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3D Ultraschall-Bildgebung: schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe

Published: November 27, 2017 doi: 10.3791/55943
Automatic Translation
1,2, 1, 1, *1, *2
1Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioural and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam Movement Sciences, 2Department of Rehabilitation Medicine, VU University Medical Center Amsterdam, Amsterdam Movement Sciences
* These authors contributed equally

Summary

3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ermöglicht die schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll zur Messung der Muskellänge Volumen und Faszikel mit 3DUS.

Abstract

Das Entwicklungsziel der 3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ist eine Modalität um 3D Ultraschall morphologische Analyse der menschlichen Muskeln führen zu konstruieren. 3DUS Bilder entstehen aus kalibrierten Freihand 2D B-Mode-Ultraschall-Bildern, die in einem Voxel-Array angeordnet sind. Ultraschall (US) ermöglicht die Quantifizierung der Muskelgröße, Faszikel Länge und Winkel des Pennation. Diese morphologischen Variablen sind wichtige Determinanten der Muskel Kraft und Länge Auswahl an Kraft Anstrengung. Die vorgestellte Protokoll beschreibt einen Ansatz um Volumen und Faszikel Länge der M. Vastus Lateralis und M. Gastrocnemius Medialiszu bestimmen. 3DUS erleichtert die Standardisierung 3D anatomische Referenzen verwenden. Dieser Ansatz ermöglicht einen schnellen und kostengünstigen Ansatz zur Quantifizierung der 3D Morphologie in der Skelettmuskulatur. Im Gesundheitswesen und Sport gibt Informationen über die Morphometrie der Muskeln sehr wertvoll bei der Diagnostik und/oder Follow-up-Auswertungen nach Behandlung oder Training.

Introduction

Im Gesundheitswesen und Sport wird Informationen über die Morphologie der Muskeln sehr wertvoll bei der Diagnostik und/oder Follow-up-Auswertungen nach Behandlung oder Ausbildung1. Ultraschall (US) ist allgemein ein Werkzeug zur Visualisierung von Weichteilstrukturen im Muskel Erkrankungen2, schwere Erkrankungen3,4, Herz-Kreislauf-Krankheiten5, neurologische Störungen6, 7,8und Wirkungen von körperlichem Training6,9,10. US-Bildgebung ermöglicht die Quantifizierung der Muskelgröße, Faszikel Länge und Winkel des Pennation. Diese morphologischen Variablen sind wichtige Determinanten der Muskel Kraft und Länge Auswahl an Anstrengung11,12,13,14,15zwingen.

Derzeit US-imaging Messung erfolgt meist in 2D Bilder, bei der Auswahl der Prüfer eine geeignete Ausrichtung und Position des Ultraschalls vermutlich Sonde. 2D Methoden beschränken morphologische Messungen auf einer Bildebene, während der Parameter von Interesse möglicherweise nicht innerhalb dieser Ebene vorhanden. Morphologische Analyse erfordert einen 3D Ansatz, Bereitstellung von Out-of-Plane Messungen mittels 3D Bezugspunkte. Solche 3D morphologische Darstellung der Weichteile ist bekanntermaßen von Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)16,17,18,19,20zur Verfügung gestellt werden. MRI ist jedoch teuer und nicht immer verfügbar. Visualisierung der Muskelfasern erfordert auch spezielle MRT-Sequenzen, wie Diffusion Tensor imaging (DTI)21. Eine kostengünstige Alternative zum MRI ist 3D Ultraschall (3DUS). Das 3DUS-Konzept bietet mehrere Vorteile gegenüber MRT-Verfahren, z. B., es gelten weniger Raum Einschränkungen für die Positionierung zum Themas während einer Prüfung. 3DUS Imaging ist eine Technik, die sequenziell 2D (B-Mode-US) Aufnahmen und positionieren sie in ein Volumen-Element (Voxel) Array22,23,24. Der Prozess der 3DUS Bildrekonstruktion besteht aus fünf Schritten: (1) Erfassung einer Reihe von Freihand US 2D-Bilder; (2) Verfolgung der Position der US-Sonde, mit einem Motion Capture (MoCap) System; (3) synchronisieren die MoCap-Position und US-Bilder; (4) berechnet die Position und Ausrichtung von Ultraschallbildern innerhalb der Voxel-Arrays mit einem kalibrierten System der Referenz; und (5) diese Bilder in diesem Voxel-Array.

Der 3DUS Ansatz wurde zur Beurteilung der Morphologie der Skelettmuskulatur15,25,26,27,28,29erfolgreich angewendet. Jedoch erwiesen frühere Ansätze7,15,25,30 umständlich, zeitaufwendig und technisch begrenzt, da nur kleine Teile der großen Muskeln rekonstruiert werden konnte.

Verbesserung den 3DUS Ansatz, ein neues 3DUS-Protokoll entwickelt wurde, die Rekonstruktion der vollständigen Muskeln innerhalb kurzer Zeit ermöglicht. Dieses Protokoll-Artikel beschreibt die Verwendung von 3DUS imaging für Morphometrie des M. Vastus Lateralis (VL) und M. Gastrocnemius Medialis (GM).

Protocol

Alle Verfahren im Zusammenhang mit menschlichen Probanden wurden von der medizinischen Ethik-Kommission von der VU medical Center, Amsterdam, Niederlande genehmigt.

(1) Instrumentierung

  1. Schließen Sie das Ultraschallgerät an den Messrechner. Bei Bedarf, verwenden Sie Frame-Greifer-Hard- und/oder-Software der sequentiellen Ultraschallbilder speichern.
    Hinweis: Eine 5-cm-linear-Array-Sonde (12,5 MHz) wird zur B-Modus Bilder (25 Hz) zu erzeugen. Vor jeder Messung sind bildgebende Tiefe, akustische Frequenz und Leistung optimiert, um Schnittstellen von extra- und intramuskuläre Bindegewebe zu visualisieren. Während der Messung werden diese Einstellungen nicht geändert.
  2. Das MoCap-System an den Messrechner anschließen.
  3. Verbinden Sie starr MoCap-Cluster-Marker mit der Ultraschallsonde, die Position und Ausrichtung der US-Sonde zu verfolgen.
  4. Verbinden Sie das Synchronisationseinrichtung (Piezo-Kristall) mit der Triggereingang von MoCap-System.
    Hinweis: Aktivierung des Geräts Synchronisierung aktiviert kurzzeitig den Piezo-Kristall sendet Schallwellen in Richtung der Wandler. Die empfangenen Schallwellen erstellen eine ausgeprägte Artefakt in das US-Bild bei System Einleitung (Abbildung 1A, Pfeil).
  5. Füllen Sie die maßgeschneiderte Kalibrierrahmen (Phantom) mit Wasser.

