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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Gli autori sono molto grati a Adam Shortland e Nicola Fry che hanno condiviso i loro algoritmi per l'ecografia 3-dimensionale nel 2004, che sono stati l'ispirazione per lo sviluppo del software utilizzato in questo studio.

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Una tecnica valida e affidabile 3DUS è presentata che permette l'analisi veloce di variabili morfometriche dei muscoli scheletrici. 3DUS diversi approcci per l'imaging dei tessuti molli sono stati disponibili per circa un decennio42,43, tuttavia gli approcci di 3DUS non sono ancora usati comunemente. MRI è il 'gold standard' per la stima di in vivo volumi muscolari (ad es., fa riferimento a16,17,18,19,20). Validità di MRI è stato testato e confermato in studi di confronto tra fantasmi o organi cadaverici di volume noto al volume basati su MRI stime44,45. Tuttavia, la disponibilità di MRI per la ricerca è limitata e scansioni sono lungo e costoso. Inoltre, soggetto sperimentale posture sono limitate dal foro di impadronirsi degli scanner MRI. Immagini tipiche del signor generano contrasto insufficiente per eseguire misure di variabili della geometria del muscolo (fascicle lunghezze ed angoli). Tuttavia, geometria 3D muscolare può essere valutato anche usando MRI utilizzando tecniche aggiuntive, ad esempio, DTI tecnica21. Simile a imaging MRI, US fornisce adeguata distinzione alle interfacce tra i diversi tipi di tessuti (cioè visibile in noi immagini), fornendo una modalità valida per tessuti molli volume valutazione1,30 ,44,46,47,48,49. In contrasto con MRI, 3DUS immagini hanno un contrasto sufficiente per eseguire l'analisi sulla geometria sia il volume che il muscolo dalla misura stessa.
Inoltre, la tecnica presentata permette la combinazione di immagini di spazza multipli in un'unica matrice, per lo studio dei muscoli più grandi. Questo nuovo metodo 3DUS fornisce un potenziale strumento per la valutazione clinica della morfologia del muscolo. Questo metodo può essere utilizzato anche per l'imaging del morbido-tessuto strutture diverse da muscolo (ad es., tendini, organi interni, arterie).
Modifiche per migliorare il tempo di elaborazione Offline:
Modifiche dell'approccio 3DUS erano principalmente volti a migliorare il tempo di elaborazione e muscoli più grandi di misura. Il tempo di elaborazione offline di un'immagine di 3DUS dipende dalle impostazioni dell'array del voxel, frequenza di campionamento, dimensione di ROI, durata e velocità di sweep, numero di indagini a tappeto e la workstation usata. In precedenza, era necessario per ricostruire solo uno sweep producendo 750 US immagini un tempo di ricostruzione di ≈ 2 h (30 s a 25 Hz)15,25,30. Con il presente metodo di 3DUS, lo stesso sweep prende solo 50 s tempo di ricostruzione (migliorando il tempo di elaborazione 'offline' 99%). Questo miglioramento si spiega con l'algoritmo di riempimento avanzata che utilizza le operazioni vettoriali di grandi dimensioni per riempire i voxel frame-by-frame, invece di pixel per pixel e maggiore accesso casuale memoria (RAM) di workstation per costruire matrici di voxel più grandi. Con il nuovo approccio di 3DUS, una ricostruzione tipica che rappresenta una lunghezza di spazzata di 30 cm ad una velocità di 1 cm/s, con una dimensione del voxel di destinazione di 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 e una frequenza di campionamento di 25 Hz, prende il seguente tempo di ricostruire :
a. circa 10 s per identificare l'impulso di sincronizzazione e selezionare immagini pertinenti di US. b. circa 120 s per determinare la matrice di trasformazione di calibrazione (PrTIm). c. circa 10 s per la fase di riempimento bin. Circa 30 s. d. per l'esecuzione la procedura di riempimento.
In totale, prendendo nota s. 170, passaggio b ha solo bisogno di essere eseguito una volta, supponendo che un collegamento rigido dei marcatori MoCap alla sonda, lasciando 50 s per la ricostruzione di una singola spazzata. Combinando due sweep unico ricostruito voxel matrici prende circa 10 s.
Limitazioni e fasi critiche:
Ci sono diversi aspetti di imaging 3DUS che dovrebbero essere presi in considerazione:
i. qualità dell'immagine US: maggiore risoluzione spaziale delle immagini 2D US fornire più pixel per essere collocato all'interno della matrice di voxel. In questo modo le dimensioni del voxel diminuire, portando a maggiore densità di voxel. Diverse macchine ad ultrasuoni attualmente disponibili utilizzano compounding spaziale per ridurre la struttura granulare rumorosa, permettendo per meglio priva di artefatti distinzione delle interfacce dei tessuti. Un'altra opzione per ridurre la macchiolina è aumento del bordo. Tuttavia, dovrebbe essere notato che questo approccio non è desiderabile, poiché si deforma l'immagine nel tentativo di creare interfacce distinte, distorcendo così la vera posizione anatomica delle interfacce.
II. MoCap precisione: pixel può essere accuratamente inserito in un voxel, se il sensore di posizione quantifica con precisione le coordinate della sonda. Con un aumento di risoluzione dell'immagine, MoCap precisione diventa più importante. Il 3DUS presentato installazione funziona meglio con una dimensione del voxel di 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, utilizzando un sistema di Motion Capture con una precisione di 0,1 mm, fornendo un ampio precisione per ricostruire la matrice di voxel 3DUS.
