Kas Fasikül Uzunluğunu Ölçmek için İskelet Kasının Kaliteli Genişletilmiş Görüş Alanı Ultrason Görüntülerinin Elde Ediliyor
Summary
Bu çalışmada, kas fasikül uzunluğu ölçümleri yapmak amacıyla genişletilmiş görüş alanı ultrasonu (EFOV-US) yöntemi kullanılarak yüksek kaliteli kas-iskelet sistemi görüntülerinin nasıl elde edildiği açıklanmaktadır. Bu yöntemi, yaygın geleneksel ultrason (T-US) problarının görüş alanını geçen fasiküllü kaslara uyguluyoruz.
Abstract
Geleneksel ultrason kullanılarak in vivo olarak yaygın olarak ölçülen kas fasikül uzunluğu, bir kasın kuvvet üretme kapasitesini tanımlayan önemli bir parametredir. Bununla birlikte, tüm üst ektremite kaslarının% 90’ından fazlası ve tüm alt ektremite kaslarının% 85’i, yaygın geleneksel ultrason (T-US) problarının görüş alanından daha uzun optimal fasikül uzunluklarına sahiptir. Genişletilmiş görüş alanı ultrason (EFOV-US) adı verilen daha yeni, daha az sıklıkla benimsenen bir yöntem, tek bir T-US görüntüsünün görüş alanından daha uzun süre fasiküllerin doğrudan ölçümünü sağlayabilir. Dinamik bir taramadan bir dizi T-US görüntüsüne otomatik olarak uyan bu yöntemin, kas fasikül uzunluklarını in vivo elde etmek için geçerli ve güvenilir olduğu gösterilmiştir. Uzun fasiküllere sahip çok sayıda iskelet kaslarına ve EFOV-US yönteminin bu tür fasiküllerin ölçümlerini yapmak için geçerliliğine rağmen, yayınlanan çok az çalışma bu yöntemi kullanmıştır. Bu çalışmada, hem yüksek kaliteli kas-iskelet görüntüleri elde etmek için EFOV-US yönteminin nasıl uygulanacağı hem de bu görüntülerden fasikül uzunluklarının nasıl ölçülebilir olduğu gösterilmiştir. Bu gösterinin, hem sağlıklı hem de bozulmuş popülasyonlarda kas havuzunu artırmak için EFOV-US yönteminin kullanılmasını teşvik edeceğini ve bunun için in vivo kas fasikül uzunluğu verilerine sahip olacağımızı umuyoruz.
Introduction
Fasikül uzunluğu, genel olarak bir kasın kuvvet üretme yeteneğinin göstergesi olan iskelet kası mimarisinin önemli bir parametresidir1,2. Özellikle, bir kasın fasikül uzunluğu, bir kasın aktif kuvvet üretebileceği mutlak uzunluk aralığı hakkında fikir sağlar3,4. Örneğin, fasikül uzunluğu dışında tüm izometrik kuvvet üreten parametreler (yani ortalama sarkom uzunluğu, peniasyon açısı, fizyolojik kesit alanı, kasılma durumu vb.) için aynı değerlere sahip iki kas göz önüne alındığında, daha uzun fasiküllere sahip kas, en yüksek kuvvetini daha uzun bir uzunlukta üretecek ve daha kısa fasiküllere sahip kastan daha geniş bir uzunluk aralığında kuvvet üretecektir3 . Kas fasikül uzunluğunun nicelleştirilmesi, hem sağlıklı kas fonksiyonunu hem de bir kasın kuvvet üretme kapasitesindeki değişiklikleri anlamak için önemlidir, bu da değiştirilmiş kas kullanımı (örneğin, hareketsizleştirme5,6, egzersiz müdahalesi7,8,9, yüksek topuk giyme10) veya kas ortamındaki bir değişiklik (örneğin tendon transfer ameliyatı11, uzuv dikkat dağınıklığı12) sonucu ortaya çıkabilir. ). Kas fasikül uzunluğu ölçümleri başlangıçta diseksiyonlu fasiküllerin doğrudan ölçülen ex vivo kadavra deneyleri ile elde edilmiştir13,14,15,16. Bu ex vivo deneylerinin sağladığı değerli bilgiler, kadavralarda cevaplanamayan soruları ele almak için in vivo yöntemlerin uygulanmasına ilgiye yol açtı17,18,19; in vivo yöntemler, kas parametrelerinin yerel bir durumda, farklı eklem duruşlarında, farklı kas kasılma durumlarında, farklı yükleme veya boşaltma durumlarında ve farklı koşullara sahip popülasyonlarda (örneğin sağlıklı/yaralı, genç/yaşlı vb.) ölçülmesine izin verir. En sık, ultrason in vivo kas fasikül uzunlukları elde etmek için kullanılan yöntemdir18,19,20; difüzyon tensör görüntüleme (DTI)18,21 gibi diğer görüntüleme tekniklerine göre daha hızlı, daha ucuz ve uygulanması daha kolaydır.
