JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

קבלת איכות מורחב שדה הראייה תמונות אולטרסאונד של שריר השלד כדי למדוד את אורך שריר פשיסטי

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

מחקר זה מתאר כיצד להשיג תמונות שרירים ושלד באיכות גבוהה באמצעות שיטת אולטרסאונד שדה הראייה המורחבת (EFOV-US) לצורך ביצוע אמצעים אורך שריר פשיסטי. אנו מיישמים שיטה זו על שרירים עם פשיסטים המשתרעים על פני שדה הראייה של בדיקות אולטרסאונד מסורתיות נפוצות (T-US).

Abstract

אורך שריר פשיסטי, אשר נמדד בדרך כלל vivo באמצעות אולטרסאונד מסורתי, הוא פרמטר חשוב הגדרת כוח הייצור של השריר. עם זאת, מעל 90% מכל שרירי הגפיים העליונות ו -85% מכל שרירי הגפיים התחתונות יש אורכי פשיזם אופטימליים ארוכים יותר משדה הראייה של בדיקות אולטרסאונד מסורתיות נפוצות (T-US). שיטה חדשה יותר, מאומצת בתדירות נמוכה יותר הנקראת אולטרסאונד שדה ראייה מורחב (EFOV-US) יכולה לאפשר מדידה ישירה של פשיסטים ארוכה יותר משדה הראייה של תמונת T-US אחת. שיטה זו, אשר באופן אוטומטי מתאים יחד רצף של תמונות T-US מתוך סריקה דינמית, הוכח להיות תקף ואמין להשגת אורכי שריר פשיסטי ב vivo. למרות שרירי השלד הרבים עם פשיסטים ארוכים והתוקף של שיטת EFOV-US לביצוע מדידות של פשיסטים כאלה, מחקרים מעטים שפורסמו השתמשו בשיטה זו. במחקר זה, אנו מדגימים הן כיצד ליישם את שיטת EFOV-US כדי להשיג תמונות שרירים ושלד באיכות גבוהה וכיצד לכמת את האורכים הפשיסטיים מתמונות אלה. אנו מצפים כי הדגמה זו תעודד את השימוש בשיטת EFOV-US כדי להגדיל את מאגר השרירים, הן באוכלוסיות בריאות והן באוכלוסיות לקויות, שעבורן יש לנו נתונים באורך פשיסטי שרירי vivo.

Introduction

אורך פשיסטי הוא פרמטר חשוב של ארכיטקטורת שרירי השלד, אשר בסך הכל מעיד על היכולת של שריר לייצר כוח 1,2. באופן ספציפי, אורך הפשיסטי של השריר מספק תובנה על הטווח המוחלט של אורכים שעליהם שריר יכול לייצר כוח פעיל3,4. לדוגמה, בהינתן שני שרירים בעלי ערכים זהים לכל הפרמטרים האיזומטריים המייצרים כוח (כלומר, אורך סרקומר ממוצע, זווית פניות, אזור חתך פיזיולוגי, מצב התכווצות וכו ‘) למעט אורך פשיסטי, השריר עם הפשקלים הארוכים יותר יפיק את כוח השיא שלו באורך ארוך יותר ויפיק כוח על פני מגוון רחב יותר של אורכים מאשר השריר עם פשילים קצרים יותר3 . כימות אורך שרירים חשוב להבנת תפקוד שרירים בריא ושינויים ביכולת ייצור הכוח של השריר, אשר יכול להתרחש כתוצאה משינוי אורך השריר (למשל, immobilization5,6, התערבות פעילות גופנית7,8,9, עקב גבוה לובש10) או שינוי בסביבת השריר (למשל, ניתוח העברת גידים11, הסחת דעת גפיים12 ). מדידות של אורך שריר פשיסטי הושגו במקור באמצעות ניסויים קדוורים ex vivo המאפשרים מדידה ישירה של פשיסטים נותחו13,14,15,16. המידע רב הערך שסיפקו ניסויי ex vivo אלה הוביל לעניין ביישום שיטות vivo17,18,19 כדי לענות על שאלות שלא ניתן היה לענות עליהן בגופות; בשיטות vivo מאפשרות כימות של פרמטרי שרירים במצב ילידי כמו גם בתנוחות מפרקים שונות, מצבי התכווצות שרירים שונים, מצבי טעינה או פריקה שונים, ועל פני אוכלוסיות עם תנאים שונים (כלומר בריאים/פצועים, צעירים/זקנים וכו ‘). לרוב, אולטרסאונד היא השיטה המועסקת כדי להשיג באורכי פשקל שריר vivo18,19,20; הוא מהיר יותר, פחות יקר וקל יותר ליישום מטכניקות הדמיה אחרות, כגון הדמיית טנזור דיפוזיה (DTI)18,21.

אולטרסאונד שדה ראייה מורחב (EFOV-US) הוכח להיות שיטה תקפה ואמינה למדידת אורך שריר fascicle ב vivo. בעוד מיושם בדרך כלל, אולטרסאונד מסורתי (T-US) יש שדה ראייה אשר מוגבל על ידי אורך מערך מתמר אולטרסאונד (בדרך כלל בין 4 ל 6 ס”מ, אם כי יש בדיקות המשתרעות על 10 cm10)18,20. כדי להתגבר על מגבלה זו, Weng et al. פיתחו טכנולוגיית EFOV-US שרוכשת באופן אוטומטי תמונה “פנורמית” מורכבת ודו-ממדית (באורך של עד 60 ס”מ) מסריקת מרחק דינמית מורחבת22. התמונה נוצרת על ידי התאמה יחד, בזמן אמת, רצף של תמונות אולטרסאונד מסורתיות, מצב B כמו מתמר באופן דינמי סורק את מושא העניין. מכיוון שלתמונות T-US רציפות יש אזורים חופפים גדולים, ניתן להשתמש בהבדלים הקטנים מתמונה אחת לאחרת כדי לחשב את תנועת הגשוש ללא שימוש בחיישני תנועה חיצוניים. לאחר חישוב תנועת הבדיקה בין שתי תמונות רצופות, התמונה “הנוכחית” ממוזגת ברציפות עם התמונות הקודמות. שיטת EFOV-US מאפשרת מדידה ישירה של פשיקים ארוכים ומעוקלים בשרירים והודגמה כאמינה על פני שרירים, ניסויים וסונוגרפים23,24,25 ותקפה למשטחים שטוחים ומעוקלים23,26.

יישום אולטרסאונד כדי למדוד את אורך שריר fascicle ב vivo הוא לא טריוויאלי. שלא כמו טכניקות הדמיה אחרות המערבות פרוטוקולים אוטומטיים יותר (כלומר, MRI, CT), אולטרסאונד תלוי במיומנות סונוגרף וידע אנטומי27,28. קיים חשש כי אי-התאמה של בדיקה במישור הפשיסטי עלולה לגרום לשגיאה משמעותית בצעדים פשיסטיים. מחקר אחד מדגים הבדל קטן (בממוצע < 3 מ"מ) במדדים של אורך פשיסטי שנלקח באמצעות אולטרסאונד ו- DTI MRI, אך גם מראה כי דיוק המדידה נמוך (סטיית תקן של הבדל ~ 12 מ"מ)29. ובכל זאת, הוכח כי סונוגרף טירון, עם תרגול והדרכה מסונוגרף מנוסה, יכול להשיג meaures תקף באמצעות EFOV-US23. לכן, יש לעשות מאמצים להפגין פרוטוקולים מתאימים כדי להפחית את טעות האדם ולשפר את הדיוק של מדידות שהושגו באמצעות EFOV-US. בסופו של דבר, פיתוח ושיתוף פרוטוקולים מתאימים עשויים להרחיב את מספר הנסיינים והמעבדות שיכולים לשחזר נתונים באורך פשיסטי מהספרות או להשיג נתונים חדשניים בשרירים שעדיין לא נחקרו ב- vivo.

בפרוטוקול זה, אנו מדגימים כיצד ליישם את שיטת EFOV-US כדי להשיג תמונות שרירים ושלד באיכות גבוהה שניתן להשתמש בהם כדי לכמת את אורך שריר פשיסטי. באופן ספציפי, אנו מתייחסים (א) לאיסוף תמונות EFOV-US של איבר עליון יחיד ושריר גפיים תחתון יחיד (ב) הקובע, בזמן אמת, את “האיכות” של תמונת EFOV-US, ו- (ג) כימות פרמטרים של ארכיטקטורת שרירים במצב לא מקוון. אנו מספקים מדריך מפורט זה כדי לעודד את האימוץ של שיטת EFOV-US להשגת נתוני אורך שריר פשיסטי בשרירים שלא עברו פשיעה ב- vivo בשל הפשיסטים הארוכים שלהם.

Protocol

ועדת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת נורת’ווסטרן (IRB) אישרה את נהלי מחקר זה. כל המשתתפים שנרשמו לעבודה זו נתנו הסכמה מדעת לפני תחילת הפרוטוקול המפורט להלן.הערה: מערכת אולטרסאונד ספציפית המשמשת במחקר זה היו יכולות EFOV-US ואומץ כי הצלחנו לסקור פרטים על הערכות תוקף עבור האלגוריתם בספרות <sup class="x…

Representative Results

אולטרסאונד שדה ראייה מורחב (EFOV-US) יושם כדי לקבל תמונות מראשו הארוך של שרירי הזרוע brachii ואת tibialis anibialis ב 4 מתנדבים בריאים (טבלה 1). איור 1 מראה אילו תמונות EFOV-US של שני השרירים שצוו במפגש הדמיה מייצג זה ומדגיש היבטים חשובים של כל תמונה כגון אפונורוזיס שרירים, גיד מרכזי, נת…

Discussion

שלבים קריטיים בפרוטוקול.

ישנם כמה מרכיבים קריטיים להשגת תמונות EFOV-US איכותיות המניבות אמצעים באורך פשיסטיים תקפים ואמינים. ראשית, כפי שצוין בשיטה 1.1.2 זה חיוני כי הסונוגרף לקחת זמן כדי להכיר את האנטומיה של השריר להיות בתמונה, כמו גם סביב השרירים, העצמות, ומבנים רקמות …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ברצוננו להודות לויקראם דארבה ופטריק פרנקס על הדרכתם הניסיונית. עבודה זו נתמכת על ידי תוכנית מלגת המחקר לתואר שני של הקרן הלאומית למדע תחת מענק מס ‘. DGE-1324585 וכן NIH R01D084009 ו- F31AR076920. כל הדעות, הממצאים, המסקנות או ההמלצות המובעות בחומר זה הן של המחברים ואינן משקפות בהכרח את עמדות הקרן הלאומית למדע או NIH.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Keywords: Extended Field Of View UltrasoundEFOV-USMuscle Fascicle LengthMusculoskeletal AnatomyJoint Angle MeasurementUltrasound Image AcquisitionUltrasound TransducerUltrasound GelMuscle Short Axis Plane
check_url/61765?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image