne do prawidłowego wyboru płaszczyzny środkowo-podłużnej u wszystkich badanych38.

Schemat obrazowania ultradźwiękowego, przekroje A-C, przedstawiające struktury i morfologię tkanek.
Rycina 4: Zmienność i jakość zrekonstruowanych anatomicznych obrazów 3DUS w przekroju poprzecznym mięśnia czworogłowego uda w połowie długości uda. (APrzykład męskiego zwłok ludzkich przedstawia obraz stanu zaniku w chwili śmierci (wiek w chwili śmierci: 81 lat). Identyfikacja granic poszczególnych brzuśców mięśnia czworogłowowego uda jest utrudniona.B) Przykład prowadzącego siedzący tryb życia mężczyzny (w wieku 30 lat). (C) Przykład mężczyzny-sportowca wioślarza (w wieku 30 lat). Białe kwadraty służące do skali reprezentują obszar 1 cm x 1 cm. Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Przyszłe zastosowania:

Podejście 3DUS dostarcza narzędzia obrazowania, które może być wykorzystywane w różnych celach i warunkach w sporcie oraz w klinikach. W interwencjach klinicznych skuteczność jest powiązana z poziomem sprawności fizycznej52. Wykorzystanie 3DUS do monitorowania pacjentów zagrożonych utratą masy mięśniowej jest istotne (np. odniesienia53,54,5) i potencjalnie pozwala na dostosowanie procesu leczenia. Kolejnym potencjalnym zastosowaniem 3DUS jest monitorowanie adaptacji morfologicznej mięśni w odpowiedzi na interwencję (trening) i/lub uraz.

Niniejszy protokół opisuje kostu- i czasowo efektywną metodę pomiaru struktury tkanek miękkich ludzkiego ciała w oparciu o wolnoręczne skanowanie 3DUS. Ponadto ocena istotnych parametrów morfologicznych m. vastus lateralis oraz m. gastrocnemius medialis okazała się poprawna i wiarygodna.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy są bardzo wdzięczni Adamowi Shortlandowi i Nicoli Fry, którzy podzielili się swoimi algorytmami dla trójwymiarowego ultrasonografu w 2004 roku, które były inspiracją dla rozwoju oprogramowania użytego w tym badaniu.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Urządzenie ultradźwiękowe (Technos MPX)Esaote, WłochyNA
Sonda liniowa (12,5 Mhz, 5 cm)Esaote, WłochyNA
Stacja robocza (HP Z440)HP, USAhttp://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html
Framegrabber (Canopus, ADVC 300)Canopus, JaponiaADVC 300
(Certus)NDI, Kanadahttp://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
Urządzenie synchronizująceVU, NLSkontaktuj się z autorem
Ramka kalibracyjnaVU, NLSkontaktuj się z autorem
TermometrGreisinger, GermarnyGTH 175/PT
Stół badawczyNANADowolny stół
InklinometrInstrument Lafayette, USAACU001
Regulowany podnóżekVU, NLSkontaktuj się z autorem
Klucz dynamometrycznyVU, NLSkontaktuj się z autorem
Wysuwany prętVU, NLSkontaktuj się z autorem
Goniometr (Gollehon)Instrument Lafayette, USA1135
Belka w kształcie trójkątaNANAWykonana z kawałka sztywnej pianki
Pasy mocująceNANADowolny pas mocujący
Chirurgiczny marker do skóryNANADowolny chirurgiczny marker do skóry
Żel do transmisji ultradźwiękówServosonNAZalecany jest lepki rodzaj żelu
System przechwytywania ruchu korespondencyjnymkorespondencyjnymdo badańkorespondencyjnymkorespondencyjnymkorespondencyjnym

