Summary
نحن تصف ناقلات الأنسجة دوبلر تقنية جديدة التصوير القائم على الموجات فوق الصوتية لقياس سرعة تقلص العضلات، وإجهاد معدل الضغط مع ميلي ثانية واحدة الفرعية القرار الزماني خلال الأنشطة الحيوية. ويوفر هذا النهج القياسات التكميلية من وظيفة العضلات ديناميكية ويمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل للآليات التي تقوم عليها اضطرابات العضلات والعظام.
Abstract
الموجات فوق الصوتية هي طريقة جذابة لعضلة التصوير ووتر الحركة خلال المهام الحيوية ويمكن أن توفر منهجية متكاملة للدراسات النشاط الحيوي في عملية إعداد سريرية أو مختبرية. لتحقيق هذا الهدف، وأساليب لتقدير حجم العضلات الحركيات من صور الموجات فوق الصوتية والتي يجري تطويرها على أساس معالجة الصور. القرار الزماني لهذه الأساليب هو عادة غير كافية للقيام بمهام ديناميكية للغاية، مثل التسرب من الهبوط. نقترح النهج الجديد الذي يستخدم طريقة دوبلر لقياس الحركيات العضلات. قمنا بتطوير ناقل الرواية دوبلر الأنسجة التصوير (vTDI) تقنية التي يمكن استخدامها لقياس سرعة الانكماش العضلية الهيكلية، وسلالة ومعدل الضغط مع ميلي ثانية واحدة الفرعية القرار الزماني خلال أنشطة ديناميكية باستخدام الموجات فوق الصوتية. وكان الهدف من هذه الدراسة الأولية للتحقيق في التكرار والتطبيق المحتمل للتقنية vTDI في قياس veloc العضلات والعظامities خلال مهمة الانقطاع عن الهبوط، في الاشخاص الاصحاء. القياسات vTDI يمكن القيام بها بالتزامن مع النشاط الحيوي التقنيات الأخرى، مثل 3D التقاط الحركة عن الحركيات المشتركة وحركية، الكهربائي عن توقيت تفعيل العضلات والقوة لوحات لقوة رد فعل الارض. دمج هذه التقنيات مكملة يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل لديناميكية وظيفة العضلات وضعف الكامنة وراء المرضية والفيزيولوجيا المرضية للاضطرابات العضلات والعظام.
Introduction
الاضطرابات العضلية الهيكلية وتنتشر على نطاق واسع في مرحلة البلوغ 1. فهي حالة مزمنة الرائدة في الولايات المتحدة (2) ويتم إبلاغ تؤثر 25٪ من الناس في جميع أنحاء العالم 3. وترتبط اضطرابات العضلات والعظام مع انخفاض وظيفة في أنشطة الحياة اليومية (ADL)، والقيود الوظيفية وانخفاض نوعية الحياة 4. العبء الاقتصادي مهم بسبب فقدان الإنتاجية وتكاليف الرعاية الصحية عالية 4. الفيزيولوجيا المرضية للعديد من هذه الاضطرابات لا يزال مفهوما غير الكافية. على سبيل المثال، وقد تم ربط التسبب في هشاشة العظام (OA) 4 التالية إعادة بناء الرباط الصليبي الأمامي (ACL) إصابة في عضلات الفخذ التعديلات قوة العضلات وظيفة 5، ولكن الآليات الأساسية غير واضحة. لتوضيح الآليات الكامنة، هناك حاجة إلى فهم أفضل وظيفة العضلات الحيوية.
وظيفيةتقييم العضلات الفردية، أثناء أداء جزئي أو كامل مهمة تتعلق ADL وأنماط الحياة النشطة (أي الرياضة) يمكن أن توفر مزيد من التبصر حول وظيفة العضلات ودورها المحتمل في التسبب والفيزيولوجيا المرضية لهذه الاضطرابات. كذلك الكمي لتحسين وظيفة العضلات خلال إعادة التأهيل يمكن استخدامها كتدبير النتيجة. تشمل التقنيات التقليدية لقياس العضلات وظيفة مشتركة في عيادة الفحص البدني مثل مدى الحركة، وقوة العضلات و / أو التحمل مجموعة العضلات. حاليا في العيادة، ويستخدم الكهربائي (EMG) لتقييم العضلات تفعيل / تنشيط التعاون، والتردد، واتساع نشاط العضلات. ومع ذلك، EMG هو مقياس التنشيط الكهربائي في العضلات ولا توفر بالضرورة معلومات عن قوة العضلات، والقدرة انكماش والعوامل الفنية الأخرى التابعة للعضلة. تقييم النشاط الحيوي المتطورة الأخرى، مثل 3D نظام التقاط الحركة وأو حركية والحركيات المشتركة والقوة لوحات لقوة رد فعل الارض لا يمكن أن يؤديها في المختبر مشية 6-9. القياسات التي أجريت بواسطة هذه التقنيات هي في مستوى مشتركة وليس لتوفير بالضرورة الفهم المباشر من وظيفة العضلات الفردية أثناء النشاط الحيوية أو وظيفية. القدرة على أداء التصوير من العضلات في وقت واحد أثناء تنفيذ النشاط ديناميكية يمكن أن تؤدي إلى إجراء تقييم وظيفي أفضل وأكثر واقعية على مستوى العضلات.
وقد ركزت معظم الدراسات على وظيفة العضلات في المواقف عرضة ثابت، وهذه الطريقة يمكن فتح آفاقا جديدة لتعزيز فهمنا لسلوك العضلات أثناء حالات في الوقت الحقيقي.
