Obtention d’images échographiques à champ de vision étendu de qualité du muscle squelettique pour mesurer la longueur du fascicule musculaire

Summary

Cette étude décrit comment obtenir des images musculo-squelettiques de haute qualité en utilisant la méthode EFOV-US (Extended Field-of-View Ultrasound) dans le but de mesurer la longueur du fascicule musculaire. Nous appliquons cette méthode aux muscles avec des fascicules qui s’étendent au-delà du champ de vision des sondes à ultrasons traditionnelles courantes (T-US).

Abstract

La longueur du fascicule musculaire, qui est généralement mesurée in vivo à l’aide d’ultrasons traditionnels, est un paramètre important définissant la capacité de génération de force d’un muscle. Cependant, plus de 90% de tous les muscles des membres supérieurs et 85% de tous les muscles des membres inférieurs ont des longueurs de fascicule optimales plus longues que le champ de vision des sondes échographiques traditionnelles courantes (T-US). Une méthode plus récente et moins fréquemment adoptée appelée échographie à champ de vision étendu (EFOV-US) peut permettre la mesure directe de fascicules plus longtemps que le champ de vision d’une seule image T-US. Cette méthode, qui assemble automatiquement une séquence d’images T-US à partir d’un balayage dynamique, s’est avérée valide et fiable pour obtenir des longueurs de fascicule musculaire in vivo. Malgré les nombreux muscles squelettiques avec de longs fascicules et la validité de la méthode EFOV-US pour effectuer des mesures de ces fascicules, peu d’études publiées ont utilisé cette méthode. Dans cette étude, nous démontrons à la fois comment mettre en œuvre la méthode EFOV-US pour obtenir des images musculo-squelettiques de haute qualité et comment quantifier la longueur des fascicules à partir de ces images. Nous nous attendons à ce que cette démonstration encourage l’utilisation de la méthode EFOV-US pour augmenter le bassin de muscles, à la fois dans les populations saines et altérées, pour lesquelles nous disposons de données in vivo sur la longueur des fascicules musculaires.

Introduction

La longueur du fascicule est un paramètre important de l’architecture des muscles squelettiques, ce qui, dans l’ensemble, indique la capacité d’un muscle à produire de la ^force1,2. Plus précisément, la longueur du fascicule d’un muscle donne un aperçu de la gamme absolue de longueurs sur lesquelles un muscle peut générer une force ^active3,4. Par exemple, étant donné deux muscles ayant des valeurs identiques pour tous les paramètres générateurs de force isométrique (c.-à-d. longueur moyenne du sarcomère, angle de pennation, section transversale physiologique, état de contraction, etc.), à l’exception de la longueur du fascicule, le muscle avec les fascicules les plus longs produirait sa force maximale à une longueur plus longue et produirait une force sur une gamme de longueurs plus large que le muscle avec des fascicules plus ^courts3 . La quantification de la longueur du fascicule musculaire est importante pour comprendre à la fois la fonction musculaire saine et les changements dans la capacité de génération de force d’un muscle, qui peuvent survenir à la suite d’une altération de l’utilisation musculaire (p. ex., ^{immobilisation5,6, intervention} d’exercice7,8,9, port du talon ^haut10) ou d’un changement dans l’environnement du muscle (p. ex., chirurgie de transfert de ^tendon11, distraction des ^membres12 ). Les mesures de la longueur du fascicule musculaire ont été obtenues à l’origine par des expériences cadavériques ex vivo qui permettent de mesurer directement les fascicules disséqués13,14,15,16. Les informations précieuses fournies par ces expériences ex vivo ont suscité un intérêt pour la mise en œuvre de méthodes in vivo17,18,19 pour répondre à des questions auxquelles il n’était pas possible de répondre dans les cadavres; Les méthodes in vivo permettent de quantifier les paramètres musculaires dans un état natif ainsi qu’à différentes postures articulaires, différents états de contraction musculaire, différents états de charge ou de déchargement, et à travers des populations avec des conditions différentes (c.-à-d. en bonne santé / blessé, jeune / vieux, etc.). Le plus souvent, l’échographie est la méthode utilisée pour obtenir des longueurs de fascicule musculaire in vivo18,19,20; elle est plus rapide, moins coûteuse et plus facile à mettre en œuvre que d’autres techniques d’imagerie, telles que l’imagerie par tenseur de diffusion (DTI)^18,21.

