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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著者は、アダム ショートランドと 2004 年は、この研究で使用されるソフトウェアの開発のためのインスピレーションされた 3 次元超音波そのアルゴリズムの共有者ニコラ ・ フライに非常に感謝しています。

著者が明らかに何もありません。

骨格筋の形態計測学的変数の高速解析では、有効な信頼できる 3DUS 技術が表示されます。軟部組織イメージングのための別の 3DUS アプローチは、しかし、3DUS のアプローチがまだ一般的使用されませんの約 10 年間42,43、利用されています。MRI は生体内の筋肉のボリュームの推定の「ゴールド スタンダード」(e.g。、16,17,18,19,20を参照します).MRI の有効性がテストされており、ファントムや MRI ・ ベースのボリュームの見積もり44,45知られているボリュームの死体の臓器を比較する研究で確認されました。しかし、研究のため MRI 可用性が制限されるとスキャンは時間のかかり、高価です。さらに、MRI スキャナーの姿勢は穴によって限られる実験の主題をつかみます。典型的な MR 画像は筋肉ジオメトリ (束の長さと角度) の変数の測定を実行する十分なコントラストを生成します。ただし、3 D 筋肉幾何学はまた付加的な技術、例えば、DTI テクニック21を使用して MRI を使用して評価できます。MRI、アメリカ合衆国の画像と同様に異なったタイプのティッシュ (すなわち私たち内に表示される画像)、軟部組織量評価1,30 の有効なモダリティを提供のインターフェイスで適切な区別を提供します、44,46,47,48,49。MRI と対照をなして 3DUS 画像ボリュームと筋肉の両方のジオメトリ同じ測定からの分析を実行するための十分なコントラストがあります。
さらに、提示テクニックは大きな筋肉の研究のための 1 つの配列に複数のスイープの画像を組み合わせることができます。この新しい 3DUS メソッドは、筋群の形態の臨床評価のための潜在的なツールを提供します。このメソッドは、(例えば腱、内臓、動脈) の筋肉以外の軟部組織構造をイメージングも使用できます。
オフラインの処理時間を短縮する変更:
3DUS のアプローチの変更は処理時間を改善しより大きな筋肉を測定が主目的だった。3DUS イメージのオフライン処理時間は、ボクセル配列設定、サンプリング周波数、投資収益率、期間およびスイープ、スイープ、数および使用されるワークステーションの速度のサイズによって異なります。以前は、≈ 2 h の再構成時間は 750 US 像を降伏のみ 1 つのスイープを再構築するために必要な (30 25 Hz で s)15,25,30。現在の 3DUS メソッドでは、同じ掃引 (99% 'オフライン' の処理時間が向上します) のみ 50 の s 再構成時間がかかります。この改善は、ボクセル - フレームで、ピクセルとボクセルの大きい配列を構築するワークステーションの増加のランダム アクセス メモリ (RAM) あたりのピクセルではなくを埋めるため大規模なベクトル演算を利用して強化された充填アルゴリズムによって説明できます。新しい 3DUS アプローチで 1 cm/s の速度で 30 cm の掃引長さを表す典型的な再建対象ボクセル サイズが 0.2 × 0.2 × 0.2 mm の3 25 の Hz のサンプリング周波数以下に時間がかかる再構築:
a. 約 10 s 同期パルスを識別し、関連する米国の画像を選択します。 b. 約 120 の校正変換行列 (広報TIm) を決定します。 c 約 10 のビン熟期。 d. 約 30 のギャップ充填の手順を実行するため。
170 s. メモ、手順 b、プローブにモーション キャプチャのマーカーの剛接合を前提に一度実行する必要を取る合計で 50 を残して s シングル掃引の再建のため。シングル掃引の 2 つを組み合わせることは再建ボクセル配列は約 10 秒です。
制限事項と重要なステップ:
考慮する必要がありますいくつかの 3DUS の画像の側面があります。
i.米国画質:米国, 二次元画像の分解能を提供より多くのピクセルをボクセル配列内に配置します。これは、ように減らすには、ボクセル サイズ ボクセル密度の向上に 。空間コンパウンドを使用して組織のインターフェイスの良いアーティファクトのない区別を可能にするノイズの粒状組織を減らすためにいくつかの現在入手可能な超音波マシン。スペックルを低減する別のオプションは、エッジの強化です。しかし、インタ フェースの実際の解剖学的位置をそれにより歪曲の異なるインターフェイスを作成する試みで画像を変形するので、このアプローチは望ましい、ないことに注意してください。
ii.モーション キャプチャの精度:ピクセルのみ正確に配置できます、ボクセルに位置センサーは、プローブの座標を正確に定量化する場合。画像の解像度の増加、モーション キャプチャの精度がより重要になります。提示された 3DUS は、0.2 mm3を使用してモーション キャプチャ システム 3DUS ボクセル アレイの再構築に十分な精度を提供する、0.1 mm の精度で x 0.2 x 0.2 のボクセルの寸法で最高作品をセットアップします。
