Re: Musculoskeletal ultrasound: a technical and historical perspective 2023

[문형철]

J Ultrason

. 2023 Nov 23;23(95):e172–e187. doi: 10.15557/jou.2023.0027

Musculoskeletal ultrasound: a technical and historical perspective

Ronald Steven Adler 1,✉

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PMCID: PMC10668930  PMID: 38020513

Abstract

During the past four decades, musculoskeletal ultrasound has become popular as an imaging modality due to its low cost, accessibility, and lack of ionizing radiation. The development of ultrasound technology was possible in large part due to concomitant advances in both solid-state electronics and signal processing. The invention of the transistor and digital computer in the late 1940s was integral in its development. Moore’s prediction that the number of microprocessors on a chip would grow exponentially, resulting in progressive miniaturization in chip design and therefore increased computational power, added to these capabilities. The development of musculoskeletal ultrasound has paralleled technical advances in diagnostic ultrasound. The appearance of a large variety of transducer capabilities and rapid image processing along with the ability to assess vascularity and tissue properties has expanded and continues to expand the role of musculoskeletal ultrasound. It should also be noted that these developments have in large part been due to a number of individuals who had the insight to see the potential applications of this developing technology to a host of relevant clinical musculoskeletal problems. Exquisite high-resolution images of both deep and small superficial musculoskeletal anatomy, assessment of vascularity on a capillary level and tissue mechanical properties can be obtained. Ultrasound has also been recognized as the method of choice to perform a large variety of interventional procedures. A brief review of these technical developments, the timeline over which these improvements occurred, and the impact on musculoskeletal ultrasound is presented below.

초록

지난 40년간 근골격계 초음파는

저비용, 접근성, 이온화 방사선 없음 등의 장점으로 인해

영상 진단 방법으로 널리 보급되었습니다.

초음파 기술의 발전은

주로 고체 전자 기술과 신호 처리 기술의 동시적 발전에 힘입어 가능했습니다.

1940년대 후반 트랜지스터와 디지털 컴퓨터의 발명은

이 기술의 발전에 결정적인 역할을 했습니다.

모어의 예측에 따르면 칩당 마이크로프로세서 수가 지수적으로 증가함에 따라

칩 설계의 점진적인 소형화가 이루어졌고,

이는 계산 능력의 향상을 가져왔습니다.

근골격계 초음파의 발전은

진단용 초음파 기술의 기술적 진보와 병행해 진행되었습니다.

다양한 트랜스듀서 기능과 빠른 이미지 처리 능력,

혈관성 및 조직 특성 평가 능력의 출현은

근골격 초음파의 역할을 확장시켰으며,

이 역할은 계속 확장되고 있습니다.

또한 이러한 발전은

이 신기술의 잠재적 응용 가능성을 다양한 관련 임상 근골격 문제에 적용할 수 있다는 통찰력을 가진

여러 개인들의 기여로 인해 가능했습니다.

심부 및 표재성 근골격계 해부학의 정교한 고해상도 이미지,

모세혈관 수준에서의 혈관성 평가,

조직 기계적 특성 평가가 가능합니다.

초음파는

다양한 중재적 시술을 수행하는 데 선호되는 방법으로 인정받고 있습니다.

이러한

기술적 발전, 개선이 이루어진 시간적 배경,

근골격계 초음파에 미친 영향에 대한

간략한 검토가 아래에 제시됩니다.

Keywords: ultrasound, musculoskeletal, technical, historical

Introduction

During the past four decades, Musculoskeletal Ultrasound (MSKUS) has become popular as an imaging modality, particularly outside the United States, due to its low cost, accessibility, and lack of ionizing radiation. The development of MSKUS has paralleled technical advances in diagnostic ultrasound, from the earliest images displaying bistable images of musculoskeletal anatomy to its current state, where exquisite images of muscles, tendons, nerves, ligaments and joints can be obtained(1–6). With ongoing technical improvements in the quality of grayscale imaging along with some newer applications, such as shear wave elastography, enabling functional assessment of the musculoskeletal soft tissues, MSKUS is becoming ubiquitous(7–10).

The compactness of some of the currently available scanners makes this modality conducive to bedside imaging as well as imaging in remote settings(11–13) (Fig. 1). One of the most popular applications of MSKUS has been to provide guidance for a large variety of interventional procedures, since it allows visualization of the relevant anatomy and needle position in real time(14) (Fig. 2, Fig. 3). In addition to radiology, the modality has opened itself up to wider usage by a large variety of clinical subspecialties involved in treating patients with musculoskeletal diseases, as well as anesthesiologists/ pain management physicians who perform nerve blocks, therapeutic or ablative procedures of peripheral nerve lesions(4–8,10).