يمكن أن الموجات فوق الصوتية التشخيصية تمكين التصوير المباشر من العضلات والأوتار في الوقت الحقيقي، وبالتالي هو بديلا جذابا لقياس ديناميكية العضلات والعظام وظيفة خلال ADL. التدابير الكمية على أساس الموجات فوق الصوتية لمورفولوجيا العضلات والهندسة المعمارية، مثل سمك العضلات، الطول، العرض، مساحة المقطع العرضي (CSA)، وزاوية الألياف pennation وطول الكراسة وقد استخدمت على نطاق واسع 10-12. في السنوات الأخيرة، وقد استخدمت أساليب لمعالجة الصور لتقييم وتقدير هذه التدابير الكمية خلال المهام الحيوية 13-14. وقد مكنت هذه التطورات مقاربة منهجية جديدة لفهم وظيفة العضلات في الجسم الحي. ومع ذلك، فقد اعتمدت هذه الأساليب في المقام الأول على استخدام تدرج الرمادي التقليدية (أو B-واسطة) التصوير بالموجات فوق الصوتية، وبالتالي لم تستغل بالكامل إمكانيات الموجات فوق الصوتية لقياس السرعات الأنسجة، وسلالة ومعدل الضغط باستخدام مبادئ دوبلر، التي ثبت أن تكون قيمة في تقييم وظيفة عضلة القلب 15-16.
وقد وضعنا التصوير ناقلات الأنسجة دوبلر (vTDI) تقنية يمكن قياس سرعة الانكماش، سلالة ومعدل الضغط مع القرار الزماني عالية (millisecon الفرعيةد) خلال أنشطة ديناميكية 17-18. على وجه التحديد، يمكن للتقنية vTDI إجراء قياسات العضلات والأوتار خلال المهام ديناميكية للغاية (مثل التسرب من الهبوط، مشية، الخ) في ارتفاع معدلات الإطار. تقنية vTDI هو تحسنا الموجات فوق الصوتية دوبلر التقليدية، والتي تقدر فقط المكون من السرعة على طول شعاع الموجات فوق الصوتية، وبالتالي فهي تعتمد على زاوية insonation. وتقدر vTDI سرعة العضلات والأوتار باستخدام شعاعين الموجات فوق الصوتية المختلفة قاد في زوايا مختلفة، وبالتالي فهي مستقلة عن زاوية insonation في الطائرة التصوير. ومع ذلك، منذ تقلص العضلات يحدث في 3D، والتزوي من الطائرة التصوير لا يزال من المهم. وقمنا بتنفيذ هذه الطريقة على نظام الموجات فوق الصوتية المتاحة تجاريا مع واجهة البحث، وتمكين هذه القياسات لتكون في عملية إعداد سريرية.
للتحقيق في التكرار والتطبيق المحتمل للSYST vTDIم في قياس السرعات العضلات الفخذية المستقيمة أثناء مهمة حيوية، أجرينا دراسة أولية على المتطوعين البالغين الأصحاء. يوضح هذه الورقة منهجية والإعداد التجريبية لتقدير سرعات الانكماش، ومعدل سلالة سلالة من المستقيمة الفخذية مع ميلي ثانية واحدة الفرعية القرار الزماني خلال مهمة الانقطاع عن الهبوط.
Protocol
1. الأجهزة
ويستند ناقلات TDI على تقدير ناقل السرعة الناتجة من قياسات سرعة دوبلر أخذت من اثنين أو أكثر استقلالا الاتجاهات. تم استخدام نظام الموجات فوق الصوتية مع واجهة البحوث لتطوير vTDI. واجهة البحث يسمح تكوين الشعاع المستوى المنخفض والتحكم تسلسل النبض باستخدام عدة تطوير البرمجيات (SDK). تم استخدام 5-14 ميغاهرتز مجموعة خطية محول، ويتألف من 128 عناصر محول ومع حقل 38 مم للعرض. كان يعمل واجهة البحث لتقسيم محول مجموعة إلى قسمين الإرسال والاستقبال فتحات وتوجيه تلقي الحزم من قبل 15 ° فيما يتعلق العادي. وتركز شعاع الإرسال في المنطقة ذات الاهتمام (مثل البطن العضلات). تم تعيين إرسال واستقبال فتحات إلى 32 عناصر.
تم تعيين ثمانية اشخاص، 4 رجال و 4 نساء (29.7 ± 6.5 سنة) في هذه الدراسة. تدابير الحركية من الموضوعات منتم القبض السفلية اليمنى باستخدام نظام التقاط الحركة ثمانية الكاميرا مع القدرة على سرعة عالية ومعدل أخذ العينات من 200 هرتز. تم الحصول على بيانات قوة رد فعل الأرض أثناء التجربة من خلال صفيحتين القوة في أخذ العينات 2،000 هرتز.
شنت كاميرا عالية السرعة على ترايبود وضعت في 2 متر من هذا الموضوع، وكان يستخدم لالتقاط الهبوط انخفاض في 500 لقطة / ثانية.
2. موضوع التحضير
- نسأل الموضوعات على ارتداء زوج من السراويل، وحمالة الصدر الرياضية أو قصيرة تي شيرت والاحذية.
- إرشاد العباد لأداء 10 دقيقة ذاتيين الاحماء وتمتد قبل جمع البيانات. هذا هو لتجنب أي تقلصات عضلية غير طبيعية والحد من نطاق أي تشنجات العضلات.
