Klinisch relevante verwerking van ultrasonografie-data bekomen met vrijehand-acquisitie voor het statisch en dynamisch modelleren van spieren en pezen bij kinderen met spastische cerebrale parese

Echografie biedt de mogelijkheid om in-vivo anatomische kenmerken rechtstreeks te visualiseren. Dit kan worden gebruikt in tal van klinische toepassingen. Echografie is in het bijzonder handig om informatie te geven over de diagnose en continue evaluatie van spastische cerebrale parese, omdat het een gemakkelijke en snelle gegevensverzameling mogelijk maakt, ook tijdens dynamische activiteit. De meeste echografie (ultrasound, US)-onderzoeken zijn echter beperkt door het meetbereik van de US-sonde en daarom worden ze meestal alleen gebruikt om specifieke kenmerken te visualiseren in plaats van een hele spier en pees. De huidige technieken om dit meetbereik te vergroten en om volumetrische gegevens vast te leggen, zijn nog niet uitgebreid gevalideerd voor specifieke klinische toepassingen en laten geen eenvoudige en efficiënte implementatie in een klinische omgeving toe.

Daarom is het hoofddoel van dit proefschrift om een 3D-freehand-echografie (3DfUS)-raamwerk op te zetten dat in staat is beelden van de spieren en pezen van de onderste ledematen bij kinderen met spastische cerebrale parese te verkrijgen en te verwerken om klinisch relevante parameters te bekomen. 3DfUS combineert een conventionele 2D US-sonde met een positiesensor die de 3D-positie van de sonde traceert. 3DfUS vergroot het US-gezichtsveld en is in staat om volumetrische gegevens vast te leggen. Bij de overeenkomstige gegevensverwerving beweegt de onderzoeker de sonde manueel (vandaar ‘freehand’), waardoor een eenvoudigere beeldvorming langs en over de verschillende anatomische vormen mogelijk wordt gemaakt. Multidisciplinaire onderzoeksstudies zijn nodig om het hoofddoel te bereiken. Dit hoofddoel leidt tot drie subdoelen, die de structuur van het proefschrift samenstellen.

Het eerste subdoel is een raamwerk voor 3DfUS te maken dat toepasbaar is in een klinische omgeving en dat een geverifieerde validiteit heeft. Het ontwikkelde raamwerk is aanpasbaar aan hardwarewijzigingen en het is geschikt om te worden gebruikt in de dagelijkse klinische praktijk. De aangepaste software die werd ontworpen voor het maken van de 3D-reconstructie, wordt openbaar beschikbaar gesteld. De nauwkeurigheidsanalyse voor volume- en lengtemetingen met behulp van het vastgestelde raamwerk is lager dan 3%. Bovendien is een van de meer cruciale aspecten om een geldige en reproduceerbare 3D-reconstructie te verzekeren, is een herhaalbare en nauwkeurige kalibratieprocedure voor de relatieve positie tussen de US-sonde en het 3D-meetsysteem. Deze procedure is met succes uitgebreid voor het verkrijgen van volumetrische gegevens, ook groter dan de afmetingen van de US-transducer.

Het tweede subdoel is het voorzien van efficiënte en gevalideerde methoden in het raamwerk om succesvol toegepast te kunnen worden in musculoskeletale statische omstandigheden. Deze ontbreken nog en zijn in het bijzonder cruciaal om te worden gedefinieerd in pathologische spieren. De combinatie van de hardware en software die is vastgesteld in het eerste subdoel, is afgestemd op deze conditie, door de clinici te ondersteunen met een geoptimaliseerde procedure voor het extraheren van de klinisch relevante parameters en met een lagere resolutie dan de verwachte variaties bij kinderen met spastische cerebrale parese. Bovendien is voor de gegevensverwerving een eenvoudige, maar toch innovatieve US-sonde ontworpen om oppervlakkige spiervervorming te verminderen die ook leidt tot een mismatch van de spiergrenzen tussen US sweeps. De verminderde spiervervorming is ook nuttig om de operator te helpen met een meer geschikte visuele feedback tijdens de verwerving.

Het derde subdoel is vergelijkbaar met het tweede, maar met toepassingen in musculoskeletale dynamische omstandigheden. De resultaten laten grotere verschillen zien bij het bepalen van de verlenging van de fascikels dan van de verplaatsing van de spier-peesovergang. Deze analyse definieerde ook het overeenkomstige niveau van de resoluties en steunt zo de clinici om de klinische impact van de metingen beter te begrijpen. Een geautomatiseerde methode voor het volgen van deze overgang, met behulp van de optische flow-benadering, werd voorgesteld en gevalideerd bij kinderen met spastische cerebrale parese. Deze methode biedt ook een hulpmiddel voor een snelle en effectieve supervisie om fouten van de automatische methode te corrigeren.

Concluderend heeft dit proefschrift een klinisch toepasbaar 3DfUS-raamwerk opgesteld voor het extraheren van relevante spier- en peesparameters. Het vastgestelde raamwerk is gevalideerd voor gebruik bij kinderen met spastische cerebrale parese en wordt momenteel toegepast voor verschillende klinische onderzoeksstudies. Ongeveer 150 kinderen zijn geanalyseerd door middel van dit raamwerk. Dit raamwerk wordt nu ook gebruikt voor het lopende klinisch georiënteerde multicenter onderzoeksproject ‘Treatment Algorithms based on Muscle and Tendon Architecture’ ' (TAMTA, FWO-TBM-project). Het raamwerk kan worden gebruikt voor andere pathologieën en voor andere spieren. Ten slotte heeft de brede reikwijdte van dit project de basis gelegd voor de verdere ontwikkeling en verbetering van het raamwerk. Dit zou kunnen helpen bij de verspreiding van het 3DfUS-raamwerk, dat momenteel alleen bij vergelijkbaar onderzoek wordt uitgevoerd in een beperkt aantal onderzoekscentra.