Ottenere immagini ecografiche di qualità del campo visivo esteso del muscolo scheletrico per misurare la lunghezza del fascicolo muscolare

Summary

Questo studio descrive come ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità utilizzando il metodo ecografico a campo visivo esteso (EFOV-US) allo scopo di effettuare misure di lunghezza del fascicolo muscolare. Applichiamo questo metodo ai muscoli con fascicoli che si estendono oltre il campo visivo delle comuni sonde a ultrasuoni tradizionali (T-US).

Abstract

La lunghezza del fascicolo muscolare, che viene comunemente misurata in vivo utilizzando gli ultrasuoni tradizionali, è un parametro importante che definisce la capacità di generazione della forza di un muscolo. Tuttavia, oltre il 90% di tutti i muscoli degli arti superiori e l’85% di tutti i muscoli degli arti inferiori hanno lunghezze di fascicolo ottimali più lunghe del campo visivo delle comuni sonde a ultrasuoni tradizionali (T-US). Un metodo più recente e meno frequentemente adottato chiamato ecografia a campo visivo esteso (EFOV-US) può consentire la misurazione diretta di fascicoli più lunghi del campo visivo di una singola immagine T-US. Questo metodo, che inserisce automaticamente una sequenza di immagini T-US da una scansione dinamica, si è dimostrato valido e affidabile per ottenere lunghezze di fascicoli muscolari in vivo. Nonostante i numerosi muscoli scheletrici con lunghi fascicoli e la validità del metodo EFOV-US per effettuare misurazioni di tali fascicoli, pochi studi pubblicati hanno utilizzato questo metodo. In questo studio, dimostriamo sia come implementare il metodo EFOV-US per ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità sia come quantificare le lunghezze dei fascicoli da quelle immagini. Ci aspettiamo che questa dimostrazione incoraggi l’uso del metodo EFOV-US per aumentare il pool di muscoli, sia in popolazioni sane che compromesse, per le quali abbiamo dati sulla lunghezza del fascicolo muscolare in vivo.

Introduction

La lunghezza del fascicolo è un parametro importante dell’architettura del muscolo scheletrico, che nel complesso è indicativo della capacità di un muscolo di produrre ^forza1,2. In particolare, la lunghezza del fascicolo di un muscolo fornisce informazioni sulla gamma assoluta di lunghezze su cui un muscolo può generare forza ^attiva3,4. Ad esempio, dati due muscoli con valori identici per tutti i parametri isometrici generatori di forza (cioè lunghezza media del sarcomero, angolo di pennazione, area fisiologica della sezione trasversale, stato di contrazione, ecc.) ad eccezione della lunghezza del fascicolo, il muscolo con i fascicoli più lunghi produrrebbe la sua forza di picco a una lunghezza maggiore e produrrebbe forza su una gamma più ampia di lunghezze rispetto al muscolo con fascicoli più ^corti3 . La quantificazione della lunghezza del fascicolo muscolare è importante per comprendere sia la funzione muscolare sana che i cambiamenti nella capacità di generazione di forza di un muscolo, che possono verificarsi a seguito di un uso alterato del muscolo (ad esempio, ^{immobilizzazione5,6}, intervento di esercizio7,8,9, usura del tallone ^alto10) o di un cambiamento nell’ambiente muscolare (ad esempio, chirurgia del trasferimento dei ^tendini11, distrazione degli ^arti12 ). Le misurazioni della lunghezza del fascicolo muscolare sono state originariamente ottenute attraverso esperimenti cadaverici ex vivo che consentono la misurazione diretta dei fascicoli sezionati13,14,15,16. Le preziose informazioni fornite da questi esperimenti ex vivo hanno portato ad un interesse nell’implementazione di metodi in vivo17,18,19 per rispondere a domande a cui non è stato possibile rispondere nei cadaveri; i metodi in vivo consentono la quantificazione dei parametri muscolari in uno stato nativo, nonché in diverse posture articolari, diversi stati di contrazione muscolare, diversi stati di carico o scarico e tra popolazioni con condizioni diverse (ad esempio sano / ferito, giovane / vecchio, ecc.). Più frequentemente, l’ecografia è il metodo impiegato per ottenere lunghezze muscolari in vivo18,19,20; è più veloce, meno costoso e più facile da implementare rispetto ad altre tecniche di imaging, come l’imaging del tensore di diffusione (DTI)^18,21.

