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Articolo metodologico

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

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DOI:

10.3791/61765

⸱

14 dicembre 2020

 , 
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

In questo articolo

Sommario

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.

Introduzione

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.

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Protocollo

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; esistono anche molti altri sistemi con EFOV-US18,20,30. È stato utilizzato un trasduttore lineare array 14L5 (larghezza di banda di frequenza 5-14 MHz). I muscoli ripresi in questo protocollo sono solo un piccolo sottoinsieme di muscoli per i quali sono state catturate immagini statunitensi e sono state misurate lunghezze dei fascicoli (ad esempio, tricipite25, carpi ulnaris estensori23, gastrocnemio mediale10, vastus lateralis24, bicipiti femorali8,31). Questo protocollo ha lo scopo di fornire indicazioni e descrivere gli standard necessari in modo che possa essere applicato ai muscoli oltre i due esempi che forniamo.

1. Raccolta di immagini EFOV-US dei muscoli

Preparazione

  1. Preparazione dell'ecografista
    1. Prima di utilizzare il sistema a ultrasuoni, leggere il manuale del sistema per acquisire familiarità con la sicurezza del sistema, la cura per la manutenzione del sistema, la configurazione e i controlli del sistema, ecc. Inoltre, consultare le istruzioni del sistema per ottenere immagini EFOV-US e avere familiarità con il metodo implementato per ottenere le immagini EFOV-US.
      NOTA: diversi sistemi a ultrasuoni nominano la modalità EFOV-US utilizzando una terminologia diversa. Ad esempio, nel sistema utilizzato qui, la modalità EFOV viene definita "Panoramic Imaging". Mentre i dettagli tecnici dell'algoritmo implementato in vari sistemi commerciali sono solitamente proprietà intellettuale e quindi non liberamente disponibili, da una rapida revisione, molti sistemi commerciali con capacità ecografiche panoramiche descrivono un approccio simile a quello descritto da Weng et al.22. Valutare la validità generale delle misurazioni acquisite da qualsiasi sistema, sia ottenendo informazioni più dettagliate direttamente dall'azienda che produce il sistema, utilizzando un fantasma di imaging26,32, o con altri mezzi (ad esempio, il confronto con la dissezione animale24) è raccomandato come un passo importante prima di iniziare la ricerca che coinvolge partecipanti umani.
    2. Prenditi del tempo per familiarizzare con l'anatomia dei muscoli di interesse e l'anatomia circostante. Si suggerisce che l'ecografista utilizzi un libro di testo di anatomia o preferibilmente un modello di anatomia 3D online interattivo per familiarizzare con l'anatomia di interesse.
  2. Preparazione dei partecipanti
    1. Spiegare il protocollo dello studio al partecipante e acquisire il consenso approvato dall'IRB prima di iniziare il protocollo di imaging.
    2. Chiedere al partecipante di indossare un abbigliamento adeguato per consentire l'accesso al muscolo di interesse. Ad esempio, se l'ecografista prevede di visualizzare un muscolo dell'avambraccio, al partecipante dovrebbe essere chiesto di indossare una camicia a maniche corte.
    3. Fai sedere il partecipante su una sedia regolabile che può essere bloccata in posizione. Prenditi del tempo per regolare la sedia per rendere il partecipante il più confortevole possibile, pur fornendo l'accesso al muscolo di interesse.
      NOTA: Se non è disponibile una sedia regolabile che può essere completamente piatta, alcuni progetti di studio potrebbero richiedere l'uso di un tavolo per accedere al muscolo di interesse (ad esempio, muscoli posteriori della coscia).
    4. Posiziona l'articolazione (s) che il muscolo di interesse si estende in una postura che può essere controllata e ripetuta. Utilizzare la guida clinica33 per individuare i punti di riferimento anatomici e implementare la goniometria; utilizzare gli standard ISB per definire il sistema di coordinate articolari34,35. In generale, per misurare l'angolo articolare, contrassegnare i punti di riferimento anatomici con un marcatore di sicurezza della pelle (Tabella dei materiali) e quindi allineare il centro di un goniometro portatile verso l'alto con l'asse di rotazione dell'articolazione e le braccia del goniometro verso l'alto con i segmenti articolari.
      NOTA: Se si esegue l'imaging del muscolo passivo, si consiglia di posizionare il muscolo di interesse in una posizione relativamente allungata per evitare l'imaging del muscolo allentato.
      1. Per replicare il bicipite brachiale come ripreso in questo studio, i partecipanti seduti con i piedi supportati, la schiena dritta, la spalla a 85 ° di abduzione e 10 ° di flessione orizzontale, il gomito a 25 ° di flessione e l'avambraccio, il polso e le dita in folle.
      2. Per replicare la tibiale anteriore come ripreso in questo studio, i partecipanti seduti con il ginocchio a 60° di flessione e la caviglia a 15° di flessione plantare.
    5. Fissare l'arto dei partecipanti utilizzando cinghie di stoffa per ridurre al minimo il movimento durante il protocollo di imaging.

