Obtención de imágenes de ultrasonido de campo de visión extendido de calidad del músculo esquelético para medir la longitud del fascículo muscular

Summary

Este estudio describe cómo obtener imágenes musculoesqueléticas de alta calidad utilizando el método de ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) con el fin de realizar mediciones de longitud de fascículo muscular. Aplicamos este método a los músculos con fascículos que se extienden más allá del campo de visión de las sondas de ultrasonido tradicionales comunes (T-US).

Abstract

La longitud del fascículo muscular, que comúnmente se mide in vivo utilizando ultrasonido tradicional, es un parámetro importante que define la capacidad de generación de fuerza de un músculo. Sin embargo, más del 90% de todos los músculos de las extremidades superiores y el 85% de todos los músculos de las extremidades inferiores tienen longitudes óptimas de fascículos más largas que el campo de visión de las sondas de ultrasonido tradicionales comunes (T-US). Un método más nuevo y menos frecuentemente adoptado llamado ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) puede permitir la medición directa de fascículos más largos que el campo de visión de una sola imagen T-US. Este método, que encaja automáticamente una secuencia de imágenes T-US de un escaneo dinámico, ha demostrado ser válido y confiable para obtener longitudes de fascículos musculares in vivo. A pesar de los numerosos músculos esqueléticos con fascículos largos y la validez del método EFOV-US para realizar mediciones de dichos fascículos, pocos estudios publicados han utilizado este método. En este estudio, demostramos cómo implementar el método EFOV-US para obtener imágenes musculoesqueléticas de alta calidad y cómo cuantificar las longitudes de los fascículos a partir de esas imágenes. Esperamos que esta demostración fomente el uso del método EFOV-US para aumentar el grupo de músculos, tanto en poblaciones sanas como deterioradas, para lo cual tenemos datos in vivo de longitud de fascículos musculares.

Introduction

La longitud del fascículo es un parámetro importante de la arquitectura del músculo esquelético, que en general es indicativo de la capacidad de un músculo para producir ^fuerza1,2. Específicamente, la longitud del fascículo de un músculo proporciona información sobre el rango absoluto de longitudes sobre las cuales un músculo puede generar fuerza ^activa3,4. Por ejemplo, dados dos músculos con valores idénticos para todos los parámetros isométricos generadores de fuerza (es decir, longitud media del sarcómero, ángulo de pennación, área de sección transversal fisiológica, estado de contracción, etc.) excepto para la longitud del fascículo, el músculo con los fascículos más largos produciría su fuerza máxima a una longitud más larga y produciría fuerza en un rango más amplio de longitudes que el músculo con fascículos más ^cortos3 . La cuantificación de la longitud del fascículo muscular es importante para comprender tanto la función muscular sana como los cambios en la capacidad de generación de fuerza de un músculo, que pueden ocurrir como resultado de un uso muscular alterado (por ejemplo, inmovilización5,6, intervención de ^{ejercicio7,8,9}, uso alto del ^talón10) o un cambio en el entorno del músculo (por ejemplo, cirugía de transferencia de ^tendones11, distracción de ^{extremidades12} ). Las mediciones de la longitud del fascículo muscular se obtuvieron originalmente a través de experimentos cadavéricos ex vivo que permiten la medición directa de fascículos disecados13,14,15,16. La valiosa información proporcionada por estos experimentos ex vivo llevó a un interés en la implementación de métodos in vivo17,18,19 para abordar preguntas que no podían ser respondidas en cadáveres; Los métodos in vivo permiten cuantificar los parámetros musculares en un estado nativo, así como en diferentes posturas articulares, diferentes estados de contracción muscular, diferentes estados de carga o descarga, y en poblaciones con diferentes condiciones (es decir, sanos / lesionados, jóvenes / viejos, etc.). Con mayor frecuencia, la ecografía es el método empleado para obtener longitudes de fascículo muscular in vivo18,19,20; es más rápida, menos costosa y más fácil de implementar que otras técnicas de imagen, como la imagen por tensor de difusión (DTI)^18,21.