Genişletilmiş görüş alanı ultrasonunun (EFOV-US) kas fasikül uzunluğu in vivo ölçümü için geçerli ve güvenilir bir yöntem olduğu gösterilmiştir. Yaygın olarak uygulanırken, geleneksel ultrason (T-US), ultrason dönüştürücünün dizi uzunluğu ile sınırlı olan bir görüş alanına sahiptir (genellikle 4 ila 6 cm arasında, ancak 10 cm10’a kadar uzanan problar olmasına rağmen)18,20. Weng ve arkadaşları, bu sınırlamanın üstesinden gelmek için dinamik, uzun mesafe taramasından otomatik olarak kompozit, iki boyutlu “panoramik” görüntü (60 cm uzunlu) elde eden bir EFOV-US teknolojisi geliştirdi22. Görüntü, dönüştürücü ilgi çekici nesneyi dinamik olarak tararken, gerçek zamanlı olarak, geleneksel, B modu ultrason görüntülerinin bir dizisi ile oluşturulur. Sıralı T-US görüntüleri büyük çakışan bölgelere sahip olduğundan, bir görüntüden diğerine küçük farklar, harici hareket sensörleri kullanmadan prob hareketini hesaplamak için kullanılabilir. Ardışık iki görüntü arasındaki araştırma hareketi hesaplandıktan sonra, “geçerli” görüntü önceki görüntülerle art arda birleştirilir. EFOV-US yöntemi uzun, kavisli kas fasiküllerinin doğrudan ölçümüne izin verir ve kaslar, denemeler ve sonograflar arasında güvenilir olduğu gösterilmiştir23,24,25 ve hem düz hem de kavisli yüzeyler için geçerlidir23,26.
Kas fasikül uzunluğu in vivo ölçmek için ultrason uygulamak önemsiz değildir. Daha otomatik protokoller (yani MRI, BT) içeren diğer görüntüleme tekniklerinin aksine ultrason sonograf becerisine ve anatomik bilgiye bağlıdır27,28. Fasikül düzlemi ile prob yanlış hizalamanın fasikül önlemlerinde önemli hatalara neden olabileceğinden endişe ediliyor. Bir çalışma ultrason ve DTI MRI kullanılarak alınan fasikül uzunluğu ölçülerinde çok az fark (ortalama 3 mm <) göstermekle birlikte ölçüm hassasiyetinin düşük olduğunu göstermektedir (standart fark sapması ~12 mm)29. Yine de, deneyimli bir sonografın pratiği ve rehberliği ile acemi bir sonografın EFOV-US23 kullanarak geçerli meaures elde edebileceği gösterilmiştir. Bu nedenle, insan hatasını azaltmak ve EFOV-US kullanılarak elde edilen ölçümlerin doğruluğunu artırmak için uygun protokolleri göstermek için çaba gösterilmelidir. Sonuç olarak, uygun protokollerin geliştirilmesi ve paylaşılması, literatürden fasikül uzunluğu verilerini çoğaltabilen veya henüz in vivo olarak çalışılmamış kaslarda yeni veriler elde edebilecek deneycilerin ve laboratuvarların sayısını artırabilir.
