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의학

筋肉の筋の長さを測定するために骨格筋の品質拡張視野超音波画像を取得する

Published: December 14, 2020
doi:
10.3791/61765
,
1Department of Biomedical Engineering,Northwestern University, 2Department of Physical Medicine & Rehabilitation,Northwestern University Feinberg School of Medicine, 3Department of Physical Therapy and Human Movement Sciences,Northwestern University Feinberg School of Medicine, 4Shirley Ryan AbilityLab, 5Edward Hines, Jr. VA Hospital

Summary

本研究では、筋力筋長測定を目的とした拡張視野超音波(EFOV-US)法を用いて、高品質の筋骨格画像を得る方法を説明する。我々は、一般的な伝統的な超音波(T-US)プローブの視野を超えて伸びる筋を有する筋肉にこの方法を適用する。

Abstract

従来の超音波を用いて生体内で一般的に測定される筋魅惑の長さは、筋肉の力発生能力を定義する重要なパラメータである。しかし、すべての上肢の筋肉の90%以上、下肢の筋肉の85%は、一般的な伝統的な超音波(T-US)プローブの視野よりも長い最適な筋の長さを有する。拡張視野超音波(EFOV-US)と呼ばれる新しい、あまり頻繁に採用されていない方法は、単一のT-US画像の視野よりも長いファシクルの直接測定を可能にすることができます。この方法は、動的スキャンからT-US画像のシーケンスを自動的に一緒に収めるもので、インビボで筋肉の魅惑的な長さを得るために有効かつ信頼性が実証されています。長い筋胞を有する多数の骨格筋と、そのような粘膜の測定を行うためのEFOV-US法の有効性にもかかわらず、この方法を利用した公表された研究はほとんどない。本研究では、EFOV-US法を実装して高品質の筋骨格画像を得る方法と、それらの画像から魅惑的な長さを定量化する方法の両方を示す。このデモは、生体内筋力の長さのデータを持っている健康な集団と障害のある集団の両方で、筋肉のプールを増やすためにEFOV-US法の使用を奨励することを期待する。

Introduction

筋膜の長さは骨格筋アーキテクチャの重要なパラメータであり、全体的には筋肉が力を産生する能力を示す1,2である。具体的には、筋肉の魅惑的な長さは、筋肉がアクティブな力を生成することができる長さの絶対範囲への洞察を提供します3,4。例えば、すべての等方体力生成パラメータ(すなわち、平均サルコメアの長さ、ペニング角度、生理学的断面積、収縮状態など)に同じ値を持つ2つの筋肉を与えられた場合、長いファスクルを持つ筋肉は長い長さでピークフォースを生成し、短いfascicles3を持つ筋肉よりも広い範囲の長さで力を生み出すだろう3.筋肉の魅惑の長さの定量化は、筋肉の筋肉の使用の変化(例えば、固定化5、6、運動介入7、8、9、高ヒール着用10)または筋肉の環境の変化(例えば、腱転移手術11、気晴らし)の結果として起こり得る筋肉の力を発生させる能力の健康な筋肉機能と変化の両方を理解するために重要である).筋ファシクルの長さの測定は、元の生体内のカダビリック実験を通じて得られたもので、解剖されたfascicles13,14,15,16の直接測定を可能にした。これらのex vivo実験によって提供される貴重な情報は、死体で答えられなかった質問に対処するためにin vivoメソッド17,18,19を実装することに関心を持つものとなった。in vivoメソッドは、ネイティブ状態で、異なる関節姿勢、異なる筋肉収縮状態、異なる積み降ろし状態、および異なる状態(健康/負傷、若い/古いなど)を持つ集団間で筋肉パラメータを定量化することを可能にします。最も頻繁に、超音波は、生体内筋の筋の筋の長さを得るために採用される方法である18、19,20;拡散テンソルイメージング(DTI)18,21のような他のイメージング技術よりも速く、より安価で、実装が容易です。

