3d अल्ट्रासाउंड इमेजिंग (3DUS) पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस ऊतकों की तेजी से और लागत प्रभावी morphometry की अनुमति देता है । हम 3DUS का उपयोग कर मांसपेशियों की मात्रा और fascicle लंबाई को मापने के लिए एक प्रोटोकॉल मौजूद ।
3d अल्ट्रासाउंड इमेजिंग (3DUS) के विकास के लक्ष्य को मानव मांसपेशियों के 3d रूपात्मक अल्ट्रासाउंड विश्लेषण प्रदर्शन करने के लिए एक साधन इंजीनियर है । 3DUS छवियों नपे मुक्तहस्त 2d बी-मोड अल्ट्रासाउंड छवियों, जो एक voxel सरणी में तैनात है से निर्माण कर रहे हैं । अल्ट्रासाउंड (अमेरिका) इमेजिंग मांसपेशियों का आकार, fascicle लंबाई, और पेन के कोण के ठहराव की अनुमति देता है । इन रूपात्मक चर मांसपेशी बल और बल परिश्रम की लंबाई सीमा के महत्वपूर्ण निर्धारक हैं । प्रस्तुत प्रोटोकॉल की मात्रा और fascicle लंबाई निर्धारित करने के लिए एक दृष्टिकोण का वर्णन lateralis और एम. gastrocnemius medialis. 3DUS 3 डी संरचनात्मक संदर्भ का उपयोग मानकीकरण की सुविधा । यह दृष्टिकोण कंकाल की मांसपेशियों में 3d आकृति विज्ञान को बढ़ाता है के लिए एक तेजी से और लागत प्रभावी दृष्टिकोण प्रदान करता है । स्वास्थ्य और खेल में, मांसपेशियों के morphometry के बारे में जानकारी निदान में बहुत मूल्यवान है और/या अनुवर्ती मूल्यांकन उपचार या प्रशिक्षण के बाद ।
स्वास्थ्य और खेल में, मांसपेशियों की आकृति विज्ञान के बारे में जानकारी निदान और/या उपचार या प्रशिक्षण के बाद मूल्यांकन का पालन में बहुत मूल्यवान है1। अल्ट्रासाउंड (यूएस) इमेजिंग एक उपकरण सामांयतः मांसपेशियों की बीमारियों में कोमल ऊतक संरचनाओं के दृश्य के लिए प्रयोग किया जाता है2, गंभीर बीमारियों3,4, हृदय रोगों5, स्नायविक विकारों6, 7,8, और शारीरिक प्रशिक्षण के प्रभाव6,9,10। अमेरिका इमेजिंग मांसपेशियों का आकार, fascicle लंबाई, और पेन के कोण के ठहराव सक्षम बनाता है । ये रूपात्मक चर मांसपेशी बल और बल श्रम की लंबाई सीमा11,12,13,14,15के महत्वपूर्ण निर्धारक हैं ।
वर्तमान में, अमेरिका इमेजिंग माप ज्यादातर 2d छवियों में प्रदर्शन कर रहे हैं, एक संभवतः, उपयुक्त अभिविंयास और अल्ट्रासाउंड जांच के स्थान को चुनने के परीक्षक के साथ । इस तरह के 2d तरीके एक छवि विमान के लिए रूपात्मक माप सीमित है, जबकि ब्याज के पैरामीटर इस विमान के भीतर मौजूद नहीं हो सकता है । रूपात्मक विश्लेषण एक 3 डी दृष्टिकोण की आवश्यकता है, बाहर विमान 3 डी संदर्भ अंक का उपयोग माप प्रदान । नरम ऊतकों के इस तरह के एक 3d रूपात्मक प्रतिनिधित्व चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई)16,17,18,19,20द्वारा प्रदान किया जाना है । हालांकि, एमआरआई महंगा है और हमेशा उपलब्ध नहीं है । इसके अलावा, मांसपेशी फाइबर के दृश्य इस तरह के प्रसार दसियों इमेजिंग (DTI) के रूप में विशेष एमआरआई दृश्यों, की आवश्यकता है21. एमआरआई के लिए एक लागत प्रभावी विकल्प 3 डी अल्ट्रासाउंड (3DUS) इमेजिंग है । 