소개

지난 40년간 근골격계 초음파(MSKUS)는

저비용, 접근성, 이온화 방사선 부재로 인해

특히 미국 외 지역에서 영상 모달리티로 널리 보급되었습니다.

MSKUS의 발전은

진단 초음파 기술의 진보와 병행되어 왔으며,

초기에는 근골격계 해부학의 이중상 이미지를 표시하는 것에서 시작해

현재는 근육, 인대, 신경, 관절의 세밀한 이미지를 얻을 수 있는 단계에 이르렀습니다(1–6).

회색조 영상의 품질 개선과 함께

전단파 탄성영상술(shear wave elastography)과 같은 새로운 응용 기술이 개발되면서

근골격계 연부 조직의 기능적 평가가 가능해짐에 따라

MSKUS는 널리 보급되고 있습니다(7–10).

현재 사용 가능한 일부 스캐너의 소형화는

이 모달리티를 침상 영상 및 원격 환경에서의 영상 촬영에 적합하게 만듭니다(11–13) (그림 1).

MSKUS의 가장 인기 있는 응용 분야 중 하나는

다양한 중재적 절차에 대한 안내를 제공하는 것으로,

관련 해부학 구조와 바늘 위치를 실시간으로 시각화할 수 있기 때문입니다(14) (그림 2, 그림 3).

방사선학 외에도 이 모달리티는

근골격계 질환을 치료하는 다양한 임상 전문 분야,

특히 말초 신경 병변에 대한 신경 차단, 치료적 또는 절제적 절차를 수행하는 마취과 의사/통증 관리 의사에게도

널리 적용되고 있습니다(4–8,10).

Fig. 1.

A. Compact ultrasound system with wireless chargeable transducers. A 10 MHz linear transducer is displayed. Some of the functionality normally reserved for the scanner has been incorporated into the transducer architecture, including beam forming, steering, and some image processing. B. An early laptop system utilized in a remote setting (Ghana, 2004) for guidance for therapeutic injection(11)

A. 무선 충전식 트랜스듀서를 갖춘 컴팩트 초음파 시스템. 10 MHz 선형 트랜스듀서가 표시되어 있습니다. 스캐너에 일반적으로 할당된 일부 기능이 트랜스듀서 아키텍처에 통합되었습니다. 이는 빔 형성, 방향 조정 및 일부 이미지 처리 기능을 포함합니다. B. 원격 환경(가나, 2004)에서 치료적 주사 안내에 사용된 초기 노트북 시스템(11)

Fig. 2.

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Guided interventions with precise needle localization. A. A 25-gauge hypodermic needle (arrow) is shown adjacent to the outer epineurium of the ulnar nerve (un) for purposes of hydrodissection and perineural steroid injection. B. Anesthetic (*) surrounds the medial plantar nerve (N) during performance of a nerve block. The 25-gauge hypodermic needle is well delineated on ultrasound and monitored in a real-time mode as well as the distribution of the injectate

정확한 바늘 위치 확인을 통한 유도 개입. A. 수지골 신경(un)의 외측 에피뉴리움 근처에 위치한 25게이지 피하 주사 바늘(화살표)이 수분 분리와 신경 주위 스테로이드 주사를 위해 표시되어 있습니다. B. 신경 차단 시 마취제(*)가 내측 발바닥 신경(N)을 둘러싸고 있습니다. 25게이지 피하 주사 바늘은 초음파에서 명확히 구분되며, 주사액의 분포와 함께 실시간 모드로 모니터링됩니다.

Fig. 3.

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Ablative procedure. A. A hypoechoic nodule (*)in a patient with a symptomatic second web space interdigital neuroma. A portion of a 17 gauge cryoablation probe (arrow) is evident passing through the center of the neuroma. B and C. Progressive development of an ice ball observed in real time, for purposes of ablation of the plantar digital nerve encompassed by the neuroma. Dense posterior acoustic shadowing followed by a curvilinear specular reflector (superficial margin of the ice ball) is apparent. Ultrasound guidance allows precise targeting of the lesion

절제술. A. 증상이 있는 제2 지간 공간 간지 신경종 환자의 저음파 결절(*)이 관찰됩니다. 17게이지 냉동 절제 프로브(화살표)의 일부가 신경종 중심을 통과하는 것이 관찰됩니다. B와 C. 신경종에 둘러싸인 발바닥 디지털 신경을 절제하기 위해 실시간으로 관찰된 얼음 공의 점진적 발달. 밀집된 후방 음향 그림자 뒤에 곡선형 반사면(얼음 공의 표면 가장자리)이 명확히 나타납니다. 초음파 안내를 통해 병변을 정확하게 표적화할 수 있습니다.

