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方法文章

获取高质量的扩展视野超声图像以测量骨骼肌肌束长度

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DOI：

10.3791/61765

⸱

2020年12月14日

 , 
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

本文内容

摘要

本研究介绍了如何使用扩展视野超声（EFOV-US）方法获取高质量的肌肉骨骼图像，以进行肌束长度的测量。我们将该方法应用于肌束延伸超出常规传统超声（T-US）探头视野范围的肌肉。

摘要

肌束长度是通过传统超声在体内测量的常用参数，用于定义肌肉的力生成能力。然而，超过90%的上肢肌肉和85%的下肢肌肉其最优肌束长度均超过常见传统超声（T-US）探头的视野范围。一种较新的、但应用尚不广泛的方法——扩展视野超声（EFOV-US），能够实现对超出单幅T-US图像视野范围的肌束进行直接测量。该方法通过自动拼接动态扫描过程中获取的一系列T-US图像，已被证实可用于体内肌肉肌束长度的准确且可靠的测量。尽管存在大量具有长肌束的骨骼肌，且EFOV-US方法在测量此类肌束方面已被验证有效，但目前采用该方法的已发表研究仍较少。本研究中，我们演示了如何实施EFOV-US方法以获取高质量的肌肉骨骼图像，以及如何从这些图像中量化肌束长度。我们期望该演示能够促进EFOV-US方法的应用，从而扩大可获得体内肌束长度数据的肌肉范围，涵盖健康人群和功能受损人群中的更多肌肉。

引言

肌束长度是骨骼肌结构的一个重要参数，整体上可反映肌肉产生力量的能力1,2。具体而言，肌肉的肌束长度能够揭示肌肉在多大长度范围内可产生主动张力3,4。例如，假设有两块肌肉，其所有等长收缩力生成参数（即平均肌节长度、羽状角、生理横截面积、收缩状态等）均相同，仅肌束长度不同，则肌束较长的肌肉在更长的肌肉长度下达到峰值力量，并且在更广泛的长度范围内产生力量，相较于肌束较短的肌肉3。量化肌束长度对于理解正常肌肉功能以及肌肉力量生成能力的变化具有重要意义，这些变化可能由肌肉使用方式的改变（如固定不动5,6、运动干预7,8,9、长期穿高跟鞋10）或肌肉所处环境的改变（如肌腱转位手术11、肢体牵张12）引起。肌束长度的测量最初通过离体尸体实验获得，这类实验允许直接测量解剖出的肌束13,14,15,16。这些离体实验所提供的宝贵信息促使研究者发展活体测量方法17,18,19，以回答尸体实验无法解决的问题；活体方法能够在肌肉的自然状态下，以及在不同关节姿势、不同肌肉收缩状态、不同负荷或去负荷状态下，甚至在不同人群（如健康/损伤、年轻/年老等）中量化肌肉参数。目前最常用的方法是超声成像，用于获取活体状态下的肌束长度18,19,20；与其他成像技术（如弥散张量成像（DTI）18,21）相比，超声具有更快、更经济且更易实施的优势。

扩展视野超声（EFOV-US）已被证明是一种有效且可靠的体内测量肌束长度的方法。尽管传统超声（T-US）应用广泛，但其视野范围受限于超声换能器阵列的长度（通常为4至6 cm，尽管有些探头可延伸至10 cm10）18,20。为克服这一限制，Weng 等人开发了一种EFOV-US技术，可通过动态的长距离扫描自动获取一幅合成的二维“全景”图像（最长可达60 cm）22。该图像是在换能器对目标结构进行动态扫描过程中，实时拼接一系列传统的B型超声图像而生成的。由于连续的T-US图像具有较大的重叠区域，相邻图像间的微小差异可用于计算探头的运动轨迹，而无需使用外部运动传感器。一旦计算出两个连续图像之间的探头运动，当前图像便会依次与先前的图像进行融合。EFOV-US方法可直接测量长而弯曲的肌束，已被证实对不同肌肉、不同测试次数以及不同超声操作人员均具有良好的可靠性23,24,25，并且在平坦和弯曲表面均具有有效性23,26。

采用超声技术在活体中测量肌束长度并非易事。与其他具有较自动化流程的成像技术（如 MRI、CT）不同，超声成像依赖于操作者的技能和解剖学知识27,28。人们担忧探头与肌束平面未对齐可能导致肌束测量值出现显著误差。一项研究显示，使用超声与DTI MRI测量肌束长度的结果差异较小（平均< 3 mm），但也表明测量精度较低（差异的标准差约为 12 mm）29。然而，已有研究表明，初学者在经验丰富的超声操作者指导和练习后，能够使用EFOV-US获得有效的测量结果23。因此，应努力制定并展示适当的实验方案，以减少人为误差，提高EFOV-US测量结果的准确性。最终，开发并共享标准化的操作流程，可能扩大能够重复文献中肌束长度数据的研究人员和实验室数量，或在尚未开展活体研究的肌肉中获取新的数据。

