Summary
אנו מתארים טכניקה חדשה המבוסס על אולטרסאונד וקטור רקמת דופלר הדמיה כדי למדוד את מהירות התכווצות שרירים, מתח ושיעור זן עם רזולוציה של זמן משנה אלפית השנייה במהלך פעילות דינמית. גישה זו מספקת מדידות משלימות של תפקוד שרירים דינמי ויכולה להוביל להבנה טובה יותר של מנגנוני מחלות שרירים.
Abstract
אולטראסאונד הוא שיטה אטרקטיבית לשרירי הדמיה ותנועת גיד במהלך משימות דינמיות ויכול לספק גישה מתודולוגית משלימה ללימודים ביומכנית בסביבה קלינית או מעבדתי. לקראת מטרה זו, שיטות לכימות של קינמטיקה שרירים מדימויי אולטרסאונד מפותחות מבוססות על עיבוד תמונה. ההחלטה הזמנית של שיטות אלה היא בדרך כלל לא מספיק למשימות דינמיות מאוד, כגון ירידה-נחיתה. אנו מציעים גישה חדשה שמנצלת שיטת דופלר לכימות קינמטיקה שריר. פיתחנו הדמיה וקטור רומן דופלר רקמת טכניקה (vTDI), שניתן להשתמש כדי למדוד את מהירות התכווצות של שרירים ושלד, מתח ושיעור זן עם רזולוציה של זמן משנה אלפית השנייה במהלך פעילות דינמית באמצעות אולטרסאונד. מטרת מחקר ראשוני זה הייתה לבדוק את הדירות ואת התחולה פוטנציאלית של טכניקת vTDI במדידת veloc שרירים ושלדities במהלך משימה נפתחת נחיתה, בנבדקים בריאים. ניתן לבצע מדידות vTDI במקביל לטכניקות יומכנית אחרות, כגון לכידת 3D בקשה לקינמטיקה וקינטיקה משותפות, אלקטרומיוגרפיה לעיתוי של צלחות הפעלת שרירים וכוח לכוח תגובת קרקע. שילוב של טכניקות משלימים אלה יכול להוביל להבנה טובה יותר של תפקוד שרירים דינמיים ותפקוד בסיסי בפתוגנזה והפתופיזיולוגיה של הפרעות שרירים ושלד.
Introduction
הפרעות השלד והשרירים נפוצות באופן נרחב בבגרות 1. הם מצב כרוני מוביל בארצות הברית 2 ומדווחים להשפיע 25% מאנשים בעולם 3. הפרעות השלד והשרירים הקשורים לתפקוד ירידה בפעולות יומיומיות (ADL), מגבלות תפקודיות ואיכות נמוכה יותר של חיים 4. הנטל הכלכלי שלהם הוא משמעותי בגלל אובדן תפוקה ועלויות בריאות גבוהה 4. הפתופיזיולוגיה של כמה מהפרעות אלו נשארת הבינה כהלכה. לדוגמא, בפתוגנזה של דלקת מפרקים ניוונית (OA) 4 הבאה שחזור הרצועה צולבת קדמית פציעות (ACL) נמצאה קשורה לשינויים בכוח שריר ארבע ראשי ופונקציה 5, אבל המנגנונים אינם ברורים. על מנת להבהיר את המנגנונים העומדים בבסיס, יש צורך להבין את תפקוד שרירים דינמי טוב יותר.
הפונקציונליהערכה של שרירים בודדים, בזמן ההופעה של חלקי או משימה כל קשורה לליגה נגד שמצה ואורח חיים פעילים (כלומר ספורט) יכולה לספק תובנה נוספת על תפקוד שרירים ואת התפקיד הפוטנציאלי שלו בפתוגנזה והפתופיזיולוגיה של הפרעות אלה. יתר על כן כימות של שיפור תפקוד שרירים במהלך השיקום יכולה לשמש כמדד תוצאה. טכניקות קונבנציונליות למדידת שריר ותפקוד מפרקים במרפאת כרוכה בבדיקה גופנית כגון טווח התנועה, כוח שרירים ו / או סיבולת קבוצת שרירים. כרגע במרפאת, (EMG) משמש כדי להעריך הפעלה / שיתוף הפעלת שרירים, תדירות, והמשרעת של פעילות שרירים. עם זאת, חברת EMG היא מדד של הפעלה חשמלית בשרירים ולא בהכרח מספקת מידע על כוח השריר, יכולת התכווצות וגורמים אחרים תפקודיים של השריר. הערכות אחרות מתוחכמות ביומכנית, כגון f מערכת לכידת תנועת 3Dאו ניתן לבצע קינטיקה המשותפת וקינמטיקה וצלחות בכוח לכוח תגובת קרקע במעבדה הילוך 6-9. המדידות שנעשו על ידי טכניקות אלה הן ברמה המשותפת ולא בהכרח לספק הבנה ישירה של תפקוד שרירים בודד במהלך פעילות דינמית או פונקציונלית. היכולת לבצע הדמיה של השרירים בו זמנית בעת ביצוע פעילות דינמית שעלול להוביל להערכה תפקודית טובה יותר ומציאותית יותר ברמת השריר.