(2) kalibrieren

Hinweis: Führen Sie eine räumliche Kalibrierung zur Berechnung einer Transformationsmatrix (zuTaus) aus den US-Bildern in Bezug auf das Koordinatensystem der Sonde. Diese Kalibrierung wurde22beschrieben. Siehe unten für eine kurze Beschreibung.

  1. Ort das Phantom gefüllt mit Wasser, hält eine Crosswire (d.h. zwei untergetaucht Kreuzung Drähte) an einer bekannten Position innerhalb der phantom Koordinatensystems (PhXyz Abbildung 1B, Pfeil), auf eine stabile Unterlage.
  2. Messen Sie die Wassertemperatur mit einem Thermometer.
  3. Verwenden Sie das MoCap-Zeiger-Werkzeug, um die Position und Ausrichtung des Phantoms in das globale Koordinatensystem (Gl) aufzuzeichnen.
  4. Starten Sie die US-Bild-Probenahme und aktivieren Sie MoCap-Datenerfassung (im Schritt 3.3.3 beschrieben).
  5. Tauchen Sie der Kopf der US-Sonde (Pr) in das Wasser. Übersetzen und drehen Sie die US-Sonde für 40 s (Probenahme bei 25 Hz) in alle Richtungen, Aufrechterhaltung der Sichtbarkeit der Crosswire in den US-Bildern (Im).
  6. Datenerfassung zu stoppen.
  7. MoCap Daten und US-Bilder zu synchronisieren, indem das erste US-Bild mit Piezo Kristall erstellt Artefakt zu identifizieren und die US-Bildsequenz entsprechend zuschneiden (siehe Schritt 3.4.1.1).
  8. Identifizieren Sie die relevanten US-Bilder in denen die Crosswire ist deutlich zu erkennen und verfolgen Sie die Position der Crosswire in diesen US-Bildern (ichImXyz) und korrigieren Sie die Position für die Wassertemperatur.
  9. Bestimmen Sie die Position der Crosswire in Bezug auf die beweglichen Pr durch eine Reihe von Transformationen von Ph Pr (Gleichung 1) Zeit Instanzen (ich = 1: n) entspricht der Crosswire Identifikation im Schritt 2,8.
    Equation 1
  10. Ich bin zu Pr Transformationsmatrix (PrTIm) durch die Lösung der Gleichung 2berechnen, abgestimmt mit allen Identifikationen der Crosswire im Im (gemessen in Schritt 2,8) zu diesem Zeitpunkt (ich = 1 : n) Koordinaten der Crosswire in Pr (gerechnet in Schritt 2,9).
    Equation 2

Figure 1
Abbildung 1: Schematische des Algorithmus 3DUS. (A) Motion Capture (MoCap) System dient dazu, einen Cluster von Markern starr verbunden, die Ultraschallsonde in das globale Koordinatensystem (Gl) nachzuverfolgen. Synchronisation von MoCap und Ultraschall Daten geschieht macht Gebrauch eines Artefakts (Pfeil) eingeführt durch Optotrak ausgelöst Piezo-Kristall. (B) die Position und Orientierung des Koordinatensystems Ultraschall Bild (Im) wird durch die Identifizierung von eines bekannten Punkts innerhalb der Pr und Imrelativ zum Koordinatensystem Sonde (Pr) berechnet. Zu diesem Zweck dient eine speziell angefertigte Phantom, gefüllt mit Wasser, hält eine Crosswire (d.h. zwei untergetaucht Kreuzung Drähte) an einer bekannten Position innerhalb der phantom Koordinatensystems (Ph). (C) mit einer Reihe von Transformationen, errechnet dieser bekannten Punkt in der Pr. (D) mit einer kompletten Reihe von bekannten Transformationen, Bilder aus der Im in jedem Voxel-Array-Koordinatensystem (Va) umgewandelt werden können. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

3. experimentelle Protokoll

Hinweis: Das experimentelle Protokoll beschreibt zwei häufig ausgeführte Protokolle mit 3DUS Bildgebung, d.h. Morphometrie der GM und VL (Abb. 2A).