3DUS दृष्टिकोण एमआरआई तकनीक पर कई लाभ प्रदान करता है, उदा., यह एक परीक्षा के दौरान विषय स्थिति के लिए कम स्थान सीमाओं लगाता है । 3DUS इमेजिंग एक तकनीक क्रमिक रूप से 2 डी पर कब्जा है (बी-मोड अमेरिका) छवियों और उंहें एक मात्रा तत्व (voxel) सरणी22,23,24में स्थिति । 3DUS छवि पुनर्निर्माण की प्रक्रिया में पांच कदम होते हैं: (1) मुक्तहस्त 2d अमेरिका छवियों की एक श्रृंखला पर कब्जा; (2) अमेरिकी जांच की स्थिति पर नज़र रखने, एक प्रस्ताव पर कब्जा (MoCap) प्रणाली का उपयोग; (3) MoCap स्थिति और अमेरिका छवियों तुल्यकालन; (4) voxel सरणी के भीतर अल्ट्रासाउंड छवियों के स्थान और अभिविन्यास की गणना संदर्भ के एक नपे प्रणाली का उपयोग; और (5) इस voxel सरणी में इन छवियों को रखने ।
3DUS दृष्टिकोण सफलतापूर्वक कंकाल मांसपेशी15,25,26,27,28,29की आकृति विज्ञान के आकलन के लिए लागू किया गया है । हालांकि, पिछले दृष्टिकोण7,15,25,30 बोझिल साबित कर दिया है, समय लेने और तकनीकी रूप से सीमित, बड़ी मांसपेशियों के केवल छोटे क्षेत्रों के रूप में खंगाला जा सकता है ।
3DUS दृष्टिकोण में सुधार करने के लिए, एक नया 3DUS प्रोटोकॉल विकसित किया गया है जो समय की एक छोटी अवधि के भीतर पूरी मांसपेशियों के पुनर्निर्माण की अनुमति देता है । यह प्रोटोकॉल आलेख वर्णन करता है कि 3DUS इमेजिंग के morphometry के लिए m. वास्तु lateralis (वीएल) और m. gastrocnemius medialis (GM) का उपयोग ।
एक वैध और विश्वसनीय 3DUS तकनीक है कि कंकाल की मांसपेशियों की morphometric चर के तेजी से विश्लेषण के लिए अनुमति देता है प्रस्तुत किया है । कोमल ऊतक इमेजिंग के लिए विभिंन 3DUS दृष्टिकोण लगभग एक दशक के लिए उपलब्ध किया गया है४२,४३, लेकिन 3DUS दृष्टिकोण अभी भी आमतौर पर इस्तेमाल नहीं कर रहे हैं । एमआरआई vivo मांसपेशी की मात्रा में (उदा., संदर्भ16,17,18,19,20) के आकलन के लिए एक ‘ गोल्ड स्टैंडर्ड ‘ है । एमआरआई वैधता का परीक्षण किया गया है और या तो प्रेतों या ज्ञात मात्रा के cadaveric अंगों एमआरआई आधारित मात्रा अनुमान४४,४५की तुलना में अध्ययन में पुष्टि की । हालांकि, अनुसंधान के लिए एमआरआई उपलब्धता सीमित है और स्कैन समय लेने और महंगा है । इसके अलावा, प्रयोगात्मक विषय मुद्राओं एमआरआई स्कैनर के बोर जब्त द्वारा सीमित कर रहे हैं । ठेठ श्री छवियाँ मांसपेशी ज्यामिति (fascicle लंबाई और कोण) के