Vi beskriver en ny ultralydbasert vektor vevsdoppleravbildning teknikk for å måle muskel sammentrekning hastighet, belastning og tøyning med sub-millisekund tidsmessig oppløsning under dynamiske aktiviteter. Denne tilnærmingen gir utfyllende målinger av dynamisk muskelfunksjon og kan føre til en bedre forståelse av mekanismene bak muskelskjelettlidelser.
Ultralyd er en attraktiv modalitet for bildebehandling muskel og sene bevegelse under dynamiske oppgaver og kan gi en utfyllende metodisk tilnærming for biomekaniske studier i en klinisk eller laboratorie innstilling. Mot dette målet, metoder for kvantifisering av muskel kinematikk fra ultralydbilder blir utviklet basert på bildebehandling. Den tidsmessig oppløsning av disse metodene er vanligvis ikke tilstrekkelig for svært dynamiske oppgaver, for eksempel drop-landing. Vi foreslår en ny tilnærming som utnytter en Doppler metode for å kvantifisere muskel kinematikk. Vi har utviklet en ny vektor vevsdoppleravbildning (vTDI) teknikk som kan brukes til å måle muskler og skjelett sammentrekning hastighet, belastning og tøyning med sub-millisekund tidsmessig oppløsning under dynamiske aktiviteter ved hjelp av ultralyd. Målet med denne foreløpige studien var å undersøke repeterbarhet og potensiell anvendelse av vTDI teknikken i å måle muskelskjelett velocteter under en drop-landing oppgave, i friske personer. De vTDI målinger kan utføres samtidig med andre biomekaniske teknikker, for eksempel 3D motion capture for leddkinematikk og kinetikk, elektromyografi for timing av muskelaktivering og tvinge plater for bakkereaksjonsstyrke. Integrering av disse komplementære teknikker kan føre til en bedre forståelse av dynamisk muskelfunksjon og dysfunksjon underliggende patogenesen og patofysiologi av muskel-og skjelettplager.
Muskel-og skjelettplager er utbredt i voksen alder en. De er en ledende kronisk tilstand i USA 2 og er rapportert å påvirke 25% av mennesker over hele verden tre. Muskel-og skjelettlidelser er assosiert med nedsatt funksjon i dagliglivets aktiviteter (ADL), funksjonelle begrensninger og lavere livskvalitet fire. Deres økonomiske byrden er betydelig på grunn av tapt produktivitet og høye helsekostnader fire. Patofysiologien av flere av disse lidelsene fortsatt mangelfullt forstått. For eksempel har patogenesen av artrose (OA) 4 etter rekonstruksjon av fremre korsbånd (ACL) skader vært knyttet til endringer i quadriceps muskelstyrke og funksjon 5, men de underliggende mekanismene er uklare. For å belyse de underliggende mekanismer er det et behov for å få en bedre forståelse dynamisk muskelfunksjon.
Den funksjonellevurdering av individuelle muskler, kan under utførelsen av en delvis eller en hel oppgave knyttet til ADL og aktiv livsstil (dvs. sports) gi ytterligere innsikt om muskelfunksjonen og dens potensielle rolle i patogenesen og patofysiologi av disse lidelsene. Videre kvantifisering av muskelfunksjon bedring ved rehabilitering kan brukes som effektparameter. Konvensjonelle teknikker for måling av muskel-og leddfunksjon i klinikken bære fysisk undersøkelse som omfanget av bevegelse, muskelstyrke og / eller muskelgruppe utholdenhet. Foreløpig i klinikken, er elektromyografi (EMG) brukes til å vurdere muskelaktivering / co-aktivering, frekvens og amplitude av muskelaktivitet. Imidlertid er EMG en måling av elektrisk aktivering i muskelen, og ikke nødvendigvis gi informasjon om muskelstyrke, kontraksjon evne og andre funksjonelle forhold av muskelen. Andre sofistikerte biomekaniske vurderinger, som for eksempel 3D motion capture system feller felles kinetikk og kinematikk og tvinge plater for bakkereaksjonsstyrke kan utføres i en gangart lab 6-9. Målinger foretatt av disse teknikkene er at det felles plan og ikke nødvendigvis gir en direkte forståelse av individuelle muskelfunksjonen i løpet av en dynamisk eller funksjonell aktivitet. Evnen til å utføre avbildning av muskelen samtidig mens du utfører en dynamisk aktivitet kan potensielt føre til en bedre og mer realistisk funksjonell vurdering på muskelnivå.
