Het verkrijgen van kwaliteit Uitgebreide Field-of-View Echografie Beelden van Skeletspieren om spier fascikel lengte te meten

Summary

Deze studie beschrijft hoe musculoskeletale beelden van hoge kwaliteit kunnen worden verkregen met behulp van de uitgebreide field-of-view echografie (EFOV-US) -methode voor het maken van spier fascikellengtemetingen. We passen deze methode toe op spieren met fascikels die zich uitstrekken voorbij het gezichtsveld van gewone traditionele ultrasone (T-US) sondes.

Abstract

De lengte van de fascikel van de spier, die gewoonlijk in vivo wordt gemeten met behulp van traditionele echografie, is een belangrijke parameter die het krachtgenererende vermogen van een spier definieert. Meer dan 90% van alle spieren van de bovenste ledematen en 85% van alle spieren van de onderste ledematen hebben echter optimale fascikellengtes langer dan het gezichtsveld van gewone traditionele ultrasone (T-US) sondes. Een nieuwere, minder vaak gebruikte methode genaamd extended field-of-view ultrasound (EFOV-US) kan directe meting van fascikels mogelijk maken die langer zijn dan het gezichtsveld van een enkel T-US-beeld. Deze methode, die automatisch een reeks T-US-beelden van een dynamische scan samenvoegt, is geldig en betrouwbaar gebleken voor het verkrijgen van spier fascikellengtes in vivo. Ondanks de vele skeletspieren met lange fascikels en de validiteit van de EFOV-US-methode voor het doen van metingen van dergelijke fascikels, hebben weinig gepubliceerde studies deze methode gebruikt. In deze studie laten we zien hoe we de EFOV-US-methode kunnen implementeren om musculoskeletale beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen als hoe fascikellengtes van die afbeeldingen kunnen worden gekwantificeerd. We verwachten dat deze demonstratie het gebruik van de EFOV-US-methode zal aanmoedigen om de pool van spieren te vergroten, zowel in gezonde als in aangetaste populaties, waarvoor we in vivo spier fascikellengtegegevens hebben.

Introduction

Fascikellengte is een belangrijke parameter van de architectuur van de skeletspier, die over het algemeen indicatief is voor het vermogen van een spier om kracht te ^{produceren1,2}. Concreet geeft de fascikellengte van een spier inzicht in het absolute lengtebereik waarover een spier actieve kracht kan ^genereren3,4. Bijvoorbeeld, gegeven twee spieren met identieke waarden voor alle isometrische krachtgenererende parameters (d.w.z. gemiddelde sarcomeerlengte, penninghoek, fysiologisch doorsnedegebied, contractietoestand, enz.), behalve voor fascikellengte, zou de spier met de langere fascikels zijn piekkracht op een langere lengte produceren en kracht produceren over een breder bereik van lengtes dan de spier met kortere ^fascikels3 . Kwantificering van de lengte van de spier fascikel is belangrijk voor het begrijpen van zowel een gezonde spierfunctie als veranderingen in het krachtgenererende vermogen van een spier, die kunnen optreden als gevolg van veranderd spiergebruik (bijv. ^{Immobilisatie5,6}, inspanningsinterventie7,8,9, hoge hiel ^dragen10) of een verandering in de omgeving van de spier (bijv. Peestransferchirurgie11, afleiding van ^ledematen12 ). Metingen van de lengte van de spier fascikel werden oorspronkelijk verkregen door ex vivo cadaverische experimenten die directe meting van ontlede fascikels mogelijk maken13,14,15,16. De waardevolle informatie die door deze ex vivo experimenten werd verstrekt, leidde tot een interesse in het implementeren van in vivo methoden17,18,19 om vragen te beantwoorden die niet in kadavers konden worden beantwoord; in vivo methoden maken het mogelijk om spierparameters in een inheemse toestand te kwantificeren, evenals bij verschillende gewrichtshoudingen, verschillende spiercontractietoestanden, verschillende belastings- of lostoestanden en tussen populaties met verschillende omstandigheden (d.w.z. gezond / gewond, jong / oud, enz.). Meestal is echografie de methode die wordt gebruikt om in vivo spier fascikellengtes te verkrijgen18,19,20; het is sneller, goedkoper en gemakkelijker te implementeren dan andere beeldvormingstechnieken, zoals diffusie tensor imaging (DTI)^18,21.