Bu protokolde, kas fasikül uzunluğunu ölçmek için kullanılabilecek yüksek kaliteli kas-iskelet görüntüleri elde etmek için EFOV-US yönteminin nasıl uygulanacağını gösteriyoruz. Özellikle, (a) tek bir üst eksuzitenin ve tek bir alt eksov kasının EFOV-US görüntülerinin toplanmasına (b) EFOV-US görüntüsünün “kalitesini” gerçek zamanlı olarak belirlemeye ve (c) kas mimarisi parametrelerini çevrimdışı olarak ölçmeye hitap ediyoruz. Uzun fasikülleri nedeniyle in vivo olmayan kaslarda kas fasikül uzunluğu verilerini elde etmek için EFOV-US yönteminin benimsenmesini teşvik etmek için bu ayrıntılı kılavuzu sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokolde kritik adımlar.
Geçerli ve güvenilir fasikül uzunluğu önlemleri sağlayan kaliteli EFOV-US görüntüleri elde etmek için birkaç kritik bileşen vardır. İlk olarak, yöntem 1.1.2’de belirtildiği gibi, sonografın görüntülenen kas anatomisinin yanı sıra çevredeki kaslar, kemikler ve diğer yumuşak doku yapılarına aşina olması zaman alması önemlidir. Bu, sonografın doğru kası görüntüleme yeteneğini geliştirecek ve birden fazla görünt?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vikram Darbhe ve Patrick Franks’e deneysel rehberlikleri için teşekkür ederiz. Bu çalışma Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu Programı tarafından Hibe No. DGE-1324585’in yanı sıra NIH R01D084009 ve F31AR076920. Bu materyalde ifade edilen herhangi bir görüş, bulgu ve sonuç veya öneri yazarların görüşleridir ve Ulusal Bilim Vakfı veya NIH’nin görüşlerini yansıtmak zorunda değildir.
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 |
Riferimenti
- Gans, C., Bock, W. J. The functional significance of muscle architecture: a theoretical analysis. Advances in Anatomy, Embryology and Cell Biology. 38, 115-142 (1965).
- Gans, C. Fiber architecture and muscle function. Exercise and Sports Sciences Reviews. 10, 160-207 (1982).
- Lieber, R. L., Fridén, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle & Nerve. 23 (11), 1647-1666 (2000).
- Zajac, F. E. Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 17 (4), 359-411 (1989).
- Williams, P. E., Goldspink, G. The effect of immobilization on the longitudinal growth of striated muscle fibres. Journal of Anatomy. 116 (1), 45 (1973).
- Williams, P. E., Goldspink, G. Changes in sarcomere length and physiological properties in immobilized muscle. Journal of Anatomy. 127 (3), 459-468 (1978).
- Blazevich, A. J., Cannavan, D., Coleman, D. R., Horne, S. Influence of concentric and eccentric resistance training on architectural adaptation in human quadriceps muscles. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1565-1575 (2007).
- Seymore, K. D., Domire, Z. J., DeVita, P., Rider, P. M., Kulas, A. S. The effect of Nordic hamstring strength training on muscle architecture, stiffness, and strength. European Journal of Applied Physiology. 117 (5), 943-953 (2017).
- Franchi, M. V., et al. Architectural, functional and molecular responses to concentric and eccentric loading in human skeletal muscle. Acta Physiologica. 210 (3), 642-654 (2014).
- Csapo, R., Maganaris, C. N., Seynnes, O. R., Narici, M. V. On muscle, tendon and high heels. The Journal of Experimental Biology. 213 (15), 2582-2588 (2010).
- Takahashi, M., Ward, S. R., Marchuk, L. L., Frank, C. B., Lieber, R. L. Asynchronous muscle and tendon adaptation after surgical tensioning procedures. Journal of Bone and Joint Surgery. 92 (3), 664-674 (2010).
- Boakes, J. L., Foran, J., Ward, S. R., Lieber, R. L. Case Report: Muscle Adaptation by Serial Sarcomere Addition 1 Year after Femoral Lengthening. Clinical Orthopaedics and Related Research. 456, 250-253 (2007).
- Cutts, A., Alexander, R. M., Ker, R. F. Ratios of cross-sectional areas of muscles and their tendons in a healthy human forearm. Journal of Anatomy. 176, 133-137 (1991).
- Lieber, R. L., Friden, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle Nerve. 23, 1647-1666 (2000).
- Lieber, R. L., Fazeli, B. M., Botte, M. J. Architecture of Selected Wrist Flexor and Extensor Muscles. Journal of Hand Surgery-American. 15 (2), 244-250 (1990).
