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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Los autores están muy agradecidos a Adam Shortland y Nicola Fry quien compartió sus algoritmos para el ultrasonido 3-d en 2004, que fueron la inspiración para el desarrollo del software utilizado en este estudio.

Los autores no tienen nada que revelar.

Una técnica válida y confiable 3DUS se presenta que permite el análisis rápido de variables morfométricas de los músculos esqueléticos. 3DUS diferentes enfoques para la proyección de imagen de tejidos blandos han estado disponibles por aproximadamente una década42,43, sin embargo los enfoques 3DUS todavía no se utilizan comúnmente. La resonancia magnética es un gold standard para la estimación de en vivo volumen muscular (por ej., referencias16,17,18,19,20). Validez de MRI ha sido probado y confirmado en estudios que compararon los fantasmas u órganos cadavéricos de volumen conocido para las estimaciones de volúmenes basada en MRI44,45. Sin embargo, la disponibilidad de MRI para la investigación es limitada y son lentos y costosos. Además, apoderarse de sujeto experimental posturas están limitadas por el diámetro de los scanners de MRI. Típicas imágenes generan contraste insuficiente para realizar las mediciones de las variables de geometría de músculo (fascículo longitudes y ángulos). Sin embargo, geometría 3D del músculo puede ser evaluada también mediante MRI usando técnicas adicionales, por ejemplo, DTI técnica21. Similar a la proyección de imagen de resonancia magnética, los Estados Unidos proporciona distinción adecuada en las interfaces entre los diferentes tipos de tejidos (es decir, visible en nosotros imágenes), proporcionando una modalidad válida para tejidos blandos volumen evaluación1,30 ,44,46,47,48,49. En contraste con el MRI, imágenes 3DUS tienen suficiente contraste para realizar análisis en geometría volumen y músculo de la misma medida.
Además, la técnica presentada permite combinar imágenes de barridos múltiples en un arreglo de discos, para el estudio de los músculos más grandes. Este nuevo método 3DUS proporciona una herramienta potencial para evaluación clínica de la morfología muscular. Este método puede utilizarse también para imágenes de estructuras de tejidos blandos que no sean de músculo (p. ej., tendones, vísceras, arterias).
Modificaciones para mejorar el tiempo de procesamiento fuera de línea:
Modificaciones del enfoque 3DUS fueron dirigidos principalmente a mejorar el tiempo de procesamiento y medición de los músculos más grandes. El tiempo de procesamiento fuera de línea de una imagen 3DUS depende de la configuración de array de voxel, frecuencia de muestreo, tamaño de retorno de la inversión, duración y velocidad de barrido, número de barridos y la estación de trabajo utilizado. Anteriormente, era necesaria para reconstruir un único barrido rendimiento 750 imágenes de Estados Unidos una época de reconstrucción de ≈ 2 h (30 s a 25 Hz)15,25,30. Con el presente método 3DUS, el barrido de la misma lleva sólo 50 s tiempo de reconstrucción (mejorar el tiempo de procesamiento 'offline' 99%). Esta mejora puede explicarse por el algoritmo de relleno mejorado que utiliza operaciones de vectores grandes para llenar lo vóxeles cuadro por cuadro, en vez de píxel por píxel y mayor acceso aleatorio memoria (RAM) de las estaciones de trabajo para construir matrices de voxel más grandes. Con el nuevo enfoque 3DUS, una reconstrucción típica que representa una longitud de barrido de 30 cm a una velocidad de 1 cm/s, con un tamaño de voxel objetivo de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 y una frecuencia de muestreo de 25 Hz, toma el siguiente tiempo para reconstruir :
a. aproximadamente 10 s para identificar el pulso de sincronización y seleccione imágenes relevantes de Estados Unidos. b. aproximadamente 120 s para determinar la matriz de transformación de calibración (PrTIm). c. aproximadamente 10 s para la etapa de llenado de bin. d. aproximadamente 30 s para la ejecución de los pasos de relleno de huecos.
En total, tomando nota de s. 170, paso b sólo debe realizarse una vez, suponiendo una conexión rígida de los marcadores de MoCap a la sonda, dejando 50 s para la reconstrucción de un solo barrido. Combinando dos barrido solo reconstruido voxel matrices toma aproximadamente 10 s.
Limitaciones y pasos críticos:
Hay varios 3DUS imagen los aspectos que deben tenerse en cuenta:
i. calidad de la imagen de Estados Unidos: mayor resolución espacial de imágenes 2D de los Estados Unidos proporcionan más píxeles para colocarse dentro de la matriz del voxel. Esto permitiría las dimensiones voxel a disminuir, llevando a mayor densidad de voxel. Varias máquinas de ultrasonido disponibles en la actualidad utilizan composición espacial para reducir la textura granular ruidosa, lo que permite mejor distinción libre de artefactos de las interfaces de los tejidos. Otra opción para reducir el punto es realce de bordes. Sin embargo, cabe señalar que este enfoque no es deseable, ya que deforma la imagen en un intento de crear interfaces distintas, de tal modo distorsionar la verdadera posición anatómica de las interfaces.
II. MoCap exactitud: píxeles se pueden exactamente colocar solamente en un voxel, si el sensor de posición cuantifica con precisión las coordenadas de la sonda. Con un aumento en la resolución de imagen, precisión de MoCap se vuelve más importante. 3DUS presentan configuración funciona mejor con una dimensión del voxel de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, usando un sistema MoCap con una precisión de 0.1 mm, proporciona suficiente precisión para reconstruir la matriz de voxel 3DUS.