  1. Thema Positionierung
    1. Für das GM-Experiment:
      1. Bitte das Thema anfällig auf einem Untersuchungstisch mit beiden Füßen über den Rand des Tisches liegen.
      2. Richten Sie das untere Bein horizontal, indem man eine Unterstützung im Rahmen der Tibia. Befestigen des Oberschenkels auf dem Untersuchungstisch mit gepolsterten Spanngurte Kniestreckung während des experimentellen Protokolls zu verhindern.
      3. Passen Sie den Fuß des Beines in die maßgeschneiderte Fußplatte31gescannt werden.
      4. Verbinden Sie die maßgeschneiderte Drehmomentschlüssel mit einer angehängten Goniometer auf der Fußplatte31. Finden Sie die Fußplatte Winkel entspricht einer extern anliegenden Drehmomentes, zB., 0 Nm (Abbildung 2A).
      5. Befestigen Sie die Fußplatte in der Ausrichtung entspricht 0 Nm net Dorsalflexion Moment mit einer ausziehbaren Stab, mit der Tabelle (Abbildung 2A, Pfeil) verbunden ist.
    2. Für das VL-Experiment:
      1. Fragen Sie die Themen auf einer Untersuchungsliege Rückenlage liegen.
      2. Von 60 ° Kniebeugewinkel (d. h. operationalisiert als der Winkel zwischen den Linien verbinden die Zentren des Malleolus Lateralis mit Epicondylus Lateralis , letzteres mit dem großen Trochanter) soll positionieren die Unterschenkel auf einem Träger.
      3. Legen Sie einen dreieckigen geformten Balken unterhalb des Gesäßes Hüftbewegung zu verhindern.
      4. Beheben Sie das untere Bein an den Support mit zwei gepolsterten Spanngurte, Beinbewegung während des experimentellen Protokolls zu verhindern.
      5. Legen Sie den hippen Winkel (d. h. operationalisiert als der Winkel zwischen den Verbindungslinien os Coracoides mit den großen Trochanter, und die letzteren mit dem Epicondylus Lateralis Femoralis) bis 95 °, durch Ändern des Winkels von der Rückenlehne der Untersuchungsliege.
        Hinweis: Diese beschriebene Haltung wurde gewählt, da es Gelenkwinkel während optimale isometrische Knie Verlängerung Messungen32,33 ähnelt.
  2. Lokalisierung von knöchernen Landmarken und Region of Interest (ROI)
    Hinweis: Dies geschieht zur Führung von der 3D Ultraschall-Untersuchung und für die Post-experimentellen Quantifizierung der Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß Haltung des Subjekts. Identifizieren und die Positionen der knöchernen anatomischen Landmarken im globalen Koordinatensystem mit dem Zeigerwerkzeug MoCap aufzunehmen.
    1. Für das GM-Experiment:
      1. Die folgenden Sehenswürdigkeiten durch Abtasten erkennen und markieren Sie diese mit einem chirurgischen Haut-Marker: die prominentesten dorsal Aspekte der medialen und lateralen Femur Epicondyles und den Zentren der Malleoli von Tibia und Fibula.
      2. Das US-Gerät verwenden, identifizieren Sie und markieren Sie mit einem chirurgischen Haut-Marker die oberflächlichsten Punkte des medialen und lateralen Femur Kondylen (an der dorsalen Seite des Beines) und die meisten proximalen Lage der Einfügung der GV am Kalkaneus.
    2. Für die VL-Messung:
      1. Die folgenden Sehenswürdigkeiten durch Abtasten erkennen und markieren Sie diese mit einem chirurgischen Haut-Marker: die medialen und lateralen Malleoli (siehe oben); die meisten proximalen Einfügung der Kniesehne der Tuberositas Tibiae; die medialen und lateralen Epicondyles (siehe oben); die Spitze der Kniescheibe und den medialen, proximalen und lateralen Insertion Grenzen auf die Patella; und os Coracoides auf der Schulter.
      2. Mit dem US-Gerät identifizieren Sie und markieren Sie den oberflächlichsten Aspekt der großen Trochanter und am proximalen Einfügung der VL am großen Trochanter.
    3. Verwenden Sie für alle Muskeln das MoCap-Zeiger-Werkzeug die markierten Orte (beschrieben in Abschnitt 3.2.1 und 3.2.2) aufnehmen in das globale Koordinatensystem. Bewegen Sie das MoCap-Zeiger-Werkzeug auf die identifizierten anatomischen Landmarken zu, und verwenden Sie die MoCap-Software, um die Position aufzeichnen, durch Drücken der Taste "Record".
    4. Ultraschall mit die medialen und lateralen Muskel Grenze bestimmt werden; Markieren Sie die medialen und lateralen Grenzen auf der Haut mit einem chirurgischen Haut-Marker.
  3. 3D Ultraschall-Untersuchung
    1. Weisen Sie das Thema nicht zu bewegen, während der 3D Ultraschalluntersuchung.
    2. Tragen Sie reichlich Ultraschallgel auf den ROI um guten Kontakt zwischen der Haut und der US-Sonde zu gewährleisten.
      Hinweis: Eine solche Anwendung des Gels ermöglicht Begrenzung der Sonde Druck und damit Gewebe Verformung notwendig, ein klares Bild der USA zu erhalten.
    3. Öffnen Sie Frame Grabber Software (z.B. WinDV34) auf dem Messrechner und starten Sie die US-Bilderfassung durch Klicken auf die Schaltfläche "Aufzeichnen".
      1. Anschließend zu initiieren und die MoCap-Datenerfassung durch Drücken der Schaltfläche "Start" auf die Synchronisierung Gerät zu aktivieren; Dies aktiviert automatisch die Synchronisation Gerät (d.h. Piezo-Kristall) in der Nähe der US-Sonde, erstellen eine ausgeprägte Artefakt in das US-Bild Veranlassung MoCap Einleitung (Abbildung 1A, Pfeil).
    4. Während minimal Sonde Druckmittel noch Bildqualität zu gewährleisten, bewegen Sie die Sonde mit einer konstanten Geschwindigkeit über den ROI; Dies wird als "Sweep" bezeichnet. Stellen Sie sicher, dass klare anatomische Querschnittsbilder US von der Zielmuskel aufgezeichnet werden.
    5. Eine Sichtkontrolle für Bewegung des Motivs während der Untersuchung; Wenn sich das Motiv bewegt, brechen Sie den Sweep ab und wiederholen Sie ab Schritt 3.3.1.
    6. Sweep-Protokoll für das GM-experiment
      1. Legen Sie die US-Sonde proximal der Oberschenkel-Kondylen auf der medialen Aspekt des Oberschenkels. Führen einen Sweep (wie in den Abschnitten 3.3.1 - 3.3.5 beschrieben) in die proximo-distale Richtung entlang der medialen Grenze von GM, Gewährleistung Sichtbarkeit innerhalb der anatomische Querschnittsbilder der medialen Grenze von GM und die Achillessehne ganz hinunter nach seiner Insertion am Kalkaneus.