Bibliografia

  1. Reeves, N. D., Maganaris, C. N., Narici, M. V. Ultrasonographic assessment of human skeletal muscle size. Eur. J. Appl. Physiol. 91, 116-118 (2004).
  2. Van Den Engel-Hoek, L., Van Alfen, N., De Swart, B. J. M., De Groot, I. J. M., Pillen, S. Quantitative ultrasound of the tongue and submental muscles in children and young adults. Muscle Nerve. 46, 31-37 (2012).
  3. Seymour, J. M., et al. Ultrasound measurement of rectus femoris cross-sectional area and the relationship with quadriceps strength in COPD. Thorax. 64, 418-423 (2009).
  4. Seymour, J. M., et al. The prevalence of quadriceps weakness in COPD and the relationship with disease severity. Eur. Respir. J. 36, 81-88 (2010).
  5. Ho, S. S. Y. Current status of carotid ultrasound in atherosclerosis. Quant. Imaging Med. Surg. 6, 285-296 (2016).
  6. Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Passive muscle mechanical properties of the medial gastrocnemius in young adults with spastic cerebral palsy. J. Biomech. 44, 2496-2500 (2011).
  7. Huijing, P. A., Bénard, M. R., Harlaar, J., Jaspers, R. T., Becher, J. G. Movement within foot and ankle joint in children with spastic cerebral palsy: a 3-dimensional ultrasound analysis of medial gastrocnemius length with correction for effects of foot deformation. BMC Musculoskelet. Disord. 14, 365(2013).
  8. Shortland, A. P., Harris, C. A., Gough, M., Robinson, R. O. Architecture of the medial gastrocnemius in children with spastic diplegia. Dev. Med. Child Neurol. 44, 158-163 (2002).
  9. Farup, J., et al. Muscle Morphological and Strength Adaptations to Endurance Vs. Resistance Training. J. Strength Cond. Res. 26, 398-407 (2012).
  10. Timmins, R. G., Shield, A. J., Williams, M. D., Lorenzen, C., Opar, D. A. Architectural adaptations of muscle to training and injury: a narrative review outlinig the contributions by fascicle lenght, pennation angle and muscle thickness. Br. J. Sports Med. 0, 1-7 (2016).
  11. Huijing, P. Important experimental factors for skeletal muscle modelling: non-linear changes of muscle length force characteristics as a function of degree of activity. Eur. J. Morphol. 34, 47-54 (1996).
  12. Van der Linden, B., Koopman, H., Grootenboer, H. J., Huijing, P. A. Modelling functional effects of muscle geometry. J. Electromyogr. Kinesiol. 8, 101-109 (1998).
  13. Woittiez, R. D., Huijing, P. A., Boom, H. B., Rozendal, R. H. A three-dimensional muscle model: a quantified relation between form and function of skeletal muscles. J. Morphol. 182, 95-113 (1984).
  14. Lieber, R. L., Blevins, F. T. Skeletal muscle architecture of the rabbit hindlimb: functional implications of muscle design. J. Morphol. 199, 93-101 (1989).
  15. Weide, G., et al. Medial gastrocnemius muscle growth during adolescence is mediated by increased fascicle diameter rather than by longitudinal fascicle growth. J. Anat. 226, 530-541 (2015).
  16. Fukunaga, T., et al. Physiological cross-sectional area of human leg muscles based on magnetic resonance imaging. J. Orthop. Res. 10, 926-934 (1992).
  17. LeBlanc, A., et al. Muscle volume, MRI relaxation times (T2), and body composition after spaceflight. J. Appl. Physiol. 89, (2000).
  18. Lindemann, U., et al. Association between Thigh Muscle Volume and Leg Muscle Power in Older Women. PLoS One. 11, 0157885(2016).
  19. Gopalakrishnan, R., et al. Muscle Volume, Strength, Endurance, and Exercise Loads During 6-Month Missions in Space. Aviat. Space. Environ. Med. 81, 91-104 (2010).
  20. Wakahara, T., Ema, R., Miyamoto, N., Kawakami, Y. Inter- and intramuscular differences in training-induced hypertrophy of the quadriceps femoris: association with muscle activation during the first training session. Clin. Physiol. Funct. Imaging. , (2015).
  21. Pamuk, U., Karakuzu, A., Ozturk, C., Acar, B., Yucesoy, C. A. Combined magnetic resonance and diffusion tensor imaging analyses provide a powerful tool for in vivo assessment of deformation along human muscle fibers. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 63, 207-219 (2016).
  22. Prager, R. W., Rohling, R. N., Gee, A. H., Berman, L. Rapid calibration for 3-D freehand ultrasound. Ultrasound Med. Biol. 24, 855-869 (1998).
  23. Solberg, O. V., Lindseth, F., Torp, H., Blake, R. E., Nagelhus Hernes, T. A. Freehand 3D Ultrasound Reconstruction Algorithms-A Review. Ultrasound Med. Biol. 33, 991-1009 (2007).
  24. Gee, A., Prager, R., Treece, G., Berman, L. Engineering a freehand 3D ultrasound system. Pattern Recognition Letters. 24, (2003).
  25. Bénard, M. R., Harlaar, J., Becher, J. G., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Effects of growth on geometry of gastrocnemius muscle in children: a three-dimensional ultrasound analysis. J. Anat. 219, 388-402 (2011).
  26. Fry, N. R., Gough, M., Shortland, A. P. Three-dimensional realisation of muscle morphology and architecture using ultrasound. Gait Posture. 20, 177-182 (2004).
  27. Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Passive muscle mechanical properties of the medial gastrocnemius in young adults with spastic cerebral palsy. J. Biomech. 44, 2496-2500 (2011).