Se ha demostrado que el ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) es un método válido y confiable para medir la longitud del fascículo muscular in vivo. Aunque se implementa comúnmente, el ultrasonido tradicional (T-US) tiene un campo de visión que está limitado por la longitud de la matriz del transductor de ultrasonido (típicamente entre 4 y 6 cm, aunque hay sondas que se extienden hasta 10 ^cm10)^18,20. Para superar esta limitación, Weng et al. desarrollaron una tecnología EFOV-US que adquiere automáticamente una imagen “panorámica” compuesta y bidimensional (hasta 60 cm de largo) a partir de un escaneo dinámico de distancia ^extendida22. La imagen se crea encajando, en tiempo real, una secuencia de imágenes de ultrasonido tradicionales en modo B a medida que el transductor escanea dinámicamente el objeto de interés. Debido a que las imágenes secuenciales T-US tienen grandes regiones superpuestas, las pequeñas diferencias de una imagen a la siguiente se pueden usar para calcular el movimiento de la sonda sin el uso de sensores de movimiento externos. Una vez que se calcula el movimiento de la sonda entre dos imágenes consecutivas, la imagen “actual” se fusiona sucesivamente con las imágenes anteriores. El método EFOV-US permite la medición directa de fascículos musculares largos y curvos y ha demostrado ser fiable en todos los músculos, ensayos y ecografistas23,24,25 y válido tanto para superficies planas como ^curvas23,26.

Implementar ultrasonido para medir la longitud del fascículo muscular in vivo no es trivial. A diferencia de otras técnicas de imagen que implican protocolos más automatizados (es decir, resonancia magnética, tomografía computarizada), el ultrasonido depende de la habilidad del ecografista y el conocimiento ^{anatómico27,28}. Existe la preocupación de que la desalineación de la sonda con el plano del fascículo pueda causar un error sustancial en las medidas del fascículo. Un estudio demuestra poca diferencia (en promedio < 3 mm) en las medidas de longitud de fascículo tomadas mediante ultrasonido y resonancia magnética DTI, pero también muestra que la precisión de la medición es baja (desviación estándar de diferencia ~ 12 mm)²⁹. Aún así, se ha demostrado que un ecografista novato, con la práctica y la guía de un ecografista experimentado, puede obtener medidas válidas utilizando ^EFOV-US23. Por lo tanto, se deben hacer esfuerzos para demostrar protocolos apropiados para reducir el error humano y mejorar la precisión de las mediciones obtenidas utilizando EFOV-US. En última instancia, desarrollar y compartir protocolos apropiados puede ampliar el número de experimentadores y laboratorios que pueden reproducir datos de longitud de fascículos de la literatura u obtener datos novedosos en músculos que aún no se han estudiado in vivo.

En este protocolo, demostramos cómo implementar el método EFOV-US para obtener imágenes musculoesqueléticas de alta calidad que se pueden utilizar para cuantificar la longitud del fascículo muscular. Específicamente, abordamos (a) la recopilación de imágenes EFOV-US de una sola extremidad superior y un solo músculo de la extremidad inferior (b) determinando, en tiempo real, la “calidad” de la imagen EFOV-US, y (c) cuantificando los parámetros de arquitectura muscular fuera de línea. Proporcionamos esta guía detallada para fomentar la adopción del método EFOV-US para obtener datos de longitud de fascículos musculares en músculos que no se han estudiado in vivo debido a sus fascículos largos.

Protocol

La Junta de Revisión Institucional (IRB) de la Universidad Northwestern aprobó los procedimientos de este estudio. Todos los participantes inscritos en este trabajo dieron su consentimiento informado antes de comenzar el protocolo que se detalla a continuación.NOTA: El sistema de ultrasonido específico utilizado en este estudio tenía capacidades EFOV-US y fue adoptado porque pudimos revisar detalles y evaluaciones de validez para el algoritmo en la literatura científica22,26<s…

Representative Results

Se implementó ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) para obtener imágenes de la cabeza larga del bíceps braquial y el tibial anterior en 4 voluntarios sanos (Tabla 1). La Figura 1 muestra qué imágenes EFOV-US de ambos músculos se muestran en esta sesión de imágenes representativas y destaca aspectos importantes de cada imagen, como la aponeurosis muscular, el tendón central, la trayectoria del fascículo, etc. Una vez finalizada la sesión de imagen, s…

Discussion

Pasos críticos en el protocolo.

Hay algunos componentes críticos para obtener imágenes EFOV-US de calidad que producen medidas de longitud de fascículo válidas y confiables. En primer lugar, como se indica en el método 1.1.2, es esencial que el ecografista se tome el tiempo para familiarizarse con la anatomía del músculo que se está fotografiando, así como con los músculos, huesos y otras estructuras de tejidos blandos circundantes. Esto mejorará la capacidad del e…

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