רוב המחקרים התמקדו בתפקוד שרירים בעמדות נוטות סטטי, ושיטה זו יכולה לפתוח אפיקים חדשים כדי לשפר עוד יותר את ההבנה של שרירים התנהגות שלנו במצבים בזמן אמת.
אולטרסאונד לאבחון יכול לאפשר להדמיה ישירה של שרירים וגידים בזמן אמת, ולכן היא חלופה אטרקטיבית למדידת דינמיקה של שרירים ושלד ותפקוד במהלך הליגה נגד השמצה. מדדי כמותיים המבוססים על אולטרסאונד שלמורפולוגיה שרירים ואדריכלות, כמו עובי שרירים, אורך, רוחב, שטח חתך רוחב (CSA), זווית pennation סיבים ואורך fascicle היו בשימוש נרחב 10-12. בשנים האחרונות, שיטות עיבוד תמונה להיות מועסקים על מנת להעריך ולכמת מדדי כמותיים אלה במהלך משימות דינמיות 13-14. מקדמות אלה אפשרו גישה מתודולוגית חדשה להבנה בתפקוד השרירים vivo. עם זאת, שיטות אלה הסתמכו בעיקר על שימוש בגווני אפור קונבנציונליים (או B-mode) הדמיה אולטרסאונד, ולכן לא מנוצלות במלואו את האפשרויות של אולטרסאונד למדידת מהירויות רקמות, מתח ושיעור מתח באמצעות עקרונות דופלר, שהוכחו להיות בעל ערך בהערכת תפקוד שריר לב 15-16.
פיתחנו הדמיה דופלר רקמת וקטור טכניקה (vTDI) שיכול למדוד את מהירות התכווצות, מתח ושיעור זן עם רזולוציה גבוהה זמנית (millisecon משנהד) במהלך פעילות דינמית 17-18. באופן ספציפי, את טכניקת vTDI יכולה לבצע מדידות של שרירים וגידים במהלך משימות דינמיות מאוד (למשל ירידה-נחיתה, הליכה, וכו ') במסגרת שיעורים גבוהים. טכניקת vTDI מהווה שיפור של אולטרסאונד דופלר הקונבנציונלי, שמעריך רק את הרכיב של המהירות לאורך קורה אולטרסאונד, ולכן הוא תלוי בזווית insonation. vTDI מעריך את המהירות של השריר והגיד באמצעות שתי קורות אולטרסאונד שונות ניווטו בזוויות שונות, ולכן אינו תלוי בזווית insonation במישור ההדמיה. עם זאת, מאז התכווצות שרירים שקורה ב-3D, הזווית של מטוס ההדמיה היא עדיין חשובה. יישמנו שיטה זו במערכת אולטרסאונד זמינה מסחרי עם ממשק מחקר, המאפשר מדידות אלה להתבצע בסביבה קלינית.
כדי לחקור את הדירות ואת התחולה פוטנציאלית של syst vTDIשלהם במדידת מהירויות השרירים femoris rectus במהלך משימה דינמית, ביצענו מחקר ראשוני על מתנדב בוגרים בריאים. מסמך זה מדגים את המתודולוגיה והתקנה ניסיונית להערכת מהירויות התכווצות, מתח ושיעור זן של rectus femoris שרירים עם רזולוציה של זמן משנה אלפית השנייה במהלך משימה נפתחת נחיתה.
Protocol
1. מכשור
TDI וקטור מבוסס על הערכת וקטור מהירות כתוצאה ממדידות מהירות דופלר נלקחו משניים או יותר עצמאי כיוונים. מערכת אולטרסאונד עם ממשק מחקר שימשה לפיתוח vTDI. ממשק המחקר אפשר עיצוב אלומת רמה הנמוכה ובקרת רצף דופק באמצעות ערכת פיתוח תוכנה (SDK). מתמר מערך ליניארי 5-14 MHz, בהיקף של 128 אלמנטים רגשי ועם שדה 38 מ"מ מבט היה בשימוש. ממשק המחקר הועסק כדי לפצל את מתמר המערך לשני לשדר ולקלוט פתחים ומכוונים את האלומות לקבל ב15 ° ביחס לנורמלי. אלומת השידור התמקדה באזור של עניין (למשל שריר בטן). פתחים לשדר ולקבל נקבעו ל32 אלמנטים.
