Name: 3d ultrasound imaging: fast and cost-effective morphometry of musculoskeletal tissue
Uploaded: 2017-11-27T12:30:00
Duration: 8 min 52 s
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Les auteurs sont très reconnaissants à Adam Shortland et Nicola Fry qui ont partagé leurs algorithmes pour l’échographie en 3 dimensions en 2004, qui ont inspiré le développement du logiciel utilisé dans cette étude.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Nous présentons une technique 3DUS valide et fiable qui permet l’analyse rapide des variables morphométriques des muscles squelettiques. 3DUS différentes approches pour l’imagerie des tissus mous ont été disponibles pour environ une décennie42,43, mais les approches 3DUS ne sont toujours pas utilisés couramment. L’IRM est un « gold standard » pour l’estimation des volumes de muscle en vivo (e.g., référence16,17,18,19,,20). Validité de MRI a été testée et confirmée dans les études comparant les fantômes ou organes cadavériques de volume connu à volume IRM basée sur des estimations44,45. Cependant, MRI disponibles pour la recherche sont limitées et les analyses sont longues et coûteuses. En outre, sujet expérimental postures sont limités par l’alésage s’emparer des scanners MRI. Des images de résonance typiques génèrent contraste insuffisant pour effectuer des mesures des variables de la géométrie de muscle (Fascicule longueurs et angles). Cependant, la géométrie 3D musculaire peut être évaluée aussi à l’aide de MRI en utilisant des techniques supplémentaires, par exemple, DTI technique21. De même l’imagerie IRM, US est une distinction adéquate aux interfaces entre les différents types de tissus (c'est-à-dire visible en nous des images), fournissant une modalité valide pour tissus mous volume évaluation1,30 ,44,46,47,48,49. Contrairement à l’IRM, 3DUS images ont un contraste suffisant pour effectuer des analyses sur la géométrie de volume et des muscles de la même mesure.
En outre, la technique présentée permet combinant des images de balayages multiples en un seul, pour l’étude des gros muscles. Cette nouvelle méthode 3DUS fournit un outil potentiel pour l’évaluation clinique de la morphologie du muscle. Cette méthode peut être utilisée aussi pour l’imagerie des tissus mous des structures autres que les muscles (par exemple, tendons, organes internes, les artères).
Modifications pour améliorer les temps de traitement en mode hors connexion :
Modifications de l’approche 3DUS visaient principalement améliore le temps de traitement et de mesure des gros muscles. Le temps de traitement en mode hors connexion d’une image de 3DUS dépend de paramètres de tableau de voxel, fréquence d’échantillonnage, la taille du ROI, durée et vitesse de balayage et nombre de balayages, le poste de travail utilisé. Auparavant, un temps de reconstruction de ≈ 2 h était nécessaire pour reconstruire un seul balayage produisant 750 US images (30 s à 25 Hz)15,25,30. Avec la méthode actuelle de 3DUS, le même balayage prend seulement 50 s de temps de reconstruction (améliorer le temps de traitement « hors ligne » de 99 %). Cette amélioration peut s’expliquer par l’algorithme de remplissage améliorée qui utilise des opérations de grand vecteur pour remplir le voxels image par image, au lieu de pixel par pixel et amélioration de l’accès aléatoire de mémoire (RAM) de postes de travail pour construire des tableaux de voxel plus grandes. Avec la nouvelle approche de la 3DUS, une reconstruction typique représentant une longueur de balayage de 30 cm à une vitesse de 1 cm/s, avec une taille de voxel de cible de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 et une fréquence de 25 Hz, prend le temps suivant pour reconstruire :
a. environ 10 s pour identifier les impulsions de synchronisation et sélectionner les images américaines pertinentes. b. environ 120 s pour déterminer la matrice de transformation de l’étalonnage (PrTIm). c. environ 10 s pour la phase de remplissage de bac. d. environ 30 s pour exécuter les étapes de combler les lacunes.
Au total, prenant Note s. 170, étape b doit seulement être effectuées une seule fois, en supposant une connexion rigide des marqueurs MoCap pour la sonde, laissant 50 s pour la reconstruction d’un balayage unique. Combinant deux balayage unique reconstruite voxel tableaux prend environ 10 s.
Limitations et étapes cruciales :
Il y a plusieurs aspects d’imagerie 3DUS qui devraient être pris en compte :
i. qualité d’image US : une résolution spatiale supérieure des images 2D d’US fournir plus de pixels pour être placé dans le tableau de voxel. Cela permettrait de diminuer, les dimensions du voxel menant à densité plus élevée de voxel. Plusieurs appareils à ultrasons actuellement disponibles utilisent une combinaison spatiale pour réduire la texture granuleuse bruyante, permettant de mieux sans artefact de la distinction des interfaces des tissus. Une autre option pour réduire le chatoiement est accentuation des contours. Toutefois, il est à noter que cette approche n’est pas souhaitable, car il déforme l’image dans le but de créer des interfaces distinctes, faussant ainsi la véritable position anatomique des interfaces.
II. exactitude MoCap : Pixels ne peuvent être correctement placés dans un voxel, si le capteur de position quantifie précisément les coordonnées de la sonde. Avec une augmentation de la résolution de l’image, MoCap précision devient plus importante. Le 3DUS présenté configuration fonctionne mieux avec une dimension de voxel de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, en utilisant un système MoCap avec une précision de 0,1 mm, fournissant une précision suffisante pour reconstruire le tableau de voxel de 3DUS.