      2. Fügen Sie zusätzliche fegt (wie in Abschnitt 3.3.3 - 3.3.5 beschrieben) bis die gesamte ROI gescannt wird und der mediale Rand des Muskels wird vollständig abgebildet (Abb. 2B). Verwenden Sie die Ablaufverfolgung in das Gel von der vorherigen Sweep, den nächsten Sweep, leicht überlappen (0,5 cm) der früheren gefegt Bereich führt.
    7. Sweep-Protokoll für das VL-experiment
      1. Legen Sie die US-Sonde auf der lateralen Seite des Tibia-Plateaus. Starten Sie einen Sweep in distalen proximaler Richtung über dem seitlichen Rand des VL, Transparenz der seitlichen Grenze des VL, bis hin zu den Ursprung auf den großen Trochanter.
      2. Fügen Sie zusätzliche fegt (wie in Abschnitt 3.3.3 - 3.3.5 beschrieben) bis die gesamte ROI gescannt wird und die mediale Grenze der VL wird vollständig abgebildet (Abb. 2B). Verwenden Sie die Ablaufverfolgung in das Gel von der vorherigen Sweep, den nächsten Sweep, leicht überlappen (0,5 cm) der früheren gefegt Bereich führt.
        Hinweis: Während des Sweep-Protokolls sollte Bewegung des Motivs verhindert werden, da Bewegungen Positionierung des US-2D-Bilder im Voxel Array negativ beeinflussen. Die Anzahl der Sweeps richten sich nach der Breite der Sonde und die Breite der Zielmuskel. In der Regel mit einer Sonde Breite von 4 cm und 12 oder 18 cm breite Muskel, werden 5 oder 7 fegt, bzw. benötigt um den ROI, einschließlich die Grenzen zu decken.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Versuchsanordnung und fegt die Ultraschallsonde über die Zielmuskeln (M. Gastrocnemius Medialis (GM) Setup und M. Vastus Lateralis (VL) Setup). (A) spezifische Verbindungskonfigurationen des Themas für die beiden experimentellen Bedingungen. Im grün dargestellten Objekte sind einstellbar, um die Position und Ausrichtung der Gliedmaßen gesetzt. Pfeil zeigt einen ausziehbaren Stab, der verwendet wird, um die Fußplatte Winkel zu beheben. (B) Pfad mehrere Sweeps von der Ultraschallsonde über die Regionen von Interesse. Die blauen Pfeile repräsentieren einzelne fegt über den Bereich der Interessen. Links: fegt über die GM; Rechts: fegt über die VL. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. 3D Ultraschall Voxel Array Wiederaufbau
    1. Rekonstruieren eines einzigen 3DUS Voxel Array (3DUS Bild) aus einem einzigen Durchlauf über die Haut von einer bestimmten anatomischen ROI (z.B., Muskeln, Sehnen) von bin-Füllung und inpainting 3DUS Voxel Array mithilfe eines benutzerdefinierten Skripts. Um eine 3DUS-Voxel-Array zu rekonstruieren, folgende Schritte nach dem experimentellen.
      1. MoCap Daten und US-Bilder zu synchronisieren, indem das erste US-Bild zu identifizieren, enthält das Piezo Kristall erstellt Artefakt und Zuschneiden den USA Bild Sequenz entsprechend mit VirtualDub Software35. Erstens der Frame-Auswahl-Slider auf die identifizierten Start-Frame zu platzieren und die "home"-Taste auf der Tastatur drücken. Anschließend verschieben Sie den Regler bis zum Ende der Messung (der letzte Kontakt mit der Haut) und drücken Sie die Taste "Ende". Mit der Taste "F7" wird die zugeschnittene Bild-Sequenz exportieren.
      2. Ein Voxel-Array (Va)-Koordinatensystem gefüllt mit US-Bildern, mithilfe eines benutzerdefinierten Skripts zu definieren. Sicherzustellen Sie, dass die Va gemäß die Scanrichtung orientiert und so bemessen, dass die US-Bilder von einem einzigen Durchlauf passen.
        Hinweis: Zunächst besteht die Va aus rechteckigen Voxels mit den längeren Achsen in die Richtung des Sweep; Diese Form verbessert die Effizienz der Füllung.
      3. Weisen Sie die Voxel in Va mit grau-Pixelwerte aus den US-Bildern, mithilfe eines benutzerdefinierten Skripts zu. Dieser Prozess wird als forward mapping oder Lagerplatz-Füllung (Gleichung 3; Abbildung 1 ( C) 23 , 24.
        Equation 3
        Hinweis: Dies zeigt nach vorne Kartierung der US 2D-Bilder in die Va je nach Ausrichtung und Position der Bilder in der Va-Koordinatensystem. Kurz gesagt, die Positionen der alle Pixel eines Bildes (ImXyz(1:n)) in der Zeit Instanz (i) werden gleichzeitig nach vorne in die Voxel-Array zugeordnet. Die bin-Befüllung füllt nur die adressierten Voxel, verlassen die nicht adressierte Voxel leer (also schwarz).
        Hinweis: Equation 7 zeigt die Inverse der zuvor beschriebenen Transformationsmatrix (d. h. eine Pr , Gl Transformationsmatrix).
      4. Mithilfe eines benutzerdefinierten Skripts Lücken innerhalb der Voxel-Arrays (d.h. schwarze Voxel). Nehmen Sie die folgenden Schritte mithilfe der binären Bildverarbeitung:
        1. Erstellen Sie eine binäre Voxel Behälter gefüllt-Array, in dem alle gefüllten Voxel bezeichnet werden. Verwenden Sie binäres Bild Dilatation und Erosion, mit der gleichen Größe Strukturierung-Element, um alle relevanten Voxel (d. h. grau bewertet Voxel) zu beschriften innerhalb des gescannten Bereichs. Erkennen Sie Lücken durch Subtraktion der Behälter gefüllt binäre Voxel-Array (mit Lücken) aus die relevante Voxel (ohne Lücken).
          Hinweis: Nachfolgende Dilation und Erosion Operationen sind Bildverarbeitung Schritte, um die binäre Bilder abzuschließen. Durch Ausführen dieser Schritte nacheinander bleiben die äußeren Grenzen, während die Lücken im Inneren entfernt.
      5. Die festgestellten Lücken mit einer "Inpaint Verfahren" und grau bewertet Voxel36umgeben.
        Hinweis: Diese Inpaint Technik kann verwendet werden, um: "Lücken mit einer glatten Interpolant basierend auf Minimierung der Summe der Quadrate der zweiten Ableitung an jeder beschrifteten Voxel gemessen durch finite Differenzen in der Startaufstellung"36.
      6. Die Voxel-Dimensionen der Va durch Interpolation "Bicubic" auszugleichen und das Voxel-Array als eine gestapelte TIFF Bild (3DUS) speichern.
  2. Mehreren fegt Wiederaufbau
    1. Alle einzelnen fegt (beschrieben in Abschnitt 3.4) zu rekonstruieren deckt einen größeren ROI nach demselben Koordinatensystem Va Zusammenführen mehrerer fegt.
    2. Erstellen Sie ein neues Koordinatensystem der Va , angepasst, um alle einzelnen rekonstruierten fegt aufzunehmen.
    3. Legen Sie die einzelnen VaSchritt für Schritt in die größeren Va. Wenn ein Voxel bereits durch einen anderen Vazugeordnet ist, dieses Voxel wird nur überschrieben, wenn die neue Voxel ein Grauwert ≥10 auf eine 8-Bit-Skala hat, sonst wird der neue Voxel grau-Wert verworfen.

