Name: Obrazowanie ultrasonograficzne 3D: szybka i opłacalna morfometria tkanki mięśniowo-szkieletowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: Poznaj metodę obrazowania ultrasonograficznego 3D do szybkiej i opłacalnej oceny morfologii mięśniowej in vivo. Technika ta umożliwia nieinwazyjne pomiar objętości mięśni i długości włókien mięśniowych, stanowiąc alternatywę dla rezonansu magnetycznego w zastosowaniach klinicznych i sportowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.
<img alt="Schemat obrazowania ultradźwiękowego, przekroje A-C, przedstawiające struktury i morfologię tkanek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
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. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
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.

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).

<table><tbody><tr><td>Urządzenie ultradźwiękowe (Technos MPX)</td><td>Esaote, Włochy</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Sonda liniowa (12,5 Mhz, 5 cm)</td><td>Esaote, Włochy</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Stacja robocza (HP Z440)</td><td>HP, USA</td><td>http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html</td><td></td></tr><tr><td>Framegrabber (Canopus, ADVC 300)</td><td>Canopus, Japonia</td> System przechwytywania ruchu <td>ADVC 300</td><td></td></tr><tr><td>(Certus)</td><td>NDI, Kanada</td><td>http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/</td><td></td></tr> <tr><td>Urządzenie synchronizujące</td><td>VU, NL</td><td>Skontaktuj się z autorem</td><td></td>korespondencyjnym</tr><tr><td>Ramka kalibracyjna</td><td>VU, NL</td><td>Skontaktuj się z autorem</td><td></td>korespondencyjnym</tr><tr><td>Termometr</td><td>Greisinger, Germarny</td><td>GTH 175/PT</td><td></td></tr><tr><td>Stół badawczy</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Dowolny stół</td></tr> <tr>do badań<td>Inklinometr</td><td>Instrument Lafayette, USA</td><td>ACU001</td><td></td></tr><tr><td>Regulowany podnóżek</td><td>VU, NL</td><td>Skontaktuj się z autorem</td><td></td>korespondencyjnym</tr><tr><td>Klucz dynamometryczny</td><td>VU, NL</td><td>Skontaktuj się z autorem</td><td></td>korespondencyjnym</tr><tr><td>Wysuwany pręt</td><td>VU, NL</td><td>Skontaktuj się z autorem</td><td></td>korespondencyjnym</tr><tr><td>Goniometr (Gollehon)</td><td>Instrument Lafayette, USA</td><td>1135</td><td></td></tr><tr><td>Belka w kształcie trójkąta</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Wykonana z kawałka sztywnej pianki</td></tr><tr><td>Pasy mocujące</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Dowolny pas mocujący</td></tr><tr><td>Chirurgiczny marker do skóry</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Dowolny chirurgiczny marker do skóry</td></tr><tr><td>Żel do transmisji ultradźwięków</td><td>Servoson</td><td>NA</td><td>Zalecany jest lepki rodzaj żelu</td></tr></tbody></table>

obrazowanie ultrasonograficzne 3d: szybka i opłacalna morfometria tkanki mięśniowo-szkieletowej

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

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.

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 &lt;0,01 oraz r = 0,985, p &lt;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).
<img alt="Analiza mięśni preparatów anatomicznych; sekcja vs 3DUS; tabela objętości i długości pęczków; porównanie danych." src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Tabela 1"> 
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.

