Vi beskriver en ny ultralyd-baserede vektor vævsdopplerbilledbehandling teknik til at måle muskelsammentrækning hastighed, belastning og stamme sats med sub-millisekund tidsopløsning under dynamiske aktiviteter. Denne fremgangsmåde giver supplerende målinger af dynamiske muskel funktion og kan føre til en bedre forståelse af mekanismerne bag muskel-og skeletbesvær.
Ultralyd er en attraktiv modalitet for billedbehandling muskler og sener bevægelse under dynamiske opgaver og kan give en supplerende metodologisk tilgang til biomekaniske undersøgelser i et klinisk eller laboratorium indstilling. Mod dette mål, er metoder til kvantificering af muskel kinematik fra ultralyd billedsprog udvikles baseret på billedbehandling. Den tidsmæssige opløsning af disse metoder er typisk ikke tilstrækkeligt til meget dynamiske opgaver, såsom drop-landing. Vi foreslår en ny tilgang, der udnytter en Doppler-metoden til kvantificering muskel kinematik. Vi har udviklet en ny vektor vævsdopplerbilledbehandling (vTDI) teknik, der kan bruges til at måle bevægeapparatet sammentrækning hastighed, belastning og stamme sats med sub-millisekund tidsopløsning under dynamiske aktiviteter ved hjælp af ultralyd. Målet med denne forundersøgelse var at undersøge repeterbarhed og potentielle anvendelighed af vTDI teknik måling muskuloskeletal velocheder i løbet af en drop-landing opgave, hos raske forsøgspersoner. De vTDI målinger kan udføres samtidig med andre biomekaniske teknikker, såsom 3D motion capture for fælles kinematik og kinetik, elektromyografi for timingen af muskel aktivering og tvinge plader til jorden udrykningsstyrke. Integration af disse komplementære teknikker kan føre til en bedre forståelse af dynamisk muskel funktion og dysfunktion underliggende patogenese og patofysiologi af muskel-og skeletbesvær.
Muskel-og skeletbesvær er almindeligt udbredt i voksenalderen 1. De er en førende kronisk lidelse i USA 2 og er rapporteret at påvirke 25% af mennesker verden over 3.. Muskel-og skeletlidelser er forbundet med nedsat funktion i dagligdags aktiviteter (ADL), funktionelle begrænsninger og lavere livskvalitet 4. Deres økonomiske byrde er væsentlig på grund af tabt produktivitet og høje udgifter til sundhedsvæsenet 4. Patofysiologien af flere af disse lidelser forbliver tilstrækkeligt forstået. For eksempel har patogenesen af osteoarthritis (OA) 4 efter genopbygning af forreste korsbånd (ACL) skader blevet forbundet til ændringer i quadriceps muskelstyrke og funktion 5, men de underliggende mekanismer er uklare. For at belyse de underliggende mekanismer, der er behov for bedre at forstå dynamisk muskelfunktion.
Den funktionellevurdering af de enkelte muskler, under udførelsen af en delvis eller en hel opgave relateret til ADL og aktiv livsstil (dvs. sport) kan give yderligere indsigt om muskel funktion og dens potentielle rolle i patogenesen og patofysiologien af disse lidelser. Yderligere kvantificering af muskelfunktionen forbedring under rehabilitering kan bruges som et resultat foranstaltning. Konventionelle teknikker til måling af muskel-og ledfunktion i klinikken involverer fysisk undersøgelse, såsom vifte af bevægelse, muskelstyrke og / eller muskel gruppe udholdenhed. I øjeblikket i klinikken, er elektromyografi (EMG) anvendes til at vurdere muskelaktivering / co-aktivering, frekvens og amplitude af muskelaktivitet. Men EMG er et mål for elektrisk aktivering i musklen og ikke nødvendigvis give oplysninger om muskelstyrke, sammentrækning evne og andre funktionelle faktorer i musklen. Andre avancerede biomekaniske vurderinger, såsom 3D motion capture-system feller fælles kinetik og kinematik og tvinger plader til jorden udrykningsstyrke kan udføres i en gangart laboratorium 6-9. De målinger foretaget af disse teknikker er på det fælles niveau, og giver ikke nødvendigvis en direkte forståelse af de enkelte muskel funktion under en dynamisk eller funktionel aktivitet. Evnen til at udføre billedbehandling af musklen samtidigt, mens de udfører en dynamisk aktivitet kan potentielt føre til en bedre og mere realistisk funktionel vurdering på muskel-niveau.