III. l’échantillon de fréquence : la plus basse résolution temporelle de l’US images ou du flux de données MoCap détermine la fréquence d’échantillonnage. Cela influe sur le temps de balayage ou les paramètres de tableau de voxel. Par exemple, doubler la fréquence d’échantillonnage de 25 à 50 Hz permet un balayage à effectuer dans la moitié du temps. Sinon, ne pas changer la vitesse de balayage, fournit plus d’images pour remplir le tableau de voxel, laissant moins de lacunes à combler et ce qui peut augmenter la résolution de tableau de voxel. Toutefois, augmenter la résolution de tableau de voxel, sans pour autant augmenter la fréquence d’échantillonnage, nécessite un balayage plus lent, ce qui augmentera le potentiel des artefacts de mouvement.
IV. temps de la reconstruction de l’Image : rapides reconstitutions requièrent une puissante station de travail avec suffisamment de RAM disponible. En outre, temps de reconstruction varie largement selon le voxel tableau volume et la complexité de la procédure de combler les lacunes.
c. protocole expérimental : normalisation du protocole expérimental, comme exemplifié dans cette étude pour les VL et GM, est essentielle pour la comparaison de mesures morphologiques (p. ex., fascicule longueur, angle de fascicule, ventre musculaire longueur, longueur de tendon, longueur de l’aponévrose) entre les sujets et la surveillance dans les sujets des études longitudinales. Toutefois, Notez que la morphologie évaluée au repos peut modifier au cours de l’activation des muscles. Par exemple, pour l’expérience de VL, la morphologie d’extenseurs du genou au cours de la contraction maximale peut démontrer un angle élevé de pennation et plus courts fascicules en flexion du genou de 60°, par rapport à la morphologie au repos50. Dans certaines conditions (p. ex.., spasticité), électromyographie (EMG) peut être utilisé pour vérifier les niveaux d’activité musculaire au repos lors de l’interrogatoire.
VI. sonde de pression et tissus de déformation : si ample ultrasons gel est appliqué sur le retour sur investissement, le montant de la pression de rester pour le full contact entre la sonde et la peau est limité. Titre indicatif, nous conseillons que balayage un retour sur investissement devrait se sentir comme planant au-dessus de la peau, et la pression doit être appliquée uniquement pour garder en contact avec le gel et, par conséquent, la peau. Cependant, la déformation légère tissu peut-être inévitable, même avec une quantité généreuse de gel ultrasonique. Taille de la sonde et un retour sur investissement incurvé affectent la quantité requise de pression ou de gel utilisé. Plus grande taille de la sonde et un retour sur investissement plus incurvée exigent davantage de pression et/ou gel plus, que les sondes plus petites avec un semblable courbé ROI. Une autre solution possible est de se défaire de la région de réverbération (c'est-à-dire sans peau-contact) des images américaines. En outre, déformation des tissus est plus susceptible de se produire dans les premières couches de tissus, tels que la peau et les couches du tissu adipeux sous-cutané. Notez que les sujets avec peu ou pas du tissu adipeux sous-cutané sont donc plus sujettes aux effets indésirables de la pression. En outre, la déformation des tissus se produit probablement au centre de la sonde, ce qui n’est généralement pas la région de chevauchement avec d’autres coups de filet.
VII. des connaissances anatomiques et d’imagerie : une autre considération importante dans l’utilisation de n’importe quelle modalité d’imagerie, c’est que la connaissance de l’anatomie et de la modalité d’imagerie est essentielle pour obtenir une interprétation significative. Une variation anatomique entre sujets et objets de l’image doit être reconnu et pris en compte dans le processus d’identification des structures anatomiques. Même avec les muscles sains et/ou bien développées, une identification claire peut être difficile car il nécessite des connaissances anatomiques pour différencier entre les différentes composantes d’un muscle ou entre groupes de muscle51. Toutefois, dans le muscle atrophié (c.-à-d. personnes âgées, dans le cas de pathologie, ou un cadavre), l’identification claire est encore plus compliquée en raison d’une taille plus petite et diminue le contraste de l’image, et donc moins distinct tissu interfaces (Figure 4 ). Nous croyons que sans connaissances anatomiques préalables, nous aurait été limités à porter des jugements corrects dans la conception de cette approche 3DUS et dans l’exécution des mesures de 3DUS. Par exemple, pour des expériences de GM, angles différents semelle ne causent pas forcément des changements attendus dans le muscle complexe longueurs de tendon, en raison de la déformation dans le pied7. Aussi les détails anatomiques sur la courbure de l’aponévrose distal étaient essentiels pour une sélection adéquate de le mi-axe longitudinal dans les sujets38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Figure 4 : Variation et la qualité des reconstruit des images anatomiques 3DUS transversale du muscle quadriceps à mi-chemin le long de la cuisse. (A) exemple d’un cadavre humain masculin montre une image d’un État atrophié au moment du décès (âge de la mort : 81 ans). Identification des limites des différents chefs du muscle quadriceps est difficile. (B) exemple d’un homme sédentaire (30 ans). (C) exemple d’un rameur de l’athlète masculin (30 ans). Les cases blanches pour échelle représentent 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Applications futures :
L’approche de 3DUS fournit un outil d’imagerie qui peut être utilisé à des fins diverses et des paramètres dans les sports et les cliniques. Dans les interventions cliniques efficacité est liée à la condition physique de niveau52. À l’aide de 3DUS pour le suivi des patients à risque de perte de muscle masse est important (p. ex., références,du5354,55) et potentiellement permet un ajustement du traitement. Une autre application potentielle de 3DUS se trouve dans le suivi de l’adaptation morphologique du muscle en réponse à l’intervention (formation) et/ou des blessures.
Ce protocole décrit une méthode de coût et temps efficace pour mesurer la structure des tissus mous du corps humain issu des balayages de 3DUS à la volée. En outre, évaluation des paramètres morphologiques significatifs de m. vastus lateralis et m. gastrocnémien médial s’est avérée valide et fiable.