- بعد الدورة الاحماء، ووضع علامات عاكسة على معالم محددة على الجسم. على وجه التحديد، وعلامات المكان المعايرة على trochanters أكبر، وسطي الثنائية والركبة الجانبي وسطي وlateraل الكعبي. وضع علامات على تتبع الخلفي والأمامي القمم الحرقفي متفوقة، وكتل مكان على الفخذين والسيقان، وخمس علامات في كل قدم 19-20.
- توجيه المواد إلى الوقوف في وسط منطقة التركيز من الكاميرات 3D للحصول على محاكمة ثابت. يجب على المشاركين الوقوف على لوحات القوة مع أسلحتهم عبر أكتافهم، للحصول على بيانات التقاط الحركة 3D ثابت.
- ثم، وضع محول بالموجات فوق الصوتية في حامل المفاتيح وضمان غريبة جيدة، لتجنب بإزاحة محول بالموجات فوق الصوتية من صاحب محول. وقدم صاحب محول باستخدام Lexen البولي والبلاستيك قابل للتشكيل.
- لضمان اتصالات جيدة مع الجلد ومحول بالموجات فوق الصوتية، وتطبيق كمية سخية من هلام الموجات فوق الصوتية على نقل محول.
- وضع محول بالموجات فوق الصوتية مع حامل المفاتيح على الفخذ للموضوع لصورة المستقيمة الفخذية في الفأس طوليةهو. يجب وضع محول في منتصف الطريق بين العمود الفقري الحرقفي الأمامي والجانبي لصورة epicondoyle بطن المستقيمة الفخذية. قبل تأمين محول بالموجات فوق الصوتية وحامل المفاتيح في الساق، الحصول على شريحة المحوري للمجموعة العضلات الرباعية الرؤوس. استخدام هذا بمثابة توجيه، تأكد من أن محول بالموجات فوق الصوتية والتصوير الفخذية المستقيمة الآن ولا مزيد من التحرك الجانبي أو وسطي، لتجنب تصوير مجموعة العضلات vastii.
- الآن، استخدم ضمادة لاصقة الذاتي متماسكة لتأمين حامل المفاتيح على الفخذ في هذا الموضوع. جعل هذه الخطوة الإجرائية لا يمنع أو تغطية علامات عاكسة. يجب أن لا يكون ضمادة لاصقة ذاتيا التراخي أو ضيقة بشكل مفرط. والضماد التراخي المخاطرة محول بالموجات فوق الصوتية في الانخفاض خلال مهمة الانقطاع عن الهبوط وسوف والضماد ضيق بشكل مفرط يسبب عدم الراحة، وتعطيل تدفق الدم وربما سطحية تغيير ديناميات الهبوط الهبوط.
- وضع رانه كاميرا عالية السرعة على الأقل 2 متر بعيدا عن هذا الموضوع في المستوى السهمي لجمع أشرطة الفيديو على 500 لقطة / ثانية. تركز عدسة الكاميرا لضمان أن كامل تسلسل انخفاض الهبوط للموضوع يمكن أن يتم القبض عليه.
3. بروتوكول التجربة
- مرة واحدة كل علامات ومحول بالموجات فوق الصوتية آمنة، اطلب من الموضوعات على الوقوف على منصة من ارتفاع 30 سم في 50 سم مكان من لوحات القوة. التأكد من أن المنطقة المحيطة منصة (حوالي 2.5 متر) واضح من أي الكائنات التي يمكن أن تعيق مهمة الهبوط قطرة أو تجرح هذا الموضوع. وهذا يشمل سلك محول بالموجات فوق الصوتية.
- إرشاد العباد إلى وضع أيديهم على أردافهن قبل بدء مهمة الهبوط والانخفاض أثناء تسلسل انخفاض الهبوط بأكملها.
- بدء جمع البيانات عن الموجات فوق الصوتية، التقاط الحركة 3D، لوحات القوة وكاميرا عالية السرعة قبل بدء مهمة الهبوط الهبوط. التزامن بين مختلف الصكوك يمكن أن يكون تحقيقد باستخدام مفتاح واحدة لبدء جميع الحصول على البيانات. جهاز استشعار ضغط تعلق على لوحة المفاتيح يمكن استخدامها لتوليد إشارة الزناد مزامنة عند الضغط على مفتاح معين.
- توجيه تخضع لأداء المهمة الانقطاع عن الهبوط من المنصة والأرض مع كل من الساقين، في وقت واحد. ضمان إسقاط مربع من المواضيع بدلا من القفز منه. وترد أي تعليمات محددة بخصوص تقنية الهبوط.
- وقف جمع البيانات مرة واحدة هذا الموضوع قد استقرت بشكل كامل والانتهاء من تسلسل الهبوط الهبوط.
- كرر هذا البروتوكول خمس مرات في الموضوع.
4. تحليل البيانات الموجات فوق الصوتية
- تصدير وتخزين البيانات الخام من نظام الموجات فوق الصوتية إلى جهاز كمبيوتر.
- تلقي الترددات الراديوية الخام (RF) الموجات فوق الصوتية من كل البيانات ورقمية في شعاع 40 ميغاهيرتز. معالجة البيانات باستخدام MATLAB.
- أداء التربيع الإستخلاص على بيانات الترددات اللاسلكية لإزالة تردد الناقل. إزالة الرقمionary وفوضى التردد المنخفض من خلال تصفية البيانات التربيع من كل تلقي الحزم ولكل عمق باستخدام 20 هرتز تمريرة عالية التصفية.
- تقدير السرعات على طول كلا تلقي الحزم باستخدام التقليدية الارتباط الذاتي سرعة مقدر 21.