III. frequenza di esempio: la più bassa risoluzione temporale del US immagini o del flusso di dati di Motion Capture determina la frequenza di campionamento. Questo problema riguarda il tempo di sweep o le impostazioni di matrice di voxel. Per esempio, raddoppiando la frequenza di campione da 25 a 50 Hz permette una spazzata da eseguirsi in metà del tempo. In alternativa, non cambiando la velocità di scansione, fornisce più immagini per riempire la matrice di voxel, lasciando meno lacune da colmare e quindi potenzialmente aumentare la risoluzione di matrice di voxel. Tuttavia, aumentare la risoluzione di matrice di voxel, senza aumentare la frequenza di campionamento, richiede una scansione più lenta, che consentirà di aumentare il potenziale di artefatti di movimento.
IV. tempo di ricostruzione di immagine: veloce ricostruzioni richiedono una potente workstation con sufficiente memoria RAM disponibile. Inoltre, il tempo di ricostruzione varia in gran parte basato sul volume di matrice voxel e complessità del processo di riempimento.
v. protocollo sperimentale: standardizzazione del protocollo sperimentale, come esemplificato nello studio presente per il VL e GM, è essenziale per il confronto delle misurazioni morfologiche (ad es., fascicle lunghezza, angolo di fascio, pancia del muscolo lunghezza, lunghezza del tendine, aponeurosi lunghezza) tra i soggetti e monitoraggio all'interno negli studi longitudinali. Si noti tuttavia che la morfologia valutata a riposo può alterare durante l'attivazione muscolare. Ad esempio, per l'esperimento di VL, la morfologia dell'estensore del ginocchio durante la contrazione massima può dimostrare un angolo di alta pennation e più brevi fasci in flessione del ginocchio di 60°, in confronto con morfologia a riposo50. In determinate condizioni (ad es., spasticità), elettromiografia (EMG) può essere utilizzato per verificare i livelli di attività del muscolo che riposa durante l'esame.
vi. sonda pressione e tessuto deformazione: se viene applicato gel ultrasuoni ampio sul ROI, la quantità di pressione rimanga per pieno contatto tra la sonda e la pelle è limitata. Come guida, consigliamo un ROI di scansione dovrebbe sentire come si libra sopra la pelle, e di pressione deve essere applicata solo per mantenere in contatto con il gel e quindi la pelle. Tuttavia, la deformazione del tessuto leggero può essere inevitabile, anche con una generosa quantità di gel per ultrasuoni. Dimensioni sonda e un ROI curvo influenzano la quantità necessaria di pressione o gel utilizzato. Dimensioni sonda e un ROI più curvo richiedono più pressione e/o gel di più, di più piccole sonde con una simile curvo ROI. Un'altra possibile soluzione è di disfarsi della regione di riverbero (cioè senza pelle-contatto) delle immagini US. Inoltre, la deformazione del tessuto è più probabile che si verificano nei primi strati del tessuto, come ad esempio la cute e gli strati di tessuto adiposo sottocutaneo. Si noti che soggetti con poco o nessun tessuto adiposo sottocutaneo sono quindi più inclini agli effetti negativi della pressione. Inoltre, la deformazione del tessuto si verifica molto probabilmente al centro della sonda, che non è in genere la regione di sovrapposizione con altri spazza.
VII. conoscenza anatomica e Imaging: un'altra considerazione importante utilizzando qualsiasi modalità di formazione immagine è che la conoscenza sia l'anatomia e la modalità di formazione immagine è essenziale per ottenere l'interpretazione significativa. Variazione anatomica fra gli oggetti e artefatti dell'immagine ha bisogno di essere riconosciuti e presi in considerazione nel processo di identificazione delle strutture anatomiche. Anche con i muscoli ben sviluppati e/o sani, chiara identificazione può essere difficile perché richiede conoscenza anatomica per distinguere tra le varie componenti di un muscolo o tra gruppi di muscolo51. Tuttavia, nel muscolo atrofizzato (cioè anziani, nel caso di patologia, o un cadavere), l'individuazione chiara è ancora più complicato a causa di una dimensione più piccola e diminuito il contrasto dell'immagine, e quindi meno distinto tessuto interfacce (Figura 4 ). Noi crediamo che senza una preventiva conoscenza anatomica, ci sarebbe sono stati limitati a dare giudizi corretti nella progettazione di questo approccio di 3DUS e nell'eseguire le misure di 3DUS. Ad esempio, per gli esperimenti di GM, angoli pedana diversi non necessariamente causano cambiamenti attesi nel muscolo lunghezze complesso tendine, dovuto alla deformazione all'interno i piedi7. Inoltre dettagliate informazioni anatomiche sulla curvatura del aponeurosis distale erano essenziale per un'adeguata selezione del piano metà longitudinale in tutti i soggetti38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Figura 4: variazione e qualità di ricostruite immagini anatomiche 3DUS a sezione trasversale del muscolo quadricipite a metà strada lungo la coscia. (A) esempio di un cadavere umano maschio Mostra l'immagine di uno stato atrofizzato alla morte (età di morte: 81 anni). È difficile identificare i confini dei singoli capi del muscolo quadricipite. (B) esempio di un uomo sedentario (30 anni). (C) esempio di un vogatore di atleti di sesso maschile (età compresa tra 30 anni). I quadratini bianchi per scala rappresentano 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Future applicazioni:
L'approccio di 3DUS fornisce uno strumento di formazione immagine che può essere utilizzato per vari scopi e impostazioni negli sport e nelle cliniche. In interventi clinici efficacia è legata al livello di forma fisica52. Utilizzando 3DUS per il monitoraggio di pazienti a rischio di perdere muscolo massa è importante (ad esempio, riferimenti53,54,55) e potenzialmente permette la regolazione del trattamento. Un'altra potenziale applicazione di 3DUS si trova nel monitorare l'adattamento morfologico del muscolo in risposta all'intervento (formazione) e/o lesioni.
Questo protocollo descrive un metodo di costo e tempo efficace della struttura dei tessuti molli del corpo umano basato su freehand 3DUS spazza di misura. Inoltre, valutazione dei parametri morfologici significativi di lateralis vastus m. e m. gastrocnemio mediale ha dimostrato di essere valido e affidabile.

