この作品は、全米科学財団からの助成金番号0953652によって部分的にはジョージメイソン大学図書館のオープンアクセス出版基金によって部分的にサポートされていました。我々は、高速カメラへのアクセスを提供するためのドクター·ジョンロバートCressmanジュニアに感謝したいと思います。

1。計装ベクターTDIは、2つ以上の独立した方向から採取したドップラー速度測定から得られた速度ベクトルを推定に基づいている。研究インタフェースを備えた超音波システムは、VTDIを開発するために使用した。研究インターフェースは、ソフトウェア開発キット（SDK）を使用して、低レベルのビームフォーミングおよびパルスシーケンス制御を可能にした。 128トランスデューサ素子のビュー38ミリメートルフィールドとからなる5-14 MHzのリニアアレイトランスデューサを用いた。研究は、2つのインタフェースの送信にアレイトランスデューサを分割し、開口部を受け取り、法線に対して15°の受信ビームを操縦するために使用された。送信ビームは、関心領域（ 例えば、筋腹）に焦点を合わせた。送信および受信開口は、32の要素に設定した。 8人の被験者、4人の男性と4人の女性（29.7±6.5歳）を本研究に採用された。の被験者からの運動学的措置右下肢は、高速性能と200 [Hz]のサンプリングレートで八カメラモーションキャプチャシステムを用いて捕捉した。実験中の地面反力データは2,000 Hzでサンプリングする2つの力板を得た。 高速度カメラが三脚に取り付けられ、被写体から2メートルに配置され、500フレーム/秒で液滴着弾を捕捉するために使用した。 2。件名の準備<ol><li>ショーツ、スポーツブラやショートTシャツとランニング靴を着用して被験者に依頼してください。 </li><li>被験者は10分の自己主導のウォームアップとデータ収集前にストレッチを行うように指示します。これは、異常な筋肉収縮を回避し、任意の筋肉のけいれんの範囲を減少させることである。 </li><li>ウォームアップセッションの後、身体の特定のランドマーク反射マーカを配置します。具体的には、場所校正大転子上のマーカー、二国間の内側および外側膝と内側およびlateraL踝。事後に追跡マーカーを置き、各足19〜20上の太ももやシャンク、および5マーカーに優れた腸骨稜、および場所のクラスタを前方。 </li><li>静的トライアルを得るために、3Dカメラのフォーカスエリアの中心に立って科目を演出します。参加者は、静的な3Dモーションキャプチャデータを取得するために、彼らの肩を越え腕に力がプレートの上に立つ必要があります。 </li><li>そして、振動子ホルダに超音波トランスデューサを配置し、振動子ホルダからの超音波トランスデューサの脱落を回避するために、良好なからくりを確保する。振動子ホルダはLexenポリカーボネートおよび成形可能なプラスチックを用いて行った。 </li><li>皮膚と超音波トランスデューサとの良好な接触を確保するために、トランスデューサーに、超音波伝達ゲルの寛大な量を適用します。 </li><li>縦AXの大腿直筋の筋肉の画像に被写体の腿に振動子ホルダと一緒に超音波トランスデューサを配置です。変換器は、 直筋の腹筋大腿イメージに途中、前腸骨棘と横epicondoyleの間に配置されなければならない。脚に超音波トランスデューサとトランスデューサホルダーを固定する前に、大腿四頭筋群の軸方向のスライスを取得します。指針としてこれを使用して、超音波トランスデューサは、現在大腿直筋を画像化され、より横方向の移動または外側から内側、vastii筋群を画像化を避けるためにしないことを確認してください。 </li><li>今、対象者の大腿部に振動子ホルダを固定するために凝集自己粘着包帯を使用しています。この手順のステップは、反射マーカーをブロックしたり、カバーしていないことを確認します。自己粘着性包帯は緩いまたは過度にタイトであってはなりません。 LAX包帯ドロップ着陸タスクの実行中に、超音波トランスデューサが落下し危険になり、過度にタイトな包帯は、不快感の原因となる、表面的な血液の流れを乱し、おそらく落下着陸のダイナミクスを変える。 </li><li> Tを配置500フレーム/秒で動画を収集するには、少なくとも2メートル離れて矢状面での被写体からの彼高速度カメラ。被験体の全体滴着陸シーケンスが捕獲され得ることを保証するために、カメラのレンズの焦点を合わせる。 </li></ol> 3。実験プロトコール<ol><li>すべてのマーカーと超音波トランスデューサが安全であると、フォースプレートから50センチメートルで、高さ30cmのところのプラットフォームに立って被験者に依頼してください。プラットフォーム（約2.5メートル）周辺は落下着陸作業を妨げたり、被写体を傷つける可能性のあるオブジェクトの明確であることを確認してください。これは、超音波トランスデューサコードを含む。 </li><li>腰に手を置く被験者は前落下着陸タスクを開始し、全体のドロップ着陸シーケンス中に指示する。 </li><li>超音波、液滴着弾タスク開始前の3Dモーションキャプチャ、力プレートと高速度カメラのデータ収集を開始する。異なる機器間の同期を実現することができますすべてのデータ収集を開始するために単一のキープレスを用いて、dは。キーボードに取り付けられた圧力センサは、特定のキーが押されると、同期トリガ信号を生成することができる。 </li><li>同時に、両方の足で、プラットフォームや土地からドロップ着陸タスクを実行する対象を演出します。対象者ではなく、そこからジャンプの箱からドロップしていることを確認してください。具体的な指示は、ランディング技術に関して提供されていない。 </li><li>被写体が完全に安定して落下着陸シーケンスを完了した後にデータ収集を停止します。 </li><li>このプロトコルを主題ごとに5回繰り返します。 </li></ol> 4。超音波データ解析<ol><li>コンピュータに超音波システムからの生データをエクスポートして保存します。 </li><li>各々からの生の無線周波数（RF）、超音波データは、ビームが40 MHzでデジタル化される受け取る。 MATLABを使用してデータを処理します。 </li><li>搬送波周波数を除去するためにRFデータに対して直交復調を行う。 STATを削除ionaryと20Hzのハイパス·フィルタを使用して、各受信ビームからの各深さの直交データをフィルタリングすることにより低周波クラッタ。 </li><li>両方に沿って速度が従来の自己相関速度推定器21を使用して受信ビームを推定する。 </li><li> 図1に見られるように、落下着陸シーケンス全体にわたって（トランスデューサーに沿って）横方向および軸方向（トランスデューサに垂直な方向）の速度波形を得るために、個々の速度波形を組み合わせる。 </li><li> 22先に説明したように式1を用いて個々の速度成分から得られた速度ベクトルの大きさを得る。 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation1.png" /> β1及びf 2 fは、ビームステアリング角であるつの受信周波数成分であり、f tは送信周波数である。 </li><li>横方向及び軸方向の歪み速度ドを計算/空間gradiを使用してdtは横方向及び軸方向速度のエント。 <img alt="式2" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation2.png" /> V 2とV 1は、距離Lで区切られた二つの空間の位置と推定瞬時速度どこ</li><li>それぞれ軸方向および横方向の歪み速度を統合することにより、軸方向および横方向の歪み、Eを計算します。 <img alt="式3" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation3.png" /></li></ol> 5。 3Dモーションキャプチャデータの解析<ol><li>さらに分析するためにコンピュータに3Dモーションキャプチャデータをエクスポートします。 </li><li>静的スタンディングトライアルを使用して、最小二乗最適化23で3Dモーションキャプチャソフトウェアを使用して、運動学モデル（骨盤、太もも、すね、足）を作成します。 </li><li>腰の運動、ひざ、足首の関節を定量化するために、この運動学モデルを使用してください。 </li><li> 4次のローパスButterworを用いた反射マーカの軌跡と地面反力を絞り込むそれぞれの3Dモーションキャプチャソフトウェアを用いて7 Hzおよび25 Hzのカットオフ周波数を有する第フィルタ。 </li><li>デンプスターの方法に従って、各参加者の推定セグメントの慣性特性を利用して、標準的な逆動力学解析を用いて運動学および接地力データから3次元の関節の力とモーメントを計算します。セグメント間関節モーメントは、内部瞬間として定義されている（ 例えば 、膝内線モーメントが屈曲負荷抵抗する膝に適用される）。 </li></ol> 6。ハイスピー​​ドカメラのデータ解析<ol><li>分析と超音波と3Dモーションキャプチャ運動学的データとの比較のためにコンピュータへの高速カメラデータからビデオをエクスポートします。 </li><li> 15フレーム/秒でムービーを再生し、落下着陸動態を観察します。 </li><li>次いで、anatomiに可視マーカーを追跡することによって全体滴着弾試験中に振動子ホルダの動きと超音波トランスデューサの変位を定量化する高速ビデオデータを用いて校正目印。落下着陸のダイナミクスの評価は、より良い別の打ち上げと着陸のスタイルを理解するためにも同時にを行うことができます。 </li></ol>

