Yöntem makalesi

Kas-iskelet Ultrason Görüntüleme Bir Roman Uygulama

25.5K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/50595

⸱

17 Eylül 2013

 ,  ,  , 
1Department of Electrical and Computer Engineering, George Mason University, 2Sports Medicine Assessment, Research & Testing Laboratory, George Mason University, 3School of Physics, Astronomy, and Computational Sciences, George Mason University, 4Department of Bioengineering, George Mason University

Bu makalede

Özet

Biz dinamik faaliyetler sırasında alt milisaniyelik zamansal çözünürlüğe sahip kas kasılması hız, gerginlik ve gerilme hızını ölçmek için yeni bir ultrason tabanlı vektör doku Doppler görüntüleme tekniği açıklar. Bu yaklaşım, dinamik kas fonksiyonunun tamamlayıcı ölçümler sağlar ve kas-iskelet sistemi rahatsızlıklarının altında yatan mekanizmaların daha iyi anlaşılmasına yol açabilir.

Özet

Ultrason dinamik görevler sırasında görüntüleme kas ve tendon hareket için cazip bir yöntemidir ve bir klinik veya laboratuvar ortamında biyomekanik çalışmalar için tamamlayıcı bir metodolojik yaklaşım sağlayabilir. Bu hedefe doğru, ultrason görüntülerinin kas kinematik ölçümü için yöntemler geliştirilmiştir görüntü işleme dayalı ediliyor. Bu yöntemlerin zamansal çözünürlük gibi açılan iniş gibi son derece dinamik görevler için genellikle yeterli değildir. Biz kas kinematik ölçülmesi için bir Doppler yöntemi kullanan yeni bir yaklaşım öneriyoruz. Biz yeni bir vektör doku Doppler ultrasonografi kullanarak dinamik faaliyetler sırasında alt milisaniyelik zamansal çözünürlüğe sahip iskelet daralma hızı, gerginlik ve gerilme hızını ölçmek için kullanılabilir (vTDI) tekniği geliştirdik. Bu ön çalışmanın amacı kas iskelet H ızı ölçmede tekrarlanabilirlik ve vTDI tekniğinin potansiyel uygulanabilirliğini araştırmaktırSağlıklı kişilerde bir damla-iniş görevi sırasında ities. VTDI ölçümleri, eklem kinematiği ve kinetiği için 3D motion capture, yer reaksiyon kuvveti kas aktivasyonu ve kuvvet plakalar zamanlaması için elektromiyografi gibi diğer biyomekanik teknikleri ile aynı anda yapılabilir. Bu tamamlayıcı teknikler Entegrasyon kas-iskelet sistemi hastalıklarının patogenezi ve patofizyolojisi altta yatan dinamik kas fonksiyonu ve disfonksiyonu daha iyi anlaşılmasına yol açabilir.

Giriş

Kas-iskelet bozuklukları yetişkinlikte 1 yaygın yaygındır. Onlar ABD'de 2 önde gelen kronik bir durum ve dünya çapında 3 kişi% 25 etkilediği bildirilmektedir. Kas-iskelet bozuklukları, günlük yaşam (ADL), fonksiyonel kısıtlamalar ve yaşam 4 alt kalitesi faaliyetlerinde azalma fonksiyonu ile ilişkilidir. Onların ekonomik yükü nedeniyle üretkenlik kaybı ve yüksek sağlık maliyetleri 4 önemli olduğunu. Bu hastalıkların bazılarının patofizyolojisi yetersiz anlaşılamamıştır. Örneğin, ön çapraz bağ (ACL) yaralanmaları rekonstrüksiyonu şu osteoartrit (OA) 4 patogenezi kuadriseps kas gücü ve fonksiyon 5 değişikliklere bağlantılı olmuştur, ancak altta yatan mekanizmalar belirsizdir. Altında yatan mekanizmaları aydınlatmak için, daha iyi dinamik kas fonksiyonunu anlamak için bir ihtiyaç vardır.

Fonksiyonelbireysel kaslar değerlendirmesi, kısmi veya ADL ve aktif yaşam tarzı (yani spor) ile ilgili tüm görevin ifası sırasında kas fonksiyonu ve bu hastalıkların patogenezi ve patofizyolojisi yılında potansiyel rolü hakkında daha fazla fikir verebilir. Dahası rehabilitasyon sırasında kas fonksiyonu iyileştirme ölçümü bir sonuç ölçütü olarak kullanılabilir. Klinikte kas ve eklem fonksiyonunu ölçme geleneksel teknikleri gibi hareket açıklığı, kas gücü ve / veya kas grubu dayanıklılık gibi fiziksel muayene içerir. Şu anda klinikte, elektromiyografi (EMG) kas aktivasyonu / ko-aktivasyonu, sıklığını ve kas aktivitesinin genlik değerlendirmek için kullanılır. Bununla birlikte, EMG kas elektrik aktivasyonunun bir ölçüsüdür ve zorunlu olarak kas gücü, büzülme yeteneği ve kas diğer fonksiyonel faktörler hakkında bilgi sağlamaz. Böyle 3D motion capture sistemi f gibi diğer gelişmiş biyomekanik değerlendirmeler,veya zemin reaksiyon kuvveti için ortak kinetik ve kinematik ve kuvvet plakalar bir yürüyüş laboratuarda 6-9 yapılabilir. Bu teknikler ile yapılan ölçümler, ortak düzeyde ve zorunlu olarak, dinamik veya fonksiyonel aktivite sırasında tek bir kas fonksiyonunun doğrudan bir anlayış sağlamaz. Dinamik bir aktivite yaparken aynı anda kas görüntüleme gerçekleştirmek için yeteneği potansiyel kas düzeyinde bir iyi ve daha gerçekçi işlevsel değerlendirmesine yol açabilir.

Çalışmaların büyük çoğunluğu statik yüzüstü pozisyonda kas fonksiyonu üzerine odaklanmış ve bu yöntem ayrıca gerçek zamanlı durumlarında kas davranışları anlayışımızı geliştirmek için yeni yollar açabilirsiniz.

Tanısal ultrasonun gerçek zamanlı olarak kas ve tendon doğrudan görüntüleme etkinleştirebilirsiniz, ve bu nedenle ADL sırasında iskelet dinamiklerini ve fonksiyonunu ölçmek için cazip bir alternatiftir. Ultrason dayalı kantitatif tedbirlergibi kas kalınlığı, uzunluğu, genişliği, kesit alanı (CSA), lif pennation açısı ve fasikül uzunluğu gibi kas morfolojisi ve mimarisi, yaygın olarak 10-12 kullanılmıştır. Son yıllarda, görüntü işleme yöntemleri dinamik görevleri 13-14 sırasında bu nicel tedbirleri değerlendirmek ve ölçmek için istihdam edilmiştir. Bu gelişmeler vivo kas fonksiyon anlayışına yeni bir metodolojik yaklaşım sağlamıştır. Ancak, bu yöntemler öncelikle geleneksel gri tonlama (veya B-mod) ultrason görüntüleme kullanılarak dayanmıştır ve bu nedenle tam değerli olduğu gösterilmiştir doku hızları, gerginlik ve Doppler ilkelerini kullanarak gerilme hızını ölçmek için ultrason olanaklarını istismar değil kalp kası fonksiyonunu 15-16 değerlendirirken.

Biz yüksek temporal çözünürlük (alt millisecon ile daralma hızı, gerginlik ve gerilme hızını ölçebilir bir vektör doku Doppler görüntüleme (vTDI) tekniği geliştirdikd) Dinamik faaliyetleri sırasında 17-18. Özellikle, vTDI tekniği yüksek kare hızlarında son derece dinamik görevler (örneğin, açılan iniş, yürüyüş, vb) sırasında kas ve tendon ölçümler yapabilmektedir. VTDI teknik ultrason huzmesi boyunca hız, yalnızca bileşen tahmin geleneksel Doppler ultrason, üzerinde bir gelişme olduğunu ve bu nedenle İnsonasyon açısına bağlıdır. vTDI farklı açıda yönlendirilen iki farklı ultrason dalgalarının kullanarak kas ve tendonun hızı tahmin ve görüntü düzleminde İnsonasyon açının bağımsızdır. Kas kasılması 3D olur beri Ancak, görüntüleme uçağın açı hala önemlidir. Biz bir klinik ortamda yapılacak bu ölçümler sağlayan, bir araştırma arayüz ile piyasada bulunan bir ultrason sistemi üzerinde bu yöntemi hayata geçirdik.

Tekrarlanabilirlik ve vTDI Sist potansiyel uygulanabilirliğini araştırmak içinem dinamik bir görev sırasında rektus femoris kas hızları ölçüm, sağlıklı erişkin gönüllü üzerinde bir ön çalışma yapıldı. Bu kağıt metodoloji ve kasılma hızları tahmin için bir deney düzeneği gösterir, gerginlik ve rektus gerginlik oranı damla-iniş görevi sırasında milisaniyenin zamansal çözünürlüğe sahip kas femoris.

