Summary

الحصول على جودة ممتدة مجال عرض صور الموجات فوق الصوتية من العضلات الهيكل العظمي لقياس طول العضلات Fascicle

Published: December 14, 2020
doi:

Summary

تصف هذه الدراسة كيفية الحصول على صور العضلات والعظام عالية الجودة باستخدام طريقة الموجات فوق الصوتية الموسعة في مجال الرؤية (EFOV-US) لغرض اتخاذ تدابير طول اللفافة العضلية. نحن نطبق هذه الطريقة على العضلات مع اللفافات التي تمتد الماضي مجال الرؤية من الموجات فوق الصوتية التقليدية المشتركة (T-الولايات المتحدة) تحقيقات.

Abstract

طول اللفافة العضلية، والذي يقاس عادة في الجسم الحي باستخدام الموجات فوق الصوتية التقليدية، هو معلمة هامة تحدد قدرة توليد قوة العضلات. ومع ذلك، أكثر من 90٪ من جميع عضلات الأطراف العلوية و 85٪ من جميع عضلات الأطراف السفلية لديها أطوال اللفافة المثلى أطول من مجال الرؤية من المسابير التقليدية الشائعة بالموجات فوق الصوتية (T-US). يمكن لطريقة أحدث وأقل استخداما تسمى الموجات فوق الصوتية الموسعة لحقل الرؤية (EFOV-US) تمكين القياس المباشر للواجهات لفترة أطول من مجال الرؤية لصورة T-US واحدة. وقد ثبت أن هذه الطريقة ، التي تناسب تلقائيا معا سلسلة من الصور تي الولايات المتحدة من مسح ديناميكي ، لتكون صالحة وموثوق بها للحصول على أطوال اللفافة العضلية في الجسم الحي. على الرغم من العضلات الهيكل العظمي العديدة مع اللفافات الطويلة وصحة طريقة EFOV-US لإجراء قياسات لمثل هذه اللفافات، استخدمت دراسات قليلة منشورة هذه الطريقة. في هذه الدراسة، ونحن نظهر على حد سواء كيفية تنفيذ طريقة EFOV-الولايات المتحدة للحصول على صور العضلات والعظام عالية الجودة وكيفية تحديد أطوال اللفافة من تلك الصور. نتوقع أن تشجع هذه المظاهرة على استخدام طريقة EFOV-US لزيادة مجموعة العضلات ، سواء في مجموعات السكان الصحية أو الضعيفة ، والتي لدينا بيانات طولها في اللفافة العضلية الحية.

Introduction

طول Fascicle هو معلمة هامة من الهيكل العظمي هندسة العضلات، والتي عموما يدل على قدرة العضلات لإنتاج force1،2. على وجه التحديد، طول اللفافة العضلات يوفر نظرة ثاقبة في النطاق المطلق للأطوال التي يمكن أن تولد العضلات قوة نشطة3،4. على سبيل المثال، نظرا لعضلات اثنين مع قيم متطابقة لجميع المعلمات توليد القوة متساوي القياس (أي متوسط طول الساركومير، زاوية الكتابة، منطقة مقطعية الفسيولوجية، حالة الانكماش، الخ) باستثناء طول اللفافة، فإن العضلات مع اللفافات أطول إنتاج قوتها الذروة في طول أطول، وسوف تنتج قوة على مدى أوسع من أطوال من العضلات مع fascicles أقصر3 . يعد التحديد الكمي لطول اللفافة العضلية مهما لفهم كل من وظيفة العضلات الصحية والتغيرات في قدرة توليد القوة للعضلات ، والتي يمكن أن تحدث نتيجة لتغيير استخدام العضلات (على سبيل المثال ، شل الحركة5 ،6 ، ممارسة التدخل7،8،9 ، الكعب العالي wearing10) أو تغيير في بيئة العضلات (على سبيل المثال ، جراحة نقل الأوتار11 ، تشتيت أطرافه12 ). تم الحصول على قياسات طول اللفافة العضلية في الأصل من خلال التجارب الجسمية الحية السابقة التي تسمح للقياس المباشر للfascicles 13،14،15،16 تشريح. وأدت المعلومات القيمة التي قدمتها هذه التجارب الحية إلى الاهتمام بتنفيذ أساليب الجسم الحي17,18,19 لمعالجة الأسئلة التي لم يكن من الممكن الإجابة عليها في الجثث؛ في أساليب الجسم الحي تسمح للقياس الكمي للمعلمات العضلات في دولة الأصلي وكذلك في المواقف المشتركة المختلفة, مختلف الدول تقلص العضلات, تحميل مختلفة أو تفريغ الدول, وعبر السكان مع ظروف مختلفة (أي صحية / الجرحى, الصغار / كبار السن, إلخ. ). في معظم الأحيان، الموجات فوق الصوتية هي الطريقة المستخدمة للحصول على أطوال اللفافة العضلية في الجسم الحي18،19،20؛ هو أسرع وأقل تكلفة وأسهل لتنفيذ من تقنيات التصوير الأخرى، مثل نشر التصوير الشد (DTI)18،21.