iii.サンプリング周波数:米国画像または MoCap データ ストリームの最小時間分解能は、サンプル頻度を決定します。これは、スイープ時間またはボクセルのアレイの設定に影響します。例えば、25 からサンプル周波数が 50 Hz の 2 倍の半分の時間で実行する掃引をことができます。また、掃引速度を変更しない、ボクセル配列、埋められるべき少数のギャップを残して、それにより潜在的配列のボクセル解像度を増加するより多くの画像を提供します。ただし、サンプリング周波数を増加させることがなく、配列のボクセル解像度を増やす動きアーチファクトの可能性を増加する遅いスキャンが必要です。
iv.画像の再構成時間:高速再構成十分な利用可能な RAM を搭載した強力なワークステーションを必要とします。さらに、再建時間異なります主ボクセル アレイ ・ ボリュームとギャップ充填プロセスの複雑さに基づく。
(動)実験的プロトコル:実験的プロトコルの標準化は VL と GM は、本研究において例示するとおり、(例えば束長、分冊角度、腹部の筋肉の形態学的測定の比較のために不可欠長さ、腱の長さ、腱膜長さ) 科目と縦方向の研究の被験者個人内の監視の間。ただし、残りで評価形態が筋中に変更できます。たとえば、VL 実験のため高高泉と 60 ° 屈曲、残り50の形態と比較して短い線維束を最大収縮時に膝伸筋の形態が示します。一定の条件で (e.g。、痙性)、検査中に安静時筋活動レベルを確認する筋電図 (EMG) を使用することがあります。
vi.プローブ圧力および組織の変形: ROI に十分な超音波ゲルを適用すると、プローブと皮膚の間完全に接触を維持する圧力の量が限られています。指導としては、皮膚の上に置くように感じます、ROI をスキャンし、ゲルとの接触、それによって皮膚を保つためにのみ圧力を適用するをお勧めします。ただし、わずかな組織の変形は避け、超音波ゲルの寛大な量でもあります。プローブ サイズと湾曲した ROI 圧力またはゲルの必要量に影響を与えます。プローブ サイズとより曲線の ROI が必要より多くの圧力および/または似たような小さいプローブよりもより多くのゲル湾曲投資収益率。別の解決策は、US 像の残響 (すなわち非-皮膚接触) 領域を破棄することです。さらに、組織の変形は皮膚と皮下脂肪層など、最初の組織層で発生するらしい。ない皮下脂肪にはほとんどの科目したがって圧力の悪影響を受けやすいことに注意してください。さらに、プローブは、ない他のスイープと重複の領域は、通常の中心で最も可能性の高い組織の変形が発生します。
vii.画像と解剖学的知識:任意のイメージングのモダリティを使用してのもう一つの重要な考察は解剖学とイメージング法の両方の知識が意味を持った解釈を得るために不可欠です。主題およびイメージの成果物の間の解剖学的変異は認識でき、解剖学的構造の識別プロセスで考慮する必要があります。筋肉グループ51間または 1 つの筋肉のさまざまなコンポーネント間を区別するために解剖学的知識が必要なため健康およびよく発達した筋肉とも明確に識別が困難することができます。しかし、萎縮筋 (すなわち老人、病理学、または死体の場合)、明確な同一証明はサイズが小さいのでさらにもっと複雑、画像コントラストを減少、従ってより少なく明瞭組織インターフェイス (図 4).我々 は信じている解剖学的知識なし我々 はこの 3DUS のアプローチを設計、3DUS 測定を行う正しい判断を行うに制限されています。たとえば、GM 実験のため異なるフット プレート角度必ずしも内が発生しない予想される変更筋腱複雑な長さ、フィート7内の変形に伴う。遠位腱膜の曲率の詳細な解剖学的情報はすべて科目38半ば縦平面の適切な選択のために不可欠であった。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> 図 4: 変化と品質の太ももの途中の大腿四頭筋の解剖学的断面 3DUS 画像を再構築します。男性のひと死体の (A) 例の死で萎縮状態のイメージが表示されます (死の年齢: 81 年)。大腿四頭筋の個々 の頭部の境界の同定は困難です。座りがちな男性 (30 歳) の (B) の例です。(C) 男性アスリートの漕ぎ手 (30 歳) の例です。スケールの白の正方形を表す 1 cm × 1 cm<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">この図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。</a> 。
将来のアプリケーション:
3DUS アプローチは、スポーツや診療所の設定、さまざまな目的に使用できるイメージング ツールを提供します。臨床的介入の有効性は体力レベル52に関連付けられます。3DUS を使用して筋肉を失う危険にさらされている患者を監視するため質量は、重要である (例えば、参照,5354,55) と治療の調整の可能性があることができます。3DUS の別の潜在的なアプリケーションは、監視介入 (トレーニング) や傷害への応答での筋肉の形態学的適応であります。
このプロトコルは、コストと時間の効率がフリーハンド 3DUS スイープに基づく人体の軟部組織構造測定法を説明します。また、外側広筋 , 腓腹筋筋の有意義な形態学的パラメーターの評価は、有効かつ信頼性の高いことが分かった。

医療とスポーツ、筋肉の形態については、治療やトレーニング1後診断やフォロー アップ評価で非常に貴重です。超音波映像 (米国)、筋疾患2, 重大な病気3,4, 心血管疾患5、神経疾患6、軟部組織構造の可視化のために一般的に使用されるツール 7、8、および物理的な訓練6,9,10の効果。米国イメージングは、筋肉のサイズ、分冊の長さ、および pennation の角度を数量化できます。これらの形態学的変数の筋肉力と寸法範囲の決定要因強制運動11,12,13,14,15であります。
現在、米国イメージング測定はほとんど審査を選択すると、2 D の画像で実行されます、おそらく、プローブの向き不向きと超音波の場所。興味のパラメーターはこの平面内に存在ではないかもしれませんが、このような 2D メソッドは形態計測を 1 つのイメージ面を制限します。形態素解析では、3 D のアプローチは、3 D 基準点を用いた面外測定を提供する必要があります。軟部組織のような 3 D 形態の表現は、磁気共鳴イメージング (MRI)16,17,18,19,20によって提供される知られています。しかし、MRI は高く、常に使用できません。また、筋線維の可視化には、拡散テンソル画像 (DTI)21などの特殊な MRI シーケンスが必要です。MRI にコスト効率の高い代替は 3 D の超音波 (3DUS) です。MRI 技術、例えば上のいくつかの利点を提供する 3DUS アプローチ、それは検査の間に被写体を配置するため以下の容量の制限を課します。3DUS イメージングは、順番に 2 D (B モード米国) 画像をキャプチャし、ボリューム要素 (ボクセル) 配列22,23,24に配置する手法です。3DUS 画像再構成のプロセスは、5 つの手順で構成されます: (1) フリーハンド 2D US 像のシリーズをキャプチャ(2) を用いたモーション キャプチャ (MoCap); 米国プローブの位置を追跡(3) 同期モーション キャプチャ位置や US 像(4) の場所と参照の校正システムを使用して配列のボクセル内超音波画像の向きを計算します。このボクセルの配列にこれらの画像を配置する (5).
3DUS のアプローチは、骨格筋15,25,26,27,28,29の形態の評価のため正常に適用されています。ただし、大きな筋肉の唯一の小さなセグメントが再構築、面倒、時間がかかり、技術的に限られたを以前のアプローチ7,15,25、30で証明しています。
3DUS のアプローチを改善するために時間の短い期間内に完全な筋肉の再構成を可能とする新しい 3DUS プロトコルが開発されています。このプロトコルの記事では、外側広筋(VL) , 腓腹筋筋(GM) の形態計測用画像 3DUS の使用について説明します。