Protokol

1.. Aletler

Vektör TDI, iki ya da daha çok bağımsız yönde alınan Doppler hızı ölçümlerinden elde edilen hız vektörü tahmin etmeye dayanır. Bir araştırma arayüzü ile bir ultrason sistemi vTDI geliştirmek için kullanılmıştır. Araştırma arayüz bir yazılım geliştirme kiti (SDK) kullanarak düşük seviye huzmesi ve darbe dizisi kontrolünü sağladı. 128 dönüştürücü eleman ve bir görüş alanı ile 38 mm oluşan 5-14 MHz lineer dizi dönüştürücü kullanılmıştır. Araştırma arayüzü iki verici içine dizi dönüştürücüyü bölmek ve açıklıkları almak ve normale göre 15 ° almak ışınlarını yönlendirmek için kullanılmıştır. Iletim demeti ilgilenilen bölgede (örneğin kas karın) de duruldu. Iletmek ve almak açıklıkları 32 eleman için kuruldu.

Sekiz konu, 4 erkek ve 4 kadın (29.7 ± 6.5 yıl) bu çalışmaya dahil edildi. Konularında elde edilen kinematik önlemlerSağ alt ekstremite, yüksek hız kapasitesi ve 200 Hz örnekleme hızı ile sekiz kamera hareket yakalama sistemi kullanılarak ele geçirildi. Deney sırasında zemin reaksiyon kuvveti verileri 2000 Hz'de iki kuvvet tabak örnekleme yoluyla elde edilmiştir.

Yüksek hızlı kamera üçayak üzerine monte edilmiş ve konu 2 m yerleştirilmiş, 500 kare / sn açılan iniş yakalamak için kullanıldı.

2. Konu Hazırlık

  1. Şort, spor sutyeni veya kısa t-shirt ve koşu ayakkabıları bir çift giymek konuları isteyin.
  2. 10 dk kendini yönettiği ısınma ve önceki veri toplama uzanan gerçekleştirmek için konuları söyleyin. Bu herhangi bir anormal kas kasılmaları önlemek ve herhangi bir kas krampları kapsamını azaltmaktır.
  3. Isınma seansından sonra, vücudun belirli noktalarına üzerine yansıtıcı işaretleri yerleştirin. Özellikle yer kalibrasyon büyük trochanters, ikili medial ve lateral diz üzerinde belirteçler ve medial ve Lateral Malleol. Posterior üzerinde izleme işaretçileri yerleştirin ve her ayağın 19-20 uyluk ve Shanks ve beş belirteçleri üzerine üstün iliyak tepeler, yer ve kümeleri anterior.
  4. Statik bir deneme elde etmek için 3D kameraların odak alanının merkezinde stand konuları yönlendirin. Katılımcılar statik 3D hareket yakalama verileri elde etmek, onların omuzları üzerinde kendi kolları ile kuvvet plakalar üzerinde durmak gerekir.
  5. Daha sonra, dönüştürücü tutucu ultrason transdüktörü yerleştirin ve dönüştürücü tutucudan ultrason transdüktörünün yerinden ayrılmasını önlemek için, iyi bir mekanizma sağlar. Dönüştürücü tutucu Lexen polikarbonat ve şekillendirilebilir plastik kullanılarak yapılmıştır.
  6. , Cilt ve ultrason probu ile iyi temas sağlamak dönüştürücü üzerinde ultrason iletim jel bol miktarda uygulayın.
  7. Görüntü konunun uyluk üzerinde dönüştürücü tutucu ile birlikte ultrason transdüktörünü yerleştirin rektus uzunlamasına balta kas femorisolduğunu. Dönüştürücü yarım anterior iliak omurga ve rektus karın kas femoris görüntüye yanal epicondoyle arasına yerleştirilmelidir. Bacağa ultrason transdüktörü ve dönüştürücü tutucu sabitleme önce, dörtlü kas grubunun eksenel bir dilim elde edilir. Bir rehber olarak kullanarak, emin ultrason dönüştürücü şimdi rektus femoris görüntüleme ve vastii kas grubunu görüntüleme önlemek için, daha lateral veya medial hareket etmiyor olun.
  8. Şimdi, deneğin uyluk üzerine, güç çevrim tutucu sağlamak için birbirine bağlı bir kendinden yapışkanlı bandaj kullanın. Bu usul adım yansıtıcı işaretleri engellemek veya kapsamaz olun. Kendinden yapışkanlı bandaj gevşek veya aşırı sıkı olmamalıdır. Gevşek bandajı açılan iniş görevi sırasında ultrason dönüştürücü düşmeye risk ve aşırı sıkı bandaj rahatsızlığa neden olur, yüzeysel kan akımını bozabilir ve muhtemelen açılan iniş dinamiklerini değiştirebilir.
  9. T yerleştirin500 kare / sn video toplamak için o yüksek hızlı kamera uzak sagital düzlemde konuya en az 2 m. Konunun tüm damla iniş sırası yakalanan sağlamak için kamera lensini odaklanın.