Acquisizione di immagini

  1. Collegare e accendere il sistema ad ultrasuoni. Assicurarsi che l'esame sia impostato su Muscoloscheletrico, che venga selezionato il trasduttore in uso (qui abbiamo usato 14L5) e che la frequenza di trasmissione sia compresa tra 5-17 MHz (qui è stato utilizzato 11MHz), una gamma di frequenza tipica per l'imaging muscolo-scheletrico. Le frequenze più alte sono generalmente utilizzate per immagini più superficiali in quanto migliorano la risoluzione ma diminuiscono la penetrazione delle onde.
  2. Vai nelle impostazioni di sistema per regolare le impostazioni dell'interruttore a pedale. Ai fini di questo protocollo, si consiglia di impostare l'interruttore a pedale per avviare/arrestare l'imaging. Se l'interruttore a pedale in uso ha più pedali, impostare pedali aggiuntivi su "Freeze" o "Pause" e "Print" o "Store" l'immagine.
  3. Applicare una generosa quantità di gel ad ultrasuoni sulla testa del trasduttore.
  4. Posizionare il trasduttore sulla pelle del partecipante sulla regione approssimativa di interesse.
  5. Spostare il trasduttore nel piano dell'asse corto del muscolo. Si noti che il trasduttore ha una piccola protuberanza su un lato, chiamata indicatore. Il lato del trasduttore che ha l'indicatore corrisponde al lato sinistro dell'immagine ad ultrasuoni. Quando si esegue l'imaging nell'asse corto, chiedere all'ecografista di tenere l'indicatore puntato lateralmente e quando l'ecografista è in asse lungo, puntare l'indicatore in modo distale.
  6. Identificare il muscolo di interesse nel piano dell'asse corto (perpendicolare alla direzione della fibra muscolare) e spostare il trasduttore distale e prossimale per ottenere una visualizzazione completa del percorso muscolare.
    1. Contrassegnare importanti punti di riferimento anatomici (ad esempio, i bordi laterali e mediali del muscolo, la giunzione del tendine muscolare e l'inserimento muscolare) utilizzando marcatori di inchiostro sicuri per la pelle (Tabella dei materiali).
  7. Una volta che la posizione del muscolo è stata identificata e correttamente contrassegnata, chiedi all'ecografista di spostare il trasduttore ad ultrasuoni nel piano dell'asse lungo (parallelo alla direzione della fibra muscolare).
  8. A partire dall'estremità distale o prossimale del muscolo, ruotare e inclinare il trasduttore per identificare il piano del fascicolo in quel punto. Lasciare un segno sulla pelle quando è stata stabilita la corretta posizione del trasduttore.
  9. Una volta che il piano fascicolo approssimativo è stato stabilito lungo l'intera lunghezza desiderata da scansionare, chiedi all'ecografista di seguire questo percorso.
  10. Per iniziare a raccogliere immagini, metti il sistema ad ultrasuoni in modalità EFOV-US.
  11. A partire da un'estremità del muscolo, fare clic sull'interruttore a pedale per avviare l'acquisizione dell'immagine e spostare lentamente e continuamente il trasduttore ad ultrasuoni nell'asse lungo. Una volta raggiunta la fine del muscolo, fare clic sull'interruttore a pedale per terminare l'acquisizione dell'immagine.
  12. Esercitati e assicurati il percorso corretto del trasduttore. Ciò potrebbe richiedere diverse immagini di pratica prima di ottenere costantemente immagini EFOV-US di "qualità" (vedere la sezione 2 per la spiegazione delle immagini di qualità).
  13. Per ottimizzare la visibilità e la chiarezza dell'immagine, prendere in considerazione le regolazioni dei seguenti parametri.
    1. Profondità: se l'acquisizione dell'immagine termina prima che la lunghezza desiderata del muscolo possa essere catturata, aumentare la profondità dell'immagine (nel sistema utilizzato qui, l'aumento della profondità dell'immagine aumenta la lunghezza assoluta della scansione).
    2. Messa a fuoco: posiziona la freccia di messa a fuoco nella metà inferiore dell'immagine appena sotto il muscolo di interesse.
    3. Guadagno: assicurati che il guadagno sia bilanciato attraverso la profondità dell'immagine.
    4. Velocità: immagine alla velocità ottimale guidata dall'indicatore (nella maggior parte dei sistemi un indicatore di velocità viene visualizzato sul monitor durante l'imaging panoramico).
  14. Una volta raccolte immagini qualitativamente buone (passaggio 2.1), premere il pedale Dell'interruttore Stampa/Store o un pulsante sinonimo sul pannello di controllo per salvare l'immagine.
  15. Ripetere i passaggi 1.13-1.16 fino a ottenere immagini EFOV-US di qualità 3 del muscolo.
  16. Ripetere i passaggi 1.6-1.17 fino a ottenere tutti i muscoli di interesse.
  17. Utilizzare un asciugamano per pulire delicatamente il gel dalla pelle del partecipante. Quindi chiedi al partecipante di risciacquare l'area della pelle o utilizzare un asciugamano umido per pulire la pelle esposta al gel. Secco.
  18. Pulire il gel dalla testa del trasduttore e disinfettare.
  19. Esportare le immagini come immagini DICOM non compresse su un CD-DVD, un'unità flash o attraverso la rete locale su un computer.

