Proyección de imagen de ultrasonido 3D: morfometría rápida y rentable de tejido músculo-esquelético

Ultrasonido 3D imaging (3DUS) permite morfometría rápida y rentable de los tejidos musculoesqueléticos. Presentamos un protocolo para medir longitud volumen y fascículo del músculo usando 3DUS.

El objetivo general de esta metodología es realizar una evaluación morfológica in vivo en 3D basada en un análisis ecográfico del tejido muscular humano. El método es una técnica prometedora para responder a preguntas clave en el ámbito sanitario y deportivo sobre el diagnóstico y el seguimiento de la función muscular después del tratamiento y el entrenamiento. Las ventajas de esta técnica es que la medición de los músculos mediante ecografía 3D es una alternativa rápida y rentable a la resonancia magnética.

Esta técnica de ultrasonido 3D proporciona un método no invasivo para la determinación del volumen muscular, la longitud del fascículo en un área de sección transversal fisiológica de los músculos esqueléticos in vivo. Desde 1980, hemos estado activos estudiando la relación forma-función de los músculos, primero en músculos de cadáveres humanos y haciendo modelos matemáticos de esos músculos, y luego en experimentos con animales. Con la técnica de ultrasonido mejorada, ahora podremos estudiar los músculos humanos in vivo.

Para evaluar el músculo gastrocnemio medial, o GM, primero haga que el sujeto se acueste boca abajo en una mesa de examen con ambos pies sobre el borde de la mesa. Coloque un soporte debajo de la tibia para alinear la parte inferior de la pierna horizontalmente y fije el muslo a la mesa de examen con tiras de amarre acolchadas para evitar la extensión de la rodilla durante el experimento. Coloque el pie de la pierna que se va a escanear en una placa de pie hecha a medida y conecte una llave dinamométrica hecha a medida con un goniómetro conectado a la placa del pie.

Encuentre el ángulo de la placa del pie correspondiente al par apropiado aplicado externamente y use una varilla extensible conectada a la mesa para fijar la placa del pie en la orientación adecuada correspondiente. A continuación, identifique los aspectos dorsales más prominentes de los epicóndilos medial y lateral del fémur y los centros de los maléolos de la tibia y el peroné mediante palpación y marque sus ubicaciones con un marcador cutáneo quirúrgico. Identificar los puntos más superficiales de los cóndilos medial y lateral del fémur mediante ecografía y marcar con un marcador cutáneo quirúrgico.

Indicando al sujeto que no se mueva durante el examen, aplique abundante gel de ultrasonido en la región de interés y abra el software de captura de fotogramas en la computadora de medición. Es esencial que el paciente permanezca quieto durante las mediciones para evitar artefactos de movimiento en la imagen de ultrasonido 3D. Haga clic en Capturar para comenzar la adquisición de imágenes de ultrasonido y, posteriormente, presione el botón en el dispositivo de sincronización para iniciar y activar la adquisición de datos de captura de movimiento.

El dispositivo de sincronización, ubicado cerca de la sonda de ultrasonido, se activará creando un artefacto distintivo en la imagen de ultrasonido al iniciar la captura de movimiento. Ejerciendo una presión mínima mientras se mantiene la calidad de la imagen, coloque la sonda de ultrasonido proximal a los cóndilos del fémur en la cara medial del muslo y barra la sonda a una velocidad constante en la dirección distal proximal a lo largo del borde medial de la GM. Con el gel del barrido anterior, agregue barridos superpuestos adicionales de 0,5 centímetros hasta que se haya escaneado toda la región de interés y se haya obtenido una imagen completa del borde medial del músculo. Es importante aplicar abundante gel de ultrasonido para evitar la deformación del tejido como resultado de la presión excesiva aplicada a la sonda mientras se obtienen imágenes de ultrasonido.