4. Messung der Variablen der Muskel Morphologie

  1. Verwenden Sie die medizinischen Interaktion Toolkit37 (MITK) laden Sie das 3DUS-Bild und die Koordinaten des Ursprung, Einfügung und distalen Ende des Muskels Bauches abrufen.
    1. Nach dem Laden des 3D-Bildes, set schneiden "Coupled Fadenkreuz Rotation". Richten Sie die Achsen mit Muskel- oder knöchernen Strukturen, genau die Koordinaten abzurufen.
      Hinweis: MITK wird bevorzugt über andere 3D imaging Analysesoftware für die Beurteilung der anatomischen Punkte, weil es erlaubt, schnell und interaktiv Voxel Array schneiden in eine beliebige Richtung ("Coupled Fadenkreuz Drehung"), das Identifikationsverfahren zu erleichtern.
  2. Um Muskelvolumen zu messen, verwenden Sie MITK um die Muskel Bauch Grenzen zwischen dem Abflugs- und dem distalen Ende des Muskels Bauches zu identifizieren. Verwenden Sie die integrierte MITK Segmentierung manuell mehrere anatomische Querschnitte gleichmäßig, segmentieren verteilt entlang der Muskellänge Bauch (Abbildung 3).
    1. Öffnen Sie die Segmentierung-Tool und erstellen Sie eine "neue Segmentierung." Segmentierung identifizierten in einem Querschnitt auf halber Strecke den Bauch Muskel Muskel-Grenzen zu starten. Drücken Sie "A" auf der Tastatur hinzufügen einer manuellen Segmentierung und drücken die linke Maustaste gedrückt und bewegen des Cursors nach dem Muskel-Grenzen zu ziehen. Die Presse ", Teile der Segmentierung zu entfernen.
    2. Drücken Sie die Taste, die zuletzt gewählten Modus entspricht (z.B. 'A' oder der '), bewegen Sie das Fadenkreuz auf andere Querschnitte entlang der Bauch Muskel. Wiederholen Sie Schritt 4.2.1, den neuen gewählten Querschnitt zu segmentieren. Wiederholen Sie diesen Schritt für mindestens 6 Mal, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.
    3. Inmitten Sie aller Querschnitte entlang der Muskellänge Bauch "Interpolation" auf "aktivieren", überprüfen Sie die vorgeschlagenen Segmentierungen der Muskel Grenzen (gelbe Linien).
    4. Fügen Sie zusätzliche Segmentierungen in den Querschnitten, in denen die vorgeschlagenen interpolierte Segmentierung (gelbe Linie) nicht die Muskel-Begrenzung im Bild übereinstimmt. Wiederholen Sie Schritt 4.2.2.
    5. Drücken Sie die Taste "Bestätigen für alle Slices" und wählen Sie die Ebene, in der die Segmentierungen gemacht wurden.
    6. Das binäre Volumen als fast roh Raster Daten (NRRD) Datei speichern und die beschrifteten Volume-Größe mit einem Custom-Skript zu berechnen.
  3. Die Ausrichtung der Mitte längs Faszikel Ebene des Bauches Muskel, enthält die volle Länge des Faszikeln(Abbildung 3)38zu finden.
    Hinweis: Mitte der Längsebene wird durch drei Punkte definiert. Die Herkunft und distalen Ende des Muskels Bauch sind die ersten beiden Punkte. Der dritte Punkt ist in einem anatomischen Querschnitt Bild auf halbem Weg zwischen dem Abflugs- und dem distalen Ende des Muskels Bauch gefunden. Innerhalb dieser anatomischen Querschnitt Bild der Mittelpunkt zwischen den ersten beiden Punkten ein Drittel auf die Tangente der distalen Aponeurose Erträge projiziert darauf, dass zusammen mit der Herkunft und distalen Ende des Muskels Bauches definiert Mitte der Längsebene.
  4. Messen Sie aus der Mitte-Längsebene die Faszikel Länge an einer vordefinierten standardisierten Position zwischen dem Abflugs- und dem distalen Ende des Muskels Bauches (z.B.50 %). Die Muskel-Grenzen zu segmentieren. Legen Sie eine Linie auf halbem Weg und drehen Sie diese Linie zu, bis er die Richtung des zugrunde liegenden Faszikeln entspricht. Die Schnittpunkte dieser Linie mit den Muskel Grenzen stellt die Schätzung der Faszikel Länge (Abb. 3B).
    Hinweis: Zuvor, erwies es sich als notwendig, zu berücksichtigen, manchmal gebogen, Ausrichtung der distalen Aponeurose38, wie gesehen in einem anatomischen Querschnitt Bild (Abbildung 3B), auf halbem Weg zwischen Ursprung und distalen genommen Ende des Bauches Muskel.

Figure 3
Abbildung 3: Schema der 3DUS Analyse. (A) Ermittlung und Segmentierung der Ziel Muskel Grenzen in einem anatomischen Querschnitt Bild auf halber Strecke den Bauch Muskel. Die solide grüne Linie stellt die Ausrichtung der Mitte längs Ebene (d.h. orientierte senkrecht zur Ausrichtung des distalen Aponeurose (blau gestrichelte Linie). (B) Messung der Faszikel Länge wird in der Mitte längs Faszikel Ebene durchgeführt. Der rote transparente Bereich ist durch Kennzeichnung der Muskel Grenzen segmentiert. Eine gepunktete gelbe Linie ist auf halbem Weg auf dem Bauch Muskel platziert und gedreht, bis es die Richtung des zugrunde liegenden Faszikeln übereinstimmt. Die Schnittpunkte dieser Linie mit der proximalen und distalen Aponeurosen (verbunden durch dicke durchgezogene gelbe Linie) repräsentieren die Schätzung der Faszikel Länge. Die solide grüne Linie stellt die Position und Ausrichtung der anatomischen Querschnittsebene. Oben: GM (M. Gastrocnemius Medialis) und unten: VL (M. Vastus Lateralis) Muskel. Repräsentieren die weißen Quadrate für Maßstab 1 cm x 1 cm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Representative Results

Die beschriebenen 3DUS-Technik wurde verwendet, um morphologische Daten von GM und VL in vier männlichen menschlichen Leichen sammeln, Alter bei Tod 76,8 ± 7,9 Jahre (Mittelwert ± SD). Die Leichen wurden über das Spendenprogramm des Institut für Anatomie und Neurowissenschaften an der Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Niederlande. Die Leichen blieben mit einer Einbalsamierung Methode zur Erhaltung der morphologischen Eigenschaften der Gewebe39.

Vor der Präparation eine 3DUS Bild der GM und VL nach der Methodik beschrieben wurde. Während der Dissektion wurden entfernt, Haut, Unterhaut und Faszien, die Überlagerung der GM und VL. Eine Mitte-Längsschnitt wurde geschnitten, wobei die Ausrichtung der distalen Aponeurose zu berücksichtigen. Mit einem Bremssattel war die Faszikel Länge gemessen, auf halbem Weg zwischen dem Ursprung und dem distalen Ende des Muskels Bauch. Anschließend war der Bauch Muskel nach der Tenotomie, seziert und untergetaucht in einer kalibrierten Wassersäule. Verwendung von ImageJ, die Bände wurden auf Fotografien der Wassersäule mit und ohne den Bauch Muskel gemessen und Muskelvolumen wurde aus den Unterschied-40berechnen. Faszikel Länge und Volumen wurden drei Mal gemessen und der Mittelwert und Standardabweichung berechnet wurden. Kriterium Gültigkeit zwischen den 3DUS Methode und Dissektion Messungen wurde getestet mit einem Pearson-Korrelation für durchschnittliche Faszikel Länge und Muskel-Volumen. Intra-Rater Zuverlässigkeit der 3DUS Methode abgeleitete Faszikel Länge und Volumen Messungen wurde quantifiziert mit ein zwei-Wege-Modell Intra-Klasse Korrelationskoeffizient (ICC3,3)41gemischt und nach der logarithmischen Transformation der Daten, die Variationskoeffizienten (CV) wurde berechnet. Die Gültigkeit der Faszikel Länge und Muskel-Volumen-Messungen wurden durch signifikante und hohe Korrelationen bestätigt (R = 0.998, p < 0,01 und R = 0.985, p < 0,01, beziehungsweise). Intra-Rater Zuverlässigkeit der 3DUS-Methode abgeleitet Messungen Faszikel Länge und Volumen war hoch (ICC3,3 0.983, 7,3 % und ICC3,3 0.998, CV CV 5,4 %, beziehungsweise). Es wird festgestellt, dass der 3DUS Ansatz präsentiert ein valides und reliables Instrument für Volumen und Faszikel Länge Bewertung menschlichen VL und GM (Tabelle 1).

Table 1
Tabelle 1: Kadaver Validierungsdaten. C# ist Kadaver Zahl, GM ist M. Gastrocnemius Medialis, VL M. Vastus Lateralis. "Dissektion" zeigt Ergebnisse aus dem Kadaver Dissektion, und "3DUS" zeigt die Ergebnisse aus der 3DUS-Bildanalyse von den Leichen.

Discussion

Eine valide und zuverlässige 3DUS Technik präsentiert, die für die schnelle Analyse von morphometrische Variablen der Skelettmuskulatur ermöglicht. Verschiedene 3DUS Ansätze für die Weichgewebe Bildgebung wurden für ungefähr ein Jahrzehnt42,43, aber die 3DUS Ansätze noch nicht häufig verwendet werden. MRT ist ein "Goldstandard" für die Schätzung der in Vivo Muskel-Volumen (zB., verweist auf16,17,18,19,20). MRI Gültigkeit wurde getestet und in Studien zum Vergleich Phantome oder cadaveric Organe des bekannten Volumens auf MRT-basierte Volumen Schätzungen44,45bestätigt. Doch, MRI-Verfügbarkeit für die Forschung ist begrenzt und Scans sind Zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus nutzen Sie Versuchsperson, die Körperhaltungen durch die Bohrung begrenzt sind der MRI Scanner. Typische MRT-Bilder erzeugen nicht genügend Kontrast zur Durchführung von Messungen der Variablen von Muskel-Geometrie (Faszikel Längen und Winkel). 3D Muskel Geometrie kann jedoch auch mittels MRI mit zusätzlichen Techniken, z.B., DTI Technik21beurteilt werden. Ähnlich wie bei MRI, US-Bildgebung bietet ausreichende Unterscheidung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Arten von Gewebe (d.h. sichtbar in uns Bilder), die eine gültige Modalität für weiche Gewebe Volumen Bewertung1,30 ,44,46,47,48,49. Im Gegensatz zu MRI haben 3DUS Bilder ausreichenden Kontrast zur Analyse auf Volumen und Muskel Geometrie aus der gleichen Messung durchführen.

Darüber hinaus ermöglicht die Technik präsentiert Bilder von mehreren fegt in ein Array für die Untersuchung von größeren Muskeln kombiniert. Diese neue 3DUS-Methode stellt ein mögliches Instrument zur klinischen Beurteilung der Muskel Morphologie. Diese Methode kann auch verwendet werden, für imaging Weichgewebe Strukturen als Muskel (z.B., Sehnen, Organe, Arterien).