2. Determinazione della "qualità" dell'immagine EFOV-US

  1. Seguendo il passaggio 1.13, chiedi all'ecografista di identificare e valutare la qualità delle caratteristiche anatomiche chiave del muscolo di interesse e della sua anatomia circostante. Questa è una valutazione qualitativa basata sulla conoscenza dell'ecografista dell'anatomia e dell'ecogenicità del tessuto muscolo-scheletrico (capacità di un tessuto di riflettere le onde ultrasoniche). Affinché un'immagine EFOV-US sia considerata qualitativamente "buona", è necessario soddisfare quanto segue:
    1. In qualsiasi immagine ad asse lungo di un muscolo, verificare che l'ecografista possa identificare chiaramente il muscolo come una forma ipoecoica (scura) con confini iperecoici (luminosi) che rappresentano la fascia muscolare profonda e superficiale.
    2. Tra i confini muscolari, verificare che l'ecografista possa identificare il tessuto connettivo che circonda un fascicolo muscolare come linee iperecogene (luminose).
      NOTA: quando si visualizzano i muscoli multi-pennated, l'immagine dovrebbe contenere anche tendini centrali che si presentano nella pancia muscolare, tra la fascia muscolare profonda e superficiale, come una struttura iperecoica (luminosa).
    3. Verificare che l'immagine non presenti una flessione eccessiva. Questo di solito è indicato da ombre o spazi vuoti nell'immagine o da una linea di righello flessibile frastagliata sull'immagine.
  2. Se all'immagine manca una o più delle strutture tissutali descritte in 2.1, considerare l'immagine "qualitativamente scarsa" e tornare alla modalità 2D dal vivo.

3. Quanitificare la lunghezza del fascicolo muscolare

  1. Per quantificare la lunghezza del fascicolo muscolare, utilizzare ImageJ, una piattaforma di elaborazione delle immagini open source. ImageJ può essere scaricato da https://imagej.net/Downloads.
    NOTA: Sebbene ImageJ sia spesso implementato24,25,31,36,37,38, la quantificazione della lunghezza del fascicolo muscolare può essere misurata utilizzando altri software di elaborazione delle immagini8,39 o codici personalizzati40,41.
  2. Una volta scaricate, apri le immagini a ultrasuoni come immagini DICOM in ImageJ facendo clic su File | Apri e seleziona l'immagine da analizzare.
  3. Per assicurarsi che le proprietà dell'immagine DICOM siano state mantenute, fare clic sullo strumento Linea retta nel menu Strumenti e disegnare una linea retta da 0 a 1 cm sul righello sul lato dell'immagine ad ultrasuoni. Quindi vai su Analizza | Misura per misurare la linea realizzata. Se le proprietà dell'immagine sono state mantenute, la lunghezza della linea retta deve essere di 1 cm.
  4. Per misurare le lunghezze dei fascicoli nell'immagine, completare quanto segue.
    1. Fate clic con il pulsante destro del mouse sullo strumento Linea retta .
    2. Selezionare Linea segmentata.
    3. Sposta il cursore sull'immagine e fai clic su un'estremità del fascicolo che è stata scelta per essere misurata.
      NOTA: Effettuare misurazioni sui fascicoli solo che l'intero percorso del fascicolo (cioè da un'aponeurosi all'aponeurosi successiva o aponeurosi al tendine centrale) può essere visto in modo convincente.
    4. Fate clic lungo il tracciato per assicurarvi che venga acquisita la curvatura nel tracciato del fascicolo.
    5. Una volta raggiunta la fine del percorso del fascicolo, fai doppio clic per terminare la linea e vai su Analizza | Misurare per misurare la lunghezza della linea.
      NOTA: una nuova finestra, "Risultati", apparirà la prima volta che viene effettuata una misurazione. I valori visualizzati possono essere gestiti nella finestra Risultati accedendo a Risultati | Imposta misure.
  5. Ripetere i passaggi 3.4.3-3.4.5 fino a quando non vengono effettuate più misure di fascicolo in una singola immagine.
  6. Salvare le misure dei fascicoli facendo clic su File | Salva nella scheda dei risultati o i valori possono essere copiati e incollati in un altro documento / foglio di calcolo.

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Risultati

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,...

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Discussione

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 visualizz...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Vorremmo ringraziare Vikram Darbhe e Patrick Franks per la loro guida sperimentale. Questo lavoro è supportato dal National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program sotto Grant No. DGE-1324585 così come NIH R01D084009 e F31AR076920. Eventuali opinioni, risultati e conclusioni o raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della National Science Foundation o nih.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Trasduttori lineari 14L5 SistemaSiemens10789396
Acuson S2000Sedia regolabile Siemens10032746
(sistema Biodex)Biodex Medical SystemsSystem Pro 4
Skin Marker Punta mediaSportSafen/aMulti-color Confezione da 4
Gel per ultrasuoni consigliato - Standard 8 once non sterile Senza profumo Tinta glacialeