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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Os autores são muito gratos ao Adam Shortland e Nicola Fry que compartilharam seus algoritmos para o ultra-som 3-dimensional em 2004, que foram a inspiração para o desenvolvimento do software utilizado neste estudo.

Os autores não têm nada para divulgar.

Uma técnica válida e confiável 3DUS é apresentada que permite uma rápida análise das variáveis morfométricas dos músculos esqueléticos. 3DUS diferentes abordagens para a imagem latente de tecidos moles estão disponíveis para aproximadamente, uma década42,43, porém as abordagens 3DUS ainda não são usadas comumente. Ressonância magnética é um "padrão ouro" para a estimativa dos volumes de músculo na vivo (EG.,16,17,18,19,20de referências). Validade de MRI foi testada e confirmada em estudos comparando ou fantasmas ou órgãos cadavéricos de volume conhecido de volume MRI-com base em estimativas44,45. No entanto, disponibilidade de MRI para pesquisa é limitada e exames são demorados e dispendiosos. Além disso, o assunto experimental posturas são limitadas pelo furo da aproveitar dos scanners MRI. Imagens típicas do senhor geram contraste insuficiente para realizar medições de variáveis da geometria muscular (Fascículo comprimentos e ângulos). No entanto, geometria 3D muscular pode ser avaliada também com MRI usando técnicas adicionais, por exemplo, DTI técnica21. Semelhante a imagem latente de ressonância magnética, US fornece uma distinção adequada nas interfaces entre os diferentes tipos de tecidos (ou seja, visível dentro de nós de imagens), fornecendo uma modalidade válida para tecidos moles volume avaliação1,30 ,44,46,,47,,48,49. Em contraste com MRI, 3DUS imagens possuem contraste suficiente para realizar a análise sobre a geometria tanto o volume e o músculo da mesma medida.
Além disso, a técnica apresentada permite combinar imagens de varreduras múltiplas em uma matriz, para o estudo de músculos maiores. Este novo método 3DUS fornece uma ferramenta potencial para avaliação clínica da morfologia do músculo. Esse método pode ser usado também para estruturas de tecido mole diferente de músculo (por exemplo, tendões, órgãos internos, artérias) de imagem.
Modificações para melhorar o tempo de processamento off-line:
Modificações da abordagem 3DUS foram principalmente destinadas a melhorar o tempo de processamento e medindo os músculos maiores. O tempo de processamento offline de uma imagem de 3DUS depende de configurações de matriz de voxel, frequência de amostragem, tamanho de ROI, duração e velocidade de varredura, número de varreduras e estação de trabalho usada. Anteriormente, um tempo de reconstrução de ≈ h 2 era necessário para reconstruir apenas uma varredura rendendo 750 imagens dos Estados Unidos (30 s a 25 Hz)15,25,30. Com o presente método de 3DUS, a mesma varredura demora só 50 s reconstrução (melhorando o tempo de processamento 'offline' 99%). Esta melhoria pode ser explicada pelo algoritmo de enchimento melhorado que utiliza as operações de grande vetor para preencher a voxels quadro-a-quadro, em vez de pixel por pixel e aumento de acesso aleatório memória (RAM) de estações de trabalho para construir matrizes de voxel maiores. Com a nova abordagem de 3DUS, uma reconstrução típica que representa um comprimento de varredura de 30 cm a uma velocidade de 1 cm/s, com um tamanho de voxel de alvo de 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3 e uma frequência de amostragem de 25 Hz, leva o seguinte tempo de reconstruir :
a. cerca de 10 s para identificar o pulso de sincronização e selecione imagens relevantes dos Estados Unidos. b. aproximadamente 120 s para determinar a matriz de transformação de calibração (PrTIm). c. cerca de 10 s para a fase de enchimento-bin. m. aproximadamente 30 s para executar as etapas de preenchimento de lacunas.
No total, tomando nota s. 170, etapa b só precisa ser executada uma vez, assumindo uma conexão rígida dos marcadores de MoCap da sonda, deixando 50 s para a reconstrução de uma única varredura. Combinar dois varredura única reconstruída voxel matrizes leva cerca de 10 s.
Limitações e passos críticos:
Há vários aspectos de geração de imagens de 3DUS que devem ser tomados em conta:
i. a qualidade de imagem dos EUA: maior resolução espacial de imagens 2D dos EUA fornecem mais pixels para ser colocado dentro da matriz de voxel. Isso permitiria que as dimensões de voxel diminuir, levando a maior densidade de voxel. Várias máquinas de ultra-som disponíveis atualmente usam composição espacial para reduzir a textura granular barulhenta, permitindo a livre de artefato melhor distinção das interfaces dos tecidos. Outra opção para reduzir o speckle é realce de borda. No entanto, deve notar-se que esta abordagem não é desejável, já que isso deforma a imagem em uma tentativa de criar interfaces distintas, distorcendo a verdadeira posição anatômica das interfaces.
II. MoCap precisão: Pixels só podem ser com precisão colocados em um voxel, se o sensor de posição com precisão quantifica as coordenadas da sonda. Com um aumento na resolução de imagem, precisão de MoCap torna-se mais importante. O 3DUS apresentado instalação funciona melhor com uma dimensão de voxel de 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3, usando um sistema de MoCap com uma precisão de 0,1 mm, que proporciona ampla precisão para reconstruir a matriz de voxel de 3DUS.
