Opnåelse af kvalitet udvidet Field-of-View ultralyd billeder af skeletmuskulatur til måling muskel fascicle længde

Summary

Denne undersøgelse beskriver, hvordan man opnår muskuloskeletale billeder af høj kvalitet ved hjælp af den udvidede synsfelt ultralyd (EFOV-US) metode med det formål at gøre muskel fascicle længde foranstaltninger. Vi anvender denne metode til muskler med fascicles, der strækker sig forbi synsfeltet af almindelige traditionelle ultralydssonder (T-US).

Abstract

Muskel fascicle længde, som er almindeligt målt in vivo ved hjælp af traditionel ultralyd, er en vigtig parameter definere en muskels kraft generere kapacitet. Men over 90% af alle øvre lemmer muskler og 85% af alle underekstremitet muskler har optimale fascicle længder længere end synsfeltet af fælles traditionelle ultralyd (T-US) sonder. En nyere, mindre hyppigt vedtaget metode kaldet udvidet felt-of-view ultralyd (EFOV-US) kan muliggøre direkte måling af fascicles længere end synsfeltet af et enkelt T-US-billede. Denne metode, som automatisk passer sammen en sekvens af T-US billeder fra en dynamisk scanning, har vist sig at være gyldig og pålidelig for at opnå muskel fascicle længder in vivo. På trods af de mange skeletmuskulaturer med lange fascicles og gyldigheden af EFOV-US metode til at foretage målinger af sådanne fascicles, få offentliggjorte undersøgelser har udnyttet denne metode. I denne undersøgelse demonstrerer vi både, hvordan man implementerer EFOV-US-metoden til at opnå muskuloskeletale billeder af høj kvalitet, og hvordan man kvantificerer fasciclelængder fra disse billeder. Vi forventer, at denne demonstration vil tilskynde til brugen af EFOV-USA-metoden til at øge muskelpuljen, både i raske og svækkede populationer, som vi har in vivo muskel fascicle længde data.

Introduction

Fascicle længde er en vigtig parameter for skeletmuskulatur arkitektur, som generelt er tegn på en muskel evne til at producere ^kraft1,2. Specifikt, en muskels fascicle længde giver indsigt i det absolutte interval af længder, hvor en muskel kan generere aktiv ^kraft3,4. For eksempel, givet to muskler med identiske værdier for alle isometriske kraft-genererende parametre (dvs. gennemsnitlige sarkom længde, vimningsvinkel, fysiologiske tværsnit område, sammentrækning tilstand, osv.) bortset fra fascicle længde, musklen med de længere fascicles ville producere sin peak kraft på en længere længde og ville producere kraft over et bredere udvalg af længder end musklen med kortere fascicles3 . Kvantificering af muskelafskloglængden er vigtig for at forstå både sund muskelfunktion og ændringer i en muskels kraftgenererende kapacitet, som kan opstå som følge af ændret muskelbrug (f.eks ^{immobilisering5,6}, træningsintervention7,8,9, højhæle ^iført10) eller en ændring i muskelmiljøet (f.eks. seneoverførselsoperation11, distraktion ^{af lemmer12} ). Målinger af muskelafskædelser blev oprindeligt opnået gennem ex vivo kadaveriske eksperimenter, der giver mulighed for direkte måling af dissekerede fascicles13,14,15,16. De værdifulde oplysninger fra disse ex vivo-forsøg førte til interesse i at gennemføre in vivo-metoder17,18,19 for at besvare spørgsmål, der ikke kunne besvares i kadavere; in vivo-metoder gør det muligt at kvantificere muskelparametre i en indfødt tilstand samt ved forskellige ledstillinger, forskellige muskelsammentrækningstilstande, forskellige belastnings- eller aflæsningstilstande og på tværs af populationer med forskellige tilstande (dvs. sunde/skadede, unge/gamle osv.). Oftest, ultralyd er den metode, der anvendes til at opnå in vivo muskel fascicle længder18,19,20; Det er hurtigere, billigere og lettere at implementere end andre billeddannelsesteknikker, såsom diffusion tensor imaging (DTI)^18,21.

Udvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) har vist sig at være en gyldig og pålidelig metode til måling af muskel fascicle længde in vivo. Mens almindeligt gennemført, traditionel ultralyd (T-US) har et synsfelt, som er begrænset af ultralyd transducer array længde (typisk mellem 4 og 6 cm, selv om der er sonder, der strækker sig til 10 ^cm10)^18,20. For at overvinde denne begrænsning udviklede Weng et al. en EFOV-AMERIKANSK teknologi, der automatisk erhverver et sammensat, todimensionelt “panoramabillede” (op til 60 cm langt) fra en dynamisk, udvidet ^{afstandsscanning22}. Billedet er skabt ved at passe sammen, i realtid, en sekvens af traditionelle, B-mode ultralyd billeder som transducer dynamisk scanner genstand for interesse. Da sekventielle T-US-billeder har store overlappende områder, kan de små forskelle fra et billede til det næste bruges til at beregne sondebevægelsen uden brug af eksterne bevægelsessensorer. Når sondens bevægelse mellem to på hinanden følgende billeder er beregnet, flettes det “aktuelle” billede successivt med de foregående billeder. EFOV-US-metoden giver mulighed for direkte måling af lange, buede muskelafslappicles og har vist sig at være pålidelig på tværs af muskler, forsøg og sonografer23,24,25 og gælder for både flade og buede ^{overflader23,26}.

Gennemførelse ultralyd til at måle muskel fascicle længde in vivo er ikke trivielt. I modsætning til andre billeddannelsesteknikker, der involverer mere automatiserede protokoller (dvs. MR, CT), er ultralyd afhængig af sonograffærdigheder og anatomisk ^viden27,28. Der er bekymring for, at sonde forskydning med fascicle flyet kan forårsage betydelige fejl i fascicle foranstaltninger. En undersøgelse viser ringe forskel (i gennemsnit < 3 mm) i målinger af fascicle længde taget ved hjælp af ultralyd og DTI MR, men viser også, at måling præcision er lav (standard afvigelse af forskel ~ 12 mm) ²⁹. Alligevel har det vist sig, at en nybegynder sonograf, med praksis og vejledning fra en erfaren sonograf, kan få gyldige meaures ved hjælp af ^EFOV-US23. Der bør derfor gøres en indsats for at påvise passende protokoller for at reducere menneskelige fejl og forbedre nøjagtigheden af målinger opnået ved hjælp af EFOV-USA. I sidste ende kan udvikling og deling af passende protokoller udvide antallet af forsøgspersoner og laboratorier, der kan reproducere fasciclelængdedata fra litteraturen eller få nye data i muskler, som endnu ikke er blevet undersøgt in vivo.

I denne protokol demonstrerer vi, hvordan man implementerer EFOV-US-metoden for at opnå muskuloskeletale billeder af høj kvalitet, der kan bruges til at kvantificere muskelfasciclelængden. Specifikt behandler vi (a) indsamling af EFOV-AMERIKANSKE billeder af en enkelt overekstremitet og en enkelt underekstremitetsmuskel (b) der i realtid bestemmer “kvaliteten” af EFOV-US-billedet og (c) kvantificering af muskelarkitekturparametre offline. Vi giver denne detaljerede guide til at tilskynde til vedtagelsen af EFOV-US metode til at opnå muskel fascicle længde data i muskler, der er gået unstudied in vivo på grund af deres lange fascicles.

Protocol

Northwestern University’s Institutional Review Board (IRB) godkendte procedurerne i denne undersøgelse. Alle deltagere, der var tilmeldt dette arbejde, gav informeret samtykke, inden protokollen blev indledt nedenfor.BEMÆRK: Det specifikke ultralydssystem, der blev anvendt i denne undersøgelse, havde EFOV-US-kapaciteter og blev vedtaget, fordi vi var i stand til at gennemgå detaljer om og validitetsvurderinger for algoritmen i den videnskabelige litteratur22,26…

Representative Results

Udvidet felt-of-view ultralyd (EFOV-US) blev gennemført for at få billeder fra den lange leder af biceps brachii og skinnebenet forreste i 4 raske frivillige (tabel 1). Figur 1 viser, hvad EFOV-US billeder af begge muskler afbildet i denne repræsentative billeddannelse session og fremhæver vigtige aspekter af hvert billede såsom muskel aponeurose, central sene, fascicle sti, osv. Efter billeddannelse session var overstået, 3 kvalitativt “gode” billeder (<strong class="…

Discussion

Kritiske trin i protokollen.

Der er et par kritiske komponenter til at opnå kvalitet EFOV-US billeder, der giver gyldige og pålidelige fascicle længde foranstaltninger. For det første er det som angivet i metode 1.1.2 vigtigt, at sonografen tager sig tid til at blive fortrolig med anatomien af den muskel, der afbildes, samt omgivende muskler, knogler og andre bløde vævsstrukturer. Dette vil forbedre sonografens evne til at afbilde den korrekte muskel og afgøre, om flere…

Materials

14L5 linear transducers	Siemens	10789396
Acuson S2000 Ultrasound System	Siemens	10032746
Adjustable chair (Biodex System)	Biodex Medical Systems	System Pro 4
Skin Marker Medium Tip	SportSafe	n/a	Multi-color 4 Pack recommended
Ultrasound Gel – Standard 8 Ounce Non-Sterile Fragrance Free Glacial Tint	MediChoice, Owens &Minor	M500812