- الجمع بين الطول الموجي والسرعة الفردية للحصول الجانبي (على طول محول) والطول الموجي المحوري (عمودي على محول) السرعة في جميع أنحاء تسلسل انخفاض الهبوط، كما رأينا في الشكل 1.
- الحصول على ضخامة ناقل السرعة الناتجة من مكونات سرعة الفردية باستخدام المعادلة 1 كما هو موضح سابقا 22:
حيث β هي زاوية التوجيه شعاع، و 1 و 2 و هما مكونات تردد تلقت وو t هو تردد الإرسال. - حساب الوحشي ومحوري معدل سلالة دي / دينارا باستخدام GRADI المكانيةالوالدان في السرعات الوحشي ومحوري.
حيث V 2 و V 1 وسرعات فورية تقدر ب موقعين المكانية مفصولة مسافة L. - حساب المحوري والضغط الجانبي، ه، من خلال دمج معدل الضغط المحوري والجانبية على التوالي.
5. 3D موشن تحليل التقاط البيانات
- تصدير البيانات التقاط الحركة 3D لجهاز الكمبيوتر لمزيد من التحليل.
- باستخدام المحاكمة مكانة ثابتة، وخلق نموذج الحركية (الحوض والفخذ، الساق، والقدم) باستخدام 3D التقاط الحركة البرمجيات مع المربعات الصغرى الأمثل 23.
- استخدام هذا النموذج الحركية لقياس الحركة في الورك والركبة والكاحل والمفاصل.
- تحديد مسارات علامة العاكسة وقوى رد فعل الارض باستخدام أمر 4 المنخفضة تمرير Butterworمرشح ال مع تردد قطع من 7 هرتز و 25 هرتز، على التوالي باستخدام 3D التقاط الحركة البرمجيات.
- حساب 3-D والقوات المشتركة لحظات من الحركية والبيانات القوات البرية باستخدام معيار تحليل ديناميات عكسية، وذلك باستخدام الخصائص بالقصور الذاتي الجزء المقدرة لكل مشارك وفقا للأساليب ديمبستر. وتعرف لحظات مشتركة بين قطعي كما حظات الداخلية (مثل الركبة الداخلية حظة التمديد سيقاوم حمولة انثناء تطبق على الركبة).
6. عالية السرعة كاميرا تحليل البيانات
- تصدير الفيديو من الكاميرا البيانات بسرعة عالية إلى كمبيوتر للتحليل والمقارنة مع الموجات فوق الصوتية والبيانات الحركية 3D التقاط الحركة.
- يلعب الفيلم في 15 لقطة / ثانية ومراقبة ديناميات الهبوط الهبوط.
- ثم، تحديد حركة حامل المفاتيح وتشريد من محول بالموجات فوق الصوتية أثناء المحاكمة برمتها انخفاض الهبوط من خلال تتبع علامات مرئية على التشريحمعالم كال باستخدام بيانات الفيديو بسرعة عالية. تقييم ديناميات الهبوط قطرة كما يمكن القيام به في وقت واحد من أجل فهم أفضل الأساليب إطلاق والهبوط مختلفة.
Representative Results
يتم عرض نتائج ممثلة من أعمالنا السابقة مما يدل على الأساليب أدناه. في حين أن الطرق المستخدمة في البحث الحالي لدينا دمج التصوير والتقاط الحركة، فإن النتائج الواردة أدناه هي ممثل من الدراسات التي أجريت هذه القياسات بشكل منفصل.
أولا بالموجات فوق الصوتية (vTDI)
باستخدام البيانات من التقاط الحركة 3D وكاميرا عالية السرعة، ونمط الوثب الموضوع، تم درس الهبوط والاستقرار لكل مراحل المحاكمة. المستقيمة المحورية والجانبية الفخذية السرعات العضلات من vTDI تم مقارنة البيانات التي تم جمعها من 3D التقاط الحركة وكاميرا عالية السرعة. باستخدام هذه البيانات، وتمت دراسة الخصائص الزمنية للالمحوري والجانبية المستقيمة الفخذية السرعات العضلات في جميع أنحاء تسلسل الهبوط الهبوط. السرعات الجانبي إيجابية تتوافق مع انكماش غريب الأطوار من العضلات المستقيمة الفخذية خلال ثني الركبة،في حين تتوافق السرعات الجانبية السلبية لانكماش متحدة المركز من خلال تمديد العضلات في الركبة. ويتضح هذا في الشكل 2. كامل تسلسل انخفاض الهبوط لجميع المواد الدراسية استمرت نحو 1.45 ± 0.27 ثواني.
لكل موضوع، أظهرت المحوري والعضلات الجانبية السرعات على التكرار قوية بين التجارب مع منحدر من 0.99 و R2 = 0.75 (الشكل 3). كانت القيم سرعة لستة من أصل ثمانية موضوعات في مجموعة مماثلة من 48-62 سم / ثانية، في حين كان موضوعين (رجالا) سرعات أعلى. قدمت الذكور (72.96 سم / ثانية) سرعة أعلى بكثير من الإناث العضلات (48.71 سم / ثانية)، ع = 0.029، عند ضبط لوزن العضلات الفردية وسمك كل موضوع ل.