Änderungen an der Offline Verarbeitungszeit zu verbessern:

Modifikationen des 3DUS Ansatzes wurden hauptsächlich zur Verbesserung der Bearbeitungszeit und Messung von größeren Muskeln. Die offline Bearbeitungszeit eines 3DUS Bildes hängt Voxel-Array-Einstellungen, Sampling-Frequenz, Größe des ROI, Dauer und Geschwindigkeit der Sweep, Anzahl der Sweeps und der verwendeten Arbeitsstation. Zuvor war eine Wiederaufbau-Zeit von ≈ 2 h notwendig zur Rekonstruktion nur einen Streich nachgeben 750 US-Bilder (30 s bei 25 Hz)15,25,30. Mit dem vorliegenden 3DUS Verfahren dauert der gleiche Schwung nur 50 s Rekonstruktion (Verbesserung der 'offline' Bearbeitungszeit um 99 %). Diese Verbesserung kann durch den verstärkten Füllung Algorithmus erklärt werden, die große Vektoroperationen um die Voxel Frame-by-Frame, anstatt Pixel pro Pixel und erhöhte Arbeitsspeicher (RAM) von Workstations, größere Voxel-Arrays zu konstruieren füllen nutzt. Mit dem neuen 3DUS-Ansatz nimmt eine typische Rekonstruktion repräsentieren eine Sweep-Länge von 30 cm mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s, mit einer Voxel Zielgröße von 0.2 x 0.2 x 0,2 mm3 und einer Sampling-Frequenz von 25 Hz die folgende Zeit zu rekonstruieren :

A. ca. 10 s zu identifizieren die Synchronisation Puls und relevante US Bilder auszuwählen.
B. etwa 120 s zu bestimmen, die Kalibrierung Transformationsmatrix (PrTIm).
c. ca. 10 s für die bin-Füllung-Bühne.
d. ca. 30 s für die Ausführung der Schritte spaltfüllenden.

Insgesamt, nehmend 170 S., Schritt b muss nur durchgeführt werden, sobald eine starre Verbindung die MoCap-Markierungen, um die Sonde unter der Annahme verlassen 50 s für den Wiederaufbau von einem einzigen Durchlauf. Kombination von zwei einzigen Durchlauf rekonstruiert Voxel Arrays dauert ca. 10 s.

Einschränkungen und wichtige Schritte:

Es gibt mehrere 3DUS imaging Aspekte, die berücksichtigt werden sollten:

i. US-Bildqualität: höherer räumlicher Auflösung der USA 2D-Bilder bieten mehr Pixel innerhalb der Voxel-Array platziert werden. Dies würde erlauben, die Voxel-Maße zu verringern, führt zu höheren Voxel-Dichte. Einige derzeit verfügbaren Ultraschallgeräte verwenden räumliche Compoundierung um laute körnige Textur, zulassend besser artefaktfrei Unterscheidung der Schnittstellen von Geweben zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit, Speckle zu reduzieren ist Edge-Enhancement. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass dieser Ansatz nicht wünschenswert, da es verformt sich das Bild in einem Versuch, verschiedene Schnittstellen, damit verzerren die wahre anatomischen Position der Schnittstellen zu schaffen.

II. MoCap-Genauigkeit: Pixel nur genau platziert werden in einem Voxel, wenn der Lagesensor genau die Koordinaten der Sonde quantifiziert. Mit einem Anstieg der Bildauflösung wird MoCap Genauigkeit immer wichtiger. Präsentiert 3DUS setup funktioniert am besten mit einem Voxel Maß von 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3, mit einem MoCap-System mit einer Genauigkeit von 0,1 mm, mit reichlich Genauigkeit um das 3DUS Voxel-Array zu rekonstruieren.

III. Sample-Frequenz: die niedrigste Zeitauflösung von der US-Bilder oder MoCap-Datenstrom bestimmt die Samplefrequenz. Dies betrifft die Sweep-Zeit oder die Voxel-Array-Einstellungen. Beispielsweise ermöglicht die Verdoppelung der Abtastfrequenz von 25 bis 50 Hz einen Sweep in der halben Zeit durchgeführt werden. Alternativ bietet keine Veränderung der Laufgeschwindigkeit, mehr Bilder, um die Voxel-Reihe, so dass weniger Lücken gefüllt werden und dadurch potenziell Erhöhung der Voxel-Array-Auflösung füllen. Erhöhung der Voxel-Array-Auflösung, ohne Erhöhung der Abtastfrequenz, erfordert jedoch einen langsameren Scan, der das Potenzial von Bewegungsartefakten zunehmen wird.

IV. Image-Wiederaufbau-Zeit: schnelle Umbauten erfordern eine leistungsstarke Workstation mit ausreichend RAM zur Verfügung. Darüber hinaus ist Wiederaufbau Zeit weitgehend abhängig von der Voxel Array Umfangs und der Komplexität des Prozesses spaltfüllenden.

v. experimentelles Protokoll: Standardisierung des experimentellen Protokolls, beispielhaft in der vorliegenden Studie für die VL und GM, ist wichtig für den Vergleich der morphologischen Messungen (z.B., Faszikel Länge, Faszikel Winkel, Bauch Muskel Länge, Länge der Sehne, Aponeurose Länge) zwischen Subjekten und Überwachung in Fächer in Langzeitstudien. Beachten Sie jedoch, dass die Morphologie bewertet in Ruhe während der Muskelaktivierung verändern kann. Beispielsweise kann die Knie Beinstrecker Morphologie während maximale Kontraktion für das VL-Experiment, eine hohe Pennation-Winkel und kürzere Faszikeln in 60° Knie Beugung, im Vergleich zu Morphologie bei Rest50demonstrieren. Unter bestimmten Bedingungen (z. B.., Spastik), Elektromyographie (EMG) kann verwendet werden, um die ruhenden Muskel-Aktivität während der Untersuchung zu überprüfen.