चर की माप प्रदर्शन करने के लिए अपर्याप्त विपरीत उत्पन्न. हालांकि, 3 डी मांसपेशी ज्यामिति भी अतिरिक्त तकनीक का उपयोग करके एमआरआई का उपयोग कर मूल्यांकन किया जा सकता है, जैसे, DTI तकनीक21। एमआरआई के समान, अमेरिका इमेजिंग ऊतकों के विभिंन प्रकार के बीच इंटरफेस पर पर्याप्त अंतर प्रदान करता है (यानी हमारे भीतर दिखाई छवियों), कोमल ऊतकों की मात्रा आकलन के लिए एक वैध साधन प्रदान1,30 ,४४,४६,४७,४८,४९. एमआरआई के विपरीत, 3DUS छवियों को एक ही माप से दोनों मात्रा और मांसपेशियों की ज्यामिति पर विश्लेषण करने के लिए पर्याप्त विपरीत है ।
इसके अलावा, प्रस्तुत तकनीक एक सरणी में एकाधिक झाडू की छवियों के संयोजन की अनुमति देता है, बड़ा मांसपेशियों के अध्ययन के लिए । इस नए 3DUS विधि मांसपेशी आकृति विज्ञान के नैदानिक आकलन के लिए एक संभावित उपकरण प्रदान करता है । इस विधि इमेजिंग नरम ऊतक मांसपेशियों के अलावा अंय संरचनाओं के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है (जैसे, tendons, आंतरिक अंगों, धमनियों) ।
ऑफ़लाइन संसाधन समय में सुधार करने के लिए संशोधन:
3DUS दृष्टिकोण के संशोधनों को मुख्य रूप से प्रसंस्करण समय में सुधार लाने और बड़े मांसपेशियों को मापने के उद्देश्य से किया गया । एक 3DUS छवि के ऑफ़लाइन प्रसंस्करण समय voxel सरणी सेटिंग्स पर निर्भर करता है, नमूना आवृत्ति, रॉय के आकार, स्वीप की अवधि और गति, झाडू की संख्या, और इस्तेमाल किया कार्य केंद्र. पहले, ≈ 2 एच के एक पुनर्निर्माण के समय केवल एक झाडू उपज ७५० अमेरिकी छवियों (30 एस पर 25 हर्ट्ज)15,25,30के पुनर्निर्माण के लिए आवश्यक था । वर्तमान 3DUS विधि के साथ, एक ही झाडू लेता है केवल ५० s पुनर्निर्माण समय (में सुधार ‘ ऑफलाइन ‘ प्रसंस्करण समय द्वारा ९९%) । इस सुधार के द्वारा समझाया जा सकता है बढ़ाया भरने एल्गोरिथ्म है कि बड़े वेक्टर आपरेशनों का उपयोग करने के लिए voxels फ्रेम-दर-फ्रेम, भरने के बजाय पिक्सेल पिक्सेल प्रति और वृद्धि यादृच्छिक एक्सेस मेमोरी (RAM) कार्यस्थानों की बड़ी voxel सरणियों का निर्माण करने के लिए । नई 3DUS दृष्टिकोण के साथ, एक ठेठ पुनर्निर्माण 30 सेमी की गति से एक झाडू लंबाई का प्रतिनिधित्व 1 सेमी/एस, एक लक्ष्य voxel आकार के साथ ०.२ x ०.२ x ०.२ mm3 और 25 हर्ट्ज के एक नमूना आवृत्ति, पुनर्निर्माण करने के लिए निम्न समय लेता है :
a. लगभग 10 एस तुल्यकालन पल्स की पहचान और प्रासंगिक अमेरिका छवियों का चयन करने के लिए ।
b. लगभग १२० अंशांकन परिवर्तन मैट्रिक्स (पीआरटीIm) का निर्धारण करने के लिए एस ।
c. बिन-फिलिंग स्टेज के लिए लगभग 10 एस.
d. गैप भरने वाले कदमों को क्रियान्वित करने के लिए लगभग 30 एस.