III. amostra frequência: a menor resolução temporal de imagens dos Estados Unidos ou no fluxo de dados de MoCap determina a frequência de amostra. Isso afeta o tempo de varredura ou as configurações de matriz de voxel. Por exemplo, dobrar a frequência de amostra de 25 a 50 Hz permite uma varredura a ser realizado na metade do tempo. Como alternativa, não alterando a velocidade de varredura, fornece imagens mais para preencher a matriz de voxel, deixando menos lacunas a serem preenchidas e, assim, potencialmente aumentando a resolução de matriz de voxel. No entanto, aumentar a resolução de matriz de voxel, sem aumentar a frequência de amostragem, requer uma varredura mais lenta, o que aumentará o potencial de artefatos de movimento.
IV. tempo de reconstrução de imagem: rápidas reconstruções exigem uma poderosa estação de trabalho com a memória RAM suficiente disponível. Além disso, o tempo de reconstrução varia em grande parte com base no volume de matriz de voxel e complexidade do processo de preenchimento de lacunas.
v. protocolo Experimental: padronização do protocolo experimental, como exemplificado no presente estudo para o VL e GM, é essencial para a comparação das medições morfológicas (por exemplo, comprimento fascicle, ângulo fascicle, ventre muscular comprimento, comprimento do tendão, aponeurose comprimento) entre indivíduos e monitoramento dentro de disciplinas em estudos longitudinais. No entanto, observe que a morfologia avaliada em repouso pode alterar durante a ativação muscular. Por exemplo, para o experimento de VL, a morfologia de extensor do joelho durante a contração máxima pode demonstrar um ângulo pennation alta e fascículos mais curtos em flexão do joelho de 60°, em comparação com morfologia no resto50. Em determinadas condições (por exemplo., espasticidade), eletromiografia (EMG) pode ser usada para verificar os níveis de atividade muscular descanso durante o exame.
vi. sonda pressão e tecido deformação: se ultra-som amplo gel é aplicado sobre o ROI, a quantidade de pressão para permanecer por completo contato entre a sonda e a pele é limitada. Como orientação, aconselha-se que um ROI de digitalização deve sentir como pairando sobre a pele, e a pressão só deve ser aplicado para manter contato com o gel e, assim, a pele. No entanto, deformação do tecido ligeiro pode ser inevitável, mesmo com uma generosa quantidade de gel de ultra-som. Tamanho de sonda e um ROI curvo afetam a quantidade necessária de pressão ou gel usado. Maior tamanho de sonda e um ROI mais curvado exigem mais pressão e/ou mais gel, que sondas menores com um similar curvo ROI. Outra solução possível é para descartar a região de reverberação (ou seja, sem pele-contato) das imagens dos Estados Unidos. Além disso, a deformação do tecido é mais provável de ocorrer nas camadas de tecido primeiro, tais como pele e camadas de tecido adiposo subcutâneo. Note-se que indivíduos com pouco ou nenhum tecido adiposo subcutâneo, portanto, são mais propensos aos efeitos adversos da pressão. Além disso, a deformação do tecido ocorre, provavelmente, no centro da sonda, que normalmente não é a região de sobreposição com outras varreduras.
VII. conhecimento anatômico e imagem: outra consideração importante no uso de qualquer modalidade de imagem é que o conhecimento da anatomia e a modalidade de imagem é essencial para obter interpretação significativa. Variação anatômica entre indivíduos e artefatos de imagem precisa ser reconhecido e tidos em conta no processo de identificação de estruturas anatômicas. Mesmo com os músculos saudáveis e/ou bem desenvolvidos, identificação clara pode ser difícil, porque requer conhecimento anatômico para diferenciar entre diferentes componentes de um músculo ou de grupos musculares51. No entanto, no músculo atrofiado (ou seja, pessoas idosas, em caso de patologia, ou um cadáver), a identificação clara é ainda mais complicada por causa de um tamanho menor e diminuir o contraste da imagem, e, por conseguinte, o tecido menos distinto interfaces (Figura 4 ). Nós acreditamos que sem prévio conhecimento anatômico, que teria sido limitados na tomada de decisões corretas na concepção desta abordagem de 3DUS e na realização das medições 3DUS. Por exemplo, para experimentos de GM, ângulos diferentes estribo não necessariamente causam mudanças esperadas no músculo complexo comprimentos de tendão, devido a deformação dentro do pé7. Também informações anatômicas detalhadas na curvatura da aponeurose distal foi essenciais para uma seleção adequada do plano médio longitudinal em todos os assuntos38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Figura 4: variação e qualidade de imagens anatômicas 3DUS transversal do músculo quadríceps da coxa no meio de reconstruída. (A) exemplo de um cadáver humano masculino mostra uma imagem de um estado atrofiado na morte (idade de morte: 81 anos). Identificação dos limites das cabeças individuais do músculo quadríceps é difícil. (B) exemplo de um macho sedentário (30 anos). (C) exemplo de um remador de atleta do sexo masculino (30 anos). Representam os quadrados brancos para a escala 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Aplicações futuras:
A abordagem de 3DUS fornece uma ferramenta de imagem que pode ser usada para diversos fins e configurações em esportes e clínicas. Em intervenções clínicas eficácia está relacionada com o nível de aptidão física52. Usando 3DUS para monitoramento de pacientes que estão em risco de perder músculo massa é importante (por exemplo, referências53,54,55) e potencialmente permite o ajuste do tratamento. Outra aplicação potencial da 3DUS situa-se na monitorização da adaptação morfológica do músculo em resposta à intervenção (formação) e/ou lesões.
Este protocolo descrito um método de custo e tempo-eficaz de medir a estrutura de tecidos moles do corpo humano com base em varreduras de 3DUS à mão livre. Além disso, a avaliação dos parâmetros morfológicos significativos do m. vastus lateralis e m. gastrocnêmio medial provou para ser válida e confiável.

