Получение качественных ультразвуковых изображений скелетных мышц с расширенным полем зрения для измерения длины мышечной фасции

Summary

В этом исследовании описывается, как получить высококачественные изображения опорно-двигательного аппарата с использованием метода ультразвука с расширенным полем зрения (EFOV-US) с целью измерения длины мышечной фасции. Мы применяем этот метод к мышцам с фасцикулами, которые простираются за пределы поля зрения обычных традиционных ультразвуковых (T-US) зондов.

Abstract

Длина мышечной фасции, которая обычно измеряется in vivo с использованием традиционного ультразвука, является важным параметром, определяющим способность мышцы генерировать силу. Тем не менее, более 90% всех мышц верхних конечностей и 85% всех мышц нижних конечностей имеют оптимальную длину фасцикул длиннее, чем поле зрения обычных традиционных ультразвуковых зондов (T-US). Более новый, менее часто используемый метод, называемый ультразвуком с расширенным полем зрения (EFOV-US), может обеспечить прямое измерение фасцикул длиннее, чем поле зрения одного изображения T-US. Этот метод, который автоматически объединяет последовательность изображений T-US из динамического сканирования, был продемонстрирован как действительный и надежный для получения длины мышечных фасцикул in vivo. Несмотря на многочисленные скелетные мышцы с длинными фасцикулами и обоснованность метода EFOV-US для проведения измерений таких фасцикул, немногие опубликованные исследования использовали этот метод. В этом исследовании мы демонстрируем как реализовать метод EFOV-US для получения высококачественных изображений опорно-двигательного аппарата, так и как количественно оценить длину фасцикул из этих изображений. Мы ожидаем, что эта демонстрация будет стимулировать использование метода EFOV-US для увеличения пула мышц, как в здоровых, так и в ослабленных популяциях, для которых у нас есть данные о длине мышечных фасций in vivo.

Introduction

Длина фасции является важным параметром архитектуры скелетных мышц, который в целом свидетельствует о способности мышцы вырабатывать ^силу1,2. В частности, длина фасций мышцы дает представление об абсолютном диапазоне длин, на которых мышца может генерировать активную ^силу3,4. Например, учитывая две мышцы с одинаковыми значениями для всех изометрических силовых параметров (т.е. средняя длина саркомера, угол пеннации, физиологическая площадь поперечного сечения, состояние сокращения и т.д.), за исключением длины фасцикулы, мышца с более длинными фасцикулами будет производить свою пиковую силу при большей длине и будет производить силу в более широком диапазоне длин, чем мышца с более короткими фасцикулами3 . Количественная оценка длины мышечной фасции важна для понимания как здоровой мышечной функции, так и изменений в способности мышцы генерировать силу, которые могут произойти в результате изменения использования мышц (например, ^{иммобилизация5,6}, вмешательство в физические ^{упражнения7,8,9}, ношение высокой ^пятки10) или изменения мышечной среды (например, операция по переносу ^{сухожилий11}, отвлечение ^{конечностей12} ). Измерения длины мышечных фасций были первоначально получены с помощью трупных экспериментов ex vivo, которые позволяют напрямую измерять рассеченные фасцикулы13,14,15,16. Ценная информация, полученная в результате этих экспериментов ex vivo, вызвала интерес к применению методов in vivo17,18,19 для решения вопросов, на которые нельзя было ответить в трупах; методы in vivo позволяют количественно оценить параметры мышц в нативном состоянии, а также при различных позах суставов, различных состояниях сокращения мышц, различных состояниях нагрузки или разгрузки, а также в популяциях с различными условиями (т.е. здоровые/травмированные, молодые/старые и т.д.). Чаще всего ультразвук является методом, используемым для получения in vivo длины мышечной фасции18,19,20; он быстрее, дешевле и проще в реализации, чем другие методы визуализации, такие как диффузионная тензорная визуализация (DTI)^18,21.

