Oppnå kvalitet utvidet synsfelt ultralyd bilder av skjelettmuskulatur for å måle muskel fascicle lengde

Summary

Denne studien beskriver hvordan du oppnår høykvalitets muskuloskeletale bilder ved hjelp av den utvidede synsfelt ultralyd (EFOV-US) metoden med det formål å lage muskelfascicle lengde tiltak. Vi bruker denne metoden på muskler med fascicles som strekker seg forbi synsfeltet til vanlige tradisjonelle ultralyd (T-US) sonder.

Abstract

Muskel fascicle lengde, som ofte måles in vivo ved hjelp av tradisjonell ultralyd, er en viktig parameter som definerer en muskel kraft genererer kapasitet. Imidlertid har over 90% av alle øvre lemmuskler og 85% av alle nedre lemmer muskler optimale fascicle lengder lenger enn synsfeltet til vanlige tradisjonelle ultralyd (T-US) sonder. En nyere, sjeldnere vedtatt metode kalt utvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) kan muliggjøre direkte måling av fascicles lenger enn synsfeltet til et enkelt T-US-bilde. Denne metoden, som automatisk passer sammen en sekvens av T-US-bilder fra en dynamisk skanning, har vist seg å være gyldig og pålitelig for å oppnå muskelfascicle lengder in vivo. Til tross for de mange skjelettmusklene med lange fascicles og gyldigheten av EFOV-US-metoden for å gjøre målinger av slike fascicles, har få publiserte studier brukt denne metoden. I denne studien demonstrerer vi både hvordan du implementerer EFOV-US-metoden for å oppnå muskuloskeletalbilder av høy kvalitet og hvordan du kvantifiserer fasciclelengder fra disse bildene. Vi forventer at denne demonstrasjonen vil oppmuntre til bruk av EFOV-US-metoden for å øke bassenget av muskler, både i sunne og svekkede populasjoner, som vi har in vivo muskelfascicle lengdedata for.

Introduction

Fascicle lengde er en viktig parameter for skjelettmuskulatur arkitektur, som generelt indikerer en muskel evne til å produsere ^force1,2. Spesielt gir en muskels fascicle lengde innsikt i det absolutte spekteret av lengder som en muskel kan generere aktiv ^kraft3,4. For eksempel, gitt to muskler med identiske verdier for alle isometriske kraftgenererende parametere (dvs. gjennomsnittlig sarcomere lengde, penneringsvinkel, fysiologisk tverrsnittsområde, sammentrekningstilstand, etc.) bortsett fra fascicle lengde, muskelen med lengre fascicles ville produsere sin toppkraft i lengre lengde og ville produsere kraft over et bredere spekter av lengder enn muskelen med kortere fascicles3 . Kvantifisering av muskelfascicle lengde er viktig for å forstå både sunn muskelfunksjon og endringer i en muskels kraftgenererende kapasitet, som kan oppstå som følge av endret muskelbruk (f.eks. immobilisering5,6, treningsintervensjon7,8,9, høy hæl ^iført10) eller en endring i muskelens miljø (f.eks. seneoverføringskirurgi11, lem ^{distraksjon12} ). Målinger av muskelfascicle lengde ble opprinnelig oppnådd gjennom ex vivo kadaveriske eksperimenter som muliggjør direkte måling av dissekerte fascicles13,14,15,16. Den verdifulle informasjonen fra disse ex vivo-eksperimentene førte til interesse for å implementere in vivo-metoder17,18,19 for å ta opp spørsmål som ikke kunne besvares i kadaver; in vivo-metoder muliggjør kvantifisering av muskelparametere i innfødt tilstand så vel som ved forskjellige leddstillinger, forskjellige muskelkontraksjonstilstander, forskjellige laste- eller lossetilstander, og på tvers av populasjoner med forskjellige forhold (dvs. sunne / skadede, unge / gamle, etc.). Oftest er ultralyd metoden som brukes for å oppnå in vivo muskel fascicle lengder18,19,20; Det er raskere, billigere og enklere å implementere enn andre avbildningsteknikker, for eksempel diffusjons tensoravbildning (DTI)^18,21.

Utvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) har vist seg å være en gyldig og pålitelig metode for måling av muskelfascicle lengde in vivo. Mens det vanligvis implementeres, har tradisjonell ultralyd (T-US) et synsfelt som er begrenset av ultralydtransduserens matriselengde (vanligvis mellom 4 og 6 cm, selv om det er sonder som strekker seg til 10 ^cm10)^18,20. For å overvinne denne begrensningen utviklet Weng et al. en EFOV-US-teknologi som automatisk får et sammensatt, todimensjonalt “panorama” bilde (opptil 60 cm langt) fra en dynamisk, utvidet ^{avstandsskanning22}. Bildet er laget ved å passe sammen, i sanntid, en sekvens av tradisjonelle, B-modus ultralydbilder når svingeren dynamisk skanner gjenstanden av interesse. Fordi sekvensielle T-US-bilder har store overlappende områder, kan de små forskjellene fra ett bilde til det neste brukes til å beregne sondebevegelsen uten bruk av eksterne bevegelsessensorer. Når sondebevegelsen mellom to påfølgende bilder er beregnet, slås det “gjeldende” bildet sammen suksessivt med de foregående bildene. EFOV-US-metoden tillater direkte måling av lange, buede muskelfascicles og har vist seg å være pålitelig på tvers av muskler, studier og sonografer23,24,25 og gyldig for både flate og buede ^{overflater23,26}.

Implementering av ultralyd for å måle muskelfascicle lengde in vivo er ikke trivielt. I motsetning til andre avbildningsteknikker som involverer mer automatiserte protokoller (dvs. MR, CT), er ultralyd avhengig av sonografferdigheter og anatomisk ^{kunnskap27,28}. Det er bekymring for at sonde feiljustering med fascicle flyet kan forårsake betydelig feil i fascicle tiltak. En studie viser liten forskjell (i gjennomsnitt < 3 mm) i mål på fascicle lengde tatt ved hjelp av ultralyd og DTI MR, men viser også at målepresisjonen er lav (standardavvik av forskjell ~ 12 mm)²⁹. Likevel har det vist seg at en nybegynner sonograf, med praksis og veiledning fra en erfaren sonograf, kan få gyldige meaures ved hjelp av ^EFOV-US23. Det bør derfor arbeides for å demonstrere passende protokoller for å redusere menneskelig feil og forbedre nøyaktigheten av målinger oppnådd ved hjelp av EFOV-US. Til syvende og sist kan utvikling og deling av passende protokoller utvide antall eksperimenter og laboratorier som kan reprodusere fascicle lengdedata fra litteraturen eller få nye data i muskler som ennå ikke er studert in vivo.

I denne protokollen demonstrerer vi hvordan du implementerer EFOV-US-metoden for å oppnå høykvalitets muskuloskeletale bilder som kan brukes til å kvantifisere muskelfascicle lengde. Spesielt adresserer vi (a) samle EFOV-US bilder av en enkelt øvre lem og en enkelt nedre lem muskel (b) bestemme, i sanntid, “kvalitet” av EFOV-US bildet, og (c) kvantifisere muskel arkitektur parametere offline. Vi gir denne detaljerte guiden for å oppmuntre til vedtakelse av EFOV-US-metoden for å skaffe muskelfascicle lengde data i muskler som har gått unstudied in vivo på grunn av deres lange fascicles.

Protocol

Northwestern University’s Institutional Review Board (IRB) godkjente prosedyrene i denne studien. Alle deltakere som var påmeldt dette arbeidet ga informert samtykke før protokollen ble startet nedenfor.MERK: Det spesifikke ultralydsystemet som ble brukt i denne studien hadde EFOV-US evner og ble vedtatt fordi vi var i stand til å gjennomgå detaljer om og gyldighetsvurderinger for algoritmen i den vitenskapelige litteraturen22,26; flere andre systemer med…

Representative Results

Utvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) ble implementert for å få bilder fra det lange hodet på biceps brachii og tibialis fremre hos 4 friske frivillige (tabell 1). Figur 1 viser hvilke EFOV-US-bilder av begge musklene som er avbildet i denne representative bildeøkten, og fremhever viktige aspekter ved hvert bilde, for eksempel muskelaponeurose, sentral sene, fasciclebane osv. Etter at bildebehandlingsøkten var over, ble 3 kvalitativt “gode” bilder (fi…

Discussion

Kritiske trinn i protokollen.

Det er noen få kritiske komponenter for å oppnå EFOV-US-bilder av høy kvalitet som gir gyldige og pålitelige fascicle lengdemål. For det første, som angitt i metode 1.1.2, er det viktig at sonografen tar seg tid til å bli kjent med anatomien til muskelen som blir avbildet, så vel som omkringliggende muskler, bein og andre bløtvevsstrukturer. Dette vil forbedre sonografens evne til å avbilde riktig muskel og avgjøre om flere bilder fang…

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