III. frecuencia de muestra: la menor resolución temporal de la secuencia de datos MoCap o imágenes de Estados Unidos determina la frecuencia de muestreo. Esto afecta el tiempo de barrido o la configuración de array de voxel. Por ejemplo, duplicando la frecuencia de muestreo de 25 a 50 Hz permite un barrido a realizar en la mitad del tiempo. Por otra parte, no cambia la velocidad de barrido, ofrece imágenes más para llenar el array de voxel, dejando menos espacios a llenar y así potencialmente aumentar la resolución de la matriz de voxel. Sin embargo, aumentar la resolución de la matriz de voxel, sin aumentar la frecuencia de muestreo, requiere una exploración más lento, lo que aumentará el potencial de los artefactos de movimiento.
IV. tiempo de reconstrucción de la imagen: rápidas reconstrucciones requieren una potente estación de trabajo con suficiente memoria RAM disponible. Además, el tiempo de reconstrucción varía en gran medida basada en el vóxel matriz volumen y complejidad de los procesos de rellenado de huecos.
v. Protocolo Experimental: estandarización del protocolo experimental, como se ejemplifica en el presente estudio para el VL y GM, es esencial para la comparación de mediciones morfológicas (p. ej., fascículo longitud, ángulo de fascículo, vientre muscular longitud, longitud del tendón, aponeurosis longitud) entre los sujetos y monitoreo dentro de sujetos en estudios longitudinales. Sin embargo, tenga en cuenta que puede alterar la morfología evaluada en reposo durante la activación del músculo. Por ejemplo, para el experimento de VL, la morfología del extensor de la rodilla durante la contracción máxima puede mostrar un ángulo de pennation alta y fascículos más cortas en flexión de rodilla de 60°, en comparación con la morfología en el resto50. En ciertas condiciones (por ej., espasticidad), electromiografía (EMG) puede utilizarse para verificar los niveles de actividad de reposo muscular durante el examen.
VI. deformación del tejido y presión de la sonda: si se aplica gel de ultrasonido amplia sobre el retorno de la inversión, la cantidad de presión por contacto entre la sonda y la piel es limitada. Como orientación, le aconsejamos que escanear un ROI debe sentirse como flotando sobre la piel, y sólo se debe aplicar presión para mantener en contacto con el gel y por lo tanto la piel. Sin embargo, deformación leve de tejido puede ser inevitable, incluso con una generosa cantidad de gel de ultrasonido. Tamaño de la sonda y un ROI curvado afectan la cantidad de presión o gel utilizado. Mayor tamaño de la sonda y un ROI más curvado requieren más presión y más gel, que las sondas más pequeñas con un similar curva de retorno de la inversión. Otra posible solución es descartar la región reverberación (es decir, no--contacto con la piel) de las imágenes de los Estados Unidos. Además, la deformación del tejido es más probable que ocurra en las primera capas de tejido, como piel y de tejido adiposo subcutáneo. Tenga en cuenta que sujetos con poco o ningún tejido adiposo subcutáneo, por tanto, son más propensos a los efectos adversos de la presión. Además, la deformación del tejido se produce probablemente en el centro de la sonda, que no suele ser la región de solapamiento con otros barridos.
VII. conocimientos anatómicos e imágenes: otra consideración importante en el uso de cualquier modalidad de proyección de imagen es que el conocimiento de la anatomía y la modalidad de imágenes es esencial para obtener la interpretación significativa. Variación anatómica entre sujetos y objetos de la imagen debe ser reconocido y tenido en cuenta en el proceso de identificación de estructuras anatómicas. Incluso con los músculos sanos y bien desarrollados, identificación clara puede ser difícil ya que requiere conocimientos anatómicos para diferenciar entre los diferentes componentes de un músculo o entre músculo grupos51. Sin embargo, en el músculo atrofiado (es decir, personas de edad avanzada, en el caso de patología, o un cadáver), la clara identificación es aún más complicada debido a un tamaño más pequeño y disminuye el contraste de la imagen, y por lo tanto el tejido menos distinta interfaces (figura 4 ). Creemos que sin previo conocimiento anatómico, que habría limitados en hacer juicios correctos en el diseño de este enfoque 3DUS y en la realización de las mediciones 3DUS. Por ejemplo, para experimentos de GM, ángulos de la placa base diferentes no necesariamente causan cambios esperados en músculo longitudes complejo tendón, debido a la deformación en el pie7. También era esencial una selección adecuada del plano medio longitudinal en todos temas38información anatómica detallada sobre la curvatura de la aponeurosis distal.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Figura 4: variación y calidad de reconstrucción imágenes anatómicas 3DUS transversal del músculo cuádriceps mitad de muslo. (A) de un cadáver humano masculino se muestra una imagen de un estado atrofiado en la muerte (edad de muerte: 81 años). Identificación de los límites de los cabezas del músculo cuádriceps es difícil. (B) ejemplo de un hombre sedentario (30 años). (C) ejemplo de un remero de atleta masculino (años 30). Representan los cuadrados blancos para la escala de 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Futuras aplicaciones:
El enfoque de 3DUS proporciona una herramienta de imagen que puede utilizarse para diversos propósitos y programación en deportes y clínicas. En las intervenciones clínicas efectividad se relaciona con el nivel de aptitud física52. Utilizando 3DUS para monitoreo de pacientes que están en riesgo de perder músculo masa es importante (por ejemplo, referencias53,54,55) y potencialmente permite el ajuste del tratamiento. Otra aplicación potencial de 3DUS radica en el seguimiento de la adaptación morfológica del músculo en respuesta a intervención (entrenamiento) o lesiones.
Este protocolo describe un método rentable y tiempo de medir la estructura del tejido suave del cuerpo humano basado en freehand 3DUS barridos. Por otra parte, evaluación de los parámetros morfológicos significativos del m. vastus lateralis y m. gastrocnemius medialis demostró para ser válido y confiable.