Technical advances

Ultrasound technology has undergone extraordinary growth since its inception in the 1940s(15–18). A brief description of technological developments in ultrasound allows a greater perspective as to the timing when various MSKUS applications first appear. The development of ultrasound technology was possible in large part due to concomitant advances in both solid-state electronics and signal processing. The invention of the transistor and digital computer in the late 1940s was integral in the development of ultrasound technology(18,19). Gordon Moore in 1964 predicted that the number of microprocessors on a chip would grow exponentially over time. This growth would result in progressive miniaturization of chip design and, therefore, increased computational power.

One of the earliest presentations of ultrasound data employed pulse echo techniques, derived from earlier radar applications. This involved the display of individual A-line data, assuming a fixed speed of sound in soft tissue(15). Each A-line represented the intensity of acoustic backscatter at various depths, adjusted for attenuation. Placing this in a time-varying display allows the display of M-mode data, typically utilized in cardiology(15).

Musculoskeletal soft tissues typically present strong reflecting surfaces (specular reflectors) along with complex internal morphology. A unique feature of many of these tissues is an internal fibrillar architecture, most prominent in tendons(20), as well as a linear orientation. One of the most useful features of MSKUS is its real-time nature, allowing the performance of provocative maneuvers and providing real-time guidance during an intervention(21–23). The ability to visualize features that are useful for musculoskeletal imaging entails two requirements: the display of the back-scattered data as a 2-D anatomic image and rapid acquisition/display (15–20 frames per second) of the image data. The first real-time 2-D scanners were introduced in the late 1960s, involving one or two crystals undergoing translation or rotation to produce a composite bistable image(15–17,24) (Fig. 4).

기술적 발전

초음파 기술은 1940년대 초창기부터 놀라운 발전을 이루었습니다(15–18). 초음파 기술의 발전 과정을 간략히 설명하면 다양한 근골격계 초음파(MSKUS) 응용 기술이 처음 등장한 시점을 더 잘 이해할 수 있습니다. 초음파 기술의 발전은 주로 고체 전자 기술과 신호 처리 기술의 동시적 발전에 힘입었습니다. 1940년대 후반 트랜지스터와 디지털 컴퓨터의 발명은 초음파 기술 개발에 결정적인 역할을 했습니다(18,19). 1964년 고든 모어는 칩당 마이크로프로세서 수가 시간에 따라 지수적으로 증가할 것이라고 예측했습니다. 이 성장은 칩 설계의 점진적인 소형화를 초래했으며, 따라서 계산 능력도 향상되었습니다.

초음파 데이터의 초기 제시 방법 중 하나는 레이더 응용 기술에서 유래한 펄스 에코 기술을 사용했습니다. 이는 연조직 내 음속이 일정하다고 가정하고 개별 A-라인 데이터를 표시하는 방식이었습니다(15). 각 A-라인은 다양한 깊이에서의 음향 반사 강도를 감쇠를 고려해 표시했습니다. 이 데이터를 시간 변동 표시기에 배치하면 심장학에서 주로 사용되는 M-모드 데이터를 표시할 수 있습니다(15).

근골격계 연부 조직은 강한 반사 표면(경면 반사체)과 복잡한 내부 구조를 특징으로 합니다.

이러한

조직의 많은 경우 내부 섬유 구조를 가지고 있으며,

이는 힘줄(20)에서 가장 두드러집니다.

또한 선형 방향성을 보입니다.

MSKUS의 가장 유용한 특징 중 하나는 실시간 특성으로, 자극적 조작을 수행하고 개입 중 실시간 안내를 제공할 수 있습니다(21–23). 근골격계 영상에 유용한 특징을 시각화하기 위해서는 두 가지 요구사항이 필요합니다: 반사 데이터를 2차원 해부학적 이미지로 표시하는 것과 이미지 데이터의 빠른 획득/표시(15–20 프레임/초). 첫 번째 실시간 2차원 스캐너는 1960년대 후반에 도입되었으며, 1개 또는 2개의 결정체가 번역 또는 회전을 통해 복합 이중안정 이미지를 생성하는 방식이었습니다(15–17,24) (그림 4).

Fig. 4.