De fleste studier har fokusert på muskelfunksjon i statiske utsatt posisjoner, og denne metoden kan åpne nye veier for å ytterligere forbedre vår forståelse av muskel oppførsel under real-time situasjoner.
Diagnostisk ultralyd kan muliggjøre direkte avbildning av muskler og sener i sanntid, og derfor er et attraktivt alternativ for å måle muskel dynamikk og funksjon under ADL. Ultralyd-baserte kvantitative mål påmuskel morfologi og arkitektur, slik som muskel tykkelse, lengde, bredde, tverrsnittsarealet (CSA), fiber pennation vinkel og fascicle lengde har blitt mye brukt 10-12. I de senere årene, har bildebearbeidingsmetoder blitt ansatt for å vurdere og kvantifisere disse kvantitative tiltak under dynamiske oppgaver 13-14. Disse fremskrittene har aktivert en ny metodisk tilnærming til forståelse in vivo muskelfunksjon. Imidlertid har disse metodene først og fremst avhengig av å bruke konvensjonell gråtoner (eller B-mode) ultralydavbildning, og derfor har ikke fullt utnyttet mulighetene for ultralyd for å måle vev hastigheter, belastning og tøyning ved hjelp av Doppler prinsipper, som har vist seg å være verdifulle i å vurdere hjertemuskelfunksjon 15-16.
Vi har utviklet en vektor vevsdoppleravbildning (vTDI) teknikk som kan måle sammentrekning hastighet, belastning og tøyning med høy tidsoppløsning (sub millisecond) under dynamiske aktiviteter 17-18. Nærmere bestemt, kan det vTDI teknikken gjør målinger av muskler og sener under svært dynamiske oppgaver (for eksempel drop-landing, ganglag, etc.) ved høy bildefrekvens. Den vTDI teknikk er en forbedring i forhold til konvensjonelle Doppler-ultralyd, som estimerer bare den komponent av hastigheten langs ultralydstrålen, og er derfor avhengig av den insonation vinkel. vTDI estimerer hastigheten av muskel og sene å bruke to forskjellige ultralydstråler styres i forskjellige vinkler, og er derfor uavhengig av insonation vinkel i avbildningsplanet. Imidlertid, siden muskelkontraksjon skjer i 3D, er vinkelen på avbildningsplanet fortsatt viktig. Vi har implementert denne metoden på en kommersielt tilgjengelig ultralydsystem med et forsknings-grensesnitt, slik at disse målingene skal gjøres i en klinisk setting.
For å undersøke repeterbarhet og potensiell anvendelse av vTDI system i måling av rectus femoris muskler hastigheter under en dynamisk oppgave, vi utførte en forstudie på voksne, friske frivillige. Dette papiret demonstrerer metodikk og eksperimentelt oppsett for beregning sammentrekning hastigheter, belastning og tøyning av rectus femoris muskler med sub-millisekund tidsmessig oppløsning i løpet av en drop-landing oppgave.