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著者はいずれも、任意の目的の財務情報開示や競合がなく、研究は我々の施設のIRBによって承認された。

超音波イメージングは​​、例えば、3次元モーションキャプチャ、動力測定法、電図、および接地反力の測定などの従来の対策を補完することができ、動的試験において、筋肉運動の直接的な評価を提供する能力を有する。このアプローチは、基本的な生体力学の研究と臨床評価のために広く適用することができます。生の無線周波数（RF）、超音波データまたはエンベロープ検波グレースケール（またはB-モード）画像データに対して相互相関を使用して（1）スペックル追跡方法：超音波を用いて組織の動きを推定する3つの主要なアプローチがある。これらの技術は、広く、骨格24-25および心臓26の筋肉運動追跡および推定の両方に使用されている、（2）筋線維束または機能27-28および心臓29の両方に用いられる（3）組織ドプライメージング技術を追跡する画像処理方法-30及び骨格31動き推定。空間的なクロスCに基づいてスペックルトラッキングorrelationは、組織の動きを追跡するために広く使用されており、サブピクセル解像度での動きを追跡することができる。しかし、スペックルパターンは、より大きな動きの間に急速に非相関。像面のうちの運動も、スペックル追跡のための課題を提起する。筋肉束の長さを追跡するための方法は、全体の束は、動的タスク中の画像で視覚化され、より良い適用性を持っている。画像データを処理する方法に依存して、撮像フレームレートによって制限される低時間分解能を有し、従って、高速で動きを追跡することはできません。さらに、これらの束の追跡方法は、平面運動のうちに非常に敏感である。このように筋肉へのプローブの相対移動は、追跡が失敗する可能性があります。従来の組織ドプライメージング（TDI）から速度の推​​定値は、同様に小さなプローブの動きに、より堅牢で、高い時間分解能を持つことができます。ドップラー法は、このように、ドップラー推定値が不正確デュかもしれない、唯一の超音波ビームに沿って速度コンポーネントを推定することができる筋肉の動きに超音波照射の様々な角度へのE。提案VTDI方法は、異なる角度で操舵つの異なる超音波ビームを利用することによって、この問題を克服するので、速度推定値は、撮像面における超音波照射角度とは無関係である。また、VTDIの実効時間分解能は約0.1ミリ秒であることができるので、この方法では、動的な活動（ 例えば 、ドロップ着地、歩行やジョギング）中に骨格筋の動きを追跡することができます。 我々のアプローチの他の利点は、ベクトル組織ドプライメージングを行うための臨床超音波システムに基づいて、リニアアレイ撮像トランスデューサの使用を含む。我々は、電子的に送信/受信ビームステアリング、開口サイズを受信し、大きな視野を走査するために、位置をフォーカスを制御する。さらに、このアプローチは、同時実時間イメージングと二本鎖VTDIを実行するように拡張することができる。私たちのシステムはまた、私たちは、Lに従来のBモード撮像を行うことができます組織株および運動の定量のために関心領域をocate。この方法は、臨床スキャナに実装されましたので、我々はバイオメカニクス研究のための歩行実験室でこのVTDI方法を展開することができました。 この手法の限界は確認をする必要があります。様々な要因は、ドップラー測定の精度に影響を与える。 （に沿って筋線維全体で）2次元でのVTDI基づく速度推定値は（32要素ワイド）2送信/受信サブアパーチャに分割し、15度のビームを操縦するために、リニアアレイトランスデューサを必要とします。超音波は、より高い角度に光を送受信するステアリングは、グレーティングローブによる速度措置に影響を及ぼす可能性があります。また、VTDIのビーム重複領域の面積は、潜在的に速度推定値に影響を与え、様々なビーム焦点深度を32に変更します。ドップラー推定値の分散は、tの（2）分散分析時間ウィンドウ内の組織（1）の加減速に依存するドップラレンジゲート内の発行速度（3）ワイドバンドに使用される開口内に変化するドップラー角は、送信とも呼ばれて超音波ビームを受信し、スペクトル幾何33および送信された超音波パルスの（4）の帯域幅を広げるので、ドップラー偏移34キャリア周波数に比例する。いくつかの方法は、分散を制限するために使用することができる。このような自己相関等の相基づく速度推定器は、典型的には、スペクトル推定量に比べて小さく、分析時間ウィンドウを利用しますが、それらは、ドップラーシフトではなく、ピークシフトを意味する推定。広帯域2Dフーリエ変換のようなスペクトル推定量は、35を変換により、パルス帯域に分散を減らすことができます。二つのドップラービームを操縦利用VTDIの場合には、筋肉へのビーム​​重複領域における相対的な組織速度の分散が考慮すべき別の要因である。 大腿直筋の筋収縮は、3Dと収縮ベロシティにありITYは、筋肉に沿って空間的に変化。したがって、慎重に関心領域を選択することが重要である。 本研究では、VTDIを使用して8人の健康なボランティアのドロップ着陸タスクの実行中に大腿直筋筋運動の再現性を検討した。試験は独立していたにも関わらず、我々は試験間の個人のための高い相関性と再現ピーク筋収縮速度を観察した。我々は現在、さらに、このパターンを調べるために、我々の研究でより多くの被験者を募集しています。本研究では、非侵襲的に設けられており、 腹直筋の収縮速度のリアルタイム測定は、ドロップ着陸中筋大腿 。 1：収縮速度の次のパターンが落下着陸タスク（ 図2）の様々な段階の間に観察された。筋収縮速度は、膝屈曲（打ち上げ相）と拡張子（イン·ザ·エアPの間に、軸方向に比べ横方向に支配する長谷）。 大腿直筋の筋肉がイン·ザ·エアフェーズの間に打ち上げ段階と求心性収縮時の伸張性収縮を受けているので、これは、期待されている。 2。無視できるほど低い軸筋の速度を有する第三段階（つま先が地面に触れて）、中に低側筋速度。これは、このフェーズ3の間、 大腿直筋の筋収縮を低下させるために対応している。かかとが地面に触れた直後に、軸方向および横方向の筋の速度が大幅に増加。これは、筋線維と筋線維それぞれ、法線に沿った速度の増加を引き起こす、おそらく圧縮形状に伸張性収縮および変化の両方を受ける筋肉に起因する。落下着陸タスクは高い衝撃仕事であるという事実にもかかわらず、VTDI、再現直筋速度を大腿明らかにした。この筋が過剰負荷から膝関節を保護するための主原因であるため、この超音波技術は、臨床的影響を与える可能性がある。したがって、ACL再建の患者で大腿直筋筋のさらなる評価は、OAの早期加速発症につながるメカニズムを理解することが保証されています。 この研究の参加者は、全30センチプラットフォームから自然落下着陸タスクを実行するように求めていたが、我々はジャンプや打ち上げの高さの違いを発見した。また、高速度カメラデータを用いて、全ての被験者が異なる液滴着弾スタイルを有することが観察された。これは、タスクの間に活性化パターンの可能性の違いの結果として筋肉大腿直筋のピーク結果のベロシティ値の被験者の間のわずかな違いを説明できる。別の可能な要因は、潜在的に筋収縮の異なるレベルにつながると生産を強制する可能性が大腿直筋の筋の断面積の違いである。