كانت تتبع موقف محول بالموجات فوق الصوتية يعتقد تسلسل انخفاض الهبوط باستخدام كاميرا عالية السرعة. الزاوية بين خط الجزء الذي تم بين المدور والكفة (اندفاعة الخضراءتم حساب خط الجزء إد) والجزء الخط الفاصل بين منتصف الفخذ والكفة (قطاع خط متقطع البنفسجية). ما مجموعه 16 المحاكمات، مع 2 التجارب لكل موضوع (محاكمة 1 و 2 تتصل إخضاع 1 وهلم جرا) ويلاحظ في الشكل 4. وقد لوحظ الاختلاف الزاوي الحد الأدنى (0.91 ± 0.54 ° درجة) صاحب محول نسبة إلى علامات تشريحية أثناء الهبوط على جميع التجارب 16. قدم الاختلاف الزاوي محول بالموجات فوق الصوتية والتكرار عالية كذلك (ICC 2،1 = 0.90، P <0.05)، وهذا يدل على أن الحركة محول أثناء المحاكمة الهبوط كان الحد الأدنى ولم تتأثر قياسات السرعة بسبب أي حركة محول.
II. 3D الحركة الكاميرا وقوة لوحات
ركزنا بشكل أساسي على الركبة وزوايا ثني الورك والركبة زاوية أروح، وأروح الركبة لحظة. وجدنا أنه خلال الاتصال الأولي على سطح الأرض، وكان المواضيع الأنماط الحركية التالية: الورك وLEXION 41 ° ± 13 درجة، ثني الركبة 23 ° ± 9 درجات، والركبة أروح 0.03 ° ± 6 درجات. كما أنها تقدم خلال مرحلة الهبوط، وكانت أقصى زوايا تحقيق: ثني الورك 58 ° ± 19 درجة، ثني الركبة 54 ° ± 24 درجة، والركبة أروح -4 ° ± 8 درجات (الشكل 5). قدمت حظة الركبة أروح انخفاضا من 0.03 ± ،03-،1 ± 0.1 نيوتن متر / كم من الاتصال الأرضي الأولية إلى الحد الأقصى خلال مرحلة الهبوط (الشكل 6).
الشكل 1. تمثيل vTDI قياس سرعة المستقيمة الفخذية، وشعاع الرمادي تمثل اثنين من الإرسال الفردية وتلقي الحزم ويمثل الخط الأحمر المكون سرعة الجانبي (على طول اتجاه الداني القاصي في الركبة) والخط الازرق يمثل سرعة المحوري العنصر (على طول سمك العضلات).
الشكل 2. تتم مقارنة المحوري والجانبي السرعات أثناء هبوط الهبوط إلى سلسلة من إطارات الفيديو (اللوحة العليا)، واللوحة السفلى هو محوري والجانبية السرعات، حيث A يتوافق مع ثني الركبة الأولية، B يتوافق مع تمديد الركبة، C يتوافق مع اصبع القدم ضرب الأرض، D يتوافق مع كعب ضرب الأرض، E يتوافق مع الركبة الهبوط آخر انثناء وF يتوافق مع تمديد الركبة والاستقرار.
الرقم 3. التكرار من ضخامة ناقل السرعة الناتجة عن كل المواد 8 (2 محاكمات لكل موضوع). يتم الرمز للرجال والنساء في الماس الحمراء في الدوائر الزرقاء.
الشكل 4. لوحة A. الخطأ فيالزاوية بين قطعة مستقيمة مصنوعة بواسطة الموجات فوق الصوتية حامل المفاتيح وعلامة على منتصف الفخذ (قطاع خط متقطع الأرجواني) وقطاع الخطوط التي أدلى بها محول بالموجات فوق الصوتية وعلامة على المدور (أخضر متقطع شريحة الخط). لوحة B. الخطأ المطلق في الزاوية بين قطعة مستقيمة مصنوعة بواسطة الموجات فوق الصوتية حامل المفاتيح وعلامة على منتصف الفخذ والجزء خط أدلى به محول بالموجات فوق الصوتية وعلامة على المدور.
الرقم 5. ويبين الشكل 3D التقاط الحركة خلال مهمة الهبوط الهبوط. A يتوافق مع ثني الركبة الأولية لإطلاق من منصة، B يتوافق مع اصبع القدم ضرب الأرض، C يتوافق مع كعب ضرب الأرض، D يتوافق مع الهبوط في الركبة آخر انثناء وE يتوافق مع KNEتمديد الإلكترونية وتحقيق الاستقرار. انقر هنا لعرض أكبر شخصية.
الرقم 6. ويبين الشكل الركبة ممثل التغييرات حظة أروح خلال المرحلة موقف الانقطاع عن القفز. عرض أروح الركبة حظة بزيادة من 0.03 ± 0،03-،1 ± 0.1 نيوتن متر / كم من الاتصال الأرضي الأولية إلى الحد الأقصى خلال مرحلة الهبوط. انقر هنا لعرض أكبر الرقم.