Bistable image of calf rhabdomyosarcoma (1976) produced with a translating 2.5 MHz transducer(24). Printed with permission of Dr. Paul Carson. The tumor is labeled as is the tibial cortex (tibia)

Ultrasound did not become a widely accepted diagnostic tool, though, until the early 1970s, when grayscale ultrasound, in which non-linear echo amplitudes are mapped to gray levels, became the method of choice to display image data(15–17). The development of multi-element linear phased array transducers, employing digital image processing, allowed the display of 2-D grayscale images. Duplex ultrasound scanners began to appear during this period, allowing the imaging of anatomy and the measurement of blood flow in a single scanner(18). These systems appeared in the late 1970s/ early 1980s. Some of the earliest images of extremity anatomy, hematomas in muscle, large joint effusions/synovitis appeared as extended-field-of-view (EFOV) B-mode images(25–32). In 1985, the first color Doppler flow-mapping system that combined Doppler flow imaging in color with B-mode imaging in grayscale was introduced(15–17).

By 1980, commercial real-time phased array imaging systems were made possible by developments in video microprocessors, digital memory, and the miniaturization offered by programmable integrated circuits. During the 1980s, multi-element array systems allowed rapid growth of transducer technology. Improved materials and piezoelectric composites enabled the production of arrays with several hundred elements, operating at higher frequencies and wider bandwidths. This enhanced flexibility allowed the imaging and operation of other modes within the same transducer at multiple frequencies selectable by the user(18).

With the appearance of these new systems in the 1980s, the applications to the MSK system started to appear at a greater frequency in the imaging literature. Examination of articular cartilage, joint effusions, synovitis, tendon and muscle abnormalities, and nerve imaging using grayscale ultrasound were described, including the first descriptions of tendon morphology and anisotropy(20–22,32–46). Multiple anatomic locations were accessible to this modality, resulting in studies of the Achilles tendon, patellar tendon, and soon also more complex anatomical areas such as the rotator cuff(22,39–40) (Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7). Early assessment of muscle hematomas and soft tissue masses using bistable techniques expanded to more sophisticated descriptions of muscle and other soft tissue pathology(26–30,33,36). Large joints, such as the knee and hip, were ultimately expanded to include small joint pathology, such as in the hands and feet(41,45). The real-time capabilities provide a method to assess static anatomy as well as pathology that manifests when accentuated by some maneuver. Examples include neonatal hip examination, assessment of joint effusions as well as examination of rotator cuff impingement(38,42–43).

1976년에 2.5 MHz 이동형 트랜스듀서를 사용하여 생성된 종아리 골격근육종(rhabdomyosarcoma)의 이중안정 이미지(24). Dr. Paul Carson의 허락을 받아 재인용함. 종양과 경골 피질(tibia)이 표시되어 있습니다.

초음파는 1970년대 초까지 널리 인정된 진단 도구로 자리 잡지 못했습니다. 그 후 회색조 초음파가 비선형 에코 진폭을 회색 수준으로 매핑하는 방법으로 이미지 데이터를 표시하는 표준 방법이 되면서(15–17), 초음파의 활용이 확대되었습니다. 디지털 이미지 처리를 활용한 다중 요소 선형 위상 배열 트랜스듀서의 개발은 2차원 회색조 이미지 표시를 가능하게 했습니다. 이 기간 동안 듀플렉스 초음파 스캐너가 등장해 단일 스캐너로 해부학 이미징과 혈류 측정이 가능해졌습니다(18). 이러한 시스템은 1970년대 후반/1980년대 초반에 등장했습니다. 사지 해부학, 근육 내 혈종, 큰 관절 삼출액/활막염의 초기 이미지는 확장된 시야(EFOV) B-모드 이미지로 나타났습니다(25–32). 1985년에는 컬러 도플러 유동 매핑 시스템이 도입되었으며, 이는 컬러 도플러 유동 이미징과 회색조 B-모드 이미징을 결합한 최초의 시스템이었습니다(15–17).

1980년까지 비디오 마이크로프로세서, 디지털 메모리, 프로그래머블 통합 회로(PIC)의 소형화 기술 발전으로 상업용 실시간 위상 배열 영상 시스템이 가능해졌습니다. 1980년대에는 다중 요소 배열 시스템이 트랜스듀서 기술의 급속한 발전을 이끌었습니다. 개선된 재료와 피에조 전기 복합 재료는 수백 개의 요소를 갖춘 배열을 제작할 수 있게 했으며, 이는 더 높은 주파수와 넓은 대역폭에서 작동했습니다. 이 향상된 유연성은 사용자가 선택할 수 있는 다중 주파수에서 동일한 트랜스듀서 내에서 다른 모드의 이미징 및 작동을 가능하게 했습니다(18).

1980년대 이러한 신규 시스템의 등장과 함께 MSK 시스템에 대한 응용이 영상 문헌에서 더욱 빈번히 등장하기 시작했습니다. 관절 연골, 관절 삼출액, 활막염, 힘줄 및 근육 이상, 회색조 초음파를 이용한 신경 영상 등이 보고되었으며, 힘줄의 형태학과 이방성에 대한 최초의 설명도 포함되었습니다(20–22,32–46). 이 모달리티는 다중 해부학적 부위에 접근 가능했으며, 아킬레스 건, 슬개건, 그리고 곧 회전근개(22,39–40)와 같은 더 복잡한 해부학적 부위에 대한 연구가 진행되었습니다(그림 5, 그림 6, 그림 7). 이중 안정화 기술을 활용한 근육 혈종 및 연부 조직 종괴의 초기 평가 방법은 근육 및 기타 연부 조직 병리의 더 정교한 설명으로 확장되었습니다(26–30,33,36). 무릎과 엉덩이와 같은 큰 관절은 손과 발과 같은 작은 관절 병리학으로 확장되었습니다(41,45). 실시간 기능은 정적 해부학뿐만 아니라 특정 동작으로 강조될 때 나타나는 병리를 평가하는 방법을 제공합니다. 예시에는 신생아 고관절 검사, 관절 삼출액 평가, 회전근개 충돌 증후군 검사 등이 포함됩니다(38,42–43).

Fig. 5.

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A. Early B-mode ultrasound scanner with first commercially available 5 MHz linear phased array transducer. Scans of the quadriceps muscles in a soccer player (1979–1980). B. Static image (1983) shows an obliquely oriented tear in the rectus femoris (arrow). Printed with permission of Dr. Bruno Fornage

A. 초기 B-모드 초음파 스캐너와 최초로 상업적으로 출시된 5 MHz 선형 위상 배열 트랜스듀서. 축구 선수의 대퇴사두근 스캔(1979–1980). B. 정적 이미지(1983)는 대퇴직근의 경사 방향으로 찢어진 부위(화살표)를 보여줍니다. Dr. Bruno Fornage의 허락을 받아 인쇄되었습니다.

Fig. 6.

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A. 5 MHz scans of patellar tendons with knee in flexion (1982) using a homemade standoff pad to place the tendon into the focal zone of the transducer. B. Grayscale image of the left symptomatic side shows thickened hypoechoic tendon with proximal intra-tendinous calcification evident (arrow) and the right normal side for comparison. Printed with permission of Dr. Bruno Fornage

A. 무릎을 구부린 상태에서 5 MHz로 촬영한 슬개골 건의 초음파 영상(1982). 트랜스듀서의 초점 영역에 건을 위치시키기 위해 자체 제작한 스탠드오프 패드를 사용함. B. 증상이 있는 좌측 측의 회색조 영상은 두꺼워진 저음영 건과 근위부 건 내 칼슘 침착(화살표)을 보여주며, 우측 정상 측과 비교됨. Dr. Bruno Fornage의 허락을 받아 인쇄함.

Fig. 7.

Rotator cuff tears. Evolution of image quality over 20 years. A. Long-axis grayscale image of a full-thickness supraspinatus tendon tear (1985), confirmed on arthrography. Arrows indicate intact tendon. The deltoid and subcutaneous fat are labeled. Printed with permission of Dr. William Middleton. B. Grayscale image of a full-thickness supraspinatus tendon tear (1995). Significant improvements in image quality are evident. Intrinsic noise (speckle) is still apparent. Arrowheads denote the articular cartilage. A – anterior, P – posterior, d – deltoid, f – fluid. C. Grayscale image of a full-thickness supraspinatus tear (arrows) (2005). Improved image quality is evident, with speckle reduction due to spatial compounding. The internal architecture of the tissue is more apparent. d – deltoid

회전근개 파열. 20년간의 이미지 품질 변화. A. 전방축 회색조 영상으로 촬영된  full-thickness supraspinatus tendon tear  (1985), 관절조영술로 확인됨. 화살표는 정상 건을 표시함. 삼각근과 피하 지방이 표시됨. Dr. William Middleton의 허락을 받아 인쇄되었습니다. B. full-thickness supraspinatus tendon tear 의 회색조 이미지 (1995). 이미지 품질의 현저한 개선이 관찰됩니다. 내재적 노이즈(스폿)는 여전히 눈에 띕니다. 화살표 끝은 관절 연골을 표시합니다. A – 전방, P – 후방, d – 삼각근, f – 체액. C. full-thickness supraspinatus tear 파열(화살표)의 회색조 이미지(2005). 이미지 품질이 개선되었으며, 공간적 복합으로 인한 스폿이 감소했습니다. 조직의 내부 구조가 더 명확히 관찰됩니다. d – 삼각근

By the 1990s, developments enabling more rapid image acquisition and the availability of low cost analog to digital (A/D) chips improved computational capabilities, resulting in faster image processing in smaller devices that could be assembled at a lower cost(18). Imaging systems incorporating these advances evolved into digital architectures and beam formers, permitting beam steering and electronic focusing. The most dramatic changes have been through the continual miniaturization of electronics in accordance with Moore’s law(19). Smaller size components led to the first commercially available phased array imaging systems as well as new portable imaging systems that weigh only a few pounds(13) (Fig. 1). The current generation of scanners include 1½ and 2-dimensional arrays allowing improved in- and out-of-plane (elevational) focusing, rapid image processing, and 3-D and 4-D imaging (real-time volumetric imaging)(47–52) (Fig. 7, Fig. 8).