L’échographie à champ de vision étendu (EFOV-US) s’est avérée être une méthode valide et fiable pour mesurer la longueur du fascicule musculaire in vivo. Bien que couramment mises en œuvre, l’échographie traditionnelle (T-US) a un champ de vision limité par la longueur du réseau du transducteur à ultrasons (généralement entre 4 et 6 cm, bien qu’il existe des sondes qui s’étendent jusqu’à 10 ^cm10)^18,20. Pour surmonter cette limitation, Weng et al. ont développé une technologie EFOV-US qui acquiert automatiquement une image « panoramique » composite et bidimensionnelle (jusqu’à 60 cm de long) à partir d’un balayage dynamique à distance ^étendue22. L’image est créée en assemblant, en temps réel, une séquence d’images échographiques traditionnelles en mode B pendant que le transducteur scanne dynamiquement l’objet d’intérêt. Étant donné que les images T-US séquentielles ont de grandes régions qui se chevauchent, les petites différences d’une image à l’autre peuvent être utilisées pour calculer le mouvement de la sonde sans utiliser de capteurs de mouvement externes. Une fois que le mouvement de la sonde entre deux images consécutives est calculé, l’image « actuelle » est fusionnée successivement avec les images précédentes. La méthode EFOV-US permet la mesure directe de longs fascicules musculaires incurvés et s’est avérée fiable pour les muscles, les essais et les échographistes23,24,25 et valable pour les surfaces planes et ^courbes23,26.

La mise en œuvre d’ultrasons pour mesurer la longueur du fascicule musculaire in vivo n’est pas anodine. Contrairement à d’autres techniques d’imagerie qui impliquent des protocoles plus automatisés (c.-à-d. IRM, tomodensitométrie), l’échographie dépend des compétences de l’échographiste et des connaissances ^{anatomiques27,28}. On craint qu’un désalignement de la sonde avec le plan fascicule puisse entraîner une erreur substantielle dans les mesures du fascicule. Une étude démontre peu de différence (en moyenne < 3 mm) dans les mesures de la longueur du fascicule prises à l’aide de l’échographie et de l’IRM DTI, mais montre également que la précision de mesure est faible (écart type de différence ~ 12 mm)²⁹. Pourtant, il a été démontré qu’un échographiste novice, avec la pratique et les conseils d’un échographiste expérimenté, peut obtenir des mesures valides en utilisant EFOV-US23. Ainsi, des efforts devraient être faits pour démontrer des protocoles appropriés pour réduire les erreurs humaines et améliorer la précision des mesures obtenues à l’aide d’EFOV-US. En fin de compte, l’élaboration et le partage de protocoles appropriés peuvent augmenter le nombre d’expérimentateurs et de laboratoires capables de reproduire des données sur la longueur des fascicules provenant de la littérature ou d’obtenir de nouvelles données sur les muscles qui n’ont pas encore été étudiés in vivo.

Dans ce protocole, nous montrons comment mettre en œuvre la méthode EFOV-US pour obtenir des images musculo-squelettiques de haute qualité qui peuvent être utilisées pour quantifier la longueur du fascicule musculaire. Plus précisément, nous abordons (a) la collecte d’images EFOV-US d’un seul membre supérieur et d’un seul muscle du membre inférieur (b) la détermination, en temps réel, de la « qualité » de l’image EFOV-US et (c) la quantification des paramètres de l’architecture musculaire hors ligne. Nous fournissons ce guide détaillé pour encourager l’adoption de la méthode EFOV-US pour obtenir des données sur la longueur des fascicules musculaires dans les muscles qui n’ont pas été étudiés in vivo en raison de leurs longs fascicules.

Protocol

Le Conseil d’examen institutionnel (CISR) de l’Université Northwestern a approuvé les procédures de cette étude. Tous les participants inscrits à ce travail ont donné leur consentement éclairé avant de commencer le protocole détaillé ci-dessous.NOTE: Le système d’échographie spécifique utilisé dans cette étude avait des capacités EFOV-US et a été adopté parce que nous avons été en mesure d’examiner les détails et les évaluations de validité de l’algorithme dans la littérature <sup c…

Representative Results

L’échographie à champ de vision étendu (EFOV-US) a été mise en œuvre pour obtenir des images de la longue tête du biceps brachii et du tibialis antérieur chez 4 volontaires sains (tableau 1). La figure 1 montre les images EFOV-US des deux muscles imagées lors de cette séance d’imagerie représentative et met en évidence des aspects importants de chaque image tels que l’aponévrose musculaire, le tendon central, la trajectoire du fascicule, etc. Une fois la s…

Discussion

Étapes critiques du protocole.

Il existe quelques composants essentiels pour obtenir des images EFOV-US de qualité qui donnent des mesures de longueur de fascicule valides et fiables. Tout d’abord, comme indiqué dans la méthode 1.1.2, il est essentiel que l’échographiste prenne le temps de se familiariser avec l’anatomie du muscle imagé ainsi qu’avec les muscles environnants, les os et d’autres structures des tissus mous. Cela améliorera la capacité de l’é…

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