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

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

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

Ogólnym celem tej metodologii jest przeprowadzenie trójwymiarowej oceny morfologicznej in vivo w oparciu o analizę ultrasonograficzną tkanki mięśniowej człowieka. Metoda ta stanowi obiecującą technikę pozwalającą na udzielenie kluczowych odpowiedzi w obszarze opieki zdrowotnej i sportu w zakresie diagnostyki oraz monitorowania funkcji mięśni po leczeniu i treningu. Zaletą tej techniki jest fakt, że pomiar mięśni za pomocą USG 3D stanowi szybką i kosztowo efektywną alternatywę dla obrazowania metodą rezonansu magnetycznego.Ta technika ultradźwięków 3D zapewnia nieinwazyjną metodę wyznaczania objętości mięśni oraz długości pęczka w fizjologicznym przekroju poprzecznym mięśni szkieletowych in vivo. Od 1980 roku aktywnie badamy relację między formą a funkcją mięśni, początkowo na mięśniach ludzkich zwłok, tworząc modele matematyczne tych mięśni, a następnie w eksperymentach na zwierzętach. Dzięki udoskonalonej technice ultradźwiękowej będziemy teraz mogli badać ludzkie mięśnie in vivo.Aby ocenić mięsień brzuchaty łydki głowy przyśrodkowej (GM), należy najpierw poprosić badanego o położenie się na brzuchu na stole badawczym, tak aby obie stopy wystawały poza krawędź stołu. Pod piszczel należy umieścić wspornik w celu ustawienia podudzia w pozycji poziomej, a udo przymocować do stołu badawczego za pomocą wyściełanych pasów mocujących, aby zapobiec wyprostowi kolana podczas eksperymentu. Stopę kończyny poddawanej badaniu należy umieścić w specjalnie wykonanej płytce stopowej, a następnie podłączyć do płytki specjalnie wykonany klucz dynamometryczny z przymocowanym goniometrem.Wyznacz kąt płyty stopowej odpowiadający odpowiedniemu przyłożonemu momentowi obrotowemu i użyj wysuwalnego pręta połączonego ze stołem, aby przymocować płytę stopową w odpowiedniej orientacji. Następnie, poprzez palpację, zidentyfikuj najbardziej wysunięte grzbietowo aspekty przyśrodkowego i bocznego nadkłykcia kości udowej oraz środki kłykci kości piszczelowej i strzałkowej i zaznacz ich położenie chirurgicznym markerem do skóry. Za pomocą ultradźwięków zidentyfikuj najbardziej powierzchowne punkty przyśrodkowego i bocznego kłykcia kości udowej i zaznacz je chirurgicznym markerem do skóry.Po poinstruowaniu badanego, aby nie poruszał się podczas badania, nałóż odpowiednią ilość żelu ultradźwiękowego na badany obszar i uruchom oprogramowanie do przechwytywania klatek na komputerze pomiarowym. Jest niezbędne, aby pacjent pozostawał w bezruchu podczas pomiarów, aby zapobiec artefaktom ruchowym w obrazie ultradźwiękowym 3D. Kliknij Capture, aby rozpocząć akwizycję obrazu ultradźwiękowego, a następnie naciśnij przycisk w urządzeniu synchronizacyjnym, aby zainicjować i aktywować akwizycję danych z systemu przechwytywania ruchu.Urządzenie synchronizujące, znajdujące się w pobliżu głowicy ultradźwiękowej, zostanie aktywowane w momencie rozpoczęcia przechwytywania ruchu, co wytworzy wyraźny artefakt na obrazie ultrasonograficznym. Wywierając minimalny nacisk przy jednoczesnym zachowaniu jakości obrazu, należy umieścić głowicę ultradźwiękową proksymalnie w stosunku do kłykci kości udowej na przyśrodkowej stronie uda i przesuwać głowicę ze stałą prędkością w kierunku proksymalno-dystalnym wzdłuż przyśrodkowej krawędzi mięśnia GM. Wykorzystując żel z poprzedniego przesunięcia, należy wykonać dodatkowe przesunięcia z zakładką 0,5 cm, aż do momentu zeskanowania całego obszaru zainteresowania i całkowitego obrazowania przyśrodkowej krawędzi mięśnia. Ważne jest zastosowanie odpowiedniej ilości żelu do ultrasonografii, aby zapobiec deformacji tkanek w wyniku zbyt silnego nacisku głowicy podczas pozyskiwania obrazów.Po zarejestrowaniu wszystkich obrazów należy użyć specjalnego skryptu do rekonstrukcji pojedynczej trójwymiarowej macierzy