Cuando se hayan adquirido todas las imágenes, utilice un script personalizado para reconstruir una sola matriz de vóxeles de ultrasonido 3D a partir de un barrido individual sobre una región específica de interés mediante el llenado de contenedores y el pintado de la matriz. A continuación, utilice el mismo sistema de coordenadas de matriz de vóxeles para reconstruir todos los barridos individuales que cubran una región de interés más grande para fusionar varios barridos. Para medir el volumen muscular, primero cargue la imagen de ultrasonido 3D de interés en el kit de herramientas de interacción médica.

Establezca el corte en Rotación de retícula acoplada y alinee el eje con las estructuras musculares u óseas para recuperar con precisión las coordenadas del origen, la inserción y el extremo distal del vientre muscular. Abra la herramienta de segmentación y cree una nueva segmentación que describa los límites musculares identificados en una sección transversal a mitad de camino a lo largo del vientre muscular. Presione A en el teclado para agregar una segmentación manual haciendo clic con el botón izquierdo del mouse y moviendo el cursor a lo largo de los límites musculares.

Para segmentar una nueva sección transversal, presione el botón A o S de acuerdo con el último modo seleccionado para mover la cruz a otras secciones transversales a lo largo del vientre muscular y trace el siguiente límite muscular como se acaba de demostrar. Cuando se hayan seleccionado todos los segmentos, establezca la interpolación para habilitar y revisar las segmentaciones propuestas de los límites musculares en todas las secciones transversales a lo largo de la longitud del vientre muscular. Cuando todos los límites musculares se hayan segmentado correctamente, pulse Confirmar para todos los cortes y seleccione el plano en el que se realizaron las segmentaciones.

Guarde el volumen binario como un archivo de datos ráster casi sin procesar y utilice una secuencia de comandos personalizada para calcular el tamaño del volumen etiquetado. A continuación, utilice una secuencia de comandos personalizada para localizar la orientación del plano del fascículo longitudinal medio del vientre muscular que contiene la longitud total de los fascículos. Desde el plano longitudinal medio, mida la longitud del fascículo en una posición estandarizada predefinida entre el origen y el extremo distal del vientre muscular y segmente los límites musculares.

Coloque una línea a mitad de camino a través de la región de interés y gírela hasta que coincida con la dirección de los fascículos subyacentes. La intersección de la línea con los límites musculares representará la estimación de la longitud del fascículo. Esta imagen de un cadáver humano masculino ilustra un estado atrofiado del músculo cuádriceps a mitad de camino a lo largo del muslo en el momento de la muerte, lo que dificulta la identificación de los límites de las cabezas individuales del músculo cuádriceps en comparación con los identificados en el músculo cuádriceps de un hombre sedentario de 30 años o un atleta masculino de 30 años.

Las validezes de la longitud del fascículo, así como del volumen muscular, se confirmaron con correlaciones significativas y altas por el método de ultrasonido 3D en comparación con los datos de disección física para los mismos tejidos, con una alta confiabilidad entre evaluadores para las mediciones derivadas del método de ultrasonido 3D. Confirmando que el enfoque ecográfico 3D es una herramienta válida y fiable para la evaluación del volumen y la longitud de los fascículos de los músculos vastus lateralis y gastrocnemius medialis humanos. Siguiendo este procedimiento, se puede cuantificar la morfología muscular y relacionarla con el rango de movimiento articular y el rendimiento físico.

Esta técnica ya está lista para ser implementada como una evaluación rutinaria de la función muscular en pacientes con enfermedades neuromusculares o que padecen sarcopenia. Esta técnica de imagen por ultrasonido 3D también podría utilizarse para medir la morfología de otros tejidos como huesos, tendones y vasos sanguíneos. El desarrollo de esta técnica ha allanado el camino para que los investigadores en el campo neuromuscular investiguen cómo la morfología muscular limita la movilidad.

Y en fisiología del ejercicio, para evaluar los determinantes morfológicos del rendimiento en sprint y resistencia de los atletas.