<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

3次元超音波イメージング (3DUS) の発達の目的は、人間の筋肉の形態学的 3 D の超音波解析を実行するモダリティのエンジニアにです。3DUS 画像は校正フリーハンド 2D B モード超音波画像、ボクセル配列に配置されるから構成されます。超音波映像 (米国) では、筋肉のサイズ、分冊の長さ、および pennation の角度の定量化をことができます。これらの形態学的変数は、力の運動の筋肉力と寸法範囲の重要な因子です。提案するプロトコルは、外側広筋 , 腓腹筋筋のボリュームと束の長さを決定する方法について説明します。3DUS 3 D 解剖学的参照を使用して標準化が容易になります。このアプローチは、骨格筋の 3 D 形態の定量化の迅速かつコスト効率の高いアプローチを提供します。医療とスポーツ、筋肉の形態計測については治療やトレーニング後診断やフォロー アップ評価に非常に貴重です。

説明 3DUS 技術は、4 つの男性人間の死体で GM と VL の形態学的データを収集、年齢死 76.8 ± 7.9 歳 (平均 ± SD) 使用されました。死体は解剖学と神経科学 Vrije Universiteit 医療センター (VUmc)、アムステルダム、オランダの寄付プログラムを介して得られました。遺体は39組織の形態学的特徴を維持することを目的とした防腐メソッドを使用して保存されました。
郭清の前に、記述されている方法に従って GM と VL の 3DUS イメージをしました。解剖時に皮膚、皮下組織と筋膜の GM と VL オーバーレイが削除されました。アカウントに遠位腱膜の配向を考慮半ば縦断面がカットされました。キャリパーを使用して、束長は測定、起源と筋腹の遠位端の中間。その後、腱後の筋腹を切開し、校正の水柱に浸漬します。ImageJ を用いた、水の列の筋腹との写真のボリュームを測定した、筋量差40から計算。束の長さとボリューム 3 回測定し、平均値と標準偏差の値を算出しました。3DUS メソッドおよび解剖測定間基準の妥当性は、平均束の長さや筋肉のボリュームのピアソンの相関を使用してテストされました。イントラ評価者信頼性派生の束の長さや体積の測定が双方向モデル内クラス相関係数 (ICC3, 3)41、混合を使用して定量化された 3DUS メソッドとデータの対数変換後、バリエーション (CV) の係数を算出しました。分冊の長さと筋量測定の妥当性は有意な高い相関によって確認された (r 0.998、p = < 0.01 と r = p 0.985 < 0.01、それぞれ)。3DUS メソッドの内部評価者信頼性派生束長の測定とボリュームが高かった (ICC3, 3 0.983、CV の 7.3%、および ICC3, 3 0.998、CV 5.4%、それぞれ)。3DUS アプローチが人間の VL と GM (表 1) のボリュームと束の長さ評価のための有効で信頼性の高いツールであることがわかった。
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> 表 1:死体検証データ。C# は、死体の数、GM はメートルの腓腹筋筋VL は外側広筋。「郭清」は死体解剖結果を示し、"3DUS"が、死体の 3DUS 画像解析の結果を示します。

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

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

(3DUS) 3 D 超音波により筋骨格系組織の迅速かつコスト効果の高い計測ができます。3DUS を使用して筋肉のボリュームと束の長さを測定するためのプロトコルを提案します。

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