筋骨格系障害は、成人1で広く普及している。彼らは米国の2の大手慢性疾患であり、世界的に3人の25％に影響を与えると報告されている。筋骨格系障害は日常生活動作（ADL）、機能制限や生活4の低品質の活動に機能低下と関連している。彼らの経済的負担が原因生産性の損失と高い医療費4の意味がある。これらの疾患のいくつかの病態生理は不十分に理解されたままになります。例えば、前十字靭帯（ACL）損傷の再構成次の変形性関節症（OA）4の病因は、大腿四頭筋強度および機能5における変化に関連しているが、根本的なメカニズムは不明である。基礎となるメカニズムを解明するために、より良好な動的な筋肉機能を理解する必要がある。 機能的な個々の筋肉の評価は、部分的またはADLとアクティブなライフスタイル（ つまりスポーツ）に関連したタスク全体の実行中に筋肉の機能と、これらの疾患の病因や病態生理学におけるその潜在的な役割についてのさらなる洞察を提供することができます。さらにリハビリテーション時の筋肉の機能改善の定量は、転帰尺度として用いることができる。診療所で筋肉や関節の機能を測定する従来の技術は、運動の範囲、筋力および/または筋持久基等の身体検査を含む。現在臨床において、筋電図（EMG）を筋肉活性化/同時活性化、周波数、および筋活動の振幅を評価するために使用される。しかし、筋電図は、筋肉内の電気的活性化の尺度であり、必ずしも筋力、収縮能力や筋肉の他の機能要素についての情報を提供していません。このような3次元モーションキャプチャシステムのような他の洗練されたfの生体力学的評価、または地面反力の共同運動学及び動力学および力プレートは、歩行ラボ6-9に行うことができる。これらの技術によって行われた測定は、関節のレベルであり、必ずしも動的または機能活性時に個々の筋機能の直接的な理解を提供していない。ダイナミックな活動を行いながら、同時に筋肉のイメージングを実行する能力は、潜在的に筋肉のレベルで、より良く、より現実的な機能評価につながる可能性があります。 研究の大半は、静的がちな位置に筋肉の機能に焦点を当てているが、この方法は、さらに、リアルタイムの状況の間の筋肉の動作の理解を強化するために新たな道を開くことができます。 超音波診断は、リアルタイムで、筋肉や腱のダイレクトイメージングを可能にすることができるので、ADLの間、筋骨格のダイナミクスと機能を測定するための魅力的な代替である。の超音波ベースの定量的措置例えば、筋肉の厚さ、長さ、幅、断面積（CSA）、繊維pennation角と束の長さなどの筋肉形態およびアーキテクチャは、広く10-12使用されてきた。近年、画像処理方法は、動的タスク13-14の間にこれらの定量的な尺度を評価し、定量するために使用されてきた。これらの進歩は、 生体内の筋肉機能の理解に新たな方法論的なアプローチを可能にした。しかし、これらの方法は主に、従来のグレースケール（またはB-モード）の超音波イメージングを用いに頼っているので、十分に価値があることが示された組織速度、歪及びドップラー原理を用いて歪み速度を測定する超音波の可能性を悪用していない心筋機能15〜16を評価する。 我々は、高時間分解能で収縮速度、歪み及び歪み速度を測定することができるベクターの組織ドプライメージング（VTDI）技術（サブmilliseconを開発したD）ダイナミックな活動17〜18の間。具体的には、VTDI技術は、高フレームレートで非常に動的なタスク（ 例えば 、ドロップ着陸、歩行など ）の間に筋肉や腱の測定を行うことができます。 VTDI技術は、超音波ビームに沿った速度成分のみを推定する従来のドップラー超音波、に対する改善であるので、超音波照射角度に依存する。 VTDIは異なる角度で操舵つの異なる超音波ビームを用いて、筋肉や腱の速度を推定し、撮像面における超音波照射角度とは無関係である。筋肉の収縮は、3Dで起こるので、撮像面の角は依然として重要である。私たちは、臨床現場で行われるようにこれらの測定を可能にする、研究·インタフェースで、市販の超音波システムでこのメソッドを実装している。 VTDIのシステム経験の再現性と潜在的な利用可能性を調査するために、EMは、動的タスク中大腿直筋筋速度を測定する際に、私たちは健康な成人ボランティアに予備調査を行った。本論文では、方法論と収縮速度を推定するための実験を示して、歪みと直筋の歪速度は、ドロップ着陸タスクの実行中に、ミリ秒の時間分解能を持つ筋肉大腿 。

<table border="1">
		<tbody>
		 <tr>
			<td>Name of Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Model Name</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Ultrasound System</td>
			<td>Ultrasonix</td>
			<td>Sonix RP</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>3D Motion Capture System</td>
			<td>Vicon Motion Systems</td>
			<td>Vicon T-20</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Force Plates</td>
			<td>Bertec Corporation</td>
			<td>Bertec 4060-10</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>High Speed Camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>Photron 512 PCI 32K</td>
			<td></td>
		 </tr>
		</tbody>
</table>

a novel application of musculoskeletal ultrasound imaging

超音波は、動的なタスクの間に筋肉や腱の動きを画像化するための魅力的なモダリティであり、臨床や研究室の設定で生体力学的研究のための補完的な方法論的アプローチを提供することができます。この目標に向かって、超音波画像からの筋肉の運動学の定量化のための方法は、画像処理に基づいて開発されている。これらのメソッドの時間分解能は、典型的には、ドロップ着陸などの非常に動的なタスクのためには十分ではない。我々は、筋肉の運動を定量化するためのドップラー法を利用する新しいアプローチを提案する。我々は、超音波を用いた動的活動中サブミリ秒の時間分解能を有する筋骨格収縮速度、歪み及び歪み速度を測定するために使用することができる新規ベクターの組織ドプライメージング（VTDI）技術を開発した。この予備的研究の目的は、筋骨格ベロシティを測定する際にVTDI技術の再現性と潜在的な適用性を検討することであった健康な被験者のドロップ着陸タスクの間ITIES、。 VTDI測定は、関節運動学及び動力学のための3次元モーションキャプチャ、床反力のための筋肉の活性化および力プレートのタイミング電図等の他の生体力学の技術と並行して行うことができる。これらの補完的な技術の統合は、筋骨格系障害の病因および病態生理学の基礎となる動的な筋機能と機能障害のより良い理解につながる可能性があります。