Discussion
الموجات فوق الصوتية والتصوير لديه القدرة على توفير التقييم المباشر من الحركيات العضلات في الدراسات الديناميكية التي يمكن أن تكمل التدابير التقليدية، مثل 3D التقاط الحركة، dynamometry، الكهربائي، وقياسات قوة رد فعل الارض. هذا النهج يمكن أن تكون قابلة للتطبيق على نطاق واسع للالميكانيكا الحيوية الأساسية البحث والتقييم السريري. هناك ثلاثة أساليب رئيسية لتقدير الحركة الأنسجة باستخدام الموجات فوق الصوتية: (1) وسائل تتبع البقع التي تستخدم عبر الارتباط على الترددات الراديوية الخام (RF) الموجات فوق الصوتية أو البيانات على نطاق والرمادي (أو B-واسطة) بيانات الصورة-الكشف عن الظرف. وقد استخدمت على نطاق واسع هذه التقنيات في كل من الهيكل العظمي 24-25 وتتبع القلب 26 حركة العضلات وتقدير، (2) وسائل معالجة الصور التي تتبع كراسات العضلات أو ميزات 27-28 و (3) تقنيات التصوير دوبلر الأنسجة المستخدمة في كل من القلب 29 -30 والهيكل العظمي تقدير 31 الحركة. تتبع رقطة على أساس المكانية عبر جوقد استخدم على نطاق واسع orrelation لتتبع حركة الأنسجة ويمكن تتبع الحركة مع بكسل القرار الفرعية. ومع ذلك، وأنماط رقطة decorrelate سريعا من خلال الاقتراحات أكبر. الحركة من الطائرة صورة أيضا تحديا لتتبع البقع. أساليب لتتبع طول العضلات كراسة ديك تطبيق أفضل حيث تصور الكراسة بأكملها في الصورة أثناء المهمة الحيوية. الأساليب التي تعتمد على البيانات معالجة الصور يكون القرار الزماني منخفضة محدودة بسبب معدل الإطار التصوير، وبالتالي لا يمكن أن تتبع الحركة في السرعات العالية. بالإضافة إلى ذلك، هذه الأساليب تتبع الكراسة هي حساسة جدا للحركة من الطائرة. وبالتالي حركة التحقيق بالنسبة إلى العضلات قد يتسبب في تتبع تفشل. تقديرات السرعة التقليدية من التصوير دوبلر الأنسجة (TDI) يمكن أن يكون القرار الزماني العالي، وكذلك هي أكثر قوة لحركات مسبار صغير. يمكن أن طرق تقدير مكونات دوبلر سرعات فقط على طول شعاع الموجات فوق الصوتية، وبالتالي تقديرات دوبلر يمكن أن يكون غير دقيق دوالبريد إلى زاوية متفاوتة من insonation مع حركة العضلات. لدينا طريقة vTDI المقترحة يتغلب على هذه المشكلة عن طريق استخدام الموجات فوق الصوتية شعاعين مختلفة قاد في زوايا مختلفة، وبالتالي تقدير السرعة مستقلة عن زاوية insonation في الطائرة التصوير. أيضا، فإن القرار الزماني فعالة من vTDI يمكن أن يكون ما يقرب من 0.1 مللي وبالتالي فإن هذا الأسلوب يمكن أن تتبع حركة العضلات والهيكل العظمي خلال الأنشطة الحيوية (مثل التسرب من الهبوط، والمشية والركض).
وتشمل المزايا الأخرى لنهجنا استخدام خطي محول التصوير صفيف المستندة على نظام الموجات فوق الصوتية السريرية لأداء ناقلات الأنسجة التصوير دوبلر. نحن تسيطر عليها الكترونيا الإرسال / التلقي توجيه شعاع، وحجم الفتحة والتركيز المواقع، لمسح حقل كبير من الرأي. وعلاوة على ذلك، ويمكن تمديد هذا النهج لأداء مزدوج vTDI مع التصوير في وقت واحد في الوقت الحقيقي. نظامنا يسمح لنا أيضا لأداء التقليدية B-وضع التصوير للترocate المنطقة التي تهم الكمي للسلالة الأنسجة وعلم الحركة. منذ أن تم تطبيق هذا الأسلوب على الماسح الضوئي السريرية، وكنا قادرين على نشر هذه الطريقة vTDI في مختبر الميكانيكا الحيوية مشية للبحوث.
يجب الاعتراف القيود المفروضة على هذه التقنية. عوامل مختلفة تؤثر على دقة قياسات دوبلر. تقديرات سرعة vTDI مقرها في اثنين البعد (جنبا إلى جنب وعبر ألياف العضلات) يتطلب مجموعة محول خطي إلى أن تنقسم إلى قسمين الإرسال / استقبال فتحات الفرعية (32 العناصر واسعة) وتوجيه الحزم بنسبة 15 درجة. يمكن توجيه الموجات فوق الصوتية إرسال واستقبال الحزم إلى أعلى زوايا تؤثر التدابير سرعة نظرا لصريف فصوص. أيضا، فإن مساحة المنطقة شعاع التداخل في vTDI يتغير مع اختلاف التركيز شعاع أعماق 32، يحتمل أن تؤثر في تقديرات السرعة. تباين التقديرات دوبلر تعتمد على (1) التسارع والتباطؤ من الأنسجة داخل نافذة الوقت تحليل (2) التباين رمسألة السرعة داخل البوابة مجموعة دوبلر (3) زاوية دوبلر متفاوتة داخل الفتحة المستخدمة في الاتساع الطيفي لإرسالها واستلامها أشعة الموجات فوق الصوتية، والمعروف أيضا باسم هندسية توسيع 33 و (4) عرض النطاق الترددي للنبض الموجات فوق الصوتية المنقولة، منذ التحول دوبلر يتناسب مع تردد الناقل 34. عدة طرق يمكن استخدامها للحد من التباين. المرحلة القائمة على المقدرات السرعة، مثل الارتباط الذاتي، وعادة ما تستخدم النوافذ الوقت تحليل أصغر مقارنة المقدرات الطيفية، لكنها تقدير يعني التحول دوبلر بدلا من التحول الذروة. النطاق العريض المقدرات الطيفية مثل 2D تحويل فورييه 35 يمكن أن تقلل من التباين يرجع ذلك إلى عرض النطاق الترددي النبض. في حالة vTDI، الذي يستخدم اثنين قاد الحزم دوبلر، وتباين السرعات الأنسجة في شعاع التداخل المنطقة بالنسبة إلى العضلات هو عامل آخر للنظر فيها. وتقلص العضلات الفخذية المستقيمة في 3D وveloc الانكماشإيتي يختلف مكانيا على طول العضلات. وبالتالي، فمن المهم أن تختار بعناية المنطقة من الفائدة.
في هذه الدراسة، ونحن التحقيق في التكرار من الحركيات العضلات الفخذية المستقيمة أثناء مهمة انخفاض الهبوط في ثمانية متطوعين أصحاء باستخدام vTDI. على الرغم من أن المحاكمات كانت مستقلة، لاحظنا السرعات تقلص العضلات الذروة المترابطة للغاية وقابلة للتكرار للأفراد بين التجارب. نحن نبحث عن توظيف المزيد من المواضيع في دراستنا لمواصلة النظر في هذا النمط. وقد وفرت هذه الدراسة غير الغازية وقياس الوقت الحقيقي للسرعات تقلص المستقيمة الفخذية خلال الانقطاع عن الهبوط. وقد لوحظت أنماط التالية من السرعات انكماش خلال مختلف مراحل مهمة الهبوط قطرة (الشكل 2): 1. السرعات تقلص العضلات تهيمن في الاتجاه الأفقي مقارنة مع الاتجاه المحوري خلال ثني الركبة (مرحلة الإطلاق) والإرشاد (في الهواء عهاسي). ومن المتوقع هذا، لأن العضلات الفخذية المستقيمة تشهد انكماش غريب الأطوار خلال مرحلة الإطلاق وانكماش متحدة المركز خلال المرحلة في الهواء. 2. انخفاض السرعات العضلات الجانبية خلال المرحلة الثالثة (اصبع القدم ملامسة للأرض)، مع السرعات المنخفضة تكاد لا تذكر العضلات المحورية. وهذا يتوافق مع خفض المستقيمة الفخذية تقلص العضلات خلال هذه المرحلة 3. زيادة كبيرة في السرعات العضلات المحورية والجانبية بعد كعب تلامس الأرض. هذا هو ربما يرجع ذلك إلى العضلات التي تمر كلا انكماش غريب الأطوار والتغيير في الشكل بسبب الضغط، مما تسبب في زيادة في السرعات على طول الألياف العضلية والطبيعي أن ألياف العضلات، على التوالي. على الرغم من أن المهمة الهبوط قطرة مهمة عالية التأثير، تظاهر vTDI المستقيمة الفخذية تكرار السرعات العضلات. هذه التقنية فوق الصوتية يمكن أن يكون لها تأثير السريرية منذ هذه العضلة هي المسؤولة في المقام الأول لحماية مفصل الركبة من التحميل الزائد.لذلك، هناك ما يبرر إجراء المزيد من التقييم للعضلة المستقيمة الفخذية في المرضى الذين يعانون من إعادة الإعمار ACL لفهم الآليات التي تؤدي إلى بداية مبكرة وتسارع من الزراعة العضوية.
على الرغم من أن المشاركين في هذه الدراسة طلب من جميع لتنفيذ مهمة انخفاض الهبوط الطبيعي من منصة 30 سم، وجدنا اختلافات في ارتفاع القفزة أو إطلاق. أيضا، وذلك باستخدام البيانات كاميرا عالية السرعة، لوحظ أن جميع المواد لديه نمط مختلف قطرة الهبوط. هذا يمكن أن يفسر الاختلافات الطفيفة بين المواضيع في القيم الناتجة سرعة ذروة المستقيمة الفخذية نتيجة الاختلافات الممكنة في أنماط التنشيط خلال المهمة. عامل آخر محتمل هو الخلافات في منطقة مستعرضة من العضلات الفخذية المستقيمة، والتي يمكن أن تؤدي إلى مستويات مختلفة من تقلص العضلات وقوة الإنتاج.
Disclosures
أي من الكتاب لديهم وتمت الموافقة الكشف عن أي معلومات مالية أو تضارب المصالح والدراسة من قبل الاتحاد الدولي للرجبي مؤسستنا.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل في جزء من منحة رقم 0953652 من المؤسسة الوطنية للعلوم والجزء الآخر من مكتبات جامعة جورج ميسون الوصول المفتوح صندوق النشر. نود أن نشكر الدكتور جون روبرت كريسمان الابن لتوفير الوصول إلى كاميرا عالية السرعة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ultrasound System | Ultrasonix | Sonix RP | |
| 3D Motion Capture System | Vicon Motion Systems | Vicon T-20 | |
| Force Plates | Bertec Corporation | Bertec 4060-10 | |
| High Speed Camera | Photron | Photron 512 PCI 32K |
References
- Woolf, A. D., Akesson, K. Understanding the burden of musculoskeletal conditions. The burden is huge and not reflected in national priorities. BMJ. 322, 1079-1080 (2001).
- World Health Organization. Health 21: the health for all policy for the WHO European region - 21 targets for the 21st century. , WHO Regional Office for Europe. Copenhagen. (1988).
- National Center for Health Statistics. National health interview survey. , US Department of Health and Human Services. Hyattsville, MD. (1995).
- Reginster, J. Y. The prevalence and burden of arthritis. Rheumatology. 41, Suppl ement 1. 3 (2002).
- Slemenda, C., Brandt, K. D., Heilman, D. K., et al. Quadriceps weakness and osteoarthritis of the knee. Annals of internal medicine. 127 (2), 97 (1997).