שמונה נושאים, 4 גברים ו -4 נשים (29.7 ± 6.5 שנים) גויסו במחקר זה. צעדי קינמטית מהנושאיםגפיים ימני התחתונים נתפסו באמצעות מערכת לכידת תנועת שמונה מצלמה עם יכולת במהירות גבוהה וקצב דגימה של 200 הרץ. נתוני כוח תגובת הקרקע במהלך הניסוי נאספו באמצעות דגימת שתי צלחות תוקף ב2,000 הרץ.
מצלמה במהירות גבוהה רכוב על חצובה וממוקמת ב2 מ 'מהנושא, היה בשימוש כדי ללכוד את נחיתת הירידה ב500 מסגרות / sec.
2. הכנת נושא
- שאל את הנבדקים ללבוש מכנסיים קצרים, חזיית ספורט או נעלי חולצה וריצה קצרות.
- להורות לנבדקים לבצע חימום עצמי מכוון 10 דקות ומתיחות לפני איסוף הנתונים. זאת על מנת להימנע מכל התכווצויות שרירים חריגות ולהפחית את ההיקף של כל התכווצויות שרירים.
- לאחר פגישת החימום, הנח סמנים רעיוני על ציוני דרך ספציפיות על הגוף. באופן ספציפי, סמני כיול המקום בtrochanters גדול יותר, המדיאלי בין שתי המדינות והברך לרוחב ו המדיאלי וLateral malleoli. הנח סמני מעקב על האחורי וקדמיים פסגות מעולים הכסל, וצבירי מקום על הירכיים ושאנקס, וחמישה סמנים בכל רגל 19-20.
- כוון את הנושאים לעמדה במרכזו של אזור המיקוד של מצלמות 3D כדי להשיג ניסוי סטטי. המשתתפים חייבים לעמוד על הצלחות בכח בזרועותיהם על כתפיהם, על מנת לקבל נתונים ללכוד תנועת 3D סטטי.
- לאחר מכן, הנח את מתמר אולטרסאונד בבעל מתמר ולהבטיח מתקן טוב, כדי למנוע דחיקה של מתמר אולטרסאונד מבעל המתמר. בעל המתמר נעשה שימוש בפוליקרבונט Lexen ופלסטיק moldable.
- כדי להבטיח קשר טוב עם העור ומתמר אולטרסאונד, להחיל כמות נדיבה של ג'ל שידור אולטרסאונד על המתמר.
- מניחים את מתמר אולטרסאונד יחד עם בעל מתמר על הירך של הנושא לתמונה rectus femoris שרירים בגרזן אורכיהוא. המתמר חייב להיות ממוקם באמצע הדרך בין עמוד השדרה הכסל הקדמי וepicondoyle לרוחב לתמונת הבטן של rectus femoris שרירים. לפני הבטחת מתמר אולטרסאונד ובעל מתמר לרגלו, לקבל פרוסה צירית של קבוצת השרירים הארבע ראשי. שימוש זה כהדרכה, לוודא מתמר אולטרסאונד כעת הדמיה femoris rectus ולא זז יותר לרוחב או המדיאלי, כדי למנוע הדמיה קבוצת השרירים vastii.
- עכשיו, השתמש בתחבושת דביקה מלוכדת כדי לאבטח את בעל מתמר על ירכו של הנושא. הפוך שלב דיונים זה לא לחסום או לכסות את הסמנים רעיוני. התחבושת דביקה לא חייבת להיות רופפת או מוגזם הדוקה. חבישה לקס תסתכן מתמר אולטרסאונד לרדת במהלך המשימה נפתחת הנחיתה וחבישה הדוקה יתר על המידה לגרום לחוסר נוחות, לשבש את זרימת דם שטחית ואולי לשנות את דינמיקת נחיתת טיפה.
- הנח tהוא מצלמה במהירות גבוהה לפחות 2 מ 'מהנושא במישור הסגיטלי לאסוף קטעי וידאו ב500 מסגרות / sec. למקד את עדשת המצלמה כדי להבטיח כי כל רצף נחיתת ירידה של הנושא יכול כבר נתפס.