3. Deney Protokolü

  1. Tüm belirteçler ve ultrason dönüştürücü güvenli kez, kuvvet plakalardan 50 cm yüksekliği 30 cm yerde bir platform üzerinde durmaya konuları isteyin. Platformu (yaklaşık 2,5 m) etrafında alan açılan iniş görevi engelleyebilir veya konuyu zarar verebilecek herhangi bir nesne açık olduğundan emin olun. Bu, ultrason transdüktörünün kablosu içerir.
  2. Damla iniş göreve başlamadan önce ve tüm damla açılış sekansı sırasında belinde ellerini yere konularını öğretmek.
  3. Ultrason için veri toplama, 3D hareket yakalama, kuvvet plakaları ve açılan iniş görev başlatmak için önce yüksek hızlı bir kamera başlayın. Farklı enstrümanlar arasında senkronizasyon sağlamak olabilirtüm veri toplama başlatmak için tek bir tuşa basın kullanılarak d. Klavyeye bağlı bir basınç sensörü, belirli bir tuşa basıldığında bir eşzamanlama tetikleme sinyali üretmek için de kullanılabilir.
  4. Aynı anda, iki ayaklı platform ve karadan açılan iniş görevi gerçekleştirmek için konuyu yönlendirin. Konular yerine ondan atlama kutusundan bırakın emin olun. Belirli talimatları iniş tekniği ile ilgili sağlanmaktadır.
  5. Konu tamamen stabilize ve açılan iniş sırasını tamamladıktan sonra veri toplama durdurun.
  6. Bu protokolünü konu başına beş kez tekrarlayın.

4. Ultrason Veri Analizi

  1. İhracat ve bir bilgisayara ultrason sisteminden ham veri depolamak.
  2. Her gelen ham radyofrekans (RF) ultrason veri kiriş 40 MHz'de sayısallaştırılmaktadır alırsınız. MATLAB kullanarak verileri işlemek.
  3. Taşıyıcı frekansı kaldırmak için RF veri karesel demodülasyonunu gerçekleştirin. Stat Kaldırionary ve 20 Hz yüksek geçişli filtre kullanılarak her aldığınız kirişler ve her bir derinlik için dördün verileri filtreleyerek düşük frekanslı yığılmayı.
  4. Hem birlikte tahmin hızları geleneksel otokorelasyon hız tahmincisi 21 kullanılarak kirişler alırsınız.
  5. (Transdüktörün boyunca) yanal elde etmek için tek tek hız dalga formları birleştirin ve Şekil 1 'de görüldüğü gibi, damla iniş dizisi boyunca eksenel (dönüştürücüye dik) hızı dalga formları,.
  6. 22, daha önce tarif edildiği gibi denklem 1 kullanılarak ayrı ayrı hız bileşenlerinden elde edilen hız vektörünün büyüklüğünü elde edilir:
    figure-protocol-1
    β 1 ve f 2 iki alınan frekans bileşenleridir ve f t iletim frekansı f ışın direksiyon açısı, nerede.
  7. Uzaysal Gradi kullanarak dt yanal ve eksenel deformasyon hızı de hesaplamak /yanal ve eksenel hızları veliler.
    figure-protocol-2
    V 2 ve V 1 bir mesafe ile ayrılmış iki L. uzamsal konumlarda tahmin anlık hızı yerde
  8. Sırasıyla eksenel ve yanal gerilme hızını entegre ederek, eksenel ve yanal gerginlik, e hesaplayın.
    figure-protocol-3

5. 3D Motion Capture Veri Analizi

  1. Daha fazla analiz için bir bilgisayara 3D hareket yakalama verileri.
  2. Statik ayakta deneme kullanarak, en az kareler optimizasyon 23 ile 3D hareket yakalama yazılımı kullanarak bir kinematik modeli (pelvis, uyluk, incik ve ayak) oluşturun.
  3. Kalça hareketi, diz ve ayak bileği eklemleri ölçmek için bu kinematik modeli kullanın.
  4. 4'üncü sıra düşük geçiş Butterwor kullanarak yansıtıcı işaretleyici yörüngeleri ve yer reaksiyon kuvvetleri Filtresi7 Hz ve 25 Hz, sırasıyla 3D hareket yakalama yazılımı kullanarak bir kesim frekansı ile inci filtre.
  5. Dempster yöntemleri başına her katılımcı için tahmini bölüm eylemsizlik özelliklerini kullanarak, standart bir ters dinamik analizi kullanılarak kinematik ve zemin kuvvet verileri 3-D eklem güçleri ve anları hesaplayın. Inter-segmental ortak anlar iç anlarda (örn. diz iç uzantısı an diz uygulanan fleksiyon yükü direnecek) olarak tanımlanır.