- Brand, P. W., Beach, R. B., Thompson, D. E. Relative tension and potential excursion of muscles in the forearm and hand. Journal of Hand Surgery. 6 (3), (1981).
- Fukunaga, T., Kawakami, Y., Kuno, S., Funato, K., Fukashiro, S. Muscle architecture and function in humans. Journal of Biomechanics. 30 (5), 457-463 (1997).
- Kwah, L. K., Pinto, R. Z., Diong, J., Herbert, R. D. Reliability and validity of ultrasound measurements of muscle fascicle length and pennation in humans: a systematic review. Journal of Applied Physiology. 114, 761-769 (2013).
- Lieber, R. L., Ward, S. R. Skeletal muscle design to meet functional demands. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 366 (1570), 1466-1476 (2011).
- Franchi, M. V., et al. Muscle architecture assessment: strengths, shortcomings and new frontiers of in vivo imaging techniques. Ultrasound in Medicine & Biology. 44 (12), 2492-2504 (2018).
- Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & posture. 37 (3), 305-312 (2013).
- Weng, L., et al. US extended-field-of-view imaging technology. Radiology. 203 (3), 877-880 (1997).
- Adkins, A. N., Franks, P. F., Murray, W. M. Demonstration of extended field-of-view ultrasound’s potential to increase the pool of muscles for which in vivo fascicle length is measurable. Journal of Biomechanics. 63, 179-185 (2017).
- Noorkoiv, M., Stavnsbo, A., Aagaard, P., Blazevich, A. J. In vivo assessment of muscle fascicle length by extended field-of-view ultrasonography. Journal of Applied Physiology. , (2010).
- Nelson, C. M., Dewald, J. P. A., Murray, W. M. In vivo measurements of biceps brachii and triceps brachii fascicle lengths using extended field-of-view ultrasound. Journal of Biomechanics. 49, 1948-1952 (2016).
- Fornage, B. D., Atkinson, E. N., Nock, L. F., Jones, P. H. US with extended field of view: Phantom-tested accuracy of distance measurements. Radiology. 214, 579-584 (2000).
- Bénard, M. R., Becher, J. G., Harlaar, J., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Anatomical information is needed in ultrasound imaging of muscle to avoid potentially substantial errors in measurement of muscle geometry. Muscle & Nerve. 39 (5), 652-665 (2009).
- Pinto, A., et al. Sources of error in emergency ultrasonography. Critical Ultrasound Journal. 5 (1), 1 (2013).
- Bolsterlee, B., Veeger, H. E. J., van der Helm, F. C. T., Gandevia, S. C., Herbert, R. D. Comparison of measurements of medial gastrocnemius architectural parameters from ultrasound and diffusion tensor images. Journal of Biomechanics. 48 (6), 1133-1140 (2015).
- VanHooren, B., Teratsias, P., Hodson-Tole, E. F. Ultrasound imaging to assess skeletal muscle architecture during movements: a systematic review of methods, reliability, and challenges. Journal of Applied Physiology. 128 (4), 978-999 (2020).
- Pimenta, R., Blazavich, A. J., Frietas, S. R. Biceps Femoris Long-Head Architecture Assessed Using Different Sonographic Techniques. Medicine & Science in Sports & Exercise. 50 (12), 2584-2594 (2018).
- Adkins, A. N., Franks, P. W., Murray, W. M. Demonstration of extended field-of-view ultrasound’s potential to increase the pool of muscles for which in vivo fascicle length is measurable. Journal of Biomechanics. 63, 179-185 (2017).
- Norkin, C. C., White, J. D. . Measurement Of Joint Motion: A Guide To Goniometry. 5th edn. , (2016).
- Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion–part I: ankle, hip, and spine. International Society of Biomechanics. Journal of Biomechanics. 35 (4), 543-548 (2002).
- Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion–Part II: shoulder, elbow, wrist and hand. Journal of Biomechanics. 38 (5), 981-992 (2005).
- Franchi, M. V., Fitze, D. P., Raiteri, B. J., Hahn, D., Spörri, J. Ultrasound-derived biceps femoris long-head fascicle length: extrapolation pitfalls. Medicine and Science in Sports and Exercise. 52 (1), 233-243 (2020).