3. פרוטוקול ניסוי
- ברגע שכל הסמנים ומתמר אולטרסאונד בטוחים, לשאול את הנושאים לעמוד על פלטפורמה של גובה 30 סנטימטר מקום ב50 סנטימטר מהצלחות בכח. ודא שסביב הפלטפורמה (כ 2.5 מ ') השטח הוא נקי מכל חפצים שעלולים לעכב את משימת נחיתת הטיפה או לפצוע את הנושא. זה כולל את הכבל מתמר אולטרסאונד.
- להורות לנושאים להניח את ידיהם על מותניהם לפני שמתחילה את משימת נחיתת הטיפה ובמהלך רצף נחיתת ירידה כולה.
- תתחיל את איסוף הנתונים לאולטרסאונד, לכידת תנועת 3D, צלחות כוח ואת המצלמה במהירות הגבוהה לפני ההתחלה של פעילות נחיתת הטיפה. סנכרון בין המכשירים השונים יכול להיות להשיגד באמצעות לחיצה על מקש אחד כדי להתחיל את כל נתוני הרכישה. חיישן לחץ המחובר למקלדת יכול לשמש כדי ליצור אות הדק סנכרון כאשר מפתח ספציפי נלחץ.
- כוון את הנושא כדי לבצע את המשימה נפתחת נחיתה מהפלטפורמה והקרקע בשתי רגליו, בו זמנית. להבטיח כי נושאי טיפת תיבה מבמקום לקפוץ ממנו. אין הוראות ספציפיות ניתנות לגבי טכניקת נחיתה.
- לעצור את איסוף הנתונים פעם אחת בנושא התייצב באופן מלא והשלים את רצף נחיתת הטיפה.
- חזור על פרוטוקול זה חמש פעמים בנושא.
4. אולטראסאונד ניתוח נתונים
- יצוא ולאחסן נתונים הגולמיים ממערכת אולטרסאונד למחשב.
- נתוני אולטרסאונד בתדר רדיו הגלם (RF) מלקבל קורה דיגיטציה ב40 MHz. לעבד את הנתונים באמצעות MATLAB.
- לבצע גילוי אפנון נצב על נתוני RF כדי להסיר את תדר גל הנושא. הסר stationary ועומס תדר נמוך על ידי סינון נתונים נצב מכל הקורות לקבל ועבור כל עומק באמצעות מסנן גבוה לעבור 20 הרץ.
- להעריך את המהירויות לאורך שני לקבל קורות באמצעות אומדן מהירות autocorrelation הקונבנציונלי 21.
- מערבבים את צורות גל מהירות אדם לקבל לרוחב (לאורך המתמר) ומהירות צירית (בניצב למתמר) צורות גל לאורך רצף נחיתת ירידה, כפי שניתן לראות באיור 1.
- השג את סדר הגודל של וקטור מהירות כתוצאה ממרכיבי המהירות הבודדים באמצעות משוואת 1 כפי שתואר לעיל 22:
בי β הוא זווית היגוי קורה, f 1 ו-F 2 הם שני רכיבי התדר שהתקבלו ולא f הוא תדר השידור. - לחשב את / דה שיעור מתח הרוחב והצירי DT באמצעות gradi המרחביתהמציג במהירויות רוחב וציריים.
שבו V 2 ו-V 1 הם מהירויות מיידיים נאמדות בשני מיקומים מרחביים מופרדים על ידי מרחק L. - לחשב את צירי ומתח לרוחב, דואר, על ידי שילוב של שיעור הזן הצירי ורוחב בהתאמה.
5. ניתוח נתונים לכידת 3D Motion
- לייצא את נתוני לכידת תנועת 3D למחשב לניתוח נוסף.
- שימוש במשפט עומד סטטי, ליצור מודל kinematic (אגן, ירך, שוק וכף רגל) באמצעות תוכנה ללכידה תנועת 3D עם אופטימיזציה של ריבועים פחותים 23.
- השתמש במודל kinematic זה לכמת את התנועה במפרק הירך, הברך, קרסול ומפרקים.
- סנן את המסלולים רעיוני סמן וכוחות תגובת קרקע באמצעות נמוך לעבור כדי -4 Butterworמסנן ה עם תדר חיתוך של 7 הרץ ו25 הרץ, בהתאמה באמצעות תוכנה ללכידה תנועת 3D.
