Vi beskriver en ny ultraljudsbaserad vektor vävnadsdoppler teknik för att mäta muskelsammandragning hastighet, stam och stam takt med sub-millisekund tidsupplösning under dynamiska aktiviteter. Denna metod ger kompletterande mätningar av dynamisk muskelfunktion och kan leda till en bättre förståelse av mekanismerna bakom belastningsskador.
Ultraljud är en attraktiv modalitet för avbildning muskler och senor rörelse under dynamiska uppgifter och kan ge en kompletterande metodiskt tillvägagångssätt för biomekaniska studier i klinisk eller laboratoriemiljö. På väg mot detta mål, metoder för kvantifiering av muskel kinematik från ultraljudsbildspråk utvecklas utifrån bildbehandling. Den temporala upplösningen av dessa metoder är oftast inte tillräckligt för högdynamiska uppgifter, till exempel drop-landning. Vi föreslår en ny metod som använder en Doppler metod för att kvantifiera muskel kinematik. Vi har utvecklat en ny vektor vävnadsdoppler (VTDI) teknik som kan användas för att mäta muskuloskeletala kontraktion hastighet, stam och stam takt med sub-millisekund tidsupplösning under dynamiska verksamhet med hjälp av ultraljud. Målet med denna förstudie var att undersöka repeterbarheten och potentiella tillämplighet VTDI tekniken att mäta muskuloskeletala velocsamhet under en drop-landning uppgift, hos friska försökspersoner. De VTDI mätningar kan utföras samtidigt med andra biomekaniska tekniker, såsom 3D-motion capture för gemensamma kinematik och kinetik, elektromyografi för tidpunkten för muskelaktiverings-och kraftplattor för markreaktionskraft. Integrationen av dessa kompletterande tekniker skulle kunna leda till en bättre förståelse för dynamisk muskelfunktion och dysfunktion ligger till grund för patogenes och patofysiologi av belastningsskador.
Belastningsbesvär är allmänt förekommande i vuxen ålder 1. De är en ledande kroniskt tillstånd i USA 2 och rapporteras för att påverka 25% av människor över hela världen 3. Belastningsbesvär är associerade med minskad funktion i dagliga aktiviteter (ADL), funktionella begränsningar och lägre livskvalitet 4. Deras ekonomiska bördan är betydande på grund av förlorad produktivitet och höga sjukvårdskostnader 4. Patofysiologin av flera av dessa sjukdomar fortfarande otillräckligt förstådd. Till exempel har patogenesen för osteoartrit (OA) 4 efter rekonstruktion av främre korsband (ACL) skador kopplats till förändringar i quadriceps muskelstyrka och funktion 5, men de bakomliggande mekanismerna är oklara. För att belysa de bakomliggande mekanismerna, det finns ett behov av att bättre förstå dynamisk muskelfunktion.
Den funktionellabedömning av enskilda muskler, under genomförandet av en del av eller en hel uppgift i samband med ADL och aktiv livsstil (dvs. sport) kan ge ytterligare insikt om muskelfunktion och dess potentiella roll i patogenesen och patofysiologi av dessa störningar. Ytterligare kvantifiering av muskelfunktion förbättring under rehabilitering kan användas som ett utfallsmått. Konventionella metoder för mätning av muskel-och ledfunktion på kliniken innebär fysisk undersökning, såsom rörelseomfång, muskelstyrka och / eller muskelgrupp uthållighet. Närvarande i kliniken, är elektromyografi (EMG) används för att bedöma muskelaktivering / co-aktivering, frekvens och amplitud av muskelaktivitet. Emellertid är EMG ett mått på elektrisk aktivering i muskeln och inte nödvändigtvis ge information om muskelstyrka, kontraktion förmåga och andra funktionella faktorer i muskeln. Andra avancerade biomekaniska bedömningar, till exempel 3D-motion capture-system feller gemensamma kinetik och kinematik och kraftplattor för markreaktionskraft kan utföras i en gånglabb 6-9. De mätningar som görs med dessa tekniker är på gemensam nivå och inte nödvändigtvis ger en direkt förståelse för enskilda muskelfunktion under en dynamisk och funktionell aktivitet. Förmågan att utföra avbildning av muskeln samtidigt medan du utför en dynamisk aktivitet skulle kunna leda till en bättre och mer realistisk funktionell bedömning på muskelnivå.
De flesta studier har fokuserat på muskelfunktion i statiska utsatta lägen, och denna metod kan öppna nya vägar för att ytterligare öka vår förståelse av muskel beteende under verkliga situationer.
Diagnostiskt ultraljud kan aktivera direkt avbildning av muskler och senor i realtid, och därför är ett attraktivt alternativ för mätning av muskuloskeletala dynamik och funktion under ADL. Ultraljud-baserade kvantitativa mått påmuskel morfologi och arkitektur, till exempel muskeltjocklek, längd, bredd, tvärsnittsarea (CSA), fiber pennation vinkel och fascicle längd har använts i stor omfattning 10-12. Under de senaste åren har bildbehandlingsmetoder använts för att bedöma och kvantifiera dessa kvantitativa åtgärder under dynamiska uppgifter 13-14. Dessa framsteg har möjliggjort en ny metod för att förstå in vivo muskelfunktion. Emellertid har dessa metoder främst förlitat sig på att använda konventionella gråskala (eller B-läge) ultraljud, och därför har inte fullt ut utnyttjat möjligheterna till ultraljud för att mäta vävnadshastigheter, stam och stam takt med hjälp av doppler principer, som har visat sig vara värdefull vid utvärdering av hjärtmuskelfunktion 15-16.