wokseli ultradźwiękowych z pojedynczego skanu konkretnego obszaru zainteresowania poprzez wypełnianie binów (bin filling) i in-painting macierzy. Następnie, korzystając z tego samego układu współrzędnych macierzy wokseli, należy zrekonstruować wszystkie poszczególne skany obejmujące jeden większy obszar zainteresowania, aby połączyć wiele skanów. Aby zmierzyć objętość mięśnia, najpierw należy wczytać odpowiedni trójwymiarowy obraz ultradźwiękowy do zestawu narzędzi interakcji medycznej (medical interaction tool kit).Ustaw tryb przekrojów na Coupled crosshair rotation i wyrównaj oś z strukturami mięśniowymi lub kostnymi, aby precyzyjnie odczytać współrzędne przyczepu początkowego, przyczepu końcowego oraz dystalnego końca brzuszca mięśnia. Otwórz narzędzie do segmentacji i utwórz nową segmentację, obrysowując granice mięśnia zidentyfikowane w przekroju poprzecznym w połowie długości brzuszca mięśnia. Naciśnij klawisz A na klawiaturze, aby dodać segmentację ręczną, klikając lewym przyciskiem myszy i przesuwając kursor wzdłuż granic mięśnia.Aby wyznaczyć nowy przekrój, naciśnij przycisk A lub S, zależnie od ostatnio wybranego trybu, aby przenieść celownik na inne przekroje wzdłuż brzuszca mięśnia i obrysować kolejną granicę mięśnia w sposób zaprezentowany powyżej. Po wybraniu wszystkich segmentów włącz interpolację i sprawdź proponowane segmentacje granic mięśnia we wszystkich przekrojach wzdłuż długości brzuszca mięśnia. Gdy wszystkie granice mięśni zostaną prawidłowo wyznaczone, naciśnij przycisk Confirm for all slices i wybierz płaszczyznę, w której wykonano segmentację.Zapisz wolumen binarny jako plik Nearly Raw Raster Data i użyj niestandardowego skryptu do obliczenia rozmiaru wolumenu etykietowanego. Następnie użyj niestandardowego skryptu, aby wyznaczyć orientację płaszczyzny środkowo-podłużnej pęczka mięśniowego w brzuścu mięśnia, zawierającej pełną długość pęczków. W płaszczyźnie środkowo-podłużnej zmierz długość pęczka w zdefiniowanej, ustandaryzowanej pozycji pomiędzy początkiem a końcem dystalnym brzuśca mięśnia i wysegmentuj granice mięśnia.Należy wyznaczyć linię w połowie obszaru zainteresowania i obracać ją do momentu, aż będzie zgodna z kierunkiem leżących pod nią pęczków mięśniowych. Punkt przecięcia linii z granicami mięśnia będzie stanowił szacunkową wartość długości pęczka. Przedstawiony obraz męskiego zwłok ludzkich ilustruje stan zaniku mięśnia czworogłowego w połowie uda w chwili śmierci, co utrudnia identyfikację granic poszczególnych głów mięśnia czworogłowego w porównaniu do tych zidentyfikowanych u 30-letniego mężczyzny prowadzącego siedzący tryb życia lub 30-letniego mężczyzny-sportowca.Ważność pomiarów długości pęczków oraz objętości mięśni została potwierdzona za pomocą metody ultradźwiękowej 3D, wykazując istotne i wysokie korelacje w porównaniu z danymi z sekcji fizycznej tych samych tkanek, przy wysokiej niezawodności międzyobserwatorowej dla pomiarów uzyskanych metodą ultradźwiękową 3D. Potwierdza to, że podejście oparte na ultradźwiękach 3D jest trafnym i niezawodnym narzędziem do oceny objętości i długości pęczków mięśnia obszernobocznego oraz mięśnia brzuchatego łydki u ludzi. Zastosowanie tej procedury pozwala na ilościowe określenie morfologii mięśni i powiązanie jej z zakresem ruchu w stawie oraz wydajnością fizyczną.Niniejsza technika jest obecnie gotowa do wdrożenia jako rutynowa ocena funkcji mięśni u pacjentów z chorobami nerwowo-mięśniami lub cierpiących na sarkopenię. Ta technika obrazowania ultrasonograficznego 3D mogłaby potencjalnie zostać wykorzystana również do pomiaru morfologii innych tkanek, takich jak kości, ścięgna i naczynia krwionośne. Opracowanie tej metody utorowało drogę badaczom w dziedzinie układu nerwowo-mięśniowego do zbadania, w jaki sposób morfologia mięśni ogranicza mobilność.A w fizjologii wysiłku, w celu oceny determinant morfologicznych wyników w sprincie i wytrzymałości u sportowców.