在本实验方案中，我们演示如何实施扩展视野超声（EFOV-US）方法，以获取高质量的肌肉骨骼图像，用于量化肌束长度。具体而言，我们介绍（a）采集单个上肢和单个下肢肌肉的扩展视野超声图像，（b）实时评估扩展视野超声图像的“质量”，以及（c）离线量化肌肉结构参数。我们提供这一详细指南，旨在推动扩展视野超声方法的应用，以获取那些因肌束较长而在体内尚未被充分研究的肌肉的肌束长度数据。

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方案

本研究已获得西北大学机构审查委员会（IRB）的批准。所有参与本研究的受试者均在开始以下详细方案之前签署了知情同意书。
注意：本研究使用的特定超声系统具备扩展视野超声（EFOV-US）功能，选择该系统的原因是我们能够在科学文献中查阅到有关其算法的详细信息及有效性评估22,26；此外，目前也存在多种其他具备EFOV-US功能的系统18,20,30。本研究采用线阵探头14L5（频率带宽5–14 MHz）。本方案中成像的肌肉仅是已采集超声图像并测量肌束长度的众多肌肉中的一小部分（例如肱三头肌25、尺侧腕伸肌23、内侧腓肠肌10、股外侧肌24、股二头肌8,31）。本方案旨在提供操作指引并阐明必要的技术标准，以便将其应用于我们所提供的两个示例外的其他肌肉。

1. 采集肌肉的扩展视野超声（EFOV-US）图像

准备

  1. 超声医师准备
    1. 在操作超声系统之前，请仔细阅读系统的使用手册，熟悉系统安全规范、系统维护保养、系统设置与控制等内容。此外，还需查阅系统获取扩展视野超声（EFOV-US）图像的操作说明，并熟悉用于获取EFOV-US图像的具体方法。
      注意：不同的超声系统对EFOV-US模式的命名各不相同。例如，在本研究使用的系统中，EFOV模式被称为“Panoramic Imaging”（全景成像）。尽管各商业系统中所采用算法的技术细节通常属于知识产权，因而不对外公开，但通过初步查阅可知，许多具备全景超声功能的商业系统所描述的技术方法与Weng等人提出的方法相似。22评估从任何系统获取的测量结果的普遍有效性，可通过直接向系统制造商获取更详细的信息，或使用成像模体来实现。26,32，或其他方式（例如，与动物解剖进行比较）24在开展涉及人类受试者的研究之前，建议将此步骤作为重要前提。
    2. 花时间熟悉目标肌肉及其周围结构的解剖学特征。建议超声检查人员使用解剖学教科书，或更优地，使用交互式在线三维解剖模型，以充分掌握相关解剖结构。
  2. 受试者准备
    1. 向受试者说明研究方案，并在开始成像流程前获取经机构审查委员会（IRB）批准的知情同意书。
    2. 要求受试者穿着合适的衣物，以便接触目标肌肉。例如，若超声检查者计划对前臂肌肉进行成像，应要求受试者穿着短袖上衣。
    3. 让受试者坐在可调节的椅子上，椅子应能固定位置。仔细调节椅子高度和角度，使受试者尽可能舒适，同时确保能够方便地接触目标肌肉。
      注意：如果无法提供可调节至完全水平的椅子，某些研究设计可能需要使用实验台来接触目标肌肉（例如，腘绳肌）。
    4. 将目标肌肉所跨过的关节置于一种可控制且可重复的姿势中。使用临床指导33 用于定位解剖学标志点并实施关节角度测量；采用国际生物力学学会（ISB）标准定义关节坐标系34,35通常，测量关节角度时，使用对皮肤安全的标记笔标记解剖学标志点（材料表然后将手持式量角器的中心与关节的旋转轴对齐，并将量角器的臂与关节的各节段对齐。
      注意：如果对被动肌肉进行成像，建议将目标肌肉置于相对较长的位置，以避免成像时肌肉松弛。
      1. 为了复制 本研究中对肱二头肌进行成像时，应让受试者坐于脚部有支撑的座椅上，背部挺直，肩关节外展85°、水平屈曲10°，肘关节屈曲25°，前臂、腕关节及手指均处于中立位。
      2. 为复制本研究中成像的胫骨前肌，应让受试者坐位，膝关节屈曲60°，踝关节跖屈15°。
    5. 使用布制绑带固定受试者的肢体，以尽量减少成像过程中肢体的移动。