6. Yüksek Hızlı Kamera Veri Analizi

  1. Analiz ve ultrason ve 3 boyutlu hareket yakalama kinematik veri ile karşılaştırma için bir bilgisayara, yüksek hızlı kamera veri videoları ihracat.
  2. 15 kare / sn film oynatmak ve açılan iniş dinamiklerini gözlemlemek.
  3. Daha sonra, dönüştürücü tutucunun hareketi ve anatomik üzerinde görünür işaretleri takip ederek tüm damla iniş deneme esnasında, ultrason transdüktörünün değiştirmesini ölçmekyüksek hızlı video verilerini kullanarak cal görülecek. Damla iniş dinamiklerinin değerlendirilmesi daha farklı kalkış ve iniş stillerini anlamak için aynı anda da yapılabilir.

Sonuçlar

Yöntemlerini gösteren önceki çalışmalarından Temsilcisi sonuçları aşağıda sunulmuştur. Mevcut araştırmada kullanılan yöntem görüntüleme ve hareket yakalama entegre birlikte, aşağıda sunulan tipik sonuçlar, bu ölçümler ayrı ayrı yapıldı çalışmalar vardır.

I. Ultrason (vTDI)

3D hareket yakalama ve yüksek hızlı kamera, deneğin atlama desen verileri kullanarak, iniş ve stabilizasyon aşamaları her bir deneme için çalışıldı. Eksenel ve yanal rektus vTDI kas hızlarını femoris 3D hareket yakalama ve yüksek hızlı kamera toplanan verilerle karşılaştırıldı. Bu verileri kullanarak, açılan iniş dizi boyunca eksenel ve yanal rektus femoris kas hızların zamansal özellikleri incelenmiştir. Pozitif yan hızları, diz fleksiyonu sırasında rektus femoris kasının eksantrik daralmaya karşılıkolumsuz yan hızları diz uzatma sırasında kasın konsantrik daralma karşılık gelir. Bu, Şekil 2 de gösterilmiştir. Tüm konular için bütün açılan iniş sırası yaklaşık 1.45 ± 0.27 saniye sürdü.

Her konu için, eksenel ve yanal kas hızları bir 0.99 eğimi ve R2 = 0.75 (Şekil 3) ile denemeler arasında güçlü bir tekrarlanabilirlik gösterdi. Iki konu (her ikisi de erkek) daha yüksek hızlara sahip iken, altı, sekiz üzerinden konularda hız değerleri, 48-62 cm / sn benzer bir dizi vardı. Her deneğin bireysel ağırlık ve kas kalınlığı için ayarlarken Erkekler (72.96 cm / sn) kızlara göre daha yüksek kas hızı (48.71 cm / sn), s = 0,029, sundu.

Ultrason probu konumu yüksek hızlı kamera kullanarak açılan iniş sırası düşünülmüş takip edildi. Trokanter ve manşet (yeşil çizgi arasında yapılan çizgi segmenti arasındaki açıed çizgi segmenti) ve orta-uyluk ve manşet (mor kesikli çizgi kesimi) arasındaki çizgi segmenti hesaplanmıştır. Konu başına 2 denemeler ile 16 çalışmalarda toplam, (deney 1 ve 2 1 konu ile ilgili ve benzeri), Şekil 4'te görülmektedir. Iniş sırasında anatomik işaretleri için dönüştürücü tutucu nisbetle en az açısal değişim (0.91 ° ​​± 0.54 derece) 16 deneme boyunca gözlendi. Ultrason dönüştürücü açısal değişimi (ICC 2,1 = 0.90, p <0.05) yanı sıra yüksek tekrarlayabilirlik sundu. Bu iniş duruşma sırasında dönüştürücü hareketi az olduğunu gösteriyor ve hız ölçümleri nedeniyle herhangi bir dönüştürücü hareket etkilenmemiştir.

II. 3D Motion Kamera ve Kuvvet Tabaklar

Biz öncelikle diz ve kalça fleksiyon açıları, diz valgus açısı ve diz valgus an üzerinde duruldu. Kalça f: Bu zemin ile başlangıç ​​teması esnasında, kişiler aşağıda belirtilen kinematik desen olduğu bulundulexion 41 ° ± 13 derece, diz fleksiyonu 23 ° ± 9 derece, ve diz valgus 0.03 ° ± 6 derece. Onlar iniş aşamasında ilerledikçe, elde maksimum açıları vardı: kalça fleksiyonu 58 ° ± 19 derece, diz fleksiyonu 54 ° ± 24 derece, ve diz valgus -4 ± 8 derece (Şekil 5) °. Diz valgus an iniş fazında (Şekil 6) sırasında maksimum ilk zemin temas 0.1 ± 0.1 Nm / km 0.03 ± 0.03 bir azalma sundu.

figure-results-1
Şekil 1. Rektus vTDI hız ölçüm Temsil kas femoris. Gri kiriş iki ayrı verici temsil ve kirişler ve kırmızı çizgi (diz proksimal-distal yönde birlikte) yanal hız bileşenini temsil eder ve mavi çizgi eksenel hız temsil alırsınız (kasın kalınlığı boyunca) bileşeni.