1990년대까지, 더 빠른 이미지 획득을 가능하게 하는 기술 발전과 저비용 아날로그-디지털(A/D) 칩의 보급은 계산 능력을 향상시켜, 더 작은 장치에서 더 빠른 이미지 처리가 가능해졌으며, 이는 비용 절감으로 이어졌습니다(18). 이러한 발전을 반영한 이미징 시스템은 디지털 아키텍처와 빔 포머로 진화하여 빔 스티어링과 전자 초점을 가능하게 했습니다. 가장 극적인 변화는 모어의 법칙에 따라 전자 부품의 지속적인 소형화에서 비롯되었습니다(19). 더 작은 부품은 첫 상업용 상용화된 위상 배열 이미징 시스템과 몇 파운드에 불과한 새로운 휴대용 이미징 시스템을 가능하게 했습니다(13) (그림 1). 현재 세대의 스캐너는 1½차원과 2차원 배열을 포함하며, 평면 내외(고도) 초점 조정, 빠른 이미지 처리, 3차원 및 4차원 이미징(실시간 볼륨 이미징)(47–52)을 가능하게 합니다(그림 7, 그림 8).

Fig. 8.

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A. Biplanar real-time grayscale image of the rotator cuff derived from a 14 MHz matrix array transducer. B. 3D acquisition of a dorsal ganglion cyst using a 14 MHz matrix array transducer shows simultaneous images of the cyst in two orthogonal planes as well as volume rendering of the cyst

A. 14 MHz 매트릭스 배열 트랜스듀서에서 파생된 회전근개(rotator cuff)의 이중 평면 실시간 회색조 이미지. B. 14 MHz 매트릭스 배열 트랜스듀서를 사용한 등쪽 신경절 낭종(dorsal ganglion cyst)의 3D 획득은 낭종의 두 개의 직교 평면에서의 동시 이미지와 낭종의 볼륨 렌더링을 보여줍니다.

Specific technical developments

The potential utility of ultrasound in eval‎uating the musculoskeletal system evolved to its current state through a series of advances spanning the 1980s through the first decade of the 21st century. Many of these features are incorporated in present-day clinical scanners, including assessment of soft tissue vascularity, improvements in anatomic depiction of the relevant musculoskeletal anatomy, and enhanced characterization of soft tissue composition.

Blood flow

Assessment of vascularity plays an important role in musculoskeletal imaging. Inflammation, repair processes, and a variety of musculoskeletal tumors display diverse degrees of vascularity which can serve as a measure of disease activity and/or response to a therapeutic intervention.

Doppler techniques date back to the 1950s, and began to play an important clinical role once incorporated as part of a duplex imaging package within the ultrasound scanner(16). Vascular assessment was further enhanced with the introduction of color Doppler in the 1980s, in which the mean frequency Doppler shift within an interrogated pixel could be color-encoded to reflect mean velocity and direction, producing an anatomic map of vascularity. A series of adjustable parameters and internal discriminators were available to help differentiate true flow from artifact due to low-frequency soft tissue motion. Color Doppler continues to be an important tool in depicting high flow states.

In the musculoskeletal system, vascularity is characteristically low flow and often poly-directional. The limitations associated with color Doppler maps include aliasing and drop out of signal when insonating at 90 degrees, as per the Doppler equation. Increasing color gain to improve flow sensitivity has the effect of introducing low-amplitude noise in the color-encoded image. Many of these issues were resolved with the recognition that flow sensitivity could be improved by encoding the demodulated Doppler signal intensity in color, with the assumption that the noise floor is of low amplitude(53) (Fig. 9).

특정 기술적 발전

근골격계 평가에서 초음파의 잠재적 유용성은 1980년대부터 21세기 초까지의 일련의 기술적 진보를 통해 현재의 수준에 이르렀습니다. 이러한 기능 중 많은 부분이 현재 임상용 스캐너에 적용되어 있으며, 연부 조직 혈관성 평가, 관련 근골격계 해부학의 해부학적 묘사 개선, 연부 조직 구성 특성 강화 등이 포함됩니다.