图像采集

  1. 插入并开启超声系统。确保检查模式设置为肌肉骨骼，探头为 选择使用线性探头（此处使用14L5），发射频率设置在5–17 MHz之间（此处使用11 MHz），这是肌肉骨骼成像的典型频率范围。较高频率通常用于较浅表的成像，因其可提高分辨率，但会降低声波穿透深度。
  2. 进入系统设置以调整脚踏开关设置。在本实验方案中，我们建议将脚踏开关设置为用于启动/停止成像。如果所使用的脚踏开关具有多个踏板，请将其他踏板分别设置为“冻结”或“暂停”图像，以及“打印”或“存储”图像。
  3. 在探头头部涂抹足量超声耦合剂。
  4. 将换能器置于受试者皮肤上大致的目标区域。
  5. 在肌肉的短轴平面上移动探头。注意探头一侧有一个小突起，称为指示器。探头上有指示器的一侧对应超声图像的左侧。进行短轴成像时，应使操作者将指示器朝向侧方；进行长轴成像时，应将指示器朝向远端。
  6. 在短轴平面（垂直于肌纤维方向）确定目标肌肉，并移动探头至远端和近端，以完整显示肌肉的走行路径。
    1. 标记重要的解剖学标志（即肌肉的外侧和内侧边缘、肌腱连接处以及肌肉止点），使用对皮肤安全的记号笔材料表).
  7. 确定肌肉位置并做好标记后，让超声操作者将超声探头沿长轴平面移动（与肌纤维走向平行）。
  8. 从肌肉的远端或近端开始，旋转并倾斜探头以确定该位置的肌束平面。当探头位置正确时，在皮肤上做标记。
  9. 在沿整个预期扫描长度确定大致的肌束平面后，让超声检查者练习沿此路径进行扫描。
  10. 开始采集图像时，将超声系统置于EFOV-US模式。
  11. 从肌肉一端开始，踩下脚踏开关以启动图像采集，然后沿肌肉长轴缓慢且连续地移动超声探头。到达肌肉另一端后，踩下脚踏开关以结束图像采集。
  12. 练习并确保探头路径正确。在稳定获取“高质量”EFOV-US图像之前，可能需要进行多次练习成像（高质量图像的解释见第2节）。
  13. 为优化图像的可见性和清晰度，可考虑调整以下参数。
    1. 深度：如果图像采集在达到所需肌肉长度之前即已结束，可增加图像的深度（在本系统中，增加图像深度可延长扫描的绝对长度）。
    2. 聚焦：将聚焦箭头置于图像中目标肌肉下方的下半部分。
    3. 增益：确保增益在图像深度范围内保持均衡。
    4. 速度：根据指示器引导以最佳速度进行成像（在大多数系统中，全景成像期间显示器上会显示速度指示）。
  14. 一旦获得质量合格的图像（步骤 2.1），点击 打印/存储 使用脚踏开关或控制面板上的等效按钮保存图像。
  15. 重复步骤 1.13–1.16，直至获得 3 张质量合格的肌肉 EFOV-US 图像。
  16. 重复步骤 1.6–1.17，直至获取所有目标肌肉。
  17. 用毛巾轻轻擦拭受试者皮肤上的凝胶。然后让受试者用水冲洗接触凝胶的皮肤区域，或用湿毛巾擦拭该区域。擦干。
  18. 擦拭换能器头部的凝胶并进行消毒。
  19. 将图像以未压缩的 DICOM 格式导出至 CD-DVD、U 盘，或通过局域网导出至计算机。

2. 确定 EFOV-US 图像的“质量”

  1. 完成步骤 1.13 后，让超声技师识别并评估目标肌肉及其周围解剖结构的关键解剖特征的质量。该评估为定性判断，基于超声技师对解剖学知识及肌肉骨骼组织回声性（组织反射超声波的能力）的了解。要使一幅 EFOV-US 图像被视为定性“良好”，需满足以下条件：
    1. 在任何肌肉的长轴图像中，需确认超声技师能够清晰识别出肌肉呈低回声（暗色）形态，其高回声（明亮）边界代表肌肉的深层和浅层筋膜。
    2. 在肌肉边界之间，需确认超声技师能够识别出包绕肌束的结缔组织为高回声（明亮）线条。
      注：在对多羽状肌进行成像时，图像中还应包含位于肌腹内、深层与浅层肌肉筋膜之间的中央肌腱，表现为高回声（明亮）结构。
    3. 需确认图像无过度弯曲。通常表现为图像中出现阴影或间隙，或图像上覆盖有锯齿状的柔性标尺线。
  2. 如果图像缺少 2.1 中描述的一个或多个组织结构，则判定该图像为“定性质量差”，并返回实时 2D 模式重新采集。