Ultralyd avbildning har evnen til å gi direkte vurdering av muskel kinematikk i dynamiske studier som kan utfylle konvensjonelle tiltak, som for eksempel 3D motion capture, dynamometry, elektromyografi, og bakken reaksjon kraft målinger. Denne tilnærmingen kan være aktuelt bredt for grunnleggende biomekanikk forskning og klinisk evaluering. Det er tre hovedtilnærminger til estimering vev bevegelse ved hjelp av ultralyd: (1) speckle sporingsmetoder som bruker cross-korrelasjon på rå radiofrekvens (RF) ultralyd data eller konvolutte oppdaget grå skala (eller B-mode) bildedata. Disse teknikkene har blitt mye brukt i både skjelett 24-25 og hjerte 26 muskel motion tracking og estimering, (2) bildebearbeidingsmetoder som sporer muskel fascicles eller funksjoner 27-28 og (3) Vevsdoppleravbildning teknikker som brukes i både hjerte 29 -30 og skjelett 31 bevegelsesberegning. Speckle tracking basert på romlig cross-correlation har blitt brukt mye til å spore bevegelsene til vev og kan spore bevegelser med sub-pikslers oppløsning. Men prikkmønster decorrelate raskt under større bevegelser. Motion ut av bildeplanet er også en utfordring for speckle tracking. Metoder for sporing muskel fascicle lengde har bedre anvendelse der hele fascicle er visualisert i bildet under dynamisk oppgave. Metoder som er avhengige av behandling bildedata har lav tidsmessig oppløsning begrenset av bildebehandling bildefrekvens og dermed kan ikke spore bevegelser ved høye hastigheter. I tillegg er disse fascicle sporingsmetoder er svært følsomme for bevegelse ut av planet. Således probe bevegelse i forhold til den muskel kan føre til relativ til å mislykkes. Velocity estimater fra konvensjonell vevsdoppleravbildning (TDI) kan ha høyere tidsoppløsning, samt er mer robust til liten sonde bevegelser. Doppler metoder kan beregne hastigheter komponenter bare langs ultralydstrålen, og dermed Doppler anslag kan være unøyaktige due til å variere vinkelen på insonation med bevegelse av muskelen. Vår foreslåtte vTDI fremgangsmåte overvinner dette problem ved å benytte to forskjellige ultralydstråler styres i forskjellige vinkler, og derfor hastighetsestimatet er uavhengig av insonation vinkel i avbildningsplanet. Dessuten kan den effektive temporal oppløsning på vTDI være ca 0,1 ms, og denne metoden kan derfor spore bevegelser av skjelettmuskulatur under dynamiske aktiviteter (f.eks drop-landing, ganglag og jogging).
Andre fordeler ved vår metode omfatter bruk av en lineær avbildning transduser basert på et klinisk ultralydsystem for å utføre vektor vevsdoppleravbildning. Vi elektronisk styrt sende / motta bjelke styring, blenderåpning og fokus steder, for å skanne et stort synsfelt. Videre kan denne fremgangsmåten kan utvides til å utføre duplex vTDI med samtidig sanntids avbildning. Vårt system gjør det også mulig for oss å utføre konvensjonelle B-mode avbildning til locate regionen av interesse for kvantifisering av vev belastning og kinematikk. Siden denne metoden ble gjennomført på en klinisk skanner, har vi vært i stand til å distribuere dette vTDI metoden i en gangart lab for biomekanikk forskning.
Begrensninger av denne teknikken må anerkjennes. Ulike faktorer påvirker nøyaktigheten av dopplermålinger. vTDI baserte hastighetsestimater i to dimensjoner (langs og på tvers muskelfibre) krever lineær rekke svinger blir delt inn i to Sende / motta under åpninger (32 elementer bred) og styre strålene ved 15 °. Styre ultralyd sende og motta bjelker til høyere vinkler kan påvirke hastigheten tiltak på grunn av gitterlober. Også i området av strålen overlappområdet i vTDI forandrer seg med varierende strålefokus dyp 32, som potensielt kan påvirke hastighetsestimater. Variansen i de Doppler anslag avhenge av (1) akselerasjon og retardasjon av vev innenfor analysetidsvinduet (2) variasjon av tutgave hastighet innenfor rekkevidde Doppler-porten (3) varierende Doppler vinkelen innenfor aperturen som brukes for Wideband spektral det utsendte og mottatte ultralydstråler, også kjent som geometriske og utvider 33 og (4) båndbredden av det utsendte ultralydpuls, ettersom den Doppler-forskyvning er proporsjonal med bærefrekvensen 34. Flere metoder kan benyttes for å begrense avviket. Fase basert hastighets estimatorer, slik som autokorrelasjon, typisk benytter mindre analysetidsvinduer i forhold til spektrale estimatorer, men de anslår betyr Doppler-forskyvning i stedet for toppforskyvning. Wideband spektrale estimatorer som 2D Fouriertransformasjon 35 kan redusere avviket på grunn av puls-båndbredde. I tilfelle av vTDI, som benytter to styrte dopplerstråler, er variansen av vev hastigheter i bjelkedel overlappområdet i forhold til den muskel annen faktor å vurdere. Den rectus femoris muskelkontraksjon er i 3D og sammentrekning velocligheten varierer romlig langs muskelen. Derfor er det viktig å velge tilfreds regionen av interesse.