- לחשב 3-D כוחות משותפים ורגעים מkinematic וכוח נתוני קרקע באמצעות ניתוח דינמיקה הפוכה סטנדרטי, תוך שימוש במאפייני אינרציה קטע משוער לכל משתתף בהתאם לשיטות של דמפסטר. רגעים משותפים ינמגזרי מוגדרים כרגעים פנימיים (למשל רגע שלוחה פנימי בברך יתנגד כיפוף עומס מופעל עד הברך).
6. ניתוח נתונים מצלמה במהירות גבוהה
- לייצא את סרטוני וידאו ממצלמת נתונים במהירות גבוהה למחשב לניתוח והשוואה עם אולטרסאונד ונתונים kinematic לכידת תנועת 3D.
- הפעל את הסרט ב 15 מסגרות / שנייה ולבחון את דינמיקת נחיתת הטיפה.
- לאחר מכן, לכמת את תנועתו של בעל מתמר והעקירה של מתמר אולטרסאונד במהלך המשפט כולו נחיתת טיפה על ידי מעקב הסמנים הגלויים על anatomiציוני דרך cal באמצעות נתוני וידאו במהירות גבוהה. הערכת דינמיקת נחיתת הטיפה יכולה להיעשות גם בו זמנית כדי להבין טוב יותר את סגנונות שיגור ונחיתה השונים.
Representative Results
נציג תוצאות מהעבודה הקודמת שלנו הוכיחו את השיטות מוצגות להלן. בעוד השיטות מנוצלים במחקר הנוכחי שלנו לשלב הדמיה ולכידת תנועה, נציג התוצאות שיוצגו להלן הן ממחקרים שבם מדידות אלה בוצעו בנפרד.
I. אולטראסאונד (vTDI)
תוך שימוש בנתונים מלכידת תנועת 3D ואת המצלמה במהירות הגבוהה, דפוס הקפיצה של הנושא, שלבי נחיתה וייצוב נחקרו לכל ניסוי. Rectus הצירי ורוחב femoris מהירויות שרירים מvTDI הושווה לנתונים שנאספו מלכידת תנועת 3D ומצלמה במהירות גבוהה. שימוש בנתונים אלה, המאפיינים זמניים של צירי ומהירויות שרירים femoris rectus לרוחב לאורך רצף נחיתת הטיפה נחקרו. מהירויות רוחב חיוביות מתאימות לכיווץ אקסצנטרי של שריר femoris rectus במהלך כיפוף הברך,ואילו מהירויות רוחב שליליות מתאימות להתכווצות קונצנטריות של השריר במהלך הארכת הברך. זו באה לידי ביטוי באיור 2. הרצף הנפתח הנחיתה כולה לכל המקצועות נמשך כ 1.45 ± 0.27 שניות.
לכל נושא, המהירויות צירי ושריר רוחבי הראו הדירות חזקות בין ניסויים עם שיפוע של 0.99 וR2 = 0.75 (איור 3). ערכי מהירות לשישה מתוך שמונה נבדקים היו בטווח דומה של 48-62 סנטימטר / שנייה, בעוד ששני נושאים (גברים) היו מהירויות גבוהות יותר. זכרים (72.96 סנטימטר / שנייה) הוצגו גבוהה באופן משמעותי מהירות שריר מאשר נקבות (48.71 סנטימטר / שנייה), p = 0.029, כאשר ההתאמה לעובי המשקל ושרירים האישי של כל נושא.
העמדה של מתמר אולטרסאונד הייתה במעקב חשבה הרצף הנפתח נחיתה באמצעות המצלמה במהירות גבוהה. הזווית בין קטע הקו בין תל הירך והשרוול (מקף ירוקשורת קטע ed) וקטע הקו שבין אמצע הירך והשרוול (קטע קו מקווקו סגול) היה מחושב. סך הכל 16 ניסויים, עם 2 בניסויים לכל נושא (ניסוי 1 & 2 מתייחסים לנושא 1 וכן הלאה) הם נצפו באיור 4. וריאציה מינימאלית זוויתי (0.91 ° ± 0.54 מעלות) של בעל מתמר ביחס לסמנים אנטומיים במהלך הנחיתה נצפתה על כל 16 הניסויים. כמו גם הווריאציה הזוויתי מתמר אולטרסאונד הציגה הדירות גבוהות (ICC 2,1 = 0.90, p <0.05). זה מראה כי התנועה מתמר במהלך משפט הנחיתה הייתה מינימאלית ומדידות המהירות לא הושפעו בשל כל תנועה מתמר.