Nel settore sanitario e sportivo, informazioni sulla morfologia dei muscoli sono molto utile nella diagnostica e/o valutazioni di seguito dopo il trattamento o formazione1. Ecografia (US) è uno strumento comunemente utilizzato per la visualizzazione delle strutture dei tessuti molli nel muscolo malattie2, malattie critiche3,4, malattie cardiovascolari5, disturbi neurologici6, 7,8e gli effetti di allenamento fisico6,9,10. Imaging US consente la quantificazione della massa muscolare, fascicle lunghezza e angolo di pennation. Queste variabili morfologiche sono importanti determinanti della gamma di lunghezza e forza muscolare di forzare lo sforzo11,12,13,14,15.
Attualmente, misure imaging US sono principalmente realizzate in immagini 2D, con la scelta di esaminatore un presumibilmente, orientamento adatto e la posizione degli ultrasuoni sonda. Tali metodi 2D limitano misurazioni morfologiche al piano una sola immagine, mentre il parametro di interesse non può essere presente all'interno di questo piano. Analisi morfologica richiede un approccio 3D, fornendo misurazioni fuori-di-piano utilizzando punti di riferimento 3D. Una rappresentazione 3D morfologica dei tessuti molli è noto per essere fornito da formazione immagine a risonanza magnetica (MRI)16,17,18,19,20. Tuttavia, MRI è costoso e non sempre disponibile. Inoltre, la visualizzazione delle fibre muscolari richiede speciali sequenze di MRI, quali diffusion tensor imaging (DTI)21. Un'alternativa conveniente a MRI è formazione immagine di ultrasuono 3D (3DUS). L'approccio di 3DUS fornisce diversi vantaggi rispetto alle tecniche di MRI, per esempio, essa impone meno limitazioni di spazio per il posizionamento del soggetto durante l'esame. 3DUS imaging è una tecnica in modo sequenziale catturando immagini 2D (US B-mode) e posizionandoli in un volume (voxel) elemento matrice22,23,24. Il processo di ricostruzione dell'immagine 3DUS è costituito da cinque passaggi: (1) l'acquisizione di una serie di immagini 2D a mano libera di US; (2) tracciamento della posizione della sonda US, utilizzando un sistema di Motion Capture (MoCap); (3) la sincronizzazione la posizione di Motion Capture e immagini US; (4) calcolo della posizione e dell'orientamento delle immagini ad ultrasuoni all'interno della matrice di voxel utilizzando un sistema calibrato di riferimento; e (5) inserimento di queste immagini in questa matrice di voxel.
L'approccio di 3DUS è stato applicato con successo per la valutazione della morfologia del muscolo scheletrico15,25,26,27,28,29. Tuttavia, precedenti approcci7,15,25,30 rivelano ingombrante, richiede tempo e tecnicamente limitato, come potrebbero essere ricostruite solo piccoli segmenti di grandi muscoli.
Per migliorare l'approccio di 3DUS, un nuovo protocollo di 3DUS è stato sviluppato che consente la ricostruzione dei muscoli completi entro un breve periodo di tempo. Protocollo viene descritto l'utilizzo di 3DUS di imaging per la morfometria del m. lateralis vastus (VL) e m. gastrocnemio mediale (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'obiettivo dello sviluppo di ecografia 3D imaging (3DUS) è quello di progettare una modalità per eseguire analisi 3D ecografia morfologica dei muscoli umani. Immagini di 3DUS sono costruiti da calibrato a mano libera B-modalità ultrasuoni immagini 2D, che è posizionato in una matrice di voxel. Imaging ad ultrasuoni (US) permette la quantificazione della massa muscolare, fascicle lunghezza e angolo di pennation. Queste variabili morfologiche sono importanti determinanti della gamma di sforzo di forza forza e lunghezza del muscolo. Il protocollo presentato descrive un metodo per determinare la lunghezza di volume e fascicolo di lateralis vastus m. e m. gastrocnemio mediale. 3DUS facilita la standardizzazione utilizzando riferimenti anatomici 3D. Questo approccio fornisce un approccio veloce e conveniente per quantificare la morfologia 3D nei muscoli scheletrici. Nel settore sanitario e sportivo, informazioni sulla morfometria dei muscoli sono molto utile nella diagnostica e/o valutazioni di seguito dopo il trattamento o formazione.