وقد ثبت تمديد مجال الرؤية بالموجات فوق الصوتية (EFOV-US) لتكون وسيلة صالحة وموثوق بها لقياس طول اللفافة العضلية في الجسم الحي. في حين تنفذ عادة، الموجات فوق الصوتية التقليدية (T-الولايات المتحدة) لديه مجال الرؤية التي تقتصر على طول الصفيف محول الموجات فوق الصوتية (عادة بين 4 و 6 سم، على الرغم من أن هناك تحقيقات التي تمتد إلى 10 سم10)18،20. للتغلب على هذا القيد، طور وينغ وآخرون تقنية EFOV-US التي تكتسب تلقائيا صورة “بانورامية” مركبة ثنائية الأبعاد (يصل طولها إلى 60 سم) من مسح ديناميكي ممتد لمسافات22. يتم إنشاء الصورة عن طريق تركيب معا، في الوقت الحقيقي، سلسلة من الصور التقليدية، B-وضع الموجات فوق الصوتية كما محول بمسح حيوي الكائن من الفائدة. ونظرا لأن الصور المتتالية من T-US تحتوي على مناطق متداخلة كبيرة، يمكن استخدام الاختلافات الصغيرة من صورة إلى أخرى لحساب حركة المسبار دون استخدام مستشعرات الحركة الخارجية. بمجرد حساب حركة المسبار بين صورتين متتاليتين ، يتم دمج الصورة “الحالية” تباعا مع الصور السابقة. تسمح طريقة EFOV-US بالقياس المباشر للواجهات العضلية الطويلة المنحنية وقد ثبت أنها موثوقة عبر العضلات والتجارب والسونوغرافيين23,24,25 وصالحة لكل من الأسطح المسطحة والمنحنية23,26.

تنفيذ الموجات فوق الصوتية لقياس طول اللفافة العضلية في الجسم الحي ليست تافهة. على عكس تقنيات التصوير الأخرى التي تنطوي على بروتوكولات أكثر تلقائية (أي التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي)، تعتمد الموجات فوق الصوتية على مهارة السونوغرافي والمعرفة التشريحية27,28. وهناك قلق من أن اختلال التحقيق مع طائرة اللفافة قد يسبب خطأ كبيرا في تدابير اللفافة. وتوضح إحدى الدراسات فرقا ضئيلا (في المتوسط < 3 مم) في مقاييس طول اللفافة التي يتم التقاطها باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي بالموجات فوق الصوتية والتصوير بالرنين المغناطيسي DTI ولكنها تظهر أيضا أن دقة القياس منخفضة (الانحراف المعياري للفرق ~ 12 مم)29. ومع ذلك ، فقد ثبت أن سونوغرافي مبتدئ ، مع الممارسة والتوجيه من سونوغرافي من ذوي الخبرة ، يمكن الحصول على meaures صالحة باستخدام EFOV – US23. ولذلك، ينبغي بذل الجهود لإثبات البروتوكولات المناسبة للحد من الأخطاء البشرية وتحسين دقة القياسات التي تم الحصول عليها باستخدام EFOV-US. وفي نهاية المطاف، قد يؤدي وضع وتبادل البروتوكولات المناسبة إلى زيادة عدد المجرفين والمختبرات التي يمكنها إعادة إنتاج بيانات طول اللفافة من الأدبيات أو الحصول على بيانات جديدة في العضلات التي لم تدرس بعد في الجسم الحي.