De salud y deportes, información sobre la morfología de los músculos es muy valioso en diagnósticos y evaluaciones de seguimiento después del tratamiento o capacitación1. Imágenes por ultrasonido (US) son una herramienta comúnmente utilizada para la visualización de estructuras de tejidos blandos en enfermedades de músculo2, enfermedades graves3,4, las enfermedades cardiovasculares5, trastornos neurológicos6, 7,8y los efectos del entrenamiento físico6,9,10. Proyección de imagen de Estados Unidos permite la cuantificación del tamaño de los músculos, fascículo longitud y ángulo de pennation. Estas variables morfológicas son importantes determinantes de la gama de fuerza y longitud muscular fuerza esfuerzo11,12,13,14,15.
Actualmente, Estados Unidos imágenes son en su mayoría mediciones en imágenes 2D, con la elección de examinador un presumiblemente, orientación adecuada y la ubicación del ultrasonido sonda. Tales métodos 2D restringen las medidas morfológicas al plano de una imagen, mientras que el parámetro de interés puede no estar presente en este plano. Análisis morfológico requiere un enfoque 3D, proporcionando medidas de hacia fuera-de-plano usando puntos de referencia 3D. Una representación morfológica 3D de tejidos blandos es conocida por la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI)16,17,18,19,20. Sin embargo, la resonancia magnética es costoso y no siempre está disponible. Visualización de las fibras musculares requiere también, las secuencias especiales de MRI, como diffusion tensor imaging (DTI)21. Una alternativa rentable al MRI es proyección de imagen de ultrasonido 3D (3DUS). El enfoque de 3DUS ofrece varias ventajas sobre las técnicas de MRI, por ejemplo, impone menos limitaciones de espacio para posicionar el tema durante un examen. Imagen de 3DUS es una técnica de captura de imágenes 2D (modo B US) secuencialmente y posicionamiento en un volumen (voxel) de elemento matriz22,23,24. El proceso de reconstrucción de la imagen 3DUS consta de cinco pasos: (1) captura una serie de imágenes 2D a mano alzada de los Estados Unidos; (2) seguimiento de la posición de la sonda de los Estados Unidos, utilizando un sistema de captura de movimiento (MoCap); (3) sincronización de la posición de MoCap e imágenes de los Estados Unidos; (4) cálculo de la ubicación y orientación de las imágenes de ultrasonido dentro de la matriz de voxel usando un sistema calibrado de referencia; y (5) colocar estas imágenes en esta matriz de voxel.
El enfoque de 3DUS se ha aplicado con éxito para la evaluación de la morfología del músculo esquelético15,25,26,27,28,29. Sin embargo, han demostrado anteriores enfoques7,15,25,30 engorroso, lento y técnicamente limitada, como podrían ser reconstruidos sólo pequeños segmentos de músculos grandes.
Para mejorar el enfoque 3DUS, ha desarrollado un nuevo protocolo 3DUS que permite reconstrucción de músculos completos dentro de un período corto de tiempo. Este artículo de protocolo describe el uso de 3DUS imaging para morfometría del m. vasto lateral (VL) y m. gastrocnemius medialis (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

