Skeletal muscles are soft tissues that play an important role in maintaining body posture and enabling movements through force generation. The force-generating capacity is associated with the morphological and mechanical properties of the muscle. Abnormal muscle force-generating capacity may result in or be the outcome of abnormal muscle morphological and mechanical properties. Medical imaging is a widely-used and powerful in vivo measurement technique that could provide valuable information for diagnosis, treatment planning, outcome evaluation, and research of muscle-related pathologies. The overall objectives of this thesis were to quantify skeletal muscle morphological and mechanical properties in vivo using different medical imaging techniques and to evaluate the performance of the proposed medical imaging techniques with respect to different aspects of reliability. This thesis was based on two papers that focused on the morphological and mechanical properties of skeletal muscles, respectively.

In the first study, skeletal muscle morphological parameters, i.e., volume, fascicle length, and pennation angle of the tibialis anterior and gastrocnemius medialis, were measured in vivo using three-dimensional freehand ultrasound (3DfUS) and magnetic resonance imaging (MRI), respectively. In total, sixteen able-bodied subjects were recruited in this study. Seven of them received both 3DfUS and MRI measurements, while the remaining subjects received 3DfUS measurements twice at a one-week interval. Good to excellent intra-rater reliability and inter-session repeatability was found in muscle morphological parameters quantified by 3DfUS measurements, as indicated by the high intra-class correlation coefficient values and low standard error of measurement. The only statistically significant difference found between 3DfUS and MRI measurements was the pennation angle of the tibialis anterior, although the actual discrepancy was small. This study suggested that 3DfUS could be considered as an alternative to MRI for measuring 3D skeletal muscle morphological parameters in vivo.

In the second study, a direct inversion approach based on magnetic resonance elastography (MRE) and diffusion tensor imaging (DTI) for skeletal muscle’s anisotropic mechanical properties quantification was proposed. DTI was used to identify the muscle fascicle orientation. An incompressible transversely isotropic material model was adopted to describe the material property of the skeletal muscles. The proposed approach was evaluated with a multifrequency MRE setup on gastrocnemius and soleus in five able-bodied subjects. The existence of anisotropy and frequency dependence was observed in all muscle sub-compartments using the proposed inversion approach. The necessity of using DTI to identify muscle fascicle orientation was also illustrated. This study suggested that the proposed direct inversion approach had the potential to quantify the anisotropic mechanical properties of skeletal muscles in both healthy and pathological conditions.

Skelettmuskler är mjuka vävnader som spelar en viktig roll för att upprätthålla kroppshållning och möjliggöra rörelser genom kraftgenerering. Den kraftgenererande förmågan är förknippad med muskelns morfologiska och mekaniska egenskaper. Onormal förmåga att generera muskelkraft kan resultera i eller vara resultatet av onormala morfologiska och mekaniska egenskaper hos muskeln. Medicinsk avbildning är en allmänt använd och kraftfull in vivo-mätteknik som kan ge värdefull information för diagnos, behandlingsplanering, utvärdering av resultat och forskning av muskelrelaterade patologier. Det övergripande syftet med denna avhandling var att kvantifiera skelettmuskelns morfologiska och mekaniska egenskaper in vivo med hjälp av olika medicinska avbildningstekniker och att utvärdera prestandan för de föreslagna medicinska avbildningsteknikerna med avseende på olika aspekter av reliabilitet. Denna avhandling baserades på två artiklar som fokuserade på de morfologiska respektive mekaniska egenskaperna hos skelettmuskler. 

I den första studien mättes skelettmuskelns morfologiska parametrar, det vill säga volym, fascikellängd och pennationsvinkel för tibialis anterior och gastrocnemius medialis, in vivo med hjälp av tredimensionellt frihandsultraljud (3DfUS) respektive magnetisk resonanstomografi (MRI). Totalt rekryterades sexton friska försökspersoner i denna studie. Sju av dem fick både 3DfUS- och MRI-mätningar, medan de återstående försökspersonerna fick 3DfUS-mätningar två gånger med en veckas intervall. God till utmärkt intrabedömarreliabilitet och repeterbarhet mellan mätningar hittades i muskelmorfologiska parametrar kvantifierade med 3DfUS-mätningar, vilket indikeras av höga intraklasskorrelationskoefficient-värden och låga standardmätfel. Den enda statistiskt signifikanta skillnaden som hittades mellan 3DfUS- och MRI-mätningar var pennationsvinkeln på tibialis anterior, även om den faktiska avvikelsen var liten. Denna studie föreslog att 3DfUS kunde övervägas som ett alternativ till MRI för 3D-mätningar av skelettmuskelmorfologiska parametrar in vivo. 

I den andra studien föreslogs en direkt inversionsmetod baserad på magnetisk resonanselastografi (MRE) och diffusionstensoravbildning (DTI) för kvantifiering av skelettmusklers anisotropa mekaniska egenskaper. DTI användes för att identifiera muskelfascikelorienteringen. En inkompressibel transversellt isotrop materialmodell användes för att beskriva skelettmusklernas materialegenskaper. Det föreslagna tillvägagångssättet utvärderades med en multifrekvens-MRE-uppsättning på gastrocnemius och soleus hos fem friska försökspersoner. Förekomsten av anisotropi och frekvensberoende observerades i alla muskelunderavdelningar med den föreslagna inversionsmetoden. Nödvändigheten av att använda DTI för att identifiera muskelfascikelorientering illustrerades också. Denna studie föreslog att den föreslagna direkta inversionsmetoden hade potentialen att kvantifiera de anisotropa mekaniska egenskaperna hos skelettmuskler under både friska och patologiska tillstånd.