De fleste undersøgelser har fokuseret på muskel funktion i statiske tilbøjelige positioner, og denne metode kan åbne nye veje til yderligere at styrke vores forståelse af muskel opførsel under virkelige situationer.
Diagnostisk ultralyd kan aktivere direkte billeddannelse af muskler og sener i realtid, og derfor er et attraktivt alternativ til måling af muskel-dynamik og funktion under ADL. Ultralyd-baserede kvantitative mål formuskel morfologi og arkitektur, såsom muskel tykkelse, længde, bredde, tværsnitsareal (CSA), fiber pennation vinkel og fascicle længde er ofte blevet brugt 10-12. I de seneste år har været ansat image-forarbejdningsmetoder at vurdere og kvantificere disse kvantitative foranstaltninger i dynamiske opgaver 13-14. Disse fremskridt har muliggjort en ny metodisk tilgang til at forstå in vivo muskelfunktion. Imidlertid har disse metoder primært påberåbt sig ved hjælp af konventionelle gråtoner (eller B-mode) ultralydsscanning, og derfor ikke har udnyttet fuldt ud mulighederne for ultralyd til at måle væv hastigheder, stamme og stamme sats med Doppler principper, der har vist sig at være værdifulde evaluere hjertemuskulaturen funktion 15-16.
Vi har udviklet en vektor vævsdopplerbilledbehandling (vTDI) teknik, der kan måle sammentrækning hastighed, belastning og stamme kurs med høj tidslig opløsning (sub MILLISECONd) under dynamiske aktiviteter 17-18. Specifikt kan vTDI teknik foretage målinger af muskler og sener i meget dynamiske opgaver (fx drop-landing, gangart, etc.) ved høje frame rates. Den vTDI Teknikken er en forbedring i forhold konventionel Doppler ultralyd, der anslår kun den komponent af hastigheden langs ultralydbølgen, og er derfor afhængig af insonation vinkel. vTDI anslår hastigheden af muskler og sener ved hjælp af to forskellige ultralyd bjælker styres i forskellige vinkler, og er derfor uafhængig af insonation vinkel i afbildningsplanet. Men da muskelsammentrækning sker i 3D, den vinkling af afbildningsplanet er stadig vigtig. Vi har implementeret denne metode på en kommercielt tilgængelig ultralyd-system med et forsknings-interface, så disse målinger, der skal foretages i et klinisk miljø.
At undersøge repeterbarhed og potentielle anvendelighed af vTDI systemeem i måling af rectus femoris muskel hastigheder under en dynamisk opgave, vi udførte en forundersøgelse på raske voksne frivillige. Dette papir demonstrerer metoden og forsøgsopstillingen til estimering sammentrækning hastigheder, stamme og stamme sats af rectus femoris musklen med sub-millisekund tidsopløsning i løbet af en drop-landing opgave.