の方法を実証する私たちの前の仕事からの代表的な結果を以下に示す。我々の現在の研究に利用される方法は、画像処理とモーションキャプチャを統合しながら、以下に示す代表的な結果は、これらの測定値を別々に実施された研究からである。 I.超音波（VTDI） 3Dモーションキャプチャおよび高速カメラからのデータを使用して、被験体のジャンプ、着地および安定相のパターンは、それぞれの試験のために研究した。軸方向と横方向の直が VTDIから筋肉速度大腿は 3Dモーションキャプチャおよび高速カメラから収集されたデータと比較した。このデータを使用して、落下着陸シーケンス全体を通して、軸方向および横方向の大腿直筋の筋肉の速度の時間的特性を調べた。正横方向速度は、膝屈曲時に大腿直筋筋の伸張性収縮に対応負の横方向の速度は、膝伸展時の​​筋の求心性収縮に対応する。これは、 図2に示されている。すべての被験者全体のドロップ着陸シーケンスは約1.45±0.27秒続いた。 各被験者には、軸方向と横方向の筋速度は0.99とR2 = 0.75（ 図3）の傾きと試験の間に強い再現性を示した。 2人（男女）は、より高い速度を持っていたが6 8のうち、対象者のための速度値は、48〜62センチメートル/秒の類似の範囲であった。各被験者の個々の体重や筋肉の厚さを調整し、男性（72.96センチメートル/秒）、女性よりも有意に高い筋肉速度（48.71センチメートル/ sec）を提示し、P = 0.029、。 超音波トランスデューサの位置は、高速度カメラを用いたドロップ着陸シーケンスを考え追跡した。転子カフ（緑破線間での線分の間の角度オピニオン線分）および中間大腿カフ（紫色の点線線分）との間の線分を算出した。被験体当たり2試行（試行1および2のように1の対象に関連すると）、16試験の合計は、 図4で観察される。着陸中の解剖学的マーカーに対するトランスデューサホルダの最小の角度変化（0.91°±0.54度）は、すべての16の試験にわたって観察された。超音波トランスデューサ角度変化は（ICC 2,1 = 0.90、P &lt;0.05）だけでなく、高い再現性を示しました。これは着陸試験中の変換器の動きが最小であったことを示しており、速度測定は、何らかの変換器の動きに影響を受けなかった。 II。 3Dモーションカメラ·フォースプレート当社は、主に膝や股関節屈曲角度、膝外反角、膝外反モーメントに着目した。ヒップF：私たちは、地面との最初の接触時に、被験者は以下の運動学的なパターンを持っていたことが分かったLEXION 41°±13度、膝屈曲23°±9度、膝外反母趾0.03°±6度。彼らは着陸フェーズで進行するにつれて、達成される最大の角度であった：±8度（ 図5）°股関節屈曲58°±19度、膝屈曲54°±24度、膝外反母趾-4。膝外反モーメントが着陸フェーズ（ 図6）の間に、その最大値に初期接地接点から0.03±0.03〜0.1±0.1 NM /キロに減少を発表した。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig1.jpg" /> 図1。 腹直筋のVTDI速度測定の表現は、グレーのビームが2個々の送信を表し、受信ビームを。筋肉大腿と赤線は（膝の近位-遠位方向）、横方向速度成分と青色の線が軸方向速度を表し（筋肉の厚さに沿って）コンポーネント。 &lt;Pクラス= &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig2.jpg" /> 図2。滴着弾時の軸方向及び横方向の速度は、ビデオフレームのシーケンス（上パネル）と比較される。下部パネルは、Aは、初期膝屈曲に対応する軸方向と横方向の速度は、であり、Bは、膝の伸長に対応し、Cは、に対応する地面を打つつま先、Dは地面を打つかかとに相当し、Eは、膝屈曲後の着陸に対応し、Fは、膝伸展と安定化に対応しています。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig3.jpg" /> 図3。全8科目（サブジェクトごとに2試験）のための合成速度ベクトルの大きさの再現。男性は青い円の赤いダイヤモンドと女性で示されている。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig4.jpg" /> 図4。パネルAエラーが発生超音波振動子ホルダ製線分と半ば腿（紫色の破線の線分）上のマーカおよび超音波トランスデューサ製線分と大転子上のマーカーとの間の角度（緑色線分破線）。パネルB.大腿中央部と超音波トランスデューサと大転子上のマーカによって作ら線分上に超音波トランスデューサホルダとマーカー製線分との間の角度の絶対誤差。 <img alt="図5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig5.jpg" /> 図5。図は、ドロップ着陸タスク中に3Dモーションキャプチャを示しています。プラットフォームから発射するための初期膝屈曲に対応して、Bが地面に当たるつま先に対応し、Cが地面に当たるかかとに対応し、Dは、膝屈曲後の着陸に対応し、Eは KNEに対応E拡張と安定。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50595/50595fig5hires.jpg" target="_blank">大きな画像を見るにはここをクリックしてください。</a> <img alt="図6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig6.jpg" /> 図6。図は、ドロップジャンプの立脚相中に代表膝外反モーメントの変化を示している。膝外反モーメントが着陸フェーズ中に最大値に初期接地接点から0.1±0.1 NM /キロに0.03±0.03から増加を発表した。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50595/50595fig6hires.jpg" target="_blank">拡大表示するには、ここをクリックしてください図。</a>

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A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

我々は、動的な活動中にミリ秒以下の時間分解能で、筋肉の収縮速度、歪みやひずみ率を測定するための新しい超音波ベースのベクトル組織ドプライメージング技術について説明します。このアプローチは、動的な筋機能の補完的な測定値を提供し、筋骨格障害のメカニズムのよりよい理解につながる可能性があります。

筋骨格超音波画像の新規応用

Ultrasound is an attractive modality for imaging muscle and tendon  motion during dynamic tasks and can provide a complementary methodological  approach ...

a-novel-application-of-musculoskeletal-ultrasound-imaging

Research

JoVE Journal

Medicine

23.2K ビュー.  George Mason University. 我々は、動的な活動中にミリ秒以下の時間分解能で、筋肉の収縮速度、歪みやひずみ率を測定するための新しい超音波ベースのベクトル組織ドプライメージング技術について説明します。このアプローチは、動的な筋機能の補完的な測定値を提供し、筋骨格障害のメカニズムのよりよい理解につながる可能性があります。 