혈류

혈관성 평가은 근골격계 영상에서 중요한 역할을 합니다. 염증, 회복 과정, 다양한 근골격계 종양은 질병 활동도나 치료적 개입에 대한 반응을 측정하는 지표로 활용될 수 있는 다양한 정도의 혈관성을 나타냅니다.

도플러 기술은

1950년대부터 사용되기 시작했으며,

초음파 스캐너에 듀플렉스 영상 패키지의 일부로 통합되면서 임상적 역할을 시작했습니다(16).

1980년대 색상 도플러의 도입으로 혈관 평가가 더욱 향상되었으며,

조사된 픽셀 내 평균 주파수 도플러 변위를 색상으로 인코딩하여

평균 속도와 방향을 반영하는 혈관 분포 지도를 생성할 수 있게 되었습니다.

진정한 혈류와 저주파 연부 조직 운동으로 인한 인공물을 구분하기 위해

조정 가능한 매개변수와 내부 구분기가 제공되었습니다.

컬러 도플러는

고유량 상태를 묘사하는 중요한 도구로 계속 사용되고 있습니다.

근골격계에서 혈관 분포는

일반적으로 저유량이며 다방향적입니다.

컬러 도플러 지도와 관련된 한계에는 도플러 방정식에 따라 90도 각도로 초음파를 조사할 때 발생하는 신호 에일리어싱과 신호 소실이 포함됩니다. 색상 감도를 높여 유동 감도를 개선하는 것은 색상 인코딩된 이미지에 저진폭 노이즈를 도입하는 효과를 가집니다. 이러한 문제의 대부분은 노이즈 플로어가 저진폭이라는 가정 하에, 복조된 도플러 신호 강도를 색상으로 인코딩함으로써 유동 감도를 개선할 수 있다는 인식으로 해결되었습니다(53) (Fig. 9).

Fig. 9.

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Power Doppler (B) and color Doppler (A) ultrasound images of the biceps muscle seen in cross-section, using the same color gain settings and transducer. The color gain has been increased, resulting in color noise completely filling the color Doppler image. Even though the noise is of low power, it encompasses all possible frequency shifts. In the power Doppler (PD) image, an amplitude filter has been applied, excluding low power contributions below a fixed threshold. As a result, only the vessels are displayed, superimposed on the normal grayscale appearance of the biceps muscle

파워 도플러 (B) 및 컬러 도플러 (A) 초음파 영상으로 이두근의 단면 영상을 동일한 컬러 게인 설정과 트랜스듀서를 사용하여 촬영한 것입니다. 컬러 게인을 증가시켜 컬러 도플러 영상에 컬러 노이즈가 완전히 채워졌습니다. 이 노이즈는 저전력임에도 불구하고 모든 가능한 주파수 변동을 포함합니다. 파워 도플러(PD) 이미지에서는 고정된 임계값 이하의 저출력 기여도를 제외하기 위해 진폭 필터가 적용되었습니다. 결과적으로 이두근의 정상적인 회색조 모습 위에 혈관만 표시됩니다.

Power Doppler (PD), as it has become known, described in the mid-1990s, significantly improved sensitivity to low-flow states, making it ideal for musculoskeletal imaging(54–58). PD is not subject to aliasing artifact and it is not as sensitive to the insonation angle. PD was established to be a good indicator of hyperemic inflammatory states, capable of depicting blood flow in soft tissues more readily than conventional color Doppler (Fig. 10). PD has, in fact, become an important tool in assessing disease activity in inflammatory arthritis(58). An added bonus is that PD is more amenable to semi-quantitative estimates of vascularity, noting that it can provide a measure of fractional moving blood volume(59). A fundamental problem with PD, however, is the presence of so-called blooming artifact, due to high-amplitude low-frequency motion at tissue interfaces (clutter)(60).

파워 도플러(PD)는 1990년대 중반에 소개된 기술로, 저유량 상태에 대한 감도를 크게 향상시켜 근골격계 영상에 이상적인 기술로 인정받았습니다(54–58). PD는 에일리어싱 아티팩트에 영향을 받지 않으며, 음파 입사각에 대한 민감도가 낮습니다.

PD는 전통적인 색상 도플러보다

연부 조직 내 혈류량을 더 쉽게 표시할 수 있어

혈관 확장성 염증 상태의 좋은 지표로 확립되었습니다(그림 10).

실제로 PD는

염증성 관절염의 질환 활성도를 평가하는

중요한 도구로 자리 잡았습니다(58).

추가적인 장점은

PD가 혈관 분포의 반정량적 추정에 더 적합하며,

분획 이동 혈류량을 측정할 수 있다는 점입니다(59).

그러나

PD의 근본적인 문제는 조직 경계면에서 고주파 저주파 운동(clutter)으로 인한 이른바

'블루밍 아티팩트'의 존재입니다(60).

