Få kvalitet förlängda synfält ultraljud bilder av skelettmuskulatur för att mäta muskel fascicle längd

Summary

Denna studie beskriver hur man får högkvalitativa muskuloskeletala bilder med hjälp av metoden extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) i syfte att göra muskel fascicle längd åtgärder. Vi tillämpar denna metod på muskler med fascicles som sträcker sig förbi synfältet av vanliga traditionella ultraljud (T-US) sonder.

Abstract

Muskel fascicle längd, som vanligtvis mäts in vivo med hjälp av traditionell ultraljud, är en viktig parameter som definierar en muskel kraft generera kapacitet. Över 90% av alla övre delen muskler och 85% av alla nedre delen muskler har dock optimala fascicle längder längre än synfältet av vanliga traditionella ultraljud (T-US) sonder. En nyare, mindre ofta antagen metod som kallas extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) kan möjliggöra direkt mätning av fascicles längre än synfältet för en enda T-US bild. Denna metod, som automatiskt passar ihop en sekvens av T-US bilder från en dynamisk skanning, har visat sig vara giltig och tillförlitlig för att erhålla muskel fascicle längder in vivo. Trots de många skelettmusklerna med långa fascicles och giltigheten av EFOV-US metoden för att göra mätningar av sådana fascicles, har få publicerade studier använt denna metod. I denna studie visar vi både hur man implementerar EFOV-US-metoden för att erhålla högkvalitativa muskuloskeletala bilder och hur man kvantifierar fasciclelängder från dessa bilder. Vi förväntar oss att denna demonstration kommer att uppmuntra användningen av EFOV-US metoden för att öka poolen av muskler, både i friska och nedsatta populationer, för vilka vi har in vivo muskel fascicle längd data.

Introduction

Fascicle längd är en viktig parameter för skelettmuskulatur arkitektur, som övergripande är vägledande för en muskel förmåga att producera ^kraft1,2. Specifikt ger en muskel fascicle längd insikt i det absoluta intervallet av längder över vilka en muskel kan generera aktiv ^kraft3,4. Till exempel, med tanke på två muskler med identiska värden för alla isometriska kraftgenererande parametrar (dvs. genomsnittlig sarkomerlängd, pennationsvinkel, fysiologiskt tvärsnittsområde, kontraktionstillstånd etc.) med undantag för fasciclelängd, skulle muskeln med de längre fascicles producera sin toppkraft på en längre längd och skulle producera kraft över ett bredare spektrum av längder än muskeln med kortare ^fascicles3 . Kvantifiering av muskelfascicle längd är viktigt för att förstå både hälsosam muskelfunktion och förändringar i en muskels kraftgenererande kapacitet, som kan uppstå som ett resultat av förändrad muskelanvändning (t.ex. ^{immobilisering5,6}, motion ^{intervention7,8,9}, hög häl ^bär10) eller en förändring i muskelns miljö (t.ex. senöverföring ^kirurgi11, lem ^{distraktion12} ). Mätningar av muskel fascicle längd erhölls ursprungligen genom ex vivo kadaveric experiment som möjliggör direkt mätning av dissekerade fascicles13,14,15,16. Den värdefulla information som tillhandahölls av dessa ex vivo-experiment ledde till ett intresse av att genomföra in vivo-metoder17,18,19 för att ta itu med frågor som inte kunde besvaras hos kadaver. In vivo-metoder möjliggör kvantifiering av muskelparametrar i ett inhemskt tillstånd samt vid olika ledställningar, olika muskelkontraktionstillstånd, olika belastnings- eller lossningstillstånd och mellan populationer med olika tillstånd (dvs. friska/skadade, unga/gamla osv.). Oftast är ultraljud den metod som används för att erhålla in vivo muskel fascicle längder18,19,20; Det är snabbare, billigare och lättare att implementera än andra bildframställningstekniker, såsom diffusion tensor imaging (DTI)^18,21.

Extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) har visat sig vara en giltig och tillförlitlig metod för att mäta muskel fascicle längd in vivo. Medan det ofta implementeras, traditionell ultraljud (T-US) har ett synfält som begränsas av ultraljudsgivarens matrislängd (vanligtvis mellan 4 och 6 cm, även om det finns sonder som sträcker sig till 10 ^cm10)^18,20. För att övervinna denna begränsning utvecklade Weng et al. en EFOV-US-teknik som automatiskt förvärvar en sammansatt, tvådimensionell “panoramabild” (upp till 60 cm lång) från en dynamisk, utökad avståndsskanning22. Bilden skapas genom att i realtid passa ihop en sekvens av traditionella ultraljudsbilder i B-läge när givaren dynamiskt skannar objektet av intresse. Eftersom sekventiella T-US-bilder har stora överlappande regioner kan de små skillnaderna från en bild till en annan användas för att beräkna avsökningsrörelsen utan användning av externa rörelsesensorer. När avsökningsrörelsen mellan två på varandra följande bilder har beräknats sammanfogas den “aktuella” bilden successivt med föregående bilder. EFOV-US-metoden möjliggör direkt mätning av långa, böjda muskelfascicles och har visat sig vara tillförlitlig över muskler, försök och sonografer23,24,25 och gäller för både plana och böjda ^ytor23,26.

Att genomföra ultraljud för att mäta muskel fascicle längd in vivo är inte trivialt. Till skillnad från andra bildbehandlingstekniker som involverar mer automatiserade protokoll (dvs. MRT, CT) är ultraljud beroende av sonographer skicklighet och anatomisk ^kunskap27,28. Det finns oro för att sond feljustering med fascicle planet kan orsaka betydande fel i fascicle åtgärder. En studie visar liten skillnad (i genomsnitt < 3 mm) i mått på fascicle längd som tas med ultraljud och DTI MRI men visar också att mätprecisionen är låg (standardavvikelse av skillnad ~12 mm)²⁹. Det har fortfarande visat sig att en nybörjare sonographer, med övning och vägledning från en erfaren sonographer, kan få giltiga meaures med ^EFOV-US23. Ansträngningar bör därför göras för att påvisa lämpliga protokoll för att minska den mänskliga faktorn och förbättra noggrannheten i de mätningar som erhållits med efov-US. I slutändan kan utveckling och delning av lämpliga protokoll utöka antalet experimenterare och laboratorier som kan reproducera fascicle längd data från litteraturen eller få nya data i muskler som ännu inte har studerats in vivo.

I detta protokoll visar vi hur man implementerar EFOV-US-metoden för att erhålla högkvalitativa muskuloskeletala bilder som kan användas för att kvantifiera muskel fascicle längd. Specifikt adresserar vi (a) samla EFOV-US bilder av en enda övre delen och en enda nedre delen muskel (b) bestämma, i realtid, “kvaliteten” på EFOV-US bilden, och (c) kvantifiera muskelarkitektur parametrar offline. Vi tillhandahåller denna detaljerade guide för att uppmuntra antagandet av EFOV-US metoden för att erhålla muskel fascicle längd data i muskler som har gått ostudied in vivo på grund av deras långa fascicles.

Protocol

Northwestern University’s Institutional Review Board (IRB) godkände förfarandena för denna studie. Alla deltagare som var inskrivna i detta arbete gav informerat samtycke innan protokollet som beskrivs nedan påbörjades.OBS: Det specifika ultraljudssystemet som användes i denna studie hade EFOV-US kapacitet och antogs eftersom vi kunde granska detaljer om och giltighet bedömningar för algoritmen i den vetenskapliga litteraturen22,26; flera andra system…

Representative Results

Extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) genomfördes för att få bilder från det långa huvudet av biceps brachii och tibialis främre i 4 friska frivilliga (tabell 1). Figur 1 visar vilka EFOV-US bilder av båda musklerna avbildade i denna representativa bildbehandling session och belyser viktiga aspekter av varje bild såsom muskel aponeurosis, central sena, fascicle väg, etc. Efter imaging sessionen var över, 3 kvalitativt “bra” bilder (figur 2…

Discussion

Kritiska steg i protokollet.

Det finns några kritiska komponenter för att erhålla efov-amerikanska bilder av hög kvalitet som ger giltiga och tillförlitliga fascicle längdmått. För det första, som anges i metod 1.1.2 är det viktigt att sonografen tar sig tid att bekanta sig med anatomin i muskeln som avbildas samt omgivande muskler, ben och andra mjukvävnadsstrukturer. Detta kommer att förbättra sonografens förmåga att avbilda rätt muskel och avgöra om flera b…

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