Quantification of Skeletal Muscle Morphology and Mechanical Properties Using Medical Imaging
Tid: Fr 2025-04-25 kl 09.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Zhongzheng Wang , Flyg- och rymdteknik, marina system och rörelsemekanik
Opponent: Professor Wendy Murray, Northwestern University, Evanston, IL, USA
Handledare: Assistant professor Ruoli Wang, Flyg- och rymdteknik, marina system och rörelsemekanik; Professor Elena Gutierrez Farewik, Flyg- och rymdteknik, marina system och rörelsemekanik; Professor Rodrigo Moreno, Medicinsk avbildning; Professor Francesco Cenni, Department of Clinical and Experimental Sciences, University of Brescia, Italy.
QC 20250331
Abstract
Skelettmuskulaturens funktion är viktigför förmågan att producera kraft som i kombination med neurologiska komponenter gör det möjligt för människan att röra sig, bibehålla hållningen och stabilisera lederna. Förmågan att producera kraft (ofta mätt som styrka) kan relateras till muskulaturensstruktur och mekaniska egenskaper. För att kvanitfiera dessa egenskaper in vivo används ofta medicinska avbildningstekniker varav ultraljud och magnetisk resonanstomografi (MRI) är de två mest använda metoderna. I denna avhandling som omfattar fyra studier presenteras olika avbildningstekniker för kvantifiering av skelettmuskulatur.
I den första studien använde vi två tekniker, tredimensionell frihands-ultraljudsteknink (3DFUS) och MRI för 3D-kvantifiering av muskulaturens morfologiska egenskaper som inkluderade muskelvolym, fascikellängd och pennationsvinkel. Vi kunde visa att 3DFUS gav valida och reliabla resultat som överensstämde väl med resultaten från MRI undersökningarna. Resultaten visar att 3DFUS kan användas som ett kostnadseffektivt alternativ till MRI för att mäta muskelmorfologi.
I den andra och tredje studien använde vi två tekniker, magnetisk resonans-elastografi (MRE) och ultraljuds-elastografi (SWE), för att kvantifiera muskulaturens mekaniska egenskaper. Med diffusionstensoravbildning, identifierade vi fascikelns orientering och integrerade denna information i den direkta inversionen av vågekvationen i MRE. Detta tillvägagångssätt möjliggjorde kvantifiering av skelettmuskulaturens anisotropa mekaniska egenskaper antaget att skelettmuskulaturen beter sig som inkompressibelt tvärgående isotropiskt material. Metoden som först valideras med reometrimätningar ex vivo och visade god överensstämmelse mellan MRE och reometrimätningar. Därefter tillämpades mätningen i vivo på mediala gastrocnemius (MG) som också visade god anisotropi. Vi jämförde sedan denna teknik med ett kommersiellt ultraljuds SWE-system, där skelettmuskulaturen antogs vara isotrop. Genom att kvantifiera skjuvvågshastighet från dessa två tekniker visade vi en måttlig till stark korrelation mellan SWE och MRE i ex vivo muskelprover och en stark korrelation mellan dessa två tekniker i MG in vivo. Resultat tyder på att mätningar med det kommersiella ultraljuds SWE-systemet inte signifikant påverkade kvantifieringen av muskelmekaniska egenskaper även med det isotropiska antagandet.
I den fjärde studien använde vi MRI för att utvärdera eventuella förändringar i vadmuskulaturen avseende morfologiska egenskaper och fettsammansättning 12 månader efter spasticitetsreducerande behandling med botulinumtoxin typ A (BoNT-A) injektioner hos barn med cerebral pares (CP), som inte fått muskeltonsreducerande behandling tidigare. Vi visade att vadmuskeltillväxten inte var försämrad 12 månader efter BoNT-A-injektion, vilket indikeras av ökad absolut muskelvolym och oförändrad normaliserad muskelvolym. Muskeltillväxten omfattades av samtidig fettinfiltration i form av ökning av intramuskulära fett.
Ultraljuds- och MRI-teknikerna som presenteras i denna avhandling bidrar till ökad kunskap om metoder för kvantifiering av skelettmuskulaturens morfologi och dess mekaniska egenskaper att använda inom biomekaniken. Metoderna bidrar till ny kunskap och utveckling av medicinska avbildningstekniker som kan implementeras i kliniken och användas vid bedömning av muskelfunktion och för utvärdering av rehabiliteringsåtgärder.