Obtenção de qualidade estendida campo de visão imagens de ultrassom do músculo esquelético para medir o comprimento do fascicle muscular

Summary

Este estudo descreve como obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade usando o método de ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) com o propósito de fazer medidas de comprimento de fascícula muscular. Aplicamos este método a músculos com fascicles que se estendem além do campo de visão de sondas de ultrassom tradicional comum (T-US).

Abstract

O comprimento da fascícula muscular, que é comumente medido in vivo usando ultrassom tradicional, é um parâmetro importante que define a capacidade de geração de força de um músculo. No entanto, mais de 90% de todos os músculos do membro superior e 85% de todos os músculos dos membros inferiores têm comprimentos de fascículo ótimos mais longos do que o campo de visão das sondas de ultrassom tradicional comum (T-US). Um método mais novo e menos frequentemente adotado chamado ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) pode permitir a medição direta de fascicles por mais tempo do que o campo de visão de uma única imagem T-US. Este método, que se encaixa automaticamente em uma sequência de imagens T-US a partir de uma varredura dinâmica, foi demonstrado ser válido e confiável para a obtenção de comprimentos de fascículo muscular in vivo. Apesar dos numerosos músculos esqueléticos com fascicles longos e da validade do método EFOV-US para fazer medições de tais fascicles, poucos estudos publicados utilizaram esse método. Neste estudo, demonstramos tanto como implementar o método EFOV-US para obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade quanto como quantificar os comprimentos de fascícula dessas imagens. Esperamos que esta demonstração incentive o uso do método EFOV-EUA para aumentar o pool de músculos, tanto em populações saudáveis quanto deficientes, para as quais temos dados de comprimento de fascicle muscular in vivo.

Introduction

O comprimento do fascículo é um parâmetro importante da arquitetura muscular esquelética, que no geral é indicativo da capacidade de um músculo de produzir ^força1,2. Especificamente, o comprimento do fascículo de um músculo fornece uma visão sobre a amplitude absoluta de comprimentos sobre os quais um músculo pode gerar força ^ativa3,4. Por exemplo, dado dois músculos com valores idênticos para todos os parâmetros geradores de força isométrica (ou seja, comprimento médio de sarcomere, ângulo de pennação, área transversal fisiológica, estado de contração, etc.) exceto pelo comprimento da fascícula, o músculo com fascicles mais longo produziria sua força máxima em um comprimento mais longo e produziria força sobre uma faixa mais ampla de comprimentos do que o músculo com fascicles ^{mais curtos3} . A quantificação do comprimento do fascículo muscular é importante para entender tanto a função muscular saudável quanto as alterações na capacidade de geração de força de um músculo, que pode ocorrer como resultado do uso muscular alterado (por exemplo, ^{imobilização5,6}, intervenção de ^{exercício7,8,9}, desgaste do salto ^alto10) ou uma mudança no ambiente do músculo (por exemplo, cirurgia de transferência de ^tendão11, distração do ^membro12 ). As medidas de comprimento do fascículo muscular foram originalmente obtidas através de experimentos ex vivo cadavéricos que permitem a medição direta de fascicles dissecados13,14,15,16. As informações valiosas fornecidas por esses experimentos ex vivo levaram ao interesse em implementar métodos in vivo17,18,19 para abordar questões que não puderam ser respondidas em cadáveres; métodos in vivo permitem quantificação de parâmetros musculares em um estado nativo, bem como em diferentes posturas articulares, diferentes estados de contração muscular, diferentes estados de carga ou descarga, e em populações com condições diferentes (ou seja, saudáveis/feridos, jovens/velhos, etc.). Mais frequentemente, o ultrassom é o método utilizado para a obtenção de comprimentos de fascículo muscular in vivo18,19,20; é mais rápido, menos caro e mais fácil de implementar do que outras técnicas de imagem, como a imagem do tensor de difusão (DTI)^18,21.

O ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) demonstrou ser um método válido e confiável para medir o comprimento do fascicle muscular in vivo. Embora comumente implementado, o ultrassom tradicional (T-US) tem um campo de visão que é limitado pelo comprimento da matriz do transdutor de ultrassom (tipicamente entre 4 e 6 cm, embora existam sondas que se estendem até 10 ^cm10)^18,20. Para superar essa limitação, Weng et al. desenvolveram uma tecnologia EFOV-US que adquire automaticamente uma imagem “panorâmica” composta e bidimensional (até 60 cm de comprimento) de um scan dinâmico e de longa ^distância22. A imagem é criada por encaixar, em tempo real, uma sequência de imagens tradicionais de ultrassom no modo B, à medida que o transdutor digitaliza dinamicamente o objeto de interesse. Como as imagens sequenciais de T-US têm grandes regiões sobrepostas, as pequenas diferenças de uma imagem para outra podem ser usadas para calcular o movimento da sonda sem o uso de sensores de movimento externos. Uma vez calculado o movimento da sonda entre duas imagens consecutivas, a imagem “atual” é fundida sucessivamente com as imagens anteriores. O método EFOV-US permite a medição direta de fascicles musculares longos e curvos e tem sido demonstrado ser confiável entre músculos, ensaios e sonografistas23,24,25 e válido para superfícies planas e ^curvas23,26.

Implementar ultrassom para medir o comprimento da fascícula muscular in vivo não é trivial. Ao contrário de outras técnicas de imagem que envolvem protocolos mais automatizados (ou seja, ressonância magnética, tomografia computadorizada), o ultrassom depende da habilidade sonografista e do conhecimento ^{anatômico27,28}. Há preocupação de que o desalinhamento da sonda com o avião fascicle possa causar um erro substancial nas medidas de fascicle. Um estudo demonstra pouca diferença (em média < 3 mm) em medidas de comprimento de fascículo tomadas por ultrassom e ressonância magnética DTI, mas também mostra que a precisão de medição é baixa (desvio padrão de diferença ~12 mm)²⁹. Ainda assim, foi demonstrado que um sonografista novato, com prática e orientação de um sonografista experiente, pode obter meaures válidos usando EFOV-US23. Assim, devem ser feitos esforços para demonstrar protocolos adequados para reduzir o erro humano e melhorar a precisão das medições obtidas usando o EFOV-US. Em última análise, o desenvolvimento e o compartilhamento de protocolos apropriados podem ampliar o número de experimentadores e laboratórios que podem reproduzir dados de comprimento de fascículo da literatura ou obter novos dados em músculos que ainda não foram estudados in vivo.

Neste protocolo, demonstramos como implementar o método EFOV-US para obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade que podem ser usadas para quantificar o comprimento do fascicle muscular. Especificamente, abordamos (a) a coleta de imagens EFOV-US de um único membro superior e um único músculo do membro inferior (b) determinando, em tempo real, a “qualidade” da imagem EFOV-US, e (c) quantificando parâmetros de arquitetura muscular offline. Fornecemos este guia detalhado para incentivar a adoção do método EFOV-US para a obtenção de dados de comprimento de fascículo muscular em músculos que não foram estudados in vivo devido aos seus longos fascicles.

Protocol

O Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade Northwestern aprovou os procedimentos deste estudo. Todos os participantes inscritos neste trabalho deram consentimento informado antes do início do protocolo detalhado abaixo.NOTA: O sistema de ultrassom específico utilizado neste estudo tinha recursos EFOV-EUA e foi adotado porque pudemos rever detalhes sobre e avaliações de validade para o algoritmo na literatura científica22,26; vários outro…

Representative Results

O ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) foi implementado para obter imagens da cabeça longa do bíceps brachii e da tibialis anterior em 4 voluntários saudáveis (Tabela 1). A Figura 1 mostra o que as imagens EFOV-US de ambos os músculos foram imagens nesta sessão de imagem representativa e destaca aspectos importantes de cada imagem, como aponeurose muscular, tendão central, caminho de fascículo, etc. Após o fim da sessão de imagem, foram analisadas 3 ima…

Discussion

Passos críticos no protocolo.

Existem alguns componentes críticos para obter imagens EFOV-US de qualidade que produzem medidas válidas e confiáveis de comprimento de fascicle. Em primeiro lugar, como indicado no método 1.1.2 é essencial que o sonografista tire tempo para se familiarizar com a anatomia do músculo que está sendo imageado, bem como músculos, ossos e outras estruturas de tecidos moles circundantes. Isso melhorará a capacidade do sonografista de imaginar …

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