कुल में, ले १७० एस नोट, कदम बी केवल एक बार प्रदर्शन करने की जरूरत है, जांच करने के लिए MoCap मार्करों के एक कठोर कनेक्शन संभालने, एक भी झाडू के पुनर्निर्माण के लिए ५० एस जा । संयोजन दो एकल झाडू खंगाला voxel arrays लगभग लेता है 10 एस ।
सीमाएं और महत्वपूर्ण चरण:
वहां कई 3DUS इमेजिंग पहलुओं है कि ध्यान में रखा जाना चाहिए रहे हैं:
i. हमें छवि गुणवत्ता: 2 डी अमेरिका छवियों के उच्च स्थानिक संकल्प voxel सरणी के भीतर रखा जा करने के लिए और अधिक पिक्सेल प्रदान करते हैं । यह voxel आयामों को कम करने की अनुमति होगी, उच्च voxel घनत्व के लिए अग्रणी । कई वर्तमान में उपलब्ध अल्ट्रासाउंड मशीनों स्थानिक समझौता का उपयोग करने के लिए शोर दानेदार बनावट को कम, बेहतर विरूपण साक्ष्य के लिए अनुमति-ऊतकों के इंटरफेस के मुक्त भेद । बिंदु को कम करने के लिए एक और विकल्प एज बढोतरी है । हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह दृष्टिकोण वांछनीय नहीं है, क्योंकि यह अलग इंटरफेस बनाने के प्रयास में छवि को विकृत करता है, जिससे इंटरफेस की सही संरचनात्मक स्थिति बदरंग हो जाती है ।
ii. MoCap शुद्धता: पिक्सेल को केवल सही रूप से एक voxel में रखा जा सकता है, यदि स्थिति संवेदक जांच के निर्देशांकों को सही quantifies । छवि संकल्प में वृद्धि के साथ, MoCap सटीकता और अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है । प्रस्तुत 3DUS सेटअप ०.२ x ०.२ x ०.२ mm3का एक voxel आयाम के साथ सबसे अच्छा काम करता है, ०.१ mm की सटीकता के साथ एक MoCap सिस्टम का उपयोग कर, 3DUS voxel सरणी को फिर से संगठित करने के लिए पर्याप्त सटीकता प्रदान करते हैं ।
iii. नमूना आवृत्ति: या तो अमेरिका छवियों या MoCap डेटा स्ट्रीम का निंनतम लौकिक रिज़ॉल्यूशन नमूना आवृत्ति को निर्धारित करता है । यह स्वीप समय या voxel सरणी सेटिंग्स को प्रभावित करता है । उदाहरण के लिए, 25 से ५० हर्ट्ज नमूना आवृत्ति दोहरीकरण एक झाडू आधे समय में प्रदर्शन किया जा करने के लिए अनुमति देता है. वैकल्पिक रूप से, नहीं झाडू की गति को बदलने, और अधिक छवियों voxel सरणी को भरने के लिए, कम अंतराल भर जा रहा है और इस तरह संभावित voxel सरणी संकल्प को बढ़ाने प्रदान करता है । हालांकि, voxel सरणी संकल्प बढ़ाने, नमूना आवृत्ति को बढ़ाने के बिना, एक धीमी स्कैन की आवश्यकता है, जो आंदोलन कलाकृतियों की क्षमता में वृद्धि होगी.
