Erhalten von qualitativ hochwertigen Ultraschallbildern mit erweitertem Sichtfeld der Skelettmuskulatur zur Messung der Muskelfaszikellänge

Summary

Diese Studie beschreibt, wie man mit der EFOV-US-Methode (Extended Field-of-View Ultrasound) qualitativ hochwertige muskuloskelettale Bilder erhält, um muskelfaszikellängenmessungen durchzuführen. Wir wenden diese Methode auf Muskeln mit Faszikeln an, die über das Sichtfeld herkömmlicher herkömmlicher Ultraschallsonden (T-US) hinausgehen.

Abstract

Die Länge der Muskelfaszikel, die üblicherweise in vivo mit herkömmlichem Ultraschall gemessen wird, ist ein wichtiger Parameter, der die Krafterzeugungskapazität eines Muskels definiert. Über 90% aller Muskeln der oberen Extremitäten und 85% aller Muskeln der unteren Extremitäten haben jedoch optimale Faszikellängen, die länger sind als das Sichtfeld herkömmlicher herkömmlicher Ultraschallsonden (T-US). Eine neuere, weniger häufig verwendete Methode namens Extended Field-of-View-Ultraschall (EFOV-US) kann die direkte Messung von Faszikeln ermöglichen, die länger sind als das Sichtfeld eines einzelnen T-US-Bildes. Diese Methode, die automatisch eine Sequenz von T-US-Bildern aus einem dynamischen Scan zusammenfügt, hat sich als gültig und zuverlässig erwiesen, um Muskelfaszikellängen in vivo zu erhalten. Trotz der zahlreichen Skelettmuskeln mit langen Faszikeln und der Gültigkeit der EFOV-US-Methode zur Messung solcher Faszikel haben nur wenige veröffentlichte Studien diese Methode verwendet. In dieser Studie zeigen wir, wie man die EFOV-US-Methode implementiert, um qualitativ hochwertige Muskel-Skelett-Bilder zu erhalten, und wie man Faszikellängen aus diesen Bildern quantifiziert. Wir erwarten, dass diese Demonstration die Verwendung der EFOV-US-Methode zur Erhöhung des Muskelpools sowohl in gesunden als auch in beeinträchtigten Populationen fördern wird, für die wir In-vivo-Daten zur Muskelfaszikellänge haben.

Introduction

Die Faszikellänge ist ein wichtiger Parameter der Skelettmuskelarchitektur, der insgesamt auf die Fähigkeit eines Muskels hinweist, Kraft zu ^erzeugen1,2. Insbesondere die Faszikellänge eines Muskels gibt Aufschluss über den absoluten Längenbereich, über den ein Muskel aktive Kraft erzeugen ^kann3,4. Wenn beispielsweise zwei Muskeln mit identischen Werten für alle isometrischen krafterzeugenden Parameter (d. h. durchschnittliche Sarkomerlänge, Pennationswinkel, physiologische Querschnittsfläche, Kontraktionszustand usw.) mit Ausnahme der Faszikellänge identisch sind, würde der Muskel mit den längeren Faszikeln seine Spitzenkraft bei einer längeren Länge erzeugen und über einen größeren Längenbereich Kraft erzeugen als der Muskel mit kürzeren Faszikeln3 . Die Quantifizierung der Muskelfaszikellänge ist wichtig, um sowohl die gesunde Muskelfunktion als auch Veränderungen der Krafterzeugungskapazität eines Muskels zu verstehen, die als Folge einer veränderten Muskelnutzung (z. B. ^{Ruhigstellung5,6}, Trainingsintervention7,8,9, Tragen hoher Ferse10) oder einer Veränderung der Muskelumgebung (z. B. Sehnentransferoperation11, Gliedmaßenablenkung12 ). Messungen der Muskelfaszikellänge wurden ursprünglich durch Ex-vivo-Leichenexperimente gewonnen, die eine direkte Messung von sezierten Faszikeln ermöglichen13,14,15,16. Die wertvollen Informationen, die diese Ex-vivo-Experimente lieferten, führten zu einem Interesse an der Implementierung von In-vivo-Methoden17,18,19, um Fragen zu beantworten, die in Kadavern nicht beantwortet werden konnten; In-vivo-Methoden ermöglichen die Quantifizierung von Muskelparametern in einem nativen Zustand sowie bei verschiedenen Gelenkhaltungen, verschiedenen Muskelkontraktionszuständen, verschiedenen Be- oder Entladezuständen und über Populationen mit unterschiedlichen Bedingungen (d. H. Gesund / Verletzt, Jung / Alt usw.). Am häufigsten ist Ultraschall die Methode, die verwendet wird, um in vivo Muskelfaszikellängen zu erhalten18,19,20; Es ist schneller, kostengünstiger und einfacher zu implementieren als andere bildgebende Verfahren wie diffusion tensor imaging (DTI)^18,21.