השני. צלחות 3D Motion מצלמה וחיל
אנחנו בעיקר מתמקדים בברך וזוויות כיפוף ירך, זווית valgus הברך, ורגע valgus הברך. מצאנו כי במהלך הקשר הראשוני עם הקרקע, היו נושאים הדפוסים הבאים kinematic: ירך f41 ° ± 13 מעלות Lexion, כיפוף הברך 23 ° ± 9 מעלות, ובוהן הברך 0.03 ° ± 6 מעלות. כפי שהם ההתקדמות בשלב הנחיתה, הזוויות המרביות שהושגו היו: כיפוף ירך 58 ° ± 19 מעלות, כיפוף הברך 54 ° ± 24 מעלות, ובוהן הברך -4 ° ± 8 מעלות (איור 5). רגע valgus הברך הציג ירידה מ 0.03 ± 0.03-0.1 ± 0.1 Nm / קילומטר ממגע קרקע ראשוני למקסימום שלה בשלב הנחיתה (איור 6).
איור 1. ייצוג של מדידת מהירות vTDI של rectus femoris שרירים. הקורה האפור מייצג את השידור שני בודד ולקבל קורות והקו האדום מייצג את מרכיב רוחב מהירות (יחד כיוון הפרוקסימלי-הדיסטלי של הברך) והקו הכחול מייצג את המהירות צירית רכיב (לאורך העובי של השריר).
איור 2. מהירויות צירית והרוחביות במהלך נחיתת ירידה הן בהשוואה לרצף של מסגרות וידאו (פנל עליון). הפנל התחתון היא המהירויות צירי ורוחב, שבו מתאימה לכיפוף הברך הראשוני, לינה מתאימה להארכת הברך, C תואם את הבוהן בולטת בשטח, D תואם את העקב בולט בשטח, E מתאימה לברך לאחר כיפוף נחיתה וF מתאים להארכת הברך וייצוב.
איור 3. הדירות של סדר הגודל של וקטור המהירות כתוצאה לכל 8 נושאים (2 בניסויים לכל נושא). גברים מסומנים ביהלומים אדומים ונשים בעיגולים כחולים.
איור 4. לוח א 'השגיאה בהזווית בין קטע הקו שנעשה על ידי בעל מתמר אולטרסאונד ואת הסמן באמצע הירך (קטע קו מקווקו הסגול) וקטע הקו שנעשה על ידי מתמר אולטרסאונד והסמן על trochanter (ירוקה מקווקו קטע קו). לוח ב 'השגיאה המוחלטת בזווית בין קטע הקו שנעשה על ידי בעל מתמר אולטרסאונד ואת הסמן באמצע הירך וקטע הקו שנעשה על ידי מתמר אולטרסאונד והסמן על trochanter.
איור 5. איור מציג את לכידת תנועת 3D במהלך משימת נחיתת הטיפה. מתאימים לכיפוף הברך הראשוני לשיגור מפלטפורמה, לינה מתאימה לבוהן בולט בשטח, C תואם את העקב בולט בשטח, D מתאים להודעה כיפוף הברך נחיתה ו-E מתאימה לkneסיומת דואר וייצוב. לחצו כאן כדי להציג דמות גדולה.
איור 6. איור מראה שינויי רגע valgus הברך נציג בשלב העמדה של ירידת קפיצה. רגע בוהן ברך הציג עלייה מ 0.03 ± 0.03-0.1 ± 0.1 Nm / קילומטר ממגע קרקע ראשוני למקסימום שלה בשלב הנחיתה. לחץ כאן לצפייה גדולה יותר דמות.