  28. MacGillivray, T. J., Ross, E., Simpson, H. A. H. R. W., Greig, C. A. 3D Freehand Ultrasound for in vivo Determination of Human Skeletal Muscle Volume. Ultrasound Med. Biol. 35, 928-935 (2009).
  29. Rana, M., Wakeling, J. M. In-vivo determination of 3D muscle architecture of human muscle using free hand ultrasound. J. Biomech. 44, 2129-2135 (2011).
  30. Haberfehlner, H., et al. Freehand three-dimensional ultrasound to assess semitendinosus muscle morphology. J. Anat. 229, 591-599 (2016).
  31. Bénard, M. R., Jaspers, R. T., Huijing, P. A., Becher, J. G., Harlaar, J. Reproducibility of hand-held ankle dynamometry to measure altered ankle moment-angle characteristics in children with spastic cerebral palsy. Clin Biomech. 25, 802-808 (2010).
  32. de Ruiter, C. J., Kooistra, R. D., Paalman, M. I., de Haan, A. Initial phase of maximal voluntary and electrically stimulated knee extension torque development at different knee angles. J. Appl. Physiol. 97, (2004).
  33. Kooistra, R. D., de Ruiter, C. J., de Haan, A. Knee angle-dependent oxygen consumption of human quadriceps muscles during maximal voluntary and electrically evoked contractions. Eur. J. Appl. Physiol. 102, 233-242 (2008).
  34. WinDV. , Available from: http://windv.mourek.cz/le (2017).
  35. VirtualDub. , Available from: http://virtualdub.org (2017).
  36. D'Errico, J. inpaint_nans. Matlab Central File Exchange. , Available from: www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/4551 (2004).
  37. MITK. , Available from: http://mitk.org/wiki/MITK (2004).
  38. Bénard, M. R., Becher, J. G., Harlaar, J., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Anatomical information is needed in ultrasound imaging of muscle to avoid potentially substantial errors in measurement of muscle geometry. Muscle Nerve. 39, 652-665 (2009).
  39. Fix for Life Embalming. , Available from: www.fixforlifeembalming.com (2017).
  40. ImageJ. , Available from: https://fiji.sc (2017).
  41. Weir, J. P. Quantifying test-retest reliability using the intraclass correlation coefficient and the SEM. J. Strength Cond. Res. 19, 231-240 (2005).
  42. Prager, R. W., Gee, A., Berman, L. Stradx: real-time acquisition and visualization of freehand three-dimensional ultrasound. Med. Image Anal. 3, 129-140 (1999).
  43. Solberg, O. V., Lindseth, F., Torp, H., Blake, R. E., Nagelhus Hernes, T. A. Freehand 3D Ultrasound Reconstruction Algorithms-A Review. Ultrasound in Medicine and Biology. 33, 991-1009 (2007).
  44. Mitsiopoulos, N., et al. Cadaver validation of skeletal muscle measurement by magnetic resonance imaging and computerized tomography. J. Appl. Physiol. 85, (1998).
  45. Jackowski, C., et al. Noninvasive Estimation of Organ Weights by Postmortem Magnetic Resonance Imaging and Multislice Computed Tomography. Invest. Radiol. 41, 572-578 (2006).
  46. Weller, R., et al. The Determination of Muscle Volume with A Freehand 3D Ultrasonography System. Ultrasound Med. Biol. 33, 402-407 (2007).
  47. Barber, L., Barrett, R., Lichtwark, G. Validation of a freehand 3D ultrasound system for morphological measures of the medial gastrocnemius muscle. J. Biomech. 42, 1313-1319 (2009).
  48. Delcker, A., Walker, F., Caress, J., Hunt, C., Tegeler, C. In vitro measurement of muscle volume with 3-dimensional ultrasound. Eur J. Ultrasound. 9, (1999).
  49. Cenni, F., et al. The reliability and validity of a clinical 3D freehand ultrasound system. Comput. Methods Programs Biomed. 136, 179-187 (2016).
  50. de Brito Fontana, H., Herzog, W. Vastus lateralis maximum force-generating potential occurs at optimal fascicle length regardless of activation level. Eur. J. Appl. Physiol. 116, 1267-1277 (2016).
  51. Engstrom, C. M., Loeb, G. E., Reid, J. G., Forrest, W. J., Avruch, L. Morphometry of the human thigh muscles. A comparison between anatomical sections and computer tomographic and magnetic resonance images. J. Anat. 176, 139-156 (1991).
  52. Warburton, D. E. R., Nicol, C. W., Bredin, S. S. D. Health benefits of physical activity: the evidence. CMAJ. 174, 801-809 (2006).
  53. Moisey, L. L., et al. Skeletal muscle predicts ventilator-free days, ICU-free days, and mortality in elderly ICU patients. Crit. Care. 17, 206(2013).
  54. Weijs, P. J., et al. Low skeletal muscle area is a risk factor for mortality in mechanically ventilated critically ill patients. Crit. Care. 18, 12(2014).
  55. English, K. L., Paddon-Jones, D. Protecting muscle mass and function in older adults during bed rest. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 13, 34-39 (2010).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Morfometria mi nianaliza mi ni szkieletowychmi sie obszerny bocznymi sie brzuchaty ydki g owa przy rodkowaultrasonografia r cznarekonstrukcja macierzy wokselipomiar obj to ci mi niaocena d ugo ci p czka mi niowegosegmentacja mi ni
Obrazowanie ultrasonograficzne 3D: szybka i opłacalna morfometria tkanki mięśniowo-szkieletowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.