VI. Sonde Druck und Gewebe Verformung: wenn reichlich Ultraschallgel auf den ROI angewendet wird, beschränkt sich die Menge des Drucks für Vollkontakt zwischen Sonde und der Haut bleiben. Als Richtschnur empfehlen wir, einen ROI Scannen sollten Lust schwebt über der Haut, und Druck nur angewendet werden, sollte um in Kontakt mit dem Gel und dabei die Haut zu halten. Jedoch möglicherweise leichte Gewebe Verformung unvermeidbar, sogar mit einem großzügigen Betrag von Ultraschallgel. Sonde Größe und einen gekrümmten ROI beeinflussen die erforderliche Menge an Druck oder Gel verwendet. Sonde größer und stärker gekrümmt ROI erfordern mehr Druck und/oder mehr Gel, als kleinere Sonden mit einem ähnlichen gebogen ROI. Eine andere mögliche Lösung ist die Nachhall (d.h. nicht-Haut-Kontakt) Region der USA Bilder verwerfen. Darüber hinaus ist Gewebe Verformung am wahrscheinlichsten in den ersten Gewebeschichten wie Haut und subkutanem Fettgewebe Schichten auftreten. Beachten Sie, dass Probanden mit wenig bis keine Subkutane Fettgewebe daher anfälliger für Nebenwirkungen von Druck sind. Darüber hinaus tritt die Verformung des Gewebes sehr wahrscheinlich in der Mitte der Sonde, die in der Regel nicht der Region Überschneidungen mit anderen fegt.

VII. bildgebende und anatomische Kenntnisse: ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Verwendung bildgebende Modalität ist, dass das Wissen über die Anatomie und die bildgebende Modalität für sinnvolle Interpretation zu erhalten. Anatomische Unterschiede zwischen den einzelnen Themen und Bildartefakte muss erkannt und in den Identifikationsprozess anatomischer Strukturen berücksichtigt werden. Auch bei gesunden und/oder gut entwickelte Muskeln kann eindeutige Identifizierung schwierig sein, weil es anatomische Kenntnisse zu differenzieren zwischen verschiedenen Komponenten eines Muskels oder Muskel Gruppen51erfordert. Jedoch in atrophierten Muskulatur (z. B. ältere Menschen, bei Pathologie oder einem Kadaver), die eindeutige Identifizierung ist noch komplizierter, weil eine kleinere Größe und Kontrast verringert, und daher weniger ausgeprägt Gewebe Schnittstellen (Abbildung 4 ). Wir glauben, dass ohne anatomische Vorkenntnisse, wir wurden beschränkt werden würde, in richtige Urteilsfindung bei der Gestaltung dieser 3DUS Ansatz und in der 3DUS Messungen. Z. B. für GM Experimente verursachen verschiedene Fußplatte Winkel nicht unbedingt zu erwartenden Veränderungen im Muskel Sehne komplexe Längen, durch Verformung innerhalb der Fuß7. Anatomische Informationen über Krümmung des distalen Aponeurose war auch Voraussetzung für eine angemessene Auswahl von der Mitte-Längsebene in alle Themen-38.

Figure 4
Abbildung 4: Variation und die Qualität der rekonstruierten anatomischen Querschnitt 3DUS Bilder von der Quadrizeps-Muskel bis zur Mitte des Oberschenkels. (A) Beispiel für einen männlichen menschlichen Kadaver zeigt ein Bild von einem verkümmerten Zustand bei Tod (Tod Alter: 81 Jahre). Ermittlung der Grenzen der einzelnen Köpfe des Quadrizeps-Muskel ist schwierig. (B) Beispiel für einen sitzenden Mann (30 Jahre). (C) Beispiel für einen männlichen Athleten Ruderer (im Alter von 30 Jahren). Repräsentieren die weißen Quadrate für Maßstab 1 cm x 1 cm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Zukünftige Anwendungen:

Das 3DUS-Konzept bietet eine imaging-Tools, die für verschiedene Zwecke und Einstellungen im Sport- und Kliniken verwendet werden kann. In klinischer Interventionen bezieht sich auf die körperliche Fitness Level52Wirksamkeit. Mit 3DUS für die Überwachung der Patienten mit Risiko des Verlustes von Muskel Masse ist wichtig (z.B.Referenzen53,54,55) und potenziell ermöglicht die Anpassung der Behandlung. Eine weitere mögliche Anwendung der 3DUS liegt bei der Überwachung der morphologischen Anpassungdes des Muskels als Reaktion auf Intervention (Training) und/oder Verletzungen.

Dieses Protokoll beschrieben eine Zeit und kosteneffektive Methode zur Messung der Weichgewebe Struktur des menschlichen Körpers basierend auf Freihand 3DUS fegt. Darüber hinaus erwies sich als Bewertung der sinnvollen morphologische Parameter der M. Vastus Lateralis und M. Gastrocnemius Medialis valide und reliable.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren sind sehr dankbar, dass Adam Shortland und Nicola Fry teilten ihre Algorithmen für die 3-dimensionalen Ultraschall im Jahr 2004, die die Inspiration für die Entwicklung der Software, die in dieser Studie verwendet wurden.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ultrasound device (Technos MPX) Esaote, Italy NA
Linear array probe (12.5 Mhz, 5 cm) Esaote, Italy NA
Workstation (HP Z440) HP, USA http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html
Framegrabber (Canopus, ADVC 300) Canopus, Japan ADVC 300
Motion Capture System (Certus) NDI, Canada http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
Synchronisation device VU, NL Contact corresponding author
Calibration frame VU, NL Contact corresponding author
Thermometer Greisinger, Germarny GTH 175/PT
Examination table NA NA Any examination table
Inclinometer Lafayette instrument, USA ACU001
Adjustable Footplate VU, NL Contact corresponding author
Torque wrench VU, NL Contact corresponding author
Extendable rod VU, NL Contact corresponding author
Goniometer (Gollehon) Lafayette instrument, USA 1135
Triangular shaped beam NA NA Made out a piece of stiff foam
Lashing straps NA NA Any lashing strap
Surgical skin marker NA NA Any surgical skin marker
Ultrasound transmission gel Servoson NA A sticky gel type is recommended

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Medizin Ausgabe 129 3D Ultraschall Skelettmuskel Muskelvolumen Architektur Muskel-Geometrie Morphologie Faszikel Länge M. Gastrocnemius Medialis M. Quadriceps Femoris M. Vastus lateralis
3D Ultraschall-Bildgebung: schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe
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Weide, G., van der Zwaard, S.,… More

Weide, G., van der Zwaard, S., Huijing, P. A., Jaspers, R. T., Harlaar, J. 3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue. J. Vis. Exp. (129), e55943, doi:10.3791/55943 (2017).

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