I denne studien undersøkte vi repeterbarhet av rectus femoris muskler kinematikk under en drop-landing oppgave i åtte friske frivillige som bruker vTDI. Selv om forsøkene var uavhengig, observerte vi svært korrelerte og repeterbare peak muskel sammentrekning hastigheter for individer mellom studier. Vi er for tiden å rekruttere flere fag i vår studie for å ytterligere undersøke dette mønsteret. Denne studien har gitt non-invasiv og sanntidsmåling av sammentrekning hastigheter på rectus femoris muskelen under drop-landing. Følgende mønstre av sammentrekning hastigheter ble observert under de ulike fasene av drop landing oppgaven (figur 2): 1. Muskelkontraksjon hastigheter dominerer i sideretningen i forhold til aksial-retningen under kneet fleksjon (lansering fase) og forlengelsen (in-the-air phase). Dette er forventet, siden rectus femoris muskelen er under eksentrisk kontraksjon under lanseringen fasen og konsentrisk kontraksjon under in-the-air fasen. 2. Lave laterale muskel hastigheter i løpet av tredje fase (tå berører bakken), med ubetydelig lav aksial muskel hastigheter. Dette tilsvarer senke rectus femoris muskel sammentrekning i denne fasen tre. Betydelig økning av aksiale og laterale muskel hastigheter like etter at hælen ligger an mot bakken. Dette er sannsynligvis på grunn av den muskel som gjennomgår både eksentrisk sammentrekning og endring i form på grunn av kompresjon, noe som øker i hastighet langs muskelfibrene og normal til muskelfibrene, henholdsvis. Til tross for at fallet landing oppgaven er en stor innvirkning oppgave, vTDI demonstrerte repeterbare rectus femoris muskel hastigheter. Dette ultralyd teknikken kunne ha klinisk betydning siden denne muskelen er først og fremst ansvarlig for å beskytte kneleddet fra overdreven lasting.Derfor, er ytterligere vurdering av rectus femoris muskler hos pasienter med ACL rekonstruksjon garanteres å forstå mekanismene som fører til tidlig og akselerert utbruddet av OA.
Selv om deltakerne i denne studien ble alle bedt om å utføre en naturlig drop-landing oppgave fra en 30 cm høy plattform, fant vi forskjeller i høyden på hopp eller lansering. Også ved hjelp av den høye hastigheten kameradata, ble det observert at alle personene hadde en annen dråpe landing stil. Dette kan forklare de små forskjeller mellom pasienter i topp resulterende hastighetsverdiene for rectus femoris muskler som følge av mulige forskjeller i aktiveringsmønster i løpet av oppgaven. En annen mulig faktor er forskjellene i tverrsnittsarealet av rectus femoris muskel, noe som eventuelt kunne føre til forskjellige nivåer av muskelsammentrekningen, og kraft produksjon.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet delvis av Grant nummer 0953652 fra National Science Foundation og delvis av George Mason University bibliotekene open access publisering fond. Vi ønsker å takke dr. John Robert Cressman Jr for å gi tilgang til høyhastighetskamera.
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 |