Extended Field-of-View-Ultraschall (EFOV-US) hat sich als gültige und zuverlässige Methode zur Messung der Muskelfaszikellänge in vivo erwiesen. Obwohl üblicherweise implementiert, hat herkömmlicher Ultraschall (T-US) ein Sichtfeld, das durch die Arraylänge des Ultraschallwandlers begrenzt ist (typischerweise zwischen 4 und 6 cm, obwohl es Sonden gibt, die sich bis zu 10 ^cm10 erstrecken)^18,20. Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelten Weng et al. eine EFOV-US-Technologie, die automatisch ein zusammengesetztes, zweidimensionales “Panoramabild” (bis zu 60 cm lang) aus einem dynamischen, erweiterten ^{Entfernungsscan22 erfasst}. Das Bild wird erzeugt, indem in Echtzeit eine Sequenz herkömmlicher B-Mode-Ultraschallbilder zusammengefügt wird, während der Schallkopf das Objekt von Interesse dynamisch scannt. Da sequentielle T-US-Bilder große überlappende Bereiche aufweisen, können die kleinen Unterschiede von einem Bild zum nächsten verwendet werden, um die Sondenbewegung ohne die Verwendung externer Bewegungssensoren zu berechnen. Sobald die Sondenbewegung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berechnet ist, wird das “aktuelle” Bild nacheinander mit den vorhergehenden Bildern zusammengeführt. Die EFOV-US-Methode ermöglicht die direkte Messung langer, gekrümmter Muskelfaszikel und hat sich über Muskeln, Studien und Sonographen hinweg als zuverlässig erwiesen23,24,25 und gilt sowohl für flache als auch für gekrümmte ^{Oberflächen23,26}.

Die Implementierung von Ultraschall zur Messung der Muskelfaszikellänge in vivo ist nicht trivial. Im Gegensatz zu anderen bildgebenden Verfahren, die mehr automatisierte Protokolle (d.h. MRT, CT) beinhalten, ist Ultraschall von den Fähigkeiten und anatomischen Kenntnissen des Sonographen ^{abhängig27,28}. Es besteht die Befürchtung, dass eine Fehlausrichtung der Sonde mit der Faszikelebene zu erheblichen Fehlern bei den Faszikelmessungen führen kann. Eine Studie zeigt einen geringen Unterschied (im Durchschnitt < 3 mm) in den Messungen der Faszikellänge, die mit Ultraschall und DTI-MRT aufgenommen wurden, zeigt aber auch, dass die Messgenauigkeit gering ist (Standardabweichung der Differenz ~ 12 mm)²⁹. Dennoch hat sich gezeigt, dass ein unerfahrener Sonograph mit Übung und Anleitung eines erfahrenen Sonographen gültige Messungen mit ^EFOV-US23 erhalten kann. Daher sollten Anstrengungen unternommen werden, um geeignete Protokolle nachzuweisen, um menschliche Fehler zu reduzieren und die Genauigkeit der mit EFOV-US erhaltenen Messungen zu verbessern. Letztendlich kann die Entwicklung und gemeinsame Nutzung geeigneter Protokolle die Anzahl der Experimentatoren und Labors erhöhen, die Faszikellängendaten aus der Literatur reproduzieren oder neue Daten in Muskeln erhalten können, die noch nicht in vivo untersucht wurden.

In diesem Protokoll demonstrieren wir, wie die EFOV-US-Methode implementiert werden kann, um qualitativ hochwertige muskuloskelettale Bilder zu erhalten, die zur Quantifizierung der Muskelfaszikellänge verwendet werden können. Insbesondere befassen wir uns mit (a) dem Sammeln von EFOV-US-Bildern einer einzelnen oberen Extremität und eines einzelnen Musculus der unteren Extremität, (b) der Bestimmung der “Qualität” des EFOV-US-Bildes in Echtzeit und (c) der Offline-Quantifizierung von Muskelarchitekturparametern. Wir stellen diesen detaillierten Leitfaden zur Verfügung, um die Einführung der EFOV-US-Methode zur Gewinnung von Muskelfaszikellängendaten in Muskeln zu fördern, die in vivo aufgrund ihrer langen Faszikel nicht untersucht wurden.

Protocol

Das Institutional Review Board (IRB) der Northwestern University genehmigte die Verfahren dieser Studie. Alle Teilnehmer, die an dieser Arbeit teilnahmen, gaben vor Beginn des unten beschriebenen Protokolls ihre Einwilligung nach Aufklärung.HINWEIS: Das spezifische Ultraschallsystem, das in dieser Studie verwendet wurde, verfügte über EFOV-US-Fähigkeiten und wurde übernommen, weil wir Details und Validitätsbewertungen für den Algorithmus in der wissenschaftlichen Literatur überprüfen konnte…

Representative Results

Erweiterter Sichtfeld-Ultraschall (EFOV-US) wurde implementiert, um Bilder vom langen Kopf des Bizeps brachii und der Tibialis anterior bei 4 gesunden Freiwilligen zu erhalten (Tabelle 1). Abbildung 1 zeigt, welche EFOV-US-Bilder beider Muskeln in dieser repräsentativen Bildgebungssitzung abgebildet sind, und hebt wichtige Aspekte jedes Bildes hervor, wie Muskelaponeriose, zentrale Sehne, Faszikelpfad usw. Nach Abschluss der Bildgebungssitzung wurden 3 qualitativ “gute” Bil…

Discussion

Kritische Schritte im Protokoll.

Es gibt einige kritische Komponenten, um qualitativ hochwertige EFOV-US-Bilder zu erhalten, die gültige und zuverlässige Faszikellängenmessungen liefern. Erstens ist es, wie in Methode 1.1.2 angegeben, wichtig, dass sich der Sonograph Zeit nimmt, um sich mit der Anatomie des abgebildeten Muskels sowie den umgebenden Muskeln, Knochen und anderen Weichteilstrukturen vertraut zu machen. Dies verbessert die Fähigkeit des Sonographen, den richti…

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