Vi har utvecklat en vektor vävnadsdoppler (VTDI) teknik som kan mäta sammandragning hastighet, stam och stam takt med hög tidsupplösning (sub MILLISECONd) under dynamisk aktiviteter 17-18. Specifikt kan VTDI tekniken gör mätningar av muskler och senor under högdynamiska uppgifter (t.ex. drop-landning, gång, etc.) vid hög bildhastighet. Den VTDI tekniken är en förbättring jämfört med konventionell Doppler ultraljud, som uppskattar bara komponenten av hastigheten längs ultraljudsstrålen, och är därför beroende av insonation vinkeln. VTDI beräknar hastigheten hos muskler och senor genom att använda två olika ultraljudstrålarna styrs i olika vinklar, och är därför oberoende av det insonation vinkel i avbildningsplanet. Eftersom muskelsammandragning sker i 3D, är fortfarande viktigt vinklingen av avbildningsplanet. Vi har genomfört den här metoden på ett kommersiellt tillgängligt ultraljudssystem med en forsknings-gränssnitt, vilket gör dessa mätningar som ska göras i en klinisk miljö.
För att undersöka repeterbarheten och potentiella tillämplighet VTDI system i mäta rectus femoris muskeln hastigheter under en dynamisk uppgift, utförde vi en förstudie på friska vuxna försökspersoner. Detta dokument visar metoden och experimentuppställning för att uppskatta kontraktion hastigheter, stam och stam takt rectus femoris muskeln med sub-millisekund tidsupplösning under en drop-landnings uppgift.
Ultraljudsundersökningar har förmågan att ge direkt bedömning av muskel kinematik i dynamiska studier som kan komplettera konventionella åtgärder, till exempel 3D-motion capture, dynamometry, elektromyografi, och markreaktionskraftmätningar. Detta tillvägagångssätt kan vara brett tillämpbar för grundläggande biomekanik forskning och klinisk utvärdering. Det finns tre huvudsakliga metoder för att skatta vävnadsrörelse med hjälp av ultraljud: (1) speckle tracking metoder som använder korskorrelation på rå radiofrekvens (RF) ultraljudsdata eller kuvert-upptäckt gråskala (eller B-läge) bilddata. Dessa tekniker har använts i stor utsträckning i både skelett 24-25 och hjärt-26 muskel motion tracking och skattning, (2) bildbehandlingsmetoder som spårar muskel fascicles eller funktioner 27-28 och (3) vävnad Doppler imaging tekniker som används i både hjärt-29 -30 och skelett 31 rörelseuppskattning. Speckle tracking baserad på rumslig kors cÄMFÖRELSETABELL har använts i stor utsträckning för att spåra rörelser av vävnad och kan spåra rörelse med sub-pixlar. Men speckle mönster avkorrelera snabbt under större rörelser. Motion ur bildplanet innebär också en utmaning för speckle tracking. Metoder för spårning muskel fascicle längd har bättre användbarhet där hela fascicle visualiseras i bilden under den dynamiska uppgiften. Metoder som bygger på behandling av bilddata har låg tidsupplösning begränsad av imaging bildhastigheten och därmed kan inte spåra rörelse vid höga hastigheter. Dessutom är dessa fascicle spårningsmetoder är mycket känsliga för slut plan rörelse. Sålunda sond rörelse i förhållande till muskel kan orsaka spårningen att misslyckas. Velocity uppskattningar från konventionell vävnadsdoppler (TDI) kan ha högre tidsupplösning, samt är mer robusta för små sondrörelser. Doppler metoder kan uppskatta hastigheter komponenter endast längs ultraljudstrålen, vilket Doppler beräkningar kan vara oriktiga duE till den varierande vinkel insonation med rörelsen hos muskler. Vår föreslagna VTDI metoden övervinner detta problem genom att använda två olika ultraljudstrålarna styrs i olika vinklar, och därför hastigheten uppskattning är oberoende av insonation vinkel i avbildningsplanet. Dessutom kan den effektiva tidsupplösning av VTDI vara ungefär 0,1 ms, och därför kan denna metod spåra rörelse i skelettmuskulaturen under dynamiska aktiviteter (t ex drop-landning, gång och jogging).
Andra fördelar med vårt tillvägagångssätt inkluderar användningen av en linjär uppsättning avbildningsomvandlare baserad på en klinisk ultraljudssystem för att utföra vektorvävnadsdoppler. Vi styrs elektroniskt sänd / ta emot balk styrning, öppningsstorlek och fokus lägen, för att skanna ett stort synfält. Dessutom kan utökas detta tillvägagångssätt för att utföra dubbelsidig VTDI med samtidig realtid avbildning. Vårt system gör det också möjligt för oss att utföra konventionell B-mode scanning till locate regionen av intresse för kvantifiering av vävnad stam och kinematik. Eftersom denna metod genomfördes på en klinisk scanner, har vi kunnat distribuera denna VTDI metod i en gånglabb för biomekanik forskning.