Было продемонстрировано, что ультразвук с расширенным полем зрения (EFOV-US) является действительным и надежным методом измерения длины мышечной фасции in vivo. Несмотря на то, что традиционное ультразвуковое исследование (T-US) обычно реализуется, оно имеет поле зрения, которое ограничено длиной массива ультразвукового преобразователя (обычно от 4 до 6 см, хотя есть зонды, которые простираются до ^{10 см10}) ^18,20. Чтобы преодолеть это ограничение, Weng et al. разработали технологию EFOV-US, которая автоматически получает композитное двумерное «панорамное» изображение (длиной до 60 см) из динамического сканирования на увеличенное ^{расстояние22}. Изображение создается путем подгонки в режиме реального времени последовательности традиционных ультразвуковых изображений в B-режиме, поскольку преобразователь динамически сканирует интересующий объект. Поскольку последовательные изображения T-US имеют большие перекрывающиеся области, небольшие различия от одного изображения к другому могут быть использованы для расчета движения зонда без использования внешних датчиков движения. После вычисления движения зонда между двумя последовательными изображениями «текущее» изображение последовательно объединяется с предыдущими изображениями. Метод EFOV-US позволяет напрямую измерять длинные, изогнутые мышечные фасцикулы и доказал свою надежность в мышцах, испытаниях и сонографистах23,24,25 и действителен как для плоских, так и для изогнутых ^{поверхностей23,26}.

Внедрение ультразвука для измерения длины мышечной фасции in vivo не является тривиальным. В отличие от других методов визуализации, которые включают более автоматизированные протоколы (например, МРТ, КТ), ультразвук зависит от навыков сонографиста и анатомических ^{знаний27,28}. Существует опасение, что смещение зонда с плоскостью фасцикула может привести к существенной ошибке в измерениях фасцикул. Одно исследование демонстрирует небольшую разницу (в среднем < 3 мм) в измерениях длины фасций, взятых с использованием ультразвука и МРТ DTI, но также показывает, что точность измерения низкая (стандартное отклонение разницы ~ 12 мм)²⁹. Тем не менее, было показано, что начинающий сонограф, с практикой и руководством опытного сонографиста, может получить действительные меауры с использованием ^EFOV-US23. Таким образом, следует приложить усилия для демонстрации соответствующих протоколов для снижения человеческой ошибки и повышения точности измерений, полученных с использованием EFOV-US. В конечном счете, разработка и совместное использование соответствующих протоколов может расширить число экспериментаторов и лабораторий, которые могут воспроизводить данные о длине фасцикул из литературы или получать новые данные в мышцах, которые еще не были изучены in vivo.

В этом протоколе мы демонстрируем, как реализовать метод EFOV-US для получения высококачественных изображений опорно-двигательного аппарата, которые могут быть использованы для количественной оценки длины мышечной фасции. В частности, мы рассматриваем (а) сбор изображений EFOV-US одной верхней конечности и одной мышцы нижней конечности, (b) определение в режиме реального времени «качества» изображения EFOV-US и (c) количественную оценку параметров мышечной архитектуры в автономном режиме. Мы предоставляем это подробное руководство, чтобы стимулировать принятие метода EFOV-US для получения данных о длине мышечных фасцикул в мышцах, которые не изучены in vivo из-за их длинных фасцикул.

Protocol

Совет по институциональному обзору Северо-Западного университета (IRB) одобрил процедуры этого исследования. Все участники, участвующие в этой работе, дали информированное согласие до начала протокола, подробно описанного ниже.ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретная ультразвуковая система, использу…

Representative Results

Расширенное УЗИ поля зрения (EFOV-US) было реализовано для получения изображений с длинной головки бицепса плечевого сустава и передней большеберцовой кости у 4 здоровых добровольцев (таблица 1). На рисунке 1 показаны изображения EFOV-US обеих мышц, изображенных в этом…

Discussion

Критические шаги в протоколе.

Существует несколько критических компонентов для получения качественных изображений EFOV-US, которые дают действительные и надежные измерения длины фасцикул. Во-первых, как указано в методе 1.1.2, важно, чтобы сонографисту потребовалос…

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