En soins de santé et des sports, informations sur la morphologie des muscles sont très précieuses au diagnostic et/ou des évaluations de suivi après traitement ou de la formation1. L’échographie (US) est un outil couramment utilisé pour la visualisation des structures de tissus mous dans les maladies de muscle2, maladies graves3,4, maladies cardiovasculaires5, troubles neurologiques,6, 7,8et les effets de l’entraînement physique6,9,10. L’imagerie US permet de quantification de la taille de muscle, fascicule longueur et angle de pennation. Ces variables morphologiques sont importants déterminants de la gamme de force et de la longueur musculaire de forcer l’effort11,12,13,14,15.
Actuellement, US d’imagerie mesures sont pour la plupart réalisées en images 2D, avec le choix de l’examinateur une vraisemblablement, l’orientation appropriée et l’emplacement de l’échographie sonde. Ces méthodes 2D restreignent les mesures morphologiques au plan d’une image, lorsque le paramètre d’intérêt ne peut pas être présent à bord de cet avion. Analyse morphologique exige une approche 3D, fournissant hors-plan des mesures à l’aide de points de référence 3D. Une telle représentation morphologique 3D des tissus mous est connue pour être fournies par l’imagerie par résonance magnétique (IRM)16,17,18,19,20. Cependant, l’IRM est coûteux et pas toujours disponible. Visualisation des fibres musculaires exige également, les séquences spéciales de MRI, comme diffusion tensor imaging (DTI)21. Une alternative rentable au MRI est échographie 3D (3DUS). L’approche de 3DUS offre plusieurs avantages par rapport aux techniques d’IRM, par exemple, il impose moins manque d’espace pour le positionnement de l’objet au cours de l’examen. 3DUS imagerie est une technique séquentiellement, capturer des images 2D (mode B US) et leur positionnement dans un volume élément (voxel) tableau22,23,24. Le processus de reconstruction de l’image 3DUS se compose de cinq étapes : (1) capture une série d’images à la volée d’US 2D ; (2) suivi de la position de la sonde américaine, à l’aide d’un système de Motion Capture (MoCap) ; (3) synchronisation de la position de MoCap et images US ; (4) calcul de l’emplacement et l’orientation des images ultrasons dans le tableau de voxel en utilisant un système équilibré de référence ; et (5) en plaçant ces images dans ce tableau de voxel.
L’approche de 3DUS a été appliquée avec succès pour l’évaluation de la morphologie du muscle squelettique15,25,26,27,28,29. Cependant, précédentes approches7,15,25,30 se sont révélés lourde, beaucoup de temps et techniquement limitée, car seulement de petits segments de gros muscles pourraient être reconstruites.
Afin d’améliorer l’approche de 3DUS, un nouveau protocole de 3DUS a été développé qui permet la reconstruction des muscles complètes dans un court laps de temps. Cet article du protocole décrit l’utilisation de 3DUS d’imagerie pour la morphométrie du m. vastus lateralis (VL) et m. gastrocnémien médial (GM).