Extended field-of-view ultrasound (EFOV-US) is aangetoond als een geldige en betrouwbare methode voor het meten van de lengte van de spier fascikel in vivo. Hoewel vaak geïmplementeerd, heeft traditionele echografie (T-US) een gezichtsveld dat wordt beperkt door de arraylengte van de ultrasone transducer (meestal tussen 4 en 6 cm, hoewel er sondes zijn die zich uitstrekken tot 10 ^cm10) ^18,20. Om deze beperking te overwinnen, ontwikkelden Weng et al. een EFOV-US-technologie die automatisch een samengesteld, tweedimensionaal “panoramisch” beeld (tot 60 cm lang) verkrijgt van een dynamische, uitgebreide ^{afstandsscan22}. Het beeld wordt gecreëerd door in realtime een reeks traditionele, B-modus echografiebeelden samen te voegen terwijl de transducer het object van belang dynamisch scant. Omdat opeenvolgende T-US-beelden grote overlappende gebieden hebben, kunnen de kleine verschillen van het ene beeld naar het andere worden gebruikt om de beweging van de sonde te berekenen zonder het gebruik van externe bewegingssensoren. Zodra de sondebeweging tussen twee opeenvolgende beelden is berekend, wordt het “huidige” beeld achtereenvolgens samengevoegd met de voorgaande beelden. De EFOV-US-methode maakt directe meting van lange, gebogen spier fascikels mogelijk en is bewezen betrouwbaar te zijn voor spieren, proeven en echografen23,24,25 en geldig voor zowel vlakke als gebogen ^{oppervlakken23,26}.

Het implementeren van echografie om de lengte van de spier fascikel in vivo te meten is niet triviaal. In tegenstelling tot andere beeldvormingstechnieken die meer geautomatiseerde protocollen omvatten (d.w.z. MRI, CT), is echografie afhankelijk van de vaardigheden van de sonograaf en anatomische ^kennis27,28. Er is bezorgdheid dat een verkeerde uitlijning van de sonde met het fascikelvlak aanzienlijke fouten in fascikelmetingen kan veroorzaken. Eén studie toont weinig verschil (gemiddeld < 3 mm) in metingen van fascikellengte genomen met behulp van echografie en DTI MRI, maar toont ook aan dat de meetnauwkeurigheid laag is (standaardafwijking van verschil ~ 12 mm)²⁹. Toch is aangetoond dat een beginnende echoscopist, met oefening en begeleiding van een ervaren echoscopist, geldige meaures kan verkrijgen met ^EFOV-US23. Daarom moeten inspanningen worden geleverd om geschikte protocollen aan te tonen om menselijke fouten te verminderen en de nauwkeurigheid van metingen verkregen met EFOV-US te verbeteren. Uiteindelijk kan het ontwikkelen en delen van geschikte protocollen het aantal experimentatoren en laboratoria uitbreiden die fascikellengtegegevens uit de literatuur kunnen reproduceren of nieuwe gegevens kunnen verkrijgen in spieren die nog niet in vivo zijn bestudeerd.

In dit protocol laten we zien hoe de EFOV-US-methode kan worden geïmplementeerd om musculoskeletale beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen die kunnen worden gebruikt om de lengte van de spier fascikel te kwantificeren. Specifiek richten we ons op (a) het verzamelen van EFOV-US-beelden van een enkele bovenste ledemaat en een enkele onderste ledemaatspier (b) het in realtime bepalen van de “kwaliteit” van het EFOV-US-beeld, en (c) het offline kwantificeren van spierarchitectuurparameters. We bieden deze gedetailleerde gids om de toepassing van de EFOV-US-methode aan te moedigen voor het verkrijgen van spier fascikellengtegegevens in spieren die in vivo niet zijn bestudeerd vanwege hun lange fascikels.

Protocol

De Institutional Review Board (IRB) van Northwestern University keurde de procedures van deze studie goed. Alle deelnemers die deelnamen aan dit werk gaven geïnformeerde toestemming voordat ze aan het onderstaande protocol begonnen.OPMERKING: Het specifieke echografiesysteem dat in deze studie werd gebruikt, had EFOV-US-mogelijkheden en werd aangenomen omdat we in staat waren om details over en validiteitsbeoordelingen voor het algoritme in de wetenschappelijke literatuur te beoordelen22,26<s…

Representative Results

Uitgebreide field-of-view echografie (EFOV-US) werd geïmplementeerd om beelden te verkrijgen van de lange kop van de biceps brachii en de tibialis anterior bij 4 gezonde vrijwilligers (tabel 1). Figuur 1 laat zien welke EFOV-US beelden van beide spieren in deze representatieve beeldvormingssessie hebben afgebeeld en belicht belangrijke aspecten van elk beeld zoals spieraponeurose, centrale pees, fascikelpad, enz. Nadat de beeldvormingssessie voorbij was, werden 3 kwalitatie…

Discussion

Kritieke stappen in het protocol.

Er zijn een paar kritieke componenten voor het verkrijgen van efov-us-beelden van hoge kwaliteit die geldige en betrouwbare fascikellengtemetingen opleveren. Ten eerste is het, zoals aangegeven in methode 1.1.2, essentieel dat de echoscopist de tijd neemt om vertrouwd te raken met de anatomie van de spier die in beeld wordt gebracht, evenals met de omliggende spieren, botten en andere zachte weefselstructuren. Dit zal het vermogen van de echos…

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