拡張視野超音波(EFOV-US)は、生体内で筋肉の魅惑の長さを測定するための有効かつ信頼性の高い方法であることが実証されている。一般的に実装されている間、従来の超音波(T-US)は、超音波トランスデューサの配列の長さ(通常4〜6cmの間で、10 cm10)18,20まで及ぶプローブがあるが、視野を有する。この制限を克服するために、Wengらは動的な長距離scan22から合成された2次元の「パノラマ」画像(長さ60cmまで)を自動的に取得するEFOV-US技術を開発しました。画像は、トランスデューサが目的の対象を動的にスキャンする場合、リアルタイムで従来のBモード超音波画像のシーケンスを一緒にフィットさせることによって作成されます。連続するT-US画像は大きな重なり合う領域を持つため、外部モーションセンサーを使用せずに、1つの画像から次の画像へのわずかな違いを使用してプローブの動きを計算することができます。連続する2つの画像間のプローブの動きが計算されると、「現在」の画像は、前の画像と連続してマージされます。EFOV-US法は、長く湾曲した筋の筋の直接測定を可能にし、筋肉、試験、およびソノグラファー23,24,25および平らなおよび曲面両方に有効であることを証明した。

生体内で筋肉の魅惑的な長さを測定するために超音波を実施することは些細なことではありません。より自動化されたプロトコル(すなわち、MRI、CT)を含む他の画像化技術とは異なり、超音波はソノグラファーのスキルと解剖学的知識27,28に依存する。ファシクル面とのプローブの位置合わせが、ファシクル対策に大きな誤差を引き起こす可能性が懸念されています。1つの研究は、超音波およびDTI MRIを用いて取られた魅惑の長さの測定において(平均3mm<平均)ほとんど違いが示されないが、測定精度が低い(差の標準偏差〜12mm)29も示している。それでも、経験豊富なソノグラファーからの練習と指導を受けた初心者のソノグラファーが、EFOV-US23を使用して有効なメアを得ることができることを示しています。したがって、人為的ミスを減らし、EFOV-USを用いて得られた測定の精度を向上させるための適切なプロトコルを実証する努力が必要である。最終的には、適切なプロトコルを開発し、共有することは、文献から魅惑的な長さのデータを再現したり、まだインビボで研究されていない筋肉の新しいデータを得ることができる実験者や研究室の数を拡大する可能性があります。

本プロトコルでは、EFOV-US法を実装して、筋の筋の長さを定量化するために使用できる高品質の筋骨格画像を得る方法を示す。具体的には、(a)単一の上肢および単一の下肢筋(b)のEFOV-US画像を収集し、リアルタイムでEFOV-US画像の「品質」を決定し、(c)オフラインの筋肉アーキテクチャパラメータを定量する。我々は、彼らの長いファシクルのために生体内で研究されていない筋肉の筋肉の筋ファシクル長さデータを取得するためのEFOV-US法の採用を奨励するために、この詳細なガイドを提供します。

Protocol

ノースウェスタン大学の制度審査委員会(IRB)は、この研究の手順を承認しました。この作業に登録されたすべての参加者は、以下に詳述するプロトコルを開始する前にインフォームド・コンセントを与えました。注:この研究で使用される特定の超音波システムは、EFOV-US機能を有し、我々は科学文献22,26のアルゴリズムの詳細と有効性評価を確認?…

Representative Results

拡張視野超音波(EFOV-US)は、4人の健常なボランティアで上腕二頭筋の頭と脛表の前頭部から画像を得るために実施した(表1)。図1は、この代表的なイメージングセッションで画像化された両筋肉のEFOV-US画像を示し、筋肉のアポンユーロシス、中央腱、魅惑路などの各画像の重要な側面を強調しています。撮像セッションが終わった後、3つの定性的に「良い」?…

Discussion

プロトコルの重要なステップ。

有効で信頼性の高いファシクル長さの測定をもたらす、EFOV-US の高品質のイメージを取得するための重要なコンポーネントがいくつかあります。まず、方法1.1.2で示されているように、ソノグラファーは、周囲の筋肉、骨、および他の軟部組織構造だけでなく、画像化されている筋肉の解剖学に慣れるのに時間がかかることが?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ヴィクラム・ダルベとパトリック・フランクスの実験的指導に感謝します。この作品は、国立科学財団大学院研究フェローシッププログラムの助成No.DGE-1324585、およびNIH R01D084009およびF311AR076920。この資料に記載されている意見、調査結果、結論または勧告は著者のものであり、必ずしも国立科学財団またはNIHの見解を反映しているわけではありません。

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
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Keywords: Extended Field Of View UltrasoundEFOV-USMuscle Fascicle LengthMusculoskeletal AnatomyJoint Angle MeasurementUltrasound Image AcquisitionUltrasound TransducerUltrasound GelMuscle Short Axis Plane
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Adkins, A. N., Murray, W. M. Obtaining Quality Extended Field-of-View Ultrasound Images of Skeletal Muscle to Measure Muscle Fascicle Length. J. Vis. Exp. (166), e61765, doi:10.3791/61765 (2020).
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