Discussion
יש הדמיה אולטראסאונד היכולת לספק הערכה ישירה של קינמטיקה שריר במחקרים דינמיים שיכול להשלים באמצעים קונבנציונליים, כגון לכידת 3D תנועה, dynamometry, אלקטרומיוגרפיה, ומדידות כוח תגובת קרקע. גישה זו יכולה להיות ישימה באופן נרחב למחקר הבסיסי ביומכניקה והערכה קלינית. ישנן שלוש גישות עיקריות להערכת תנועת רקמות באמצעות אולטרסאונד: (1) שיטות מעקב רבב המשתמשים חוצה קשר על תדר רדיו גלם נתונים (RF) אולטרסאונד או נתוני תמונה בקנה מידה אפורה (או B-mode), זוהה על מעטפה. טכניקות אלה היו בשימוש נרחב בשני 24-25 השלד ומעקב אחר תנועת שריר לב 26 והערכה; (2) שיטות עיבוד תמונה העוקבות אחר fascicles השריר או תכונות 27-28 ו (3) שיטות ההדמיה דופלר הרקמה משמשות בשני 29 לב הערכה ביום 31 בתנועה -30 ושלד. מעקב רבב מבוסס על ג הצולב המרחביתorrelation כבר בשימוש נרחב כדי לעקוב אחר תנועה של רקמה ויכול לעקוב אחר תנועה עם רזולוציה תת פיקסלים. עם זאת, דפוסי רבב decorrelate במהירות בתנועות גדולות יותר. תנועה אל מחוץ למטוס התמונה גם מציבה אתגר למעקב רבב. יש שיטות לאורך fascicle שרירים מעקב תחולה טובה יותר שבו כל fascicle היא דמיינו בתמונה במהלך המשימה הדינמית. יש שיטות המסתמכות על נתוני תמונת עיבוד רזולוציה הטמפורלית נמוכה מוגבלת על ידי מסגרת שיעור הדמיה ולכן לא ניתן לעקוב אחר תנועה במהירויות גבוהות. בנוסף, שיטות מעקב fascicle אלה הן מאוד רגישות מתנועת מטוס. לכן בדיקה תנועה יחסי לשריר עלול לגרום למעקב להיכשל. הערכות מהירות מהדמיה קונבנציונלית דופלר הרקמה (TDI) יכולות להיות פתרון זמני גבוה יותר, כמו גם יותר חזקים לתנועות חללית קטנות. שיטות דופלר יכולות להעריך רכיבי מהירויות רק לאורך קורה אולטרסאונד, ובכך הערכות דופלר יכולה להיות du לא מדויקדואר לזווית שונה של insonation עם התנועה של השריר. שיטת vTDI המוצעת שלנו מתגברת על בעיה זו על ידי שימוש בשתי קורות אולטרסאונד שונות ניווטו בזוויות שונות, ולכן אומדן המהירות אינו תלוי בזווית insonation במישור ההדמיה. כמו כן, הפתרון הזמני היעיל של vTDI יכול להיות כ 0.1 ms ולכן שיטה זו ניתן לעקוב אחר תנועה של שרירי שלד במהלך פעילות דינמית (למשל ירידת נחיתה, הליכה וריצה).
יתרונות אחרים של הגישה שלנו כוללים שימוש במתמר הדמיה המערך ליניארי המבוסס על מערכת אולטרסאונד קלינית לביצוע ההדמיה דופלר רקמת וקטור. אנחנו נשלטים אלקטרוניים לשדר / לקבל היגוי קורה, גודל צמצם ומקומות להתמקד, לסריקת שדה גדול של נוף. יתר על כן, גישה זו ניתן להאריך לבצע דופלקס vTDI עם הדמיה בו זמנית בזמן אמת. המערכת שלנו מאפשרת לנו גם לבצע הדמיה B-מצב קונבנציונלית לליטרocate האזור של עניין לכימות של מתח וקינמטיקה רקמות. מאחר ושיטה זו יושמה בסורק קליני, יש לנו כבר תוכל לפרוס שיטת vTDI זה במעבדה בהליכה למחקר ביומכניקה.
מגבלות של טכניקה זו יש להודות. גורמים שונים משפיעים על הדיוק של מדידות דופלר. הערכות מבוססות מהירות vTDI בשני ממד (לאורך ולרוחב סיבי שריר) דורשת מתמר המערך ליניארי ליפוצלו לשני לשדר / לקבל תת פתחים (רחב 32 אלמנטים) ומכוונים את האלומות ידי 15 °. היגוי אולטרסאונד לשדר ולקבל קורות לזוויות גבוהות יותר יכול להשפיע על מדדי מהירות בשל צורם אונות. כמו כן, באזור של אזור החפיפה הקורה בvTDI משתנה עם מיקוד אלומה משתנה עומקים 32, באופן פוטנציאלי להשפיע על הערכות מהירות. השונות של אומדני דופלר תלויות (1) האצה האטה של רקמה בתוך חלון זמן ניתוח (2) שונות של tנושא מהירות בתוך שער מגוון דופלר (3) זווית דופלר שונה בתוך הפתח המשמש לפס רחב ספקטרלי משודר וקיבלה קורות אולטרסאונד, הידוע גם גיאומטרי הרחבת 33 ו (4) את רוחב הפס של דופק אולטרסאונד מועבר, שכן אפקט דופלר הוא פרופורציונאלי לתדר גל הנושא 34. מספר שיטות ניתן להשתמש כדי להגביל את השונות. אומדי מהירות הפאזה מבוססת, כגון autocorrelation, בדרך כלל לנצל חלונות זמן ניתוח קטנים יותר בהשוואה לאומדני רפאים, אבל הם מעריכים מתכוונים היסט דופלר ולא השיא משמר. Wideband אומדי רפאים כמו פורייה 2D להפוך 35 יכולים להפחית את השונות בשל רוחב פס הדופק. במקרה של vTDI, אשר מנצל שני ניתבו את הקורות דופלר, את השונות של מהירויות רקמות בקורה החפיפה האזור ביחס לשריר היא גורם נוסף שיש לשקול. התכווצות השרירים femoris rectus היא ב-3D וveloc ההתכווצותity משתנה מרחבית לאורך השריר. לכן, חשוב לבחור את האזור של עניין בזהירות.