La tecnica descritta 3DUS è stata utilizzata per raccogliere dati morfologici del GM e VL in quattro cadaveri umani maschii, età alla morte 76,8 ± 7,9 anni (media ± DS). I cadaveri sono stati ottenuti tramite il programma di donazione del dipartimento di anatomia e neuroscienze della Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Paesi Bassi. I corpi sono stati conservati utilizzando un metodo di imbalsamazione finalizzato a mantenere le caratteristiche morfologiche del tessuto39.
Prima della dissezione, un'immagine di 3DUS è stata fatta del GM e VL secondo la metodologia descritta. Durante la dissezione, pelle, tessuto sottocutaneo e delle fasce sovrapponendo il GM e VL sono stati rimossi. Una sezione metà longitudinale è stata tagliata, prendendo l'orientamento del aponeurosis distale in considerazione. Utilizzando una pinza, la lunghezza di fascicle è stato misurato, a metà strada tra l'origine e l'estremità distale del ventre muscolare. Successivamente, dopo tenotomy, il ventre muscolare è stato dissecato e sommerso in una colonna d'acqua calibrato. Usando ImageJ, i volumi sono stati misurati sulle fotografie della colonna d'acqua con e senza il ventre muscolare e volume muscolare era calcolare dalla differenza40. Volume e lunghezza del fascicolo sono stati misurati tre volte e sono stati calcolati i valori di media e deviazione standard. Validità di criterio tra le misurazioni di dissezione e metodo di 3DUS è stato testato utilizzando la correlazione di Pearson, una per fascicle media lunghezza e il volume muscolare. Affidabilità intra-rater del metodo 3DUS misure di lunghezza e volume di fascicle derivata è stato quantificato utilizzando un bidirezionale misto modello intra-classe coefficiente di correlazione (ICC3,3)41e dopo la trasformazione logaritmica dei dati, la è stato calcolato il coefficiente di variazione (CV). La validità delle misurazioni del volume lunghezza e muscolo del fascicolo sono stati confermati da correlazioni significative e alte (r = 0.998, p < 0.01 e r = 0.985, p < 0.01, rispettivamente). Affidabilità intra-rater del metodo 3DUS derivato misurazioni di lunghezza fascicle ed il volume era alta (ICC3,3 0,983, CV CV 7,3% e ICC3,3 0.998, 5,4%, rispettivamente). È concluso che l'approccio di 3DUS presentato è uno strumento valido e affidabile per la valutazione del volume e fascicolo lunghezza di umano VL e GM (tabella 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabella 1: Dati di convalida cadaver. C# è il numero di cadavere, GM è m. gastrocnemio mediale, VL è m. lateralis vastus. "Dissezione" Mostra i risultati dalla dissezione del cadavere, e "3DUS" vengono illustrati i risultati dell'analisi di immagine di 3DUS dei cadaveri.

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

Ecografia 3D: veloce e conveniente morfometria del tessuto muscolo-scheletrico

Ecografia 3D imaging (3DUS) permette rapida e conveniente morfometria dei tessuti muscolo-scheletrici. Vi presentiamo un protocollo per misurare la lunghezza di volume e fascicolo muscolare utilizzando 3DUS.

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

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