figure-results-2
Şekil 2. Drop iniş sırasında eksenel ve yanal hızları video çerçevelerinin dizisi (üst panel) ile karşılaştırılmıştır. Alt panel A başlangıç ​​fleksiyon karşılık gelen eksenel ve yanal hızları, olduğu, B diz uzantısı karşılık gelen, C tekabül ayak zemin çarpıcı, D zemin çarpıcı topuk karşılık, E diz fleksiyon sonrası iniş karşılık ve F diz uzatma ve istikrar gelir.

figure-results-3
Şekil 3,. 8 denek (konu başı 2 deneme) için çıkan hız vektörünün büyüklüğü yinelenebilirliği. Erkekler mavi daireler, kırmızı elmas ve kadınlarda belirtilir.

figure-results-4
Şekil 4. Panel A. hata içindeultrason dönüştürücü sahibi tarafından yapılan çizgi segment ve orta uyluk (mor kesikli çizgi segmenti) üzerindeki işaretleyici ve ultrason dönüştürücü tarafından yapılan çizgi segmenti ve trokanter üzerinde işaretleyici arasındaki açı (yeşil hat kesimi kesik). Panel B. orta uyluk ve ultrason transdüktörü ve trokanter üzerindeki işaretleyici ile yapılan hat kesimi üzerinde ultrason dönüştürücü tutucu ve işaretleyici tarafından yapılan çizgi parçası arasındaki açı olarak mutlak hatası.

figure-results-5
Şekil 5,. Şekil damla iniş görevi sırasında 3D hareket yakalama gösterir. Platformda başlatmak için ilk diz fleksiyon A karşılık, B zemin çarpıcı ayak karşılık, C zemin çarpıcı topuk karşılık, D diz fleksiyon sonrası iniş karşılık ve E KNE karşılıke uzatma ve istikrar. büyük rakam görmek için buraya tıklayın.

figure-results-6
Şekil 6,. Şekil açılan atlama duruş fazında temsilcisi diz valgus an değişiklikleri gösterir. Diz valgus an iniş aşamasında onun maksimum ilk zemin temas 0.1 ± 0.1 Nm / km 0.03 ± 0.03 bir artış sundu. büyük görmek için buraya tıklayın rakam.

Tartışma

Ultrason görüntüleme, 3D motion capture, dinamometrisi, elektromiyografi ve yer reaksiyon kuvveti ölçümleri gibi geleneksel önlemleri tamamlayıcı dinamik çalışmalarda kas kinematiğinin doğrudan değerlendirmesini sağlamak için yeteneğine sahiptir. Bu yaklaşım, temel biyomekanik araştırma ve klinik değerlendirme için geniş ölçüde uygulanabilir olabilir. Ham radyofrekans (RF) ultrason veri veya zarf-tespit gri skala (veya B-modu) görüntü verilerini çapraz-korelasyon kullanmak (1) benek izleme yöntemleri: ultrason kullanarak doku hareketini tahmin için üç temel yaklaşım vardır. Bu teknikler yaygın iskelet 24-25 ve kalp kası 26 hareket izleme ve tahmini hem de kullanılmıştır; (2) kas fasiküller veya özellikleri 27-28 ve kardiyak 29 hem de kullanılan (3) doku Doppler görüntüleme teknikleri izlemek görüntü işleme yöntemleri -30 ve iskelet 31 hareket kestirimi. Mekansal çapraz-c dayalı Benek takibikorelasyon saptandı doku hareketini izlemek için ve alt-piksel çözünürlük ile hareket izleyebilirsiniz yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, benek desenler büyük hareketleri sırasında hızlı decorrelate. Görüntü düzleminden dışarı hareketi de benek takibi için bir sorun teşkil etmektedir. Izleme kas fasikül uzunluğu için yöntemler tüm fasikül dinamik görevi sırasında görüntüde görüntülenmiştir iyi uygulanabilirliği var. Işleme resim verilerine güvenmek Yöntemleri görüntüleme kare hızı ile sınırlıdır düşük temporal çözünürlüğe sahip ve bu nedenle yüksek hızlarda hareket izleyemez. Buna ek olarak, bu fasikül izleme yöntemlerinin uçak hareket dışında çok duyarlıdır. Böylece kas prob hareketi göreli izleme başarısız olmasına neden olabilir. Geleneksel doku Doppler görüntüleme (TDI) itibaren hız tahminlerinin yanı sıra küçük sonda hareketlerine daha sağlam, daha yüksek zamansal çözünürlüğe sahip olabilir. Doppler yöntemleri dolayısıyla Doppler tahminler yanlış du olabilir, sadece ultrason ışınının boyunca hızlar bileşenlerini tahmin edebilirsinizkas hareketi ile İnsonasyon değişen açısı e. Bizim vTDI önerilen yöntem, farklı açılarda yönlendirilen iki farklı ultrason dalgalarının kullanarak bu sorunun üstesinden gelir, bu nedenle hız tahmin görüntüleme düzlemde İnsonasyon açısı bağımsızdır. Ayrıca, vTDI etkili zamansal çözünürlük yaklaşık 0.1 ms olabilir ve bu nedenle bu yöntem dinamik faaliyetleri sırasında (örneğin açılan iniş, yürüyüş ve koşu) iskelet kasının hareketini izleyebilirsiniz.

