Semiautomatic quantification of abdominal wall muscles deformations based on dynamic MRI image registration

Abstract

Quantitative analysis of abdominal organs motion and deformation is crucial to better understand biomechanical alterations undermining respiratory, digestive or perineal pathophysiology. In particular, biomechanical characterization of the antero‐lateral abdominal wall is central in the diagnosis of abdominal muscle deficiency. Here, we present a dedicated semiautomatic dynamic MRI postprocessing method enabling the quantification of spatial and temporal deformations of the antero‐lateral abdominal wall muscles. Ten healthy participants were imaged during a controlled breathing session at the L3–L4 disc level using real‐time dynamic MRI at 3 T. A coarse feature‐tracking step allowed the selection of the inhalation cycle of maximum abdominal excursion. Over this image series, the described method combines (1) a supervised 2D+t segmentation procedure of the abdominal wall muscles, (2) the quantification of muscle deformations based on masks registration, and (3) the mapping of deformations within muscle subzones leveraging a dedicated automatic parcellation. The supervised 2D+t segmentation (1) provided an accurate segmentation of the abdominal wall muscles throughout maximum inhalation with a 0.95 ± 0.03 Dice similarity coefficient (DSC) value and a 2.3 ± 0.7 mm Hausdorff distance value while requiring only manual segmentation of 20% of the data. The robustness of the deformation quantification (2) was indicated by high indices of correspondence between the registered source mask and the target mask (0.98 ± 0.01 DSC value and 2.1 ± 1.5 mm Hausdorff distance value). Parcellation (3) enabled the distinction of muscle substructures that are anatomically relevant but could not be distinguished based on image contrast. The present genuine postprocessing method provides a quantitative analytical frame that could be used in further studies for a better understanding of abdominal wall deformations in physiological and pathological situations.

Abdominal complex muscle in women with stress urinary incontinence – prospective case-control study

“…Assessment of the abdominal muscles at rest and dynamics can be made using the following techniques: ultrasound, electromyography, elastography and magnetic resonance imaging [ 5 , 15 – 20 ].…”

Assessment of the Spatial Distribution of Mechanical Properties of the Tissue of Anterior Abdominal Wall at Maximum Functional Load

“…Різноманітні за природою сили, що діють під час функціонального навантаження на анатомічні структури передньої черевної стінки (ПЧС) характеризуються напрямком, величиною та тривалістю їх дії. Під впливом певних зовнішніх сил, тканини ПЧС змінюють об'єм та форму за рахунок деформації розтягування, зсуву, згину або їх суперпозиції [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11].…”

“…Для вивчення рівня анізотропії і неоднорідності тканин ПЧС її властивості розглядали, як лінійно ортотропні для кожного дискретного однорідного об'єму моделі ПЧС із трьома взаємно ортогональними площинами симетрії декартової системи координат. Визначення величин для тензора пружних сталих неоднорідного тіла моделі ПЧС проводили в локальній системі координат для кожного попередньо визначеного об'єму з відомими експериментальними даними матеріальних констант для модуля пружності та коефіцієнтів поперечної деформації [6,10,12].…”

“…Тканини ПЧС є гіперпружними матеріалами з великими деформаціями та переміщеннями [3,4,6,8,10,11]. При дослідженні тканин ПЧС добровольців у поздовжній орієнтації, вона виявляла більшу еластичність, демонструвала більшу деформацію, але й більшу жорсткість порівняно з тканинами, випробуваними у поперечній орієнтації.…”

“…Певні дослідження також показали, що такі тканини, як linea alba [9][10][11], демонструють багато відмінностей у механічних властивостях, припускаючи, що місце імплантації також може відігравати ключову роль в успіху або невдачі алопластики ПЧС. Таким чином, взаємозв'язки між механічними характеристиками імплантатів, так і тканин ПЧС людини під час пластики, не повністю зрозумілі, і необхідні додаткові дослідження для встановлення вказівок щодо ідеальних характеристик цих імплантатів [4,5,9,11].…”