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

3d ultrasound imaging: fast and cost-effective morphometry of musculoskeletal tissue

L’objectif du développement de l’échographie 3D imaging (3DUS) est à l’ingénieur une modalité pour effectuer l’analyse 3D échographie morphologique des muscles humains. Images 3DUS sont construits à partir de calibré à la volée 2D mode B images échographiques, qui sont placés dans un tableau de voxel. L’échographie (US) permet la quantification de la taille de muscle, fascicule longueur et angle de pennation. Ces variables morphologiques sont des déterminants importants de la gamme de force et longueur musculaire d’effort de force. Le protocole présenté décrit une approche pour déterminer la longueur de volume et fascicule de m. vastus lateralis et m. gastrocnémien médial. 3DUS facilite la normalisation à l’aide de références anatomiques 3D. Cette approche fournit une approche rapide et rentable pour quantifier la morphologie 3D dans les muscles squelettiques. En soins de santé et des sports, information sur la morphométrie des muscles est très précieuse au diagnostic et/ou des évaluations de suivi après traitement ou de formation.

La technique décrite 3DUS servait à recueillir des données morphologiques de la GM et la VL dans quatre cadavres humains mâles, l’âge à mort 76,8 ± 7,9 ans (moyenne ± écart-type). Les cadavres ont été obtenus par le programme de donation du département d’anatomie et neurosciences de la Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Pays-Bas. Les corps ont été préservés en utilisant une méthode d’embaumement vise à maintenir les caractéristiques morphologiques du tissu39.
Avant la dissection, une image de 3DUS a été faite de la GM et la VL selon la méthodologie décrite. Au cours de la dissection, peau, tissu sous-cutané et fascia qui vient se superposer le GM et VL ont été supprimés. Une coupe mi-longitudinale a été coupée, prenant l’orientation de l’aponévrose distale en compte. À l’aide d’un pied à coulisse, la longueur du fascicule a été mesurée, à mi-chemin entre l’origine et l’extrémité distale de la poitrine du muscle. Par la suite, après ténotomie, le ventre musculaire a été disséqué et immergé dans une colonne d’eau calibré. À l’aide de ImageJ, les volumes ont été mesurées sur des photographies de la colonne d’eau avec et sans le ventre du muscle et volume musculaire a été calculer la différence de40. Volume et longueur du fascicule ont mesuré trois fois et on a calculé les valeurs moyenne et écart-type. Validité de critère entre les mesures de méthode et la dissection du 3DUS a été testée par corrélation de Pearson, un fascicule de moyenne longueur et muscle le volume. Fiabilité intra-évaluateur de la méthode de 3DUS mesures de longueur et de volume fascicule dérivée a été quantifiée à l’aide un double sens mixte modèle intraclasse coefficient de corrélation (ICC3,3)41et après transformation logarithmique des données, la coefficient de variation (CV) a été calculée. La validité des mesures de volume longueur et muscle fascicules ont été confirmés par des corrélations significatives et élevées (r = 0.998, p < 0,01 et r = 0,985, p < 0,01, respectivement). Fiabilité intra-évaluateur de la méthode de 3DUS dérivés fascicule longueur des et volume était élevée (ICC3,3 0,983, CV CV de 7,3 % et ICC3,3 0,998, 5,4 %, respectivement). Il est conclu que l’approche de 3DUS présentée est un outil fiable et valide pour une évaluation longueur volume et fascicule de la VL et GM (tableau 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tableau 1 : Données de Validation cadaver. C# est le nombre de cadavres, GM est m. gastrocnémien médial, VL est m. vastus lateralis. « Dissection » montre les résultats de la dissection de cadavre, et « 3DUS » présente les résultats de l’analyse des images 3DUS des cadavres.

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

L’échographie 3D : morphométrie rapide et rentable des tissus musculo-squelettiques

Échographie 3D imaging (3DUS) permet de morphométrie rapide et rentable des tissus musculo-squelettiques. Nous présentons un protocole permettant de mesurer la longueur de volume et fascicules du muscle à l’aide de 3DUS.

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