Bizim yaklaşımın diğer avantajları vektör doku Doppler görüntüleme gerçekleştirmek için klinik bir ultrason sistemine dayanan doğrusal dizi görüntüleme transdüktörün kullanımını içerir. Biz elektronik gönderme / geniş bir görüş alanını taramak için, ışıma, aralık boyutu ve yerleri odak almak kontrollü. Ayrıca, bu yaklaşım, aynı anda gerçek zamanlı görüntüleme ile dubleks vTDI gerçekleştirmek için uzatılabilir. Bizim sistem de bize l geleneksel B-mod görüntüleme gerçekleştirmek için izin verirdoku gerginlik ve kinematik ölçümü için ilgi bölgeyi ocate. Bu yöntem klinik tarayıcı uygulanan bu yana, biz biyomekanik araştırma için bir yürüyüş laboratuarında bu vTDI yöntemi dağıtmak mümkün olmuştur.

Bu tekniğin sınırlamaları kabul edilmelidir. Çeşitli faktörler Doppler ölçümlerinin doğruluğunu etkileyebilir. (boyunca ve kas lifleri arasında) iki boyutta vTDI merkezli hız tahminleri (32 elemanlar geniş) iki gönderme / alma alt açıklıkların bölünmüş ve 15 ° ışınlarını yönlendirmek için doğrusal dizi azaltıcı gerektirir. Ultrason yüksek açılarla kirişler iletmek ve almak Direksiyon lobları ızgara nedeniyle hız önlemleri etkileyebilir. Ayrıca, vTDI ışın örtüşme bölgenin alanı potansiyel olarak hız tahminleri etkileyen, 32 kalınlıkları farklı ışın odak değişir. Doppler tahminlerinin varyans t (1) analizi, zaman penceresi içinde hızlanma ve yavaşlama doku (2) varyans bağlıdırDoppler aralığı kapısı olan sorun, hız (3) Geniş Bant için kullanılan bir delik içinde farklı Doppler açı nakledilen ve aynı zamanda da bilinen ultrason kirişler, alınan spektral geometrik 33 ve iletilen ultrason puls (4) bant genişliği, genişletme yana Doppler kayması taşıyıcı frekansı 34 ile orantılıdır. Çeşitli yöntemler varyans sınırlamak için kullanılabilir. Gibi otokorelasyonlu gibi faz temelli hız tahmin edicileri, genellikle spektral kestiricilerin göre daha küçük analiz zaman pencerelerini kullanmak, ancak Doppler kayması ziyade zirve kayması demek tahmin. Geniş bant 2B Fourier gibi spektral tahminciler 35 nedeniyle darbe bant genişliği varyans azaltabilir dönüşümü. İki Doppler kirişler kumanda kullanır vTDI, durumunda, kas kiriş-örtüşme bölgesi göreceli olarak doku hızların varyans düşünülmesi gereken bir faktördür. Rektus femoris kas kasılması 3D ve daralma H ızı olduğunuSığ kas boyunca uzaysal olarak değişir. Bu nedenle, dikkatli bir ilgi bölgeyi seçmek önemlidir.

Bu çalışmada, biz vTDI kullanarak sekiz sağlıklı gönüllülerde bir damla-iniş görevi sırasında rektus femoris kas kinematiğinin tekrarlanabilirliği araştırıldı. Denemeler bağımsız olmalarına rağmen, biz çalışmalar arasındaki bireyler için son derece ilişkili ve tekrarlanabilir zirve kas kasılması hızları görülmektedir. Biz şu anda daha bu desen incelemek için bizim çalışmamızda daha fazla konu alımı vardır. Bu çalışmada non-invaziv sağlamıştır ve rektus kasılma hızlarının gerçek zamanlı ölçüm açılan iniş sırasında kas femoris. Kasılma hızlarının aşağıdaki desenler açılan iniş görev (Şekil 2) çeşitli aşamalarında gözlenmiştir: 1. Kas kasılması hızları (fleksiyon (fırlatma faz) ve uzatma sırasında eksenel yönüne göre yanal doğrultuda hakim in-the-air phase). Rektus femoris kas in-the-air aşamasında başlangıç ​​aşamasında ve konsantrik kasılma sırasında eksantrik kasılma geçiyor çünkü bu, bekleniyor. 2. Denecek kadar düşük eksenel kas hızlarla üçüncü faz (ayak yere dokunmadan) sırasında düşük yanal kas hızları. Bu, bu aşamanın 3 sırasında rektus femoris kas kasılması düşürmek için gelir. Topuk yere temas hemen sonra eksenel ve yanal kas hızlarında önemli artış. Bu, kas lifleri sırasıyla kas lifleri, normal boyunca hızlarında artışa neden olan, muhtemelen sıkıştırma şekil olarak eksantrik daralma ve değişim geçiren hem de kas kaynaklanmaktadır. Damla iniş görevi yüksek darbe görev olduğu gerçeğine rağmen, vTDI tekrarlanabilir rectus femoris kası hızları gösterdi. Bu kas aşırı yüklenmesini diz eklemi korumak için öncelikle sorumlu olduğu bu ultrason tekniğidir klinik etkisi olabilir.Bu nedenle, Rekonstrüksiyon hastalarda rektus femoris kasının daha fazla değerlendirme OA erken ve hızlandırılmış başlamasına yol mekanizmaları anlamak için garanti edilir.