3. 量化肌束长度

  1. 为了量化肌束长度，使用 ImageJ 这一开源图像处理平台。ImageJ 可在 https://imagej.net/Downloads 下载。
    注意：尽管 ImageJ 经常被采用24,25,31,36,37,38，但肌束长度的量化也可使用其他图像处理软件8,39 或自定义代码40,41 实现。
  2. 下载后，通过点击 文件 | 打开 并选择待分析图像，在 ImageJ 中以 DICOM 格式打开超声图像。
  3. 为确保 DICOM 图像属性已保留，点击 工具 菜单中的 直线 工具，在超声图像侧边标尺上从 0 到 1 cm 处画一条直线。然后进入 分析 | 测量 以测量所画直线。若图像属性已正确保留，则该直线长度应为 1 cm。
  4. 为测量图像中的肌束长度，请完成以下步骤：
    1. 右键点击 直线 工具。
    2. 选择 分段线。
    3. 将光标移至图像上，点击所选肌束的一端开始测量。
      注意：仅对能够清晰辨识完整肌束路径（即从一个腱膜到下一个腱膜，或从腱膜到中央肌腱）的肌束进行测量。
    4. 沿肌束路径逐点点击，以准确捕捉肌束的弯曲形态。
    5. 到达肌束路径末端时，双击结束画线，然后进入 分析 | 测量 以测量线段长度。
      注意：首次进行测量时，将弹出一个名为“结果”的新窗口。可在该窗口中通过 结果 | 设置测量值 来管理显示的参数。
  5. 重复步骤 3.4.3–3.4.5，直至在同一图像中完成多个肌束的测量。
  6. 通过在结果标签页中点击 文件 | 保存 来保存肌束测量数据，或可将数值复制粘贴至其他文档或电子表格中。

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结果

对4名健康志愿者（表1）采用扩展视野超声（EFOV-US）技术获取肱二头肌长头和胫骨前肌的图像。图1展示了本次代表性成像过程中两种肌肉的EFOV-US图像，并标示了图像中的关键结构，如肌膜、中央肌腱、肌纤维束走行等。成像结束后，对每位受试者每块肌肉分别选取3张质量良好的图像进行分析（图2）。使用ImageJ软件对每张图像中的4条肌纤维束进行测量。每张图像中所测肌纤维束均能清晰显示从起点到止点的完整走行，且位于肌肉的不同区域。本研究测得的肱二头肌平均肌纤维束长度为14.6 ± 1.7 cm，胫骨前肌为7.3 ± 0.6 cm，均处于既往文献报道的肌纤维束长度范围内25,42（表1）。

该方案中最具挑战性且最主观的部分是确定将图像定性为“良好”或“不良”的相关因素。我们提供了若干“良好...

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讨论

方案中的关键步骤。

要获得能够提供有效且可靠肌束长度测量结果的高质量扩展视野超声（EFOV-US）图像，有几个关键要素需要注意。首先，如方法1.1.2所述，操作者必须花时间熟悉所成像肌肉的解剖结构，以及周围肌肉、骨骼和其他软组织结构。这有助于提高操作者准确识别目标肌肉的能力，并判断多个图像是否捕捉到了同一肌肉层面。其次，操作者应在正式采集发表数据前，先在模拟体模和多个预试验受试者身上练习整个操作流程。众所周知，若操作者未能正确识别肌束层面，超声测量容易产生误差；而这一识别过程具有挑战性，但可通过练习得到改善。最后，强烈建议确保所用超声系统中EFOV-US算法所生成测量结果的有效性已被验证。如果该方法的准确性尚未得到证实，可通过使用超声体模23，26，或与其他成像工具44或尸体解剖45进行比较，简便地完成验证。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢Vikram Darbhe和Patrick Franks在实验方面的指导。本研究工作由美国国家科学基金会研究生研究基金项目（资助号：DGE-1324585）、NIH R01D084009和F31AR076920资助。本文所表达的观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，不一定反映美国国家科学基金会或美国国立卫生研究院的观点。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
14L5 线性换能器Siemens10789396
Acuson S2000 超声系统Siemens10032746
可调节座椅（Biodex System）Biodex Medical SystemsSystem Pro 4
中性笔尖皮肤标记笔SportSafen/a推荐使用多色四支装
超声耦合凝胶 - 标准 8 盎司非无菌无香冰蓝色MediChoice, Owens &MinorM500812

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