- Rasker, J. J. Rheumatology in general practice. British Journal of Rheumatology. 34, 494-497 (1995).
- Chopra, A., Abdel-Nasser, A. Epidemiology of rheumatic musculoskeletaldisorders in the developing world. Best Practice & Research Clinical Rheumatology. 22, 583-604 (2008).
- Narayan, U. G. The role of gait analysis in the orthopedic management of ambulatory cerebral palsy. Current Opinion in Pediatrics. 19, 38-43 (2007).
- Ahtiainen, J. P., et al. Panoramic ultrasonography is a valid method to measure changes in skeletal muscle cross-sectional area. European journal of applied physiology. 108 (2), 273-279 (2010).
- Rutherford, O. M., Jones, D. A. Measurement of fibre pennation using ultrasound in the human quadriceps in vivo. European journal of applied physiology and occupational physiology. 65 (5), 433-437 (1992).
- Fukunaga, T., et al. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. Journal of Applied Physiology. 82 (1), 354-358 (1997).
- Miyoshi, T., et al. Automatic detection method of muscle fiber movement as revealed by ultrasound images. Medical engineering. 31 (5), 558-564 (2009).
- Cronin, N. J., et al. Automatic tracking of medial gastrocnemius fascicle length during human locomotion. Journal of Applied Physiology. 111 (5), 1491-1496 (2011).
- Heimdal, A., Stoylen, A., Torp, H., Skjaerpe, T. Real-time strain rate imaging of the left ventricle by ultrasound. Journal of American Society of Echocardiography. 11, 1014-1019 (1998).
- D'hooge, J., Bijnens, B., Thoen, J., Van de Werf, F., Sutherland, G. R., Suetens, P. Echocardiographic strain and strain-rate imaging: a new tool to study regional myocardial function. IEEE Trans Med. Img. 21, 1022-1030 (2002).
- Eranki, A., et al. Measurement of tendon velocities using vector tissue Doppler imaging: A feasibility study. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. & Biol. , 5310-5313 (2010).
- Sikdar, S., et al. Measurement of rectus femoris muscle velocities during patellar tendon jerk using vector tissue Doppler imaging. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. & Biol. , 2963-2966 (2009).
- Cortes, N., Blount, E., Ringleb, S., Onate, J. Soccer-specific video simulation for improving movement assessment. Sports biomechanics / International Society of Biomechanics in Sports. 10 (1), 12-24 (2011).
- Quammen, D., Cortes, N., Van Lunen, B., Lucci, S., Ringleb, S., Onate, J. The effects of two different fatigue protocols on lower extremity motion patterns during a stop-jump task. J Athl Train. 47 (1), 32-41 (2012).
- Kasai, C., Namekawa, K., Koyano, A., Omoto, R. Real-time two-dimensional blood flow imaging using autocorrelation technique. IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. Su-32, 458-464 (1985).
- Pastorelli, A., Torricelli, G., Scabia, M., Biagi, E., Masotti, L. A real-time 2-D vector Doppler system for clinical experimentation. IEEE Trans. Med. Imag. 27, 1515-1524 (2008).
- Lu, T. -W., O'Connor, J. J. Bone position estimation from skin marker co-ordinates using global optimisation with joint constraints. Journal of Biomechanics. 32, 129-134 (1999).
- Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & Posture. , (2012).
- Loram, I. D., Maganaris, C. N., Lakie, M. Use of ultrasound to make noninvasive in vivo measurement of continuous changes in human muscle contractile length. Journal of applied physiology. 100 (4), 1311-1323 (2006).
- D'hooje, J., Heimdal, A., Jamal, F., et al. Regional strain and strain rate measurements by cardiac ultrasounds: principles, implementation and limitations. Eur J Echocardiogr. 1, 154-170 (2000).
- Yeung, F., et al. Feature-adaptive motion tracking of ultrasound image sequences using a deformable mesh. Medical Imaging, IEEE Transactions on. 17 (6), 945-956 (1998).
- Duan, Q., et al. Tracking of LV endocardial surface on real-time three-dimensional ultrasound with optical flow. Functional Imaging and Modeling of the Heart. , 873-875 (2005).
- Miyatake, K., et al. New method for evaluating left ventricular wall motion by color-coded tissue Doppler imaging: in vitro and in vivo studies. Journal of the American College of Cardiology. 25 (3), 717-724 (1995).
- Nagueh, S. F., et al. Doppler estimation of left ventricular filling pressure in sinus tachycardia: a new application of tissue Doppler imaging. Circulation. 98 (16), 1644-1650 (1998).
- Grubb, N. R., et al. Skeletal muscle contraction in healthy volunteers: assessment with Doppler tissue imaging. Radiology. 194 (3), 837-842 (1995).
- Eranki, A., AlMuhanna, K., Sikdar, S. Characterization of a vector Doppler system based on an array transducer. Ultrasonics Symposium (IUS). , (2010).
- Newhouse, V. L., et al. The dependence of ultrasound Doppler bandwidth on beam geometry. IEEE Trans. Sonics Ultrason. 27 (2), 50-59 (1980).
- Baker, D. W., Rubenstein, S. A., Lorch, G. S. Pulsed Doppler echocardiography: principles and applications. The American journal of medicine. 63 (1), 69-80 (1997).
- Loupas, T., Gill, R. W. Multifrequency Doppler: improving the quality of spectral estimation by making full use of the information present in the backscattered RF echoes. IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelect. Freq. Contr. 41, 522-531 (1994).