في هذا البروتوكول، ونحن نظهر كيفية تنفيذ طريقة EFOV-الولايات المتحدة للحصول على صور العضلات والعظام عالية الجودة التي يمكن استخدامها لقياس طول اللفافة العضلية. على وجه التحديد ، نعالج (أ) جمع صور EFOV-US لطرف علوي واحد وعضلات طرف سفلي واحد (ب) تحديد ، في الوقت الحقيقي ، “جودة” صورة EFOV-US ، و (ج) تحديد معلمات هندسة العضلات دون اتصال. نحن نقدم هذا الدليل المفصل لتشجيع اعتماد طريقة EFOV-US للحصول على بيانات طول اللفافة العضلية في العضلات التي ذهبت دون أن يتم مسحها في الجسم الحي بسبب اللفافات الطويلة.

Protocol

وافق مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة نورث وسترن (IRB) على إجراءات هذه الدراسة. أعطى جميع المشاركين المسجلين في هذا العمل موافقة مستنيرة قبل بدء البروتوكول المفصل أدناه.ملاحظة: نظام الموجات فوق الصوتية المحدد المستخدم في هذه الدراسة كان لديه قدرات EFOV-US وتم اعتماده لأننا تمكنا من مراجعة تف?…

Representative Results

تم تنفيذ الموجات فوق الصوتية الموسعة في مجال الرؤية (EFOV-US) للحصول على صور من الرأس الطويل ل brachii العضلة ذات الرأسين و الأمامية الساقية في 4 متطوعين أصحاء (الجدول 1). الشكل 1 يبين ما EFOV الولايات المتحدة صور من كل من العضلات المصورة في هذه الدورة التصوير التمثيلي ويسلط ا…

Discussion

الخطوات الهامة في البروتوكول.

هناك عدد قليل من المكونات الهامة للحصول على صور EFOV-US عالية الجودة التي تسفر عن مقاييس طول اللفافة صالحة وموثوق بها. أولا، كما هو مبين في الطريقة 1.1.2 من الضروري أن السونوغرافي يستغرق وقتا طويلا لتصبح مألوفة مع تشريح العضلات التي يتم تصو?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ونود أن نشكر فيكرام داربه وباتريك فرانكس على توجيهاتهما التجريبية. ويدعم هذا العمل برنامج زمالة بحوث الدراسات العليا التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم في إطار المنحة رقم 1000/1999. DGE-1324585 وكذلك المعاهد القومية للصحة R01D084009 و F31AR076920. أي آراء أو نتائج أو استنتاجات أو توصيات يتم التعبير عنها في هذه المواد هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة وجهات نظر المؤسسة الوطنية للعلوم أو المعاهد القومية للصحة.

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

Referências

  1. 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).
  2. Gans, C. Fiber architecture and muscle function. Exercise and Sports Sciences Reviews. 10, 160-207 (1982).
  3. Lieber, R. L., Fridén, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle & Nerve. 23 (11), 1647-1666 (2000).
  4. 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).
  5. Williams, P. E., Goldspink, G. The effect of immobilization on the longitudinal growth of striated muscle fibres. Journal of Anatomy. 116 (1), 45 (1973).
  6. Williams, P. E., Goldspink, G. Changes in sarcomere length and physiological properties in immobilized muscle. Journal of Anatomy. 127 (3), 459-468 (1978).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Lieber, R. L., Friden, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle Nerve. 23, 1647-1666 (2000).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Fukunaga, T., Kawakami, Y., Kuno, S., Funato, K., Fukashiro, S. Muscle architecture and function in humans. Journal of Biomechanics. 30 (5), 457-463 (1997).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Weng, L., et al. US extended-field-of-view imaging technology. Radiology. 203 (3), 877-880 (1997).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Pinto, A., et al. Sources of error in emergency ultrasonography. Critical Ultrasound Journal. 5 (1), 1 (2013).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Norkin, C. C., White, J. D. . Measurement Of Joint Motion: A Guide To Goniometry. 5th edn. , (2016).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Pillen, S., van Alfen, N. Skeletal muscle ultrasound. Neurological Research. 33 (10), 1016-1024 (2011).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. Pang, B. S., Ying, M. Sonographic measurement of Achilles tendons in asymptomatic subjects. Journal of Ultrasound in Medicine. 25 (10), 1291-1296 (2006).
  51. 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).
  52. 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).
  53. 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).
  54. 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).
  55. 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).
check_url/pt/61765?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
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).

View Video