Ultralydsscanning har evnen til at give direkte vurdering af muskel kinematik i dynamiske undersøgelser, der kan supplere de traditionelle foranstaltninger, såsom 3D motion capture, dynamometry, elektromyografi, og jord udrykningsstyrke målinger. Denne fremgangsmåde kan være bredt anvendelig for grundlæggende biomekanik forskning og klinisk evaluering. Der er tre vigtigste tilgange til estimering væv bevægelse ved hjælp af ultralyd: (1) speckle sporingsmetoder der bruger krydskorrelation på rå radiofrekvens (RF) ultralyd data eller kuvert-detekteret grå skala (eller B-mode) billeddata. Disse teknikker er blevet meget udbredt i både skelet 24-25 og hjerte-26 muskel motion tracking og estimering, (2) billede forarbejdningsmetoder, der sporer muskel fascicles eller funktioner 27-28 og (3) vævsdopplerbilledbehandling teknikker, der anvendes i både hjerte-29 -30 og skelet 31 bevægelse estimering. Speckle sporing baseret på rumlige cross-cAMMENLIGNINGSTABEL har været brugt i vid udstrækning til at spore bevægelse af væv og kan spore bevægelse med sub-pixel opløsning. Men speckle mønstre dekorrelere hurtigt under større bevægelser. Motion ud af billedplanet udgør også en udfordring for pletter sporing. Metoder til sporing muskel fascicle længde har bedre anvendelighed, hvor hele fascicle visualiseres i billedet under den dynamiske opgave. Metoder, der er afhængige af behandling billeddata har lav tidsmæssig opløsning begrænses af imaging frame rate og kan derfor ikke spore bevægelse ved høje hastigheder. Desuden er disse fascicle sporingsmetoder er meget følsomme over for ud af plan bevægelse. Således probe bevægelse i forhold til den muskel, kan forårsage sporing mislykkes. Velocity estimater fra konventionel vævsdopplerbilledbehandling (TDI) kan have en højere tidsmæssig opløsning, samt er mere robuste for små sonde bevægelser. Doppler metoder kan estimere hastigheder komponenter kun langs ultralydbølgen dermed Doppler estimater kan være unøjagtige due til den varierende vinkel insonation med bevægelse af musklen. Vores forslag vTDI metode overvinder dette problem ved at anvende to forskellige ultralyd bjælker styres ved forskellige vinkler, og derfor skønnet hastighed er uafhængig af insonation vinkel i afbildningsplanet. Desuden kan den effektive tidsmæssige opløsning af vTDI være ca 0,1 ms og derfor er denne metode kan spore bevægelse af skeletmuskulaturen under dynamiske aktiviteter (f.eks drop-landing, gangart og jogging).
Andre fordele ved vores fremgangsmåde omfatter anvendelse af et lineært array billeddannende transducer er baseret på et klinisk ultralyd system til udførelse vektor vævsdopplerbilledbehandling. Vi elektronisk styret sende / modtage stråle styretøj, blænde størrelse og fokus steder, for scanning af et stort synsfelt. Endvidere kan denne tilgang udvides til at udføre duplex vTDI med samtidig realtid billeddannelse. Vores system gør det også muligt for os at udføre konventionel B-mode billedbehandling til locate regionen af interesse for kvantificering af væv stamme og kinematik. Da denne metode blev gennemført på en klinisk scanner, har vi været i stand til at implementere denne vTDI metode i en gangart laboratorium for biomekanik forskning.
Begrænsninger af denne teknik skal anerkendes. Forskellige faktorer påvirker nøjagtigheden af Doppler målinger. vTDI baserede velocity skøn i to dimensioner (sammen og på tværs af muskelfibre), kræver den lineære transducer opdeles i to sende / modtage sub-åbninger (32 elementer bred) og styre strålerne ved 15 °. Steering ultralyd sende og modtage bjælker til højere vinkler kan påvirke velocity foranstaltninger som følge gittersløjfer. Også området af bjælken overlap region i vTDI skifter med varierende stråle fokus dybder 32, potentielt kan påvirke velocity skøn. Variansen af Doppler skøn afhænge (1) acceleration og deceleration af væv inden analysen tidsvinduet (2) varians af tproblem hastighed inden Doppler området gate (3) den varierende Doppler vinkel i åbningen anvendes til Wideband spektrale sendt og modtaget ultralyd bjælker, også kendt som geometriske udvidelse 33 og (4) båndbredden af den transmitterede ultralyd puls, idet dopplerforskydningssignalets er proportional med bærefrekvens 34. Flere metoder kan anvendes til at begrænse varians. Fase baseret velocity estimatorer, såsom autokorrelation, anvender typisk mindre analyse tidsvinduer i forhold til spektral estimatorer, men de anslår betyder Dopplerskiftet snarere end peak shift. Wideband spektrale estimatorer som 2D Fouriertransformation 35 kan reducere variansen grund impulsbåndbredden. I tilfælde af vTDI, der udnytter to styrende Doppler bjælker, variansen af væv hastigheder i strålens overlappende region i forhold til muskel er en anden faktor at overveje. Rectus femoris muskel sammentrækning er i 3D og sammentrækning veloctet varierer rumligt langs musklen. Derfor er det vigtigt at vælge omhyggeligt regionen af interesse.