Begränsningar av denna teknik måste erkännas. Olika faktorer påverkar noggrannheten hos Doppler mätningar. VTDI baserade hastighets uppskattningar i två dimension (längs och tvärs muskelfibrer) kräver linjär array transducer delas upp i två sändning / mottagning under öppningar (32 element bred) och styra balkarna med 15 °. Styrning ultraljudet sända och ta emot balkar till högre vinklar kan påverka hastighetsåtgärder på grund av rivning lober. Även den del av balken överlappningsområdet i VTDI förändras med varierande balk fokus djup 32, potentiellt påverka hastighets uppskattningar. Variansen av doppler uppskattningar beror på (1) acceleration och retardation av vävnad i analystidsfönster (2) varians temission hastighet inom Doppleravståndsgrind (3) den varierande doppler vinkel i öppningen används för bredbandig spektral de sända och mottagna ultraljudstrålar, även känd som geometriskt breddning 33 och (4) bandbredden för den överförda ultraljudspulsen, eftersom Dopplerförskjutning är proportionell mot bärfrekvensen 34. Flera metoder kan användas för att begränsa den varians. Fas baserad hastighets estimatorer, såsom autokorrelation, typiskt utnyttja mindre analystidsfönster jämfört med spektrala estimatorer, men de beräknar betyda dopplerförskjutning snarare än toppförskjutning. Wideband spektrala estimatorer som 2D Fouriertransform 35 kan minska variansen grund av pulsens bandbredd. I fallet med VTDI, vilket utnyttjar två styrda Doppler-balkar, är variansen av vävnadshastigheter i det balköverlappningsområdet i förhållande till muskeln en annan faktor att beakta. Den rectus femoris muskelkontraktion är i 3D och kontraktion velocheten varierar spatialt längs muskeln. Därför är det viktigt att noggrant välja den regionen av intresse.
I denna studie undersökte vi repeterbarheten av rectus femoris muskeln kinematik under en drop-landnings uppgift i åtta friska frivilliga med hjälp VTDI. Trots försöken var oberoende, observerade vi starkt korrelerade och repeterbara topp muskelkontraktion hastigheter för individer mellan försöken. Vi håller på att rekrytera fler patienter i vår studie för att ytterligare undersöka detta mönster. Denna studie har gett icke-invasiv och realtidsmätning av sammandragningshastigheter i rectus femoris muskeln under drop-landning. Följande mönster av sammandragningshastigheter observerades under de olika faserna av dropplandningsuppgift (Figur 2): 1. Muskelkontraktion hastigheter dominerar i sidled jämfört med axiell riktning under knäböjning (lanseringsfasen) och extension (in-the-air phase). Detta förväntas, eftersom rectus femoris muskeln genomgår excentrisk kontraktion under lanseringsfasen och koncentrisk kontraktion under in-the-air fasen. 2. Låg sidohastigheter muskel under den tredje fasen (toe vidröra marken), med försumbart låg axiell muskel hastigheter. Detta motsvarar lägre rectus femoris muskelkontraktion under denna fas 3. Betydande ökning av axiella och laterala muskel hastigheter strax efter hälen nuddar marken. Detta är förmodligen på grund av den muskel som genomgår både excentrisk kontraktion och förändring i formen på grund av komprimering, vilket orsakar ökning av hastigheterna längs muskelfibrer och vinkelrätt mot de muskelfibrer, respektive. Trots att nedgången landar uppgiften är en hög effekt uppgift, VTDI visade repeterbar rectus femoris muskel hastigheter. Denna ultraljudsteknik kan ha klinisk effekt eftersom denna muskel är i första hand ansvarig för att skydda knäleden från överdriven belastning.Därför är ytterligare bedömning av rectus femoris muskeln hos patienter med främre korsbandsrekonstruktion befogat att förstå de mekanismer som leder till tidiga och accelererade debut av OA.
Även om deltagarna i denna studie alla ombads att utföra en naturlig drop-landningsuppgift från en 30 cm hög plattform, fann vi skillnader i höjden på hoppet eller lanseringen. Dessutom, med hjälp av kameradata hög hastighet, observerades det att alla ämnen hade en annan droppe landning stil. Detta skulle kunna förklara de små skillnaderna mellan individer i den högsta resulterande hastighetsvärden för rectus femoris muskeln till följd av eventuella skillnader i aktiveringsmönster under uppdraget. En annan möjlig orsak är skillnaden i tvärsektionsarea av rectus femoris muskel, vilket potentiellt kan leda till olika nivåer av muskelkontraktion och tvinga produktionen.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes delvis av Grant nummer 0953652 från National Science Foundation och delvis av George Mason University bibliotek Open Access-publicering fond. Vi vill tacka Dr John Robert Cressman Jr för att ge tillgång till höghastighetskamera.
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 |