El objetivo del desarrollo de la ecografía 3D imaging (3DUS) es Ingeniero de una modalidad para realizar análisis de ultrasonido morfológico 3D de músculos humanos. Se construyen imágenes 3DUS de calibrado a mano alzada 2D modo B imágenes de ultrasonido, que se colocan en una matriz de voxel. Imágenes por ultrasonido (US) permite la cuantificación del tamaño de los músculos, fascículo longitud y ángulo de pennation. Estas variables morfológicas son importantes determinantes de la gama de esfuerzo fuerza fuerza y longitud muscular. El protocolo presentado describe un enfoque para determinar volumen y fascículo largo del m. vastus lateralis y m. gastrocnemius medialis. 3DUS facilita la normalización utilizando referencias anatómicas 3D. Este enfoque proporciona un enfoque rápido y rentable para cuantificar la morfología 3D en los músculos esqueléticos. De salud y deportes, información sobre la morfometría de los músculos es muy valioso en diagnósticos y evaluaciones de seguimiento después del tratamiento o entrenamiento.

La técnica 3DUS descrita se utilizó para recoger datos morfológicos de la GM y VL en cuatro cadáveres humanos masculinos, edad a la muerte 76,8 ± 7,9 años (media ± SD). Los cadáveres fueron obtenidos mediante el programa de donación del Departamento de anatomía y neurociencia de la Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, los países bajos. Los órganos fueron preservados utilizando un método de embalsamamiento destinado a mantener las características morfológicas del tejido39.
Antes de la disección, se hizo una imagen 3DUS del GM y VL según la metodología descrita. Durante la disección, piel, tejido subcutáneo y las fajas superponer el GM y VL fueron quitadas. Se cortó una sección media longitudinal, tomando la orientación de la aponeurosis distal en cuenta. Usando un calibre, la longitud del fascículo fue medido, a medio camino entre el origen y el extremo distal del vientre muscular. Posteriormente, después de la tenotomía, el vientre del músculo fue disecado y sumergido en una columna de agua calibrado. Utilizar ImageJ, los volúmenes se midieron en las fotografías de la columna de agua con y sin el vientre muscular y volumen muscular se calcula de la diferencia de40. Volumen y fascículo longitud se midieron tres veces y se calcularon los valores promedio y desviación estándar. Validez de criterio entre las mediciones 3DUS disección y método se evaluó mediante correlación de Pearson para volumen muscular y de longitud medio fascículo. Confiabilidad intra-evaluador del método 3DUS fascículo derivadas medidas de longitud y el volumen se cuantificó usando un dos vías mixta modelo intra-clase coeficiente de correlación (ICC3,3)41y después de la transformación logarítmica de los datos, la se calculó el coeficiente de variación (CV). La validez de las mediciones fascículo muscular y longitud volumen fueron confirmados por las correlaciones significativas y alta (r = 0.998, p < 0,01 y r = 0.985, p < 0.01, respectivamente). Fiabilidad intra-evaluador del método 3DUS derivados de mediciones de la longitud del fascículo y volumen era alto (ICC3,3 0.983, CV CV 7,3% y ICC3,3 0.998, 5,4%, respectivamente). Se concluye que el enfoque de 3DUS presentado es una herramienta válida y confiable para la evaluación de volumen y fascículo longitud de VL y GM (tabla 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabla 1: Cadáver validación datos. C# es el número de cadáveres, GM es m. gastrocnemius medialis, VL es m. vastus lateralis. "Disección" muestra los resultados de la disección del cadáver, y "3DUS" muestra los resultados del análisis de imagen 3DUS de los cadáveres.

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

Proyección de imagen de ultrasonido 3D: morfometría rápida y rentable de tejido músculo-esquelético

Ultrasonido 3D imaging (3DUS) permite morfometría rápida y rentable de los tejidos musculoesqueléticos. Presentamos un protocolo para medir longitud volumen y fascículo del músculo usando 3DUS.

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