Em cuidados de saúde e esportes, informações sobre a morfologia dos músculos é muito valiosas no diagnóstico e/ou avaliações de seguimento após tratamento ou treinamento1. Ultra-sonografia (US) é uma ferramenta comumente usada para visualização de estruturas de tecidos moles no músculo doenças2, doenças críticas3,4, doenças cardiovasculares5, distúrbios neurológicos,6, 7,8e efeitos do treinamento físico6,9,10. Imagem dos EUA permite a quantificação do tamanho do músculo, fascicle comprimento e ângulo de pennation. Essas variáveis morfológicas são importantes determinantes da gama de comprimento e força muscular de força esforço11,12,13,14,15.
Atualmente, medições de imagem dos EUA na maior parte são executadas em imagens 2D, com o examinador escolhendo um presumivelmente, orientação adequada e localização do ultra-som sonda. Tais métodos 2D restringem medições morfológicas a imagem de um avião, enquanto o parâmetro de interesse pode não estar presente dentro deste avião. Análise morfológica requer uma abordagem 3D, proporcionando medições fora-de-avião usando pontos de referência 3D. Tal uma representação 3D morfológica dos tecidos moles é conhecida a ser fornecido pela ressonância magnética (MRI)16,17,18,19,20. No entanto, a ressonância magnética é caro e não está sempre disponível. Também, visualização das fibras musculares requer sequências especiais de MRI, tais como difusão tensor imaging (DTI)21. Uma alternativa econômica para MRI é uma imagem de ultra-som 3D (3DUS). A abordagem de 3DUS fornece várias vantagens sobre as técnicas de MRI, por exemplo, impõe menos limitações de espaço para posicionar o assunto durante um exame. Imagem de 3DUS é uma técnica sequencialmente capturando imagens 2D (US modo-B) e posicionando-os em um volume (voxel) de elemento matriz22,23,24. O processo de reconstrução de imagem 3DUS consiste em cinco etapas: (1) capturar uma série de imagens de US 2D à mão livre; (2) rastreamento da posição da sonda dos EUA, usando um sistema de captura de movimento (MoCap); (3) sincronizando o MoCap posição e imagens dos EUA; (4) calcular a localização e a orientação das imagens ultra-som dentro da matriz de voxel usando um sistema calibrado de referência; e (5), colocando essas imagens para essa matriz de voxel.
A abordagem 3DUS tem sido aplicada com sucesso para avaliação da morfologia do músculo esquelético15,25,26,,27,28,29. No entanto, abordagens anteriores7,15,25,30 provaram complicado, demorado e tecnicamente limitada, como poderiam ser reconstruídos apenas pequenos segmentos de músculos grandes.
Para melhorar a abordagem 3DUS, foi desenvolvido um novo protocolo de 3DUS que permite a reconstrução dos músculos completas dentro de um curto período de tempo. Este artigo de protocolo descreve o uso de 3DUS de imagem para morfometria do m. vasto lateral (VL) e m. gastrocnêmio medial (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