I dette studie undersøgte vi repeterbarheden af rectus femoris muskel kinematik i løbet af en drop-landing opgave i otte raske frivillige hjælp vTDI. Selvom forsøgene var uafhængige, vi observerede højt korreleret og repeterbare peak muskel sammentrækning hastigheder for enkeltpersoner mellem forsøg. Vi er i øjeblikket at rekruttere flere fag i vores undersøgelse for yderligere at undersøge dette mønster. Denne undersøgelse har ydet ikke-invasiv og tidstro måling af sammentrækning hastigheder af rectus femoris musklen under drop-landing. De følgende mønstre af sammentrækning hastigheder blev observeret under de forskellige faser af drop landing opgave (Figur 2): 1.. Muskelsammentrækning hastigheder dominerer i den laterale retning i forhold til aksial retning under knæfleksionen (lancering fase) og udvidelse (i-the-air phase). Dette forventes, da rectus femoris musklen er under excentrisk kontraktion under opstartsfasen og koncentrisk kontraktion under in-the-air-fasen. 2. Lav laterale muskel hastigheder i tredje fase (tå rører jorden), med forsvindende lave aksiale muskel hastigheder. Det svarer til at sænke rectus femoris muskel sammentrækning i denne fase 3. Væsentlig stigning i aksiale og laterale muskel hastigheder lige efter hælen rører jorden. Dette er sandsynligvis på grund af muskel undergår både excentrisk sammentrækning og ændring i formen på grund af kompression, der forårsager stigningen i hastigheder langs muskelfibre og vinkelret på muskelfibrene, hhv. Trods det faktum, at faldet landing opgave er en opgave med høj slagstyrke, vTDI demonstreret gentagelig rectus femoris-musklen hastigheder. Denne ultralyd teknik kunne have klinisk virkning, da denne muskel er hovedansvarlig for at beskytte knæleddet fra overdreven belastning.Derfor er yderligere vurdering af rectus femoris muskel hos patienter med ACL rekonstruktion berettiget til at forstå de mekanismer, der fører til den tidlige og hurtige indtræden af OA.
Selvom deltagerne i denne undersøgelse alle blev bedt om at udføre en naturlig drop-landing opgave fra en 30 cm høj platform, vi fandt forskelle i højden af springet eller lancering. Også ved hjælp af den høje hastighed kamera oplysninger blev det konstateret, at alle de emner, havde en anden drop landing stil. Dette kunne forklare de små forskelle mellem individer i den maksimale hastighed værdier af rectus femoris-musklen som følge af eventuelle forskelle i aktiveringsmønstre under opgaven. En anden mulig faktor, er forskellene i tværsnitsareal af rectus femoris-musklen, hvilket potentielt kan føre til forskellige niveauer af muskelsammentrækning og tvinge produktionen.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet delvist af Grant Number 0953652 fra National Science Foundation og dels af George Mason University biblioteker open access publicering fond. Vi vil gerne takke Dr. John Robert Cressman Jr. for at give adgang til high-speed kamera.
Name of Equipment | Company | Model Name | |
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 |