L’ecografia a campo visivo esteso (EFOV-US) ha dimostrato di essere un metodo valido e affidabile per misurare la lunghezza del fascicolo muscolare in vivo. Sebbene comunemente implementati, gli ultrasuoni tradizionali (T-US) hanno un campo visivo che è limitato dalla lunghezza dell’array del trasduttore ad ultrasuoni (in genere tra 4 e 6 cm, anche se ci sono sonde che si estendono fino a 10 ^cm10) ^18,20. Per superare questa limitazione, Weng et al. hanno sviluppato una tecnologia EFOV-US che acquisisce automaticamente un’immagine “panoramica” composita e bidimensionale (lunga fino a 60 cm) da una scansione dinamica a lunga ^distanza22. L’immagine viene creata assemblando insieme, in tempo reale, una sequenza di immagini ecografiche tradizionali in modalità B mentre il trasduttore scansiona dinamicamente l’oggetto di interesse. Poiché le immagini T-US sequenziali hanno grandi regioni sovrapposte, le piccole differenze da un’immagine all’altra possono essere utilizzate per calcolare il movimento della sonda senza l’uso di sensori di movimento esterni. Una volta calcolato il movimento della sonda tra due immagini consecutive, l’immagine “corrente” viene unita successivamente alle immagini precedenti. Il metodo EFOV-US consente la misurazione diretta di fascicoli muscolari lunghi e curvi e si è dimostrato affidabile su muscoli, prove ed ecografisti23,24,25 e valido sia per superfici piane che ^curve23,26.

Implementare gli ultrasuoni per misurare la lunghezza del fascicolo muscolare in vivo non è banale. A differenza di altre tecniche di imaging che coinvolgono protocolli più automatizzati (ad esempio, RISONANZA MAGNETICA, TC), l’ecografia dipende dall’abilità dell’ecografista e dalle conoscenze ^{anatomiche27,28}. Si teme che il disallineamento della sonda con il piano del fascicolo possa causare errori sostanziali nelle misure del fascicolo. Uno studio dimostra una piccola differenza (in media < 3 mm) nelle misure della lunghezza del fascicolo prese utilizzando ultrasuoni e DTI MRI, ma mostra anche che la precisione della misurazione è bassa (deviazione standard della differenza ~ 12 mm) ²⁹. Tuttavia, è stato dimostrato che un ecografista alle prime armi, con la pratica e la guida di un ecografo esperto, può ottenere misure valide utilizzando ^EFOV-US23. Pertanto, dovrebbero essere compiuti sforzi per dimostrare protocolli appropriati per ridurre l’errore umano e migliorare l’accuratezza delle misurazioni ottenute utilizzando EFOV-US. In definitiva, lo sviluppo e la condivisione di protocolli appropriati può espandere il numero di sperimentatori e laboratori in grado di riprodurre i dati sulla lunghezza del fascicolo dalla letteratura o ottenere nuovi dati nei muscoli che non sono ancora stati studiati in vivo.

In questo protocollo, dimostriamo come implementare il metodo EFOV-US per ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità che possono essere utilizzate per quantificare la lunghezza del fascicolo muscolare. In particolare, ci occupiamo (a) di raccogliere immagini EFOV-US di un singolo arto superiore e di un singolo muscolo dell’arto inferiore (b) determinare, in tempo reale, la “qualità” dell’immagine EFOV-US e (c) quantificare i parametri dell’architettura muscolare offline. Forniamo questa guida dettagliata per incoraggiare l’adozione del metodo EFOV-US per ottenere dati sulla lunghezza del fascicolo muscolare in muscoli che non sono stati studiati in vivo a causa dei loro lunghi fascicoli.

Protocol

L’Institutional Review Board (IRB) della Northwestern University ha approvato le procedure di questo studio. Tutti i partecipanti iscritti a questo lavoro hanno dato il consenso informato prima di iniziare il protocollo dettagliato di seguito.NOTA: Il sistema ad ultrasuoni specifico utilizzato in questo studio aveva capacità EFOV-US ed è stato adottato perché siamo stati in grado di rivedere i dettagli e le valutazioni di validità dell’algoritmo nella letteratura scientifica22,26</sup…

Representative Results

L’ecografia a campo visivo esteso (EFOV-US) è stata implementata per ottenere immagini dalla testa lunga del bicipite brachiale e dalla tibiale anteriore in 4 volontari sani (Tabella 1). La Figura 1 mostra quali immagini EFOV-US di entrambi i muscoli hanno ripreso in questa sessione di imaging rappresentativa ed evidenzia aspetti importanti di ogni immagine come l’aponeurosi muscolare, il tendine centrale, il percorso del fascicolo, ecc. Al termine della sessione di imaging…

Discussion

Passaggi critici nel protocollo.

Ci sono alcuni componenti critici per ottenere immagini EFOV-US di qualità che producono misure di lunghezza del fascicolo valide e affidabili. In primo luogo, come indicato nel metodo 1.1.2 è essenziale che l’ecografista impieghi del tempo per acquisire familiarità con l’anatomia del muscolo che viene ripreso, nonché con i muscoli circostanti, le ossa e altre strutture dei tessuti molli. Ciò migliorerà la capacità dell’ecografista di vi…

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