O objetivo do desenvolvimento de ultra-som 3D de imagem (3DUS) é engenheiro de uma modalidade para efectuar a análise morfológica de ultra-som 3D dos músculos humanos. 3DUS imagens são construídas a partir calibrado à mão livre 2D modo-B imagens do ultra-som, que são posicionadas em uma matriz de voxel. Ultra-sonografia (US) permite a quantificação do tamanho do músculo, fascicle comprimento e ângulo de pennation. Essas variáveis morfológicas são importantes determinantes da gama de esforço força muscular força e comprimento. O protocolo apresentado descreve uma abordagem para determinar o comprimento de volume e Fascículo de m. vastus lateralis e m. gastrocnêmio medial. 3DUS facilita a padronização usando 3D referências anatômicas. Essa abordagem fornece uma abordagem rápida e econômica para quantificar a morfologia 3D em músculos esqueléticos. Em cuidados de saúde e esportes, informações sobre a morfometria dos músculos é muito valiosas no diagnóstico e/ou avaliações de seguimento após tratamento ou treinamento.

A técnica descrita 3DUS foi usada para coletar dados morfológicos da GM e VL em quatro cadáveres humanos masculinos, idade a morte 76.8 ± 7,9 anos (média ± DP). Os cadáveres foram obtidos através do programa de doação do departamento de anatomia e neurociência da Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amesterdão, Países Baixos. Os corpos foram preservados usando um método de embalsamamento, visto manter as características morfológicas do tecido39.
Antes da dissecação, uma imagem de 3DUS foi feita da GM e VL de acordo com a metodologia descrita. Durante a dissecção, pele, tecido subcutâneo e fascias sobrepondo o GM e VL foram removidas. Uma seção de meados-longitudinal foi cortada, tendo a orientação da aponeurose distal em conta. Usando um paquímetro, o comprimento do fascículo foi medido, a meio caminho entre a origem e a extremidade distal do ventre muscular. Posteriormente, após tenotomia, o ventre muscular foi dissecado e submerso em uma coluna de água calibrado. Usando o ImageJ, os volumes foram medidos nas fotografias da coluna de água com e sem o ventre muscular e volume muscular foi calcular a diferença de40. Volume e comprimento do fascículo foram medidos 3 vezes e foram calculados os valores de média e desvio padrão. Validade de critério entre as medições de método e dissecação de 3DUS foi testada usando a correlação de Pearson, um volume de comprimento e músculo Fascículo médio. Confiabilidade intra-avaliador do método 3DUS medições de comprimento e volume do fascículo derivada foi quantificada utilizando um bidirecional misto modelo intraclasse coeficiente de correlação (ICC3,3)41e após a transformação logarítmica dos dados, o calculou-se o coeficiente de variação (CV). A validade das medições de volume de comprimento e músculo Fascículo foram confirmados por correlações significativas e altas (r = 0.998, p < 0,01 e r = 0.985, p < 0,01, respectivamente). Confiabilidade intra-avaliador do método 3DUS derivados de medições do comprimento do fascículo e volume foi alta (ICC3,3 0.983, CV CV de 7,3% e ICC3,3 0.998, 5,4%, respectivamente). Conclui-se que a abordagem de 3DUS apresentada é uma ferramenta válida e confiável para avaliação de volume e Fascículo comprimento de humano VL e GM (tabela 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabela 1: Dados de validação do cadáver. C# é o número de cadáveres, GM é o m. gastrocnêmio medial, VL é o m. vasto lateral. "Dissecação" mostra os resultados a dissecação de cadáveres, e "3DUS" mostra os resultados da análise de imagem de 3DUS dos cadáveres.

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

Imagens de ultra-som 3D: rápida e econômica de morfometria do tecido músculo-esquelético

Ultrasom 3D de imagem (3DUS) permite rápida e econômica de morfometria dos tecidos músculo-esqueléticos. Apresentamos um protocolo para medir o comprimento de volume e Fascículo muscular usando 3DUS.

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