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Murine Echocardiography and Ultrasound Imaging

Rodent models of cardiac pathophysiology represent a valuable research tool to investigate mechanism of disease as well as test new therapeutics.1 Echocardiography provides a powerful, non-invasive tool to serially assess cardiac morphometry and function in a living animal.2 However, using this technique on mice poses unique challenges owing to the small size and rapid heart rate of these animals.3 Until recently, few ultrasound systems were capable of performing quality echocardiography on mice, and those generally lacked the image resolution and frame rate necessary to obtain truly quantitative measurements. Newly released systems such as the VisualSonics Vevo2100 provide new tools for researchers to carefully and non-invasively investigate cardiac function in mice. This system generates high resolution images and provides analysis capabilities similar to those used with human patients. Although color Doppler has been available for over 30 years in humans, this valuable technology has only recently been possible in rodent ultrasound.4,5 Color Doppler has broad applications for echocardiography, including the ability to quickly assess flow directionality in vessels and through valves, and to rapidly identify valve regurgitation. Strain analysis is a critical advance that is utilized to quantitatively measure regional myocardial function.6 This technique has the potential to detect changes in pathology, or resolution of pathology, earlier than conventional techniques. Coupled with the addition of three-dimensional image reconstruction, volumetric assessment of whole-organs is possible, including visualization and assessment of cardiac and vascular structures. Murine-compatible contrast imaging can also allow for volumetric measurements and tissue perfusion assessment.

This video demonstrates use of a rail-mounted high-frequency ultrasound probe to perform echocardiography on an anesthetized mouse. The methods describe both conventional two-dimensional and M-mode measurements of cardiac function in addition to newer, more powerful tools such as color Doppler, strain analysis, as well as general and targeted contrast imaging.

マウス心エコー検査と超音波イメージング

Rodent models of cardiac pathophysiology represent a valuable research tool to investigate mechanism of disease as well as test new therapeutics.1  ...

医学

Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade. While the use of TMS has expanded to the study of many systems and processes during this time, the original application and perhaps one of the most common uses of TMS involves studying the physiology, plasticity and function of the human neuromuscular system. Single pulse TMS applied to the motor cortex excites pyramidal neurons transsynaptically 2 (Figure 1) and results in a measurable electromyographic response that can be used to study and evaluate the integrity and excitability of the corticospinal tract in humans 3. Additionally, recent advances in magnetic stimulation now allows for partitioning of cortical versus spinal excitability 4,5. For example, paired-pulse TMS can be used to assess intracortical facilitatory and inhibitory properties by combining a conditioning stimulus and a test stimulus at different interstimulus intervals 3,4,6-8. In this video article we will demonstrate the methodological and technical aspects of these techniques. Specifically, we will demonstrate single-pulse and paired-pulse TMS techniques as applied to the flexor carpi radialis (FCR) muscle as well as the erector spinae (ES) musculature. Our laboratory studies the FCR muscle as it is of interest to our research on the effects of wrist-hand cast immobilization on reduced muscle performance6,9, and we study the ES muscles due to these muscles clinical relevance as it relates to low back pain8. With this stated, we should note that TMS has been used to study many muscles of the hand, arm and legs, and should iterate that our demonstrations in the FCR and ES muscle groups are only selected examples of TMS being used to study the human neuromuscular system.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool to gain insight on the physiology and function of the human nervous system. Here, we present our TMS techniques to study cortical excitability of the upper limb and lumbar musculature.

人間の神経筋システムを研究するために経頭蓋磁気刺激の活用

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade.  While ...

MRI-guided Disruption of the Blood-brain Barrier using Transcranial Focused Ultrasound in a Rat Model

Focused ultrasound (FUS) disruption of the blood-brain barrier (BBB) is an increasingly investigated technique for circumventing the BBB1-5. The BBB is a significant obstacle to pharmaceutical treatments of brain disorders as it limits the passage of molecules from the vasculature into the brain tissue to molecules less than approximately 500 Da in size6. FUS induced BBB disruption (BBBD) is temporary and reversible4 and has an advantage over chemical means of inducing BBBD by being highly localized. FUS induced BBBD provides a means for investigating the effects of a wide range of therapeutic agents on the brain, which would not otherwise be deliverable to the tissue in sufficient concentration. While a wide range of ultrasound parameters have proven successful at disrupting the BBB2,5,7, there are several critical steps in the experimental procedure to ensure successful disruption with accurate targeting. This protocol outlines how to achieve MRI-guided FUS induced BBBD in a rat model, with a focus on the critical animal preparation and microbubble handling steps of the experiment.

Microbubble-mediated focused ultrasound disruption of the blood-brain barrier (BBB) is a promising technique for non-invasive targeted drug delivery in the brain1-3. This protocol outlines the experimental procedure for MRI-guided transcranial BBB disruption in a rat model.

ラットモデルでの経頭蓋集束超音波を用いた血液脳関門のMRI誘導破壊

Focused ultrasound (FUS) disruption of the blood-brain barrier (BBB) is an increasingly investigated technique for circumventing the BBB1-5. The BBB is a ...