iv. छवि पुनर्निर्माण समय: फास्ट पुनर्निर्माण पर्याप्त उपलब्ध रैम के साथ एक शक्तिशाली कार्य केंद्र की आवश्यकता है । इसके अलावा, पुनर्निर्माण का समय काफी हद तक अंतर-भरने की प्रक्रिया की voxel सरणी मात्रा और जटिलता के आधार पर बदलता है ।
v. प्रायोगिक प्रोटोकॉल: प्रायोगिक प्रोटोकॉल का मानकीकरण, वीएल और जीएम के लिए वर्तमान अध्ययन में उदाहरण के रूप में, रूपात्मक माप (जैसे, fascicle लंबाई, fascicle कोण, मांसपेशी पेट की तुलना के लिए आवश्यक है लंबाई, पट्टा लंबाई, कण्डराकला लंबाई) विषयों और अनुदैर्ध्य अध्ययन में विषयों के भीतर की निगरानी के बीच । हालांकि, ध्यान दें कि शेष पर मूल्यांकन आकृति विज्ञान मांसपेशी सक्रियण के दौरान बदल सकता है । उदाहरण के लिए, वीएल प्रयोग के लिए, अधिक से अधिक संकुचन के दौरान घुटने प्रसारक आकृति विज्ञान एक उच्च पेन कोण और ६० ° घुटने के फ्लेक्स में छोटे fascicles, शेष५०पर आकृति विज्ञान के साथ तुलना में प्रदर्शित हो सकता है । कुछ स्थितियों में (उदा, spasticity), electromyography (ईएमजी) परीक्षा के दौरान मांसपेशियों की गतिविधि का स्तर आराम से सत्यापित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
vi. जांच दबाव और ऊतक विरूपण: यदि पर्याप्त अल्ट्रासाउंड जेल रॉय पर लागू किया जाता है, जांच और त्वचा के बीच पूर्ण संपर्क के लिए रहने के लिए दबाव की राशि सीमित है । मार्गदर्शन के रूप में, हम सलाह है कि एक रॉय स्कैनिंग त्वचा पर मंडरा की तरह महसूस करना चाहिए, और दबाव केवल जेल और जिससे त्वचा के साथ संपर्क में रखने के लिए लागू किया जाना चाहिए । हालांकि, मामूली ऊतक विकृति भी अल्ट्रासाउंड जेल के एक उदार राशि के साथ, अपरिहार्य हो सकता है । जांच आकार और एक घुमावदार रॉय दबाव या जेल इस्तेमाल की आवश्यक राशि को प्रभावित । बड़ा जांच आकार और एक अधिक घुमावदार रॉय अधिक दबाव और/या अधिक जेल की आवश्यकता होती है, एक समान घुमावदार रॉय के साथ छोटे जांच से । एक अंय संभव समाधान के लिए प्रतिध्वनि (यानी गैर त्वचा से संपर्क करें) अमेरिका के चित्र के क्षेत्र को त्यागना है । इसके अलावा, ऊतक विकृति सबसे पहले ऐसी त्वचा और चमड़े के नीचे वसा ऊतक परतों के रूप में ऊतक परतों, में होने की संभावना है । ध्यान दें कि कुछ के साथ कोई चमड़े के नीचे वसा ऊतक विषयों इसलिए अधिक दबाव के प्रतिकूल प्रभाव के लिए प्रवण हैं । इसके अलावा, ऊतक विकृति जांच के केंद्र में सबसे अधिक होने की संभावना होती है, जो आम तौर पर अन्य राज्यभर के साथ ओवरलैप के क्षेत्र नहीं है.