במחקר זה, חוקרים בחנו את הדירות של קינמטיקה השרירים femoris rectus במהלך משימה נפתחת נחיתה בשמונה מתנדבים בריאים באמצעות vTDI. למרות שהניסויים היו עצמאיים, צפינו מהירויות התכווצות שרירים שיא מתואמות ודיר מאוד ליחידים בין ניסויים. כרגע אנחנו מגייסים יותר נושאים במחקר שלנו כדי לבחון את הדפוס הזה עוד יותר. מחקר זה סיפק לא פולשנית ומדידה של מהירויות ההתכווצות של rectus זמן אמת femoris שריר במהלך ירידה-נחיתה. הדפוסים של מהירויות התכווצות הבאות נצפו במהלך השלבים השונים של משימת טיפת נחיתה (איור 2): 1. מהירויות התכווצות שרירים לשלוט בכיוון לרוחב בהשוואה לכיוון צירי במהלך כיפוף הברך (שלב השקה) והרחבה (ב- the-Air phase). זה צפוי, שכן השרירים femoris rectus עובר כיווץ אקסצנטרי במהלך שלב ההשקה והתכווצות קונצנטריים בשלב ב-the-Air. 2. מהירויות נמוכה לרוחב שריר במהלך השלב השלישי (הבוהן נוגעת בקרקע), עם מהירויות שרירים צירי זניח נמוכים. זה מתאים כדי להוריד את התכווצות השרירים femoris rectus בשלב זה 3. עלייה משמעותית במהירויות שרירים צירי ורוחב רק אחרי העקב נוגע בקרקע. זהו ככל הנראה בשל לשריר עובר שתי התכווצות ושינוי אקסצנטריים בצורה עקב דחיסה, גורם עלייה במהירויות לאורך סיבי שריר ונורמלים לסיבי השריר, בהתאמה. למרות העובדה שמשימת נחיתת הירידה היא משימת השפעה גבוהה, vTDI הפגין rectus femoris הדיר מהירויות שריר. יש טכניקת אולטרסאונד זה יכולה השפעה קלינית מאז שריר זה אחראי בעיקר להגנה על מפרק הברך מהעמסת יתר.לכן, הערכה נוספת של השרירים femoris rectus בחולים עם שחזור ACL היא מוצדקת כדי להבין את המנגנונים מובילים להופעה המוקדמת והמואצת של OA.
למרות שהמשתתפים במחקר זה היו כל התבקשנו לבצע משימה נפתחת נחיתה טבעית מפלטפורמת 30 סנטימטר, מצאנו הבדלים בגובה של הקפיצה או השקה. בנוסף, השימוש בנתוני המצלמה במהירות גבוהה, זה היה ציין כי היו כל הנושאים סגנון נחיתת טיפה שונה. זה יכול להסביר את ההבדלים קלים בין הנבדקים בערכי המהירות כתוצאה השיא של rectus femoris שרירים כתוצאה מהבדלים אפשריים בדפוסי הפעלה במהלך המשימה. גורם אפשרי נוסף הוא ההבדלים בשטח חתך של שריר femoris rectus, אשר עלול להוביל לרמות של התכווצות שרירים שונות ולאלץ את הייצור.
Disclosures
אף אחד מהמחברים לי שום גילויים או ניגודי עניינים והמחקר פיננסיים אושרו על ידי IRB של המוסד שלנו.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי גרנט מספר 0953652 מהקרן הלאומית למדע ובחלקו על ידי קרן ההוצאה לאור גישה פתוחה ספריות אוניברסיטת ג'ורג' מייסון. ברצוננו להודות לד"ר ג'ון רוברט Cressman ג'וניור עבור מתן גישה למצלמה במהירות גבוהה.
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).