- Freitas, S. R., Marmeleira, J., Valamatos, M. J., Blazevich, A., Mil-Homens, P. Ultrasonographic Measurement of the Biceps Femoris Long-Head Muscle Architecture. Journal of Ultrasound in Medicine. 37 (4), 977-986 (2018).
- Nelson, C. M., Murray, W. M., Dewald, J. P. A. Motor Impairment-Related Alterations in Biceps and Triceps Brachii Fascicle Lengths in Chronic Hemiparetic Stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. 32 (9), 799-809 (2018).
- Alonso-Fernandez, D., Docampo-Blanco, P., Martinez-Fernandez, J. Changes in muscle architecture of biceps femoris induced by eccentric strength training with nordic hamstring exercise. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 28 (1), 88-94 (2018).
- Herbert, R. D., et al. In vivo passive mechanical behaviour of muscle fascicles and tendons in human gastrocnemius muscle-tendon units. The Journal of Physiology. 589 (21), 5257-5267 (2011).
- Jakubowski, K. L., Terman, A., Santana, R. V. C., Lee, S. S. M. Passive material properties of stroke-impaired plantarflexor and dorsiflexor muscles. Clinical Biomechanics. 49, 48-55 (2017).
- Ward, S. R., Eng, C. M., Smallwood, L. H., Lieber, R. L. Are Current Measurements of Lower Extremity Muscle Architecture Accurate. Clinical Orthopaedics and Related Research. 467 (4), 1074-1082 (2009).
- Pillen, S., van Alfen, N. Skeletal muscle ultrasound. Neurological Research. 33 (10), 1016-1024 (2011).
- Scott, J. M., et al. Panoramic ultrasound: a novel and valid tool for monitoring change in muscle mass. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle. 8 (3), 475-481 (2017).
- Silbernagel, K. G., Shelley, K., Powell, S., Varrecchia, S. Extended field of view ultrasound imaging to evaluate Achilles tendon length and thickness: a reliability and validity study. Muscles, Ligaments and Tendons Journal. 6 (1), 104 (2016).
- Lichtwark, G. A., Bougoulias, K., Wilson, A. M. Muscle fascicle and series elastic element length changes along the length of the human gastrocnemius during walking and running. Journal of Biomechanics. 40 (1), 157-164 (2007).
- Farris, D. J., Sawicki, G. S. Human medial gastrocnemius force-velocity behavior shifts with locomotion speed and gait. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (3), 977-982 (2012).
- Bolsterlee, B., Gandevia, S. C., Herbert, R. D. Effect of Transducer Orientation on Errors in Ultrasound Image-Based Measurements of Human Medial Gastrocnemius Muscle Fascicle Length and Pennation. PLoS ONE. 11 (6), (2016).
- Adkins, A. N., Dewald, J. P. A., Garmirian, L., Nelson, C. M., et al. Serial sarcomere number is substantially decreased within the paretic biceps brachii in chronic hemiparetic stroke. bioRxiv. , (2020).
- Pang, B. S., Ying, M. Sonographic measurement of Achilles tendons in asymptomatic subjects. Journal of Ultrasound in Medicine. 25 (10), 1291-1296 (2006).
- Ryan, E. D., et al. Test-retest reliability and the minimal detectable change for achilles tendon length: a panoramic ultrasound assessment. Ultrasound in Medicine & Biology. 39 (12), 2488-2491 (2013).
- Noorkoiv, M., Nosaka, K., Blazevich, A. J. Assessment of quadriceps muscle cross-sectional area by ultrasound extended-field-of-view imaging. European Journal of Applied Physiology. 109 (4), 631-639 (2010).
- Franchi, M. V., Fitze, D. P., Hanimann, J., Sarto, F., Spörri, J. Panoramic ultrasound vs. MRI for the assessment of hamstrings cross-sectional area and volume in a large athletic cohort. Scientific Reports. 10 (1), 14144 (2020).
- Yerli, H., Eksioglu, S. Y. Extended Field-of-View Sonography: Evaluation of the Superficial Lesions. Canadian Association of Radiologists Journal. 60 (1), 35-39 (2009).
- Kim, S. H., Choi, B. I., Kim, K. W., Lee, K. H., Han, J. K. Extended Field-of-View Sonography. Journal of Ultrasound in Medicine. 22 (4), 385-394 (2003).