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

Research

JoVE Journal

Medicine

Medycyna

Opisujemy nową technikę wektorowego obrazowania dopplerowskiego tkanek opartą na ultradźwiękach do pomiaru prędkości skurczu mięśni, napięcia i szybkości odkształcania z submilisekundową rozdzielczością czasową podczas dynamicznych aktywności. Podejście to zapewnia uzupełniające pomiary dynamicznej funkcji mięśni i może prowadzić do lepszego zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw zaburzeń układu mięśniowo-szkieletowego.

Nowe zastosowanie obrazowania ultrasonograficznego układu mięśniowo-szkieletowego

Przeanalizowaliśmy kinematykę stawów na podstawie danych z czterowymiarowej tomografii komputerowej. Sekwencyjna metoda rejestracji 3D-3D półautomatycznie zapewnia kinematykę poruszającej się kości w stosunku do kości przedmiotowej na podstawie danych z czterowymiarowej tomografii komputerowej.

Czterowymiarowa analiza TK z wykorzystaniem sekwencyjnej rejestracji 3D-3D

To badanie opisuje, jak uzyskać wysokiej jakości obrazy układu mięśniowo-szkieletowego za pomocą metody ultrasonografii o rozszerzonym polu widzenia (EFOV-US) w celu pomiaru długości pęczka mięśniowego. Stosujemy tę metodę do mięśni z pęczkami, które wykraczają poza pole widzenia zwykłych tradycyjnych sond ultrasonograficznych (T-US).

Uzyskiwanie wysokiej jakości obrazów ultrasonograficznych mięśni szkieletowych o rozszerzonym polu widzenia w celu pomiaru długości pęczka mięśniowego

Ten protokół demonstruje ultrasonografię robotyczną (US) jako praktyczną, opłacalną i szybką alternatywę dla tradycyjnych, nieinwazyjnych metod obrazowania.

Zastosowanie zrobotyzowanego ultrasonografu 3D do analizy in vivo nerek myszy

Obrazowanie ultrasonograficzne staje się coraz bardziej dostępne w warunkach klinicznych i badawczych, a spójny protokół będzie korzystny dla porównania między badaniami i interpretacji klinicznych. Ten protokół oceny ultrasonograficznej jest ważną i wiarygodną metodą oceny morfologii ścięgna Achillesa u zdrowych, ścięgnistych i zerwanych ścięgien.

Pomiar morfologii zdrowego i uszkodzonego tricepsa surae

Procedury oceny rozmiaru, kształtu i składu ciała za pomocą dostępnych na rynku rozwiązań do trójwymiarowego obrazowania optycznego umożliwiają szybkie zbieranie dokładnych i powtarzalnych danych. Klinicyści mogliby wdrożyć pozyskiwanie innowacyjnych i użytecznych biomarkerów (pomiary "e-taśmy") w rutynowych ocenach pacjentów, aby pomóc w scharakteryzowaniu ich stanu zdrowia.

Antropometria kliniczna i skład ciała z 3-wymiarowego obrazowania optycznego

Tutaj szczegółowo prezentujemy protokół pomiarowy urządzenia ultradźwiękowego z dwukierunkową transmisją osiową (BDAT) i testujemy go w badaniu odtwarzalności, biorąc pod uwagę 14 zdrowych uczestników i 3 operatorów. Wiarygodność, mierzona za pomocą wewnątrzklasowych współczynników korelacji (ICC), była dobra lub doskonała dla czterech interesujących parametrów.

Ocena kory kostnej za pomocą ultradźwiękowych fal kierowanych: badanie odtwarzalności w zdrowej populacji

Tutaj szczegółowo opisujemy metodę, która opiera się na mikrotomografii komputerowej, do segmentacji i pomiaru modeli 3D kości czaszkowo-szczękowo-twarzowych u myszy, dla lepszej oceny rozwoju kości czaszkowo-szczękowo-twarzowej u myszy niż jest to możliwe przy użyciu obecnych metod.

Analiza malformacji czaszkowo-szczękowo-twarzowych u myszy za pomocą trójwymiarowej mikrotomografii komputerowej

Ten protokół wykorzystuje mikrotomografię komputerową, aby umożliwić ekonomiczną kwantyfikację beztłuszczowej masy, w tym mięśni szkieletowych i tkanki trzewnej, tkanki tłuszczowej i tkanki szkieletowej u małych zwierząt. Rozróżnia tkankę beztłuszczową i tłuszczową, co daje znaczące korzyści w badaniach biomedycznych, szczególnie w badaniach translacyjnych na małych zwierzętach.

Nieinwazyjna kwantyfikacja mięśni szkieletowych u małych zwierząt za pomocą mikrotomografii komputerowej

W niniejszym filmie zaprezentowano zastosowanie zamontowanej na szynie głowicy ultradźwiękowej o wysokiej częstotliwości do wykonywania echokardiografii u znieczulonej myszy. Metody obejmują zarówno konwencjonalne pomiary funkcji serca w trybie dwuwymiarowym i M-mode, jak i nowsze, bardziej zaawansowane narzędzia, takie jak kolorowy Doppler, analiza odkształceń (strain) oraz ogólne i ukierunkowane obrazowanie kontrastowe.

Echokardiografia i obrazowanie ultrasonograficzne u myszy

Poznaj metodę obrazowania ultrasonograficznego 3D do szybkiej i opłacalnej oceny morfologii mięśniowej in vivo. Technika ta umożliwia nieinwazyjne pomiar objętości mięśni i długości włókien mięśniowych, stanowiąc alternatywę dla rezonansu magnetycznego w zastosowaniach klinicznych i sportowych.

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

Przeglądaj więcej filmów