Fig. 10.

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Synovial hyperemia on power Doppler (PD) ultrasound using the first commercially available system with PD capability in the elbow of a patient with rheumatoid arthritis (1994). A. Extensive hypoechoic soft tissue (arrows) representing inflammatory pannus is evident. B. On PD, marked hyperemia present in the hypoechoic soft tissue is compatible with active synovitis. C. One of the first demonstrations of response to therapy using power Doppler ultrasound (1995) in a patient with septic bursitis at initial presentation. D. Two weeks after surgical incision and drainage and placement on antibiotics. The same Doppler parameters were used in both images. There was a marked decrease in the extent of hyperemia, even though the grayscale appearance continued to be abnormal

In the current generation of high-end ultrasound scanners, blooming artifact is significantly improved by employing newer clutter cancelling techniques, which are computationally intensive, requiring high-frame rates and long ensemble lengths(60–62). These adaptive filters have a number of different names (slow flow, microvascular flow, etc.), but they generally involve separation of the weakly scattering blood flow from low-frequency motion of strong reflecting tissue boundaries. These microvascular flow techniques are stillbeing investigated, but they appear to improve flow sensitivity and depiction of vascular anatomy, while eliminating blooming artifact(61–62) (Fig. 11).

Fig. 11.

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Power Doppler (PD) ultrasound image (B) and microvascular flow (Slow Flow TM) image (A) of a soft tissue sarcoma within the rectus femoris muscle using identical Doppler parameters. Significant improvement in sensitivity and vascular morphology without blooming artifact is evident in the microvascular flow image. The mass appears hypovascular on PD, whereas the Slow Flow image depicts a hypervascular mass. C. Patient with swollen left 3rd PIP joint and history of psoriasis. PD (left) and Slow Flow image (right) long-axis views of the dorsal recess. There is mild distension of the dorsal capsule by hypoechoic soft tissue. Minimal periarticular vascularity is depicted on PD. D. On Slow Flow, there is marked synovial and periarticular hyperemia

Ultrasound contrast agents

The most significant improvement in flow detection, however, occurs with the inclusion of ultrasound contrast agents, which are true capillary imaging agents. Contrast agents have long been investigated in ultrasound, dating back to 1968, with the observation that microbubbles produce strong reflections on ultrasound(63). This led to intensive research in micro-bubble contrast agents extending into the 1970s–80s, with the first clinically available agent released in 1984. The current (second) generation of contrast agents exhibit a good safety profile and have been used extensively in cardiology and abdominal imaging applications(64).

Present-day contrast agents are encapsulated microbubbles (1–10 microns in size) that undergo strong backscatter at certain resonant frequencies and are readily detectable, using harmonic imaging (discussed below)(65) (Fig. 12). These agents are injected intravenously, pass through the pulmonary capillary bed, and then appear in the arterial phase. The bubbles have a half-life of several minutes and the gas is ultimately exhaled in the lungs, while the outer shell is metabolized(64).

Fig. 12.

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Contrast agents. A. Microbubbles made up of a gas core with a flexible, biocompatible containment shell which is usually phospholipid but can also be a protein, such as albumin. Bubble size typically varies between 2–10 microns. B. The insonating beam operates at the resonant frequency, which is dependent on bubble size. Microbubbles in the ultrasound field react to pressure by changing size, based on the pressure amplitude of the insonating beam as indicated. C. The resultant scattered echoes are non-linear, which can be represented as an expansion consisting of the fundamental along with higher harmonic components. The goal of contrast imaging is to remove the fundamental component (e.g. tissue contribution) and image the second harmonic. Images printed with permission of Siemens medical systems

Contrast agents have been used in the imaging of the musculoskeletal system in a limited fashion over the last two decades. They have been shown to allow robust quantification of vascularity and blood flow, but fall into the category of off-label usage in the United States. Contrast has allowed remarkably improved flow sensitivity in the detection and quantification of hyperemic states, such as inflammatory myopathies, inflammatory arthritis, tendinosis and tendon repairs(66–72) (Fig. 13, Video 1). In addition to improved flow sensitivity and flow quantification, contrast agents may serve as therapeutic delivery agents in the future(64).

Fig. 13.

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Time-intensity curve. Composite image obtained from a contrast study of a patient three months out from rotator cuff repair. The upper right image shows a long-axis image of the supraspinatus tendon repair with a single suture anchor evident. The upper left image displays a single frame from a contrast study with three ROIs around the suture anchor site, proximal tendon and peribursal soft tissues. A time-intensity curve (bottom) is depicted for each ROI, using the same color scheme as the ROI boundaries