The Use of Pharmacological-challenge fMRI in Pre-clinical Research: Application to the 5-HT System

Pharmacological MRI (phMRI) is a new and promising method to study the effects of substances on brain function that can ultimately be used to unravel underlying neurobiological mechanisms behind drug action and neurotransmitter-related disorders, such as depression and ADHD. Like most of the imaging methods (PET, SPECT, CT) it represents a progress in the investigation of brain disorders and the related function of neurotransmitter pathways in a non-invasive way with respect of the overall neuronal connectivity. Moreover it also provides the ideal tool for translation to clinical investigations. MRI, while still behind in molecular imaging strategies compared to PET and SPECT, has the great advantage to have a high spatial resolution and no need for the injection of a contrast-agent or radio-labeled molecules, thereby avoiding the repetitive exposure to ionizing radiations. Functional MRI (fMRI) is extensively used in research and clinical setting, where it is generally combined with a psycho-motor task. phMRI is an adaptation of fMRI enabling the investigation of a specific neurotransmitter system, such as serotonin (5-HT), under physiological or pathological conditions following activation via administration of a specific challenging drug.
The aim of the method described here is to assess brain 5-HT function in free-breathing animals. By challenging the 5-HT system while simultaneously acquiring functional MR images over time, the response of the brain to this challenge can be visualized. Several studies in animals have already demonstrated that drug-induced increases in extracellular levels of e.g. 5-HT (releasing agents, selective re-uptake blockers, etc) evoke region-specific changes in blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI signals (signal due to a change of the oxygenated/deoxygenated hemoglobin levels occurring during brain activation through an increase of the blood supply to supply the oxygen and glucose to the demanding neurons) providing an index of neurotransmitter function. It has also been shown that these effects can be reversed by treatments that decrease 5-HT availability16,13,18,7. In adult rats, BOLD signal changes following acute SSRI administration have been described in several 5-HT related brain regions, i.e. cortical areas, hippocampus, hypothalamus and thalamus9,16,15. Stimulation of the 5-HT system and its response to this challenge can be thus used as a measure of its function in both animals and humans2,11.

The goal of this technique is to assess serotonin (5-HT) neurotransmitter function in the live and free-breathing animal with pharmacological magnetic resonance imaging (phMRI) and an intravenous challenge with a selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI), fluoxetine.

前臨床研究における薬理学的チャレンジのfMRIの利用：5-HTシステムへの応用

Pharmacological MRI (phMRI) is a new and promising method to study the effects of substances on brain function that can ultimately be used to unravel ...

Diagnostic Ultrasound Imaging of Mouse Diaphragm Function

Function analysis of rodent respiratory skeletal muscles, particularly the diaphragm, is commonly performed by isolating muscle strips using invasive surgical procedures. Although this is an effective method of assessing in vitro diaphragm activity, it involves non-survival surgery. The application of non-invasive ultrasound imaging as an in vivo procedure is beneficial since it not only reduces the number of animals sacrificed, but is also suitable for monitoring disease progression in live mice. Thus, our ultrasound imaging method may likely assist in the development of novel therapies that alleviate muscle injury induced by various respiratory diseases. Particularly, in clinical diagnoses of obstructive lung diseases, ultrasound imaging has the potential to be used in conjunction with other standard tests to detect the early onset of diaphragm muscle fatigue. In the current protocol, we describe how to accurately evaluate diaphragm contractility in a mouse model using a diagnostic ultrasound imaging technique.

Diagnostic ultrasound imaging has proven to be effective in diagnosing various respiratory diseases in human and animal subjects. We demonstrate a comprehensive ultrasound protocol utilized by Dr. Zuo's lab to analyze diaphragm kinetics specifically in mouse models. This is also a non-invasive research technique which can provide quantitative information on mouse respiratory muscle function.

マウス絞り機能の診断用超音波イメージング

Function analysis of rodent respiratory skeletal muscles, particularly the diaphragm, is commonly performed by isolating muscle strips using invasive ...

A Novel in vivo Gene Transfer Technique and in vitro Cell Based Assays for the Study of Bone Loss in Musculoskeletal Disorders

Differentiation and activation of osteoclasts play a key role in the development of musculoskeletal diseases as these cells are primarily involved in bone resorption. Osteoclasts can be generated in vitro from monocyte/macrophage precursor cells in the presence of certain cytokines, which promote survival and differentiation. Here, both in vivo and in vitro techniques are demonstrated, which allow scientists to study different cytokine contributions towards osteoclast differentiation, signaling, and activation. The minicircle DNA delivery gene transfer system provides an alternative method to establish an osteoporosis-related model is particularly useful to study the efficacy of various pharmacological inhibitors in vivo. Similarly, in vitro culturing protocols for producing osteoclasts from human precursor cells in the presence of specific cytokines enables scientists to study osteoclastogenesis in human cells for translational applications. Combined, these techniques have the potential to accelerate drug discovery efforts for osteoclast-specific targeted therapeutics, which may benefit millions of osteoporosis and arthritis patients worldwide.

A Novel in vivo Gene Transfer Technique and in vitro Cell Based Assays for the Study of Bone Loss in Musculoskeletal Disorders

Differentiation of precursor cells into osteoclasts is regulated by cytokines and growth factors. Here, a novel gene transfer technique for differentiation of osteoclasts in vivo and cell culture protocols for differentiating precursor cells into osteoclasts in vitro as a method to study the effects of cytokines on osteoclastogenesis are described.

小説<em&gt; in vivoで</em&gt;遺伝子導入技術と<em&gt; in vitroで</em筋骨格障害における骨損失の検討のための&gt;細胞ベースのアッセイ

Differentiation and activation of osteoclasts play a key role in the development of musculoskeletal diseases as these cells are primarily involved in bone ...

State of the Art Cranial Ultrasound Imaging in Neonates

Cranial ultrasound (CUS) is a reputable tool for brain imaging in critically ill neonates. It is safe, relatively cheap and easy to use, even when a patient is unstable. In addition it is radiation-free and allows serial imaging. CUS possibilities have steadily expanded. However, in many neonatal intensive care units, these possibilities are not optimally used. We present a comprehensive approach for neonatal CUS, focusing on optimal settings, different probes, multiple acoustic windows and Doppler techniques. This approach is suited for both routine clinical practice and research purposes. In a live demonstration, we show how this technique is performed in the neonatal intensive care unit. Using optimal settings and probes allows for better imaging quality and improves the diagnostic value of CUS in experienced hands. Traditionally, images are obtained through the anterior fontanel. Use of supplemental acoustic windows (lambdoid, mastoid, and lateral fontanels) improves detection of brain injury. Adding Doppler studies allows screening of patency of large intracranial arteries and veins. Flow velocities and indices can be obtained. Doppler CUS offers the possibility of detecting cerebral sinovenous thrombosis at an early stage, creating a window for therapeutic intervention prior to thrombosis-induced tissue damage. Equipment, data storage and safety aspects are also addressed.

Cranial ultrasound (CUS) is a valuable tool for brain imaging in critically ill neonates. This video shows a comprehensive approach for neonatal (Doppler) CUS for both clinical and research purposes, including a bedside demonstration of the technique.

新生児におけるアート頭蓋超音波画像の状態

Cranial ultrasound (CUS) is a reputable tool for brain imaging in critically ill neonates. It is safe, relatively cheap and easy to use, even when a ...

High-frequency Ultrasound Imaging of Mouse Cervical Lymph Nodes

High-frequency ultrasound (HFUS) is widely employed as a non-invasive method for imaging internal anatomic structures in experimental small animal systems. HFUS has the ability to detect structures as small as 30 &#181;m, a property that has been utilized for visualizing superficial lymph nodes in rodents in brightness (B)-mode. Combining power Doppler with B-mode imaging allows for measuring circulatory blood flow within lymph nodes and other organs. While HFUS has been utilized for lymph node imaging in a number of mouse&#160; model systems, a detailed protocol describing HFUS imaging and characterization of the cervical lymph nodes in mice has not been reported. Here, we show that HFUS can be adapted to detect and characterize cervical lymph nodes in mice. Combined B-mode and power Doppler imaging can be used to detect increases in blood flow in immunologically-enlarged cervical nodes. We also describe the use of B-mode imaging to conduct fine needle biopsies of cervical lymph nodes to retrieve lymph tissue for histological&#160; analysis. Finally, software-aided steps are described to calculate changes in lymph node volume and to visualize changes in lymph node morphology following image reconstruction. The ability to visually monitor changes in cervical lymph node biology over time provides a simple and powerful technique for the non-invasive monitoring of cervical lymph node alterations in preclinical mouse models of oral cavity disease.

This protocol describes the application of high-frequency ultrasound (HFUS) for imaging mouse cervical lymph nodes. This technique optimizes visualization and quantification of cervical lymph node morphology, volume and blood flow. Image-guided biopsy of cervical lymph nodes and processing of lymph tissue for histological evaluation is also demonstrated.

マウス子宮頸部リンパ節の高周波超音波イメージング

High-frequency ultrasound (HFUS) is widely employed as a non-invasive method for imaging internal anatomic structures in experimental small animal ...

3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue

The developmental goal of 3D ultrasound imaging (3DUS) is to engineer a modality to perform 3D morphological ultrasound analysis of human muscles. 3DUS images are constructed from calibrated freehand 2D B-mode ultrasound images, which are positioned into a voxel array. Ultrasound (US) imaging allows quantification of muscle size, fascicle length, and angle of pennation. These morphological variables are important determinants of muscle force and length range of force exertion. The presented protocol describes an approach to determine volume and fascicle length of m.&#160;vastus lateralis and m.&#160;gastrocnemius medialis. 3DUS facilitates standardization using 3D anatomical references. This approach provides a fast and cost-effective approach for quantifying 3D morphology in skeletal muscles. In healthcare and sports, information on the morphometry of muscles is very valuable in diagnostics and/or follow-up evaluations after treatment or training.

3D ultrasound imaging (3DUS) allows fast and cost-effective morphometry of musculoskeletal tissues. We present a protocol to measure muscle volume and fascicle length using 3DUS.

3 D の超音波画像診断: 筋骨格系組織の迅速かつコスト効果の高い計測

The developmental goal of 3D ultrasound imaging (3DUS) is to engineer a modality to perform 3D morphological ultrasound analysis of human muscles. 3DUS ...

Providing Visual Biofeedback Using Brightness Mode Ultrasound During a Golf Swing

Using ultrasound biofeedback in conjunction with verbal cueing can increase muscle thickness more than verbal cueing alone and may augment traditional rehabilitation techniques in an athletic, physically active population. Brightness mode (B-mode) ultrasound can be applied using frame-by-frame analysis synchronized with video to understand muscle thickness changes during these dynamic tasks. Visual biofeedback with ultrasound has been established in static positions for the muscles of the lateral abdominal wall. However, by securing the transducer to the abdomen using an elastic belt and foam block, biofeedback can be applied during more specific tasks prevalent in lifetime sports, such as golf. To analyze muscle activity during a golf swing, muscle thickness changes can be compared. The thickness must increase throughout the task, indicating that the muscle is more active. This methodology allows clinicians to immediately replay ultrasound videos for patients as a visual tool to instruct proper activity of the muscles of interest. For example, ultrasound can be used to target the external and internal obliques, which play an important role in swinging a golf club or any other rotational sport or activity. This methodology aims to increase oblique muscle thickness during the golf swing. Additionally, the timing of muscle contraction can be targeted by instructing the patient to contract the abdominal muscles at specific time points, such as the beginning of the downswing, with the goal of improving muscle firing patterns during tasks.

Brightness mode ultrasound can be used to provide visual biofeedback of the muscles of the lateral abdominal wall during a golf swing. Post-swing visual and verbal instruction can increase the muscle activation and timing of the external and internal obliques.

ゴルフスイング中の輝度モード超音波を使用した視覚的バイオフィードバックの提供

Using ultrasound biofeedback in conjunction with verbal cueing can increase muscle thickness more than verbal cueing alone and may augment traditional ...