vii. इमेजिंग और संरचनात्मक ज्ञान: किसी भी इमेजिंग रूपरेखा का उपयोग करने में एक और महत्वपूर्ण विचार यह है कि दोनों के ज्ञान को एनाटॉमी और इमेजिंग मोडल सार्थक व्याख्या प्राप्त करने के लिए आवश्यक है । विषयों और छवि कलाकृतियों के बीच संरचनात्मक भिन्नता को मांयता प्राप्त है और संरचनात्मक संरचनाओं की पहचान की प्रक्रिया में ध्यान में रखा जाना चाहिए । यहां तक कि स्वस्थ और/या अच्छी तरह से विकसित की मांसपेशियों के साथ, स्पष्ट पहचान मुश्किल हो सकता है क्योंकि यह शारीरिक ज्ञान की आवश्यकता है एक मांसपेशी के विभिंन घटकों के बीच अंतर या मांसपेशी समूहों के बीच५१। हालांकि, atrophied मांसपेशी में (यानी बुजुर्ग, विकृति के मामले में, या एक शव), स्पष्ट पहचान एक छोटे आकार की वजह से और भी अधिक जटिल है और कम छवि इसके विपरीत है, और इसलिए कुछ अलग ऊतक इंटरफेस (चित्रा 4 ). हमें विश्वास है कि पूर्व संरचनात्मक ज्ञान के बिना, हम इस 3DUS दृष्टिकोण डिजाइनिंग में और 3DUS माप प्रदर्शन में सही निर्णय लेने में सीमित किया गया है । उदाहरण के लिए, जीएम प्रयोगों के लिए, अलग footplate कोण जरूरी मांसपेशी पट्टा जटिल लंबाई में अपेक्षित परिवर्तन, पैर के भीतर विरूपण के कारण7नहीं है । इसके अलावा बाहर कण्डराकला की वक्रता पर विस्तृत संरचनात्मक जानकारी के मध्य अनुदैर्ध्य विमान के सभी विषयों में एक पर्याप्त चयन के लिए आवश्यक था३८।
चित्रा 4: भिन्नता और quadriceps मांसपेशी आधी जांघ के साथ के 3DUS छवियों को खंगाला संरचनात्मक पार की गुणवत्ता. (a) एक पुरुष मानव शव का उदाहरण मौत पर एक atrophied राज्य की एक छवि (मृत्यु आयु: ८१ वर्ष) से पता चलता है । quadriceps मांसपेशी के व्यक्तिगत प्रमुखों की सीमाओं की पहचान मुश्किल है । (ख) एक आसीन पुरुष (आयु 30 वर्ष) का उदाहरण । (ग) एक पुरुष एथलीट रॉवर (30 वर्ष की आयु) का उदाहरण । पैमाने के लिए सफेद चौकों 1 सेमी x 1 सेमी का प्रतिनिधित्व करते हैं. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.
भविष्य अनुप्रयोगों:
3DUS दृष्टिकोण एक इमेजिंग उपकरण है कि विभिंन प्रयोजनों और खेल और क्लीनिक में सेटिंग्स के लिए इस्तेमाल किया जा सकता प्रदान करता है । नैदानिक हस्तक्षेप प्रभावशीलता में शारीरिक फिटनेस स्तर५२से संबंधित है । रोगियों जो मांसपेशियों को खोने के जोखिम में है की निगरानी के लिए 3DUS का प्रयोग महत्वपूर्ण है (उदा, संदर्भ५३,५४,५५) और संभावित उपचार के समायोजन के लिए अनुमति देता है । 3DUS का एक और संभावित अनुप्रयोग हस्तक्षेप (प्रशिक्षण) और/या चोट के जवाब में पेशी के रूपात्मक अनुकूलन की निगरानी में निहित है ।
इस प्रोटोकॉल में मुक्तहस्त 3DUS राज्यभर के आधार पर मानव शरीर की कोमल ऊतक संरचना को मापने की लागत और समय-प्रभावी विधि बताई गई है । इसके अलावा, एम. वास्तु lateralis और एम. gastrocnemius medialis के सार्थक रूपात्मक मापदंडों का आकलन मान्य और विश्वसनीय साबित हुआ.
The authors have nothing to disclose.
लेखक एडम Shortland और निकॉला तलना जो २००४ में 3 आयामी अल्ट्रासाउंड, जो इस अध्ययन में इस्तेमाल किया सॉफ्टवेयर के विकास के लिए प्रेरणा थे के लिए अपने एल्गोरिदम साझा करने के लिए बहुत आभारी हैं ।
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 |