Bu çalışmada katılımcıların hepsi 30 cm boyunda bir platformda bir doğal damla iniş görevi gerçekleştirmek istendi ancak biz atlama veya lansman yüksekliği farklılıklar bulundu. Ayrıca, yüksek hızlı kamera verileri kullanarak, tüm konular, farklı bir damla iniş tarzı olduğu gözlenmiştir. Bu görevi sırasında aktivasyon kalıpları olası farklılıkların bir sonucu olarak kas femoris rektus zirve çıkan hız değerlerinde konular arasında ufak farklar açıklayabilir. Başka bir olası faktör potansiyel kas kasılması farklı düzeylerde yol açabilir ve üretim güç olabilir rektus femoris kası, enine kesit alanında farklılıklardır.

Açıklamalar

Yazarların hiçbiri herhangi bir mali açıklamalar veya ilgi ve çalışma çatışmalar bizim kurumun IRB tarafından onaylanmıştır var.

Teşekkürler

Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı Hibe Numarası 0953652 tarafından ve kısmen George Mason Üniversitesi kütüphaneleri erişime açık yayın fonu tarafından kısmen desteklenmiştir. Biz yüksek hızlı kamera erişimi sağlamak için Dr John Robert Cressman Jr teşekkür etmek istiyorum.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Ultrason SistemiUltrasonixSonix RP
3D Hareket Yakalama SistemiVicon Hareket SistemleriVicon T-20
Kuvvet PlakalarıBertec CorporationBertec 4060-10
Yüksek Hızlı KameraPhotronPhotron 512 PCI 32K

Kaynaklar

  1. 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).
  2. 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).
  3. National Center for Health Statistics. National health interview survey. , US Department of Health and Human Services. Hyattsville, MD. (1995).
  4. Reginster, J. Y. The prevalence and burden of arthritis. Rheumatology. 41, Suppl ement 1. 3(2002).
  5. 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).
  6. Rasker, J. J. Rheumatology in general practice. British Journal of Rheumatology. 34, 494-497 (1995).
  7. Chopra, A., Abdel-Nasser, A. Epidemiology of rheumatic musculoskeletaldisorders in the developing world. Best Practice & Research Clinical Rheumatology. 22, 583-604 (2008).
  8. Narayan, U. G. The role of gait analysis in the orthopedic management of ambulatory cerebral palsy. Current Opinion in Pediatrics. 19, 38-43 (2007).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Miyoshi, T., et al. Automatic detection method of muscle fiber movement as revealed by ultrasound images. Medical engineering. 31 (5), 558-564 (2009).
  13. Cronin, N. J., et al. Automatic tracking of medial gastrocnemius fascicle length during human locomotion. Journal of Applied Physiology. 111 (5), 1491-1496 (2011).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & Posture. , (2012).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Grubb, N. R., et al. Skeletal muscle contraction in healthy volunteers: assessment with Doppler tissue imaging. Radiology. 194 (3), 837-842 (1995).
  31. Eranki, A., AlMuhanna, K., Sikdar, S. Characterization of a vector Doppler system based on an array transducer. Ultrasonics Symposium (IUS). , (2010).
  32. Newhouse, V. L., et al. The dependence of ultrasound Doppler bandwidth on beam geometry. IEEE Trans. Sonics Ultrason. 27 (2), 50-59 (1980).
  33. 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).
  34. 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).

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Vektör Doku Doppler GörüntülemeDüşüşle İniş GöreviRectus Femoris Kası3B Hareket YakalamaElektromiyografiKuvvet PlatformlarıKas KinematiğiGerinim Hızı ÖlçümüBiyomekanik Analiz
Kas-iskelet Ultrason Görüntüleme Bir Roman Uygulama
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.