Skeletal muscle plays a central role in mobility, physical function, and overall health. Accurate quantification of skeletal muscle morphology and quality is essential for understanding muscle adaptations associated with impairment and aging, as well as for evaluating rehabilitation outcomes. This thesis investigates both the clinical application and technical advancement of three-dimensional freehand ultrasound (3DfUS) as a comprehensive tool for in vivo assessment of skeletal muscle.

In the first study, 3DfUS combined with quantitative texture analysis was used to examine muscle morphology and tissue quality in individuals with subacute stroke. In this randomized controlled study, tibialis anterior muscle volume (MV) and 3DfUS-derived texture features were evaluated before and after a four-week rehabilitation intervention. Participants were assigned to receive either only conventional rehabilitation (CR) or CR with functional electrical stimulation (FES). The results showed a significant increase in MV on the more-affected side and improved inter-limb asymmetry of MV in the FES group, whereas no significant changes were observed in the CR group. Moreover, alterations in texture features were observed on the less-affected side in the FES group, suggesting changes in muscle tissue heterogeneity. These findings support the potential of 3DfUS and texture analysis to detect muscle remodeling during the early phase of post-stroke rehabilitation.

To improve the clinical feasibility of 3DfUS, a low-cost fiducial marker-based tracking system (FM-3DfUS) was developed and validated in the second study as a practical alternative to conventional motion capture-based setups. FM-3DfUS demonstrated excellent agreement with the reference method for muscle morphological parameters of the rectus femoris muscle, including MV, fascicle length, and pennation angle. The system also showed high inter-operator reliability and inter-session repeatability, reflecting strong reproducibility across users and sessions. These findings support the feasibility of accurate 3D muscle assessment using a more clinically applicable setup, and highlight the potential of FM-3DfUS to facilitate broader implementation of quantitative muscle imaging in both research and clinical settings.

Tillförlitlig kvantifiering av skelettmuskelns morfologi och kvalitet är avgörande för att förstå muskelanpassningar kopplade till funktionsnedsättning och åldrande samt för att utvärdera effekter av rehabilitering. Den här avhandlingen undersöker både klinisk tillämpning och teknisk vidareutveckling av handhållen tredimensionell ultraljudsavbildning  (3DfUS) som ett omfattande verktyg för in vivo-bedömning av skelettmuskulatur.

I den första studien användes 3DfUS i kombination med kvantitativ texturanalys för att undersöka muskelmorfologi och vävnadskvalitet hos personer med subakut stroke. I denna randomiserade kontrollerade studie analyserades tibialis anteriors muskelvolym (MV) och 3DfUS-baserade texturegenskaper före och efter en fyra veckor lång rehabiliteringsintervention hos deltagare som randomiserats till två grupper och som genomgick rehabilitering antingen med eller utan funktionell elektrisk stimulering (FES). Resultaten visade en signifikant ökning av MV på den mer påverkade sidan samt minskad asymmetri i MV mellan benen i FES-gruppen, medan konventionell rehabilitering utan FES inte medförde några signifikanta förändringar i MV. Vidare observerades förändringar i texturegenskaper på den mindre påverkade sidan i FES-gruppen, vilket tyder på förändrad heterogenitet i muskelvävnaden. Dessa resultat visar att 3DfUS-baserad texturanalys har potential att identifiera muskelremodellering under den tidiga fasen av rehabilitering efter stroke.

För att öka den kliniska tillgängligheten av 3DfUS utvecklades och validerades sedan i den andra studien ett lågkostnadsbaserat och portabelt system för handhållen tredimensionell ultraljudsavbildning baserat på referensmarkörer (FM-3DfUS), som ett praktiskt alternativ till konventionella rörelseanalysbaserade system. Det portabla systemet visade mycket god överensstämmelse med referensmetoden för centrala muskelmorfologiska parametrar, inklusive muskelvolym (MV), fascikellängd och pennationsvinkel (ICC = 0,92–0,99) i rectus femoris. Systemet uppvisade dessutom hög interbedömarreliabilitet och god upprepbarhetmellan sessioner, vilket tyder på god reproducerbarhet mellan användare och mättillfällen. Resultaten visar att noggrann tredimensionell muskelbedömning kan uppnås med en förenklad och mer kliniskt genomförbar metod, och understryker potentialen hos FM-3DfUS att främja en bredare användning av kvantitativ muskelavbildning inom både klinisk verksamhet och forskning.

Dessa resultat indikerar att 3DfUS är ett tillförlitligt avbildningsverktyg för såväl forskning som kliniska tillämpningar och möjliggör en detaljerad bedömning av muskelns kvantitet och kvalitet. Genom att integrera metodologisk innovation med klinisk forskning belyser denna avhandling potentialen hos portabla ultraljudsbaserade tekniker att förbättra uppföljningen av muskelrehabilitering och bidra till utvecklingen av riktade rehabiliteringsstrategier. Ytterligare studier behövs för att validera dessa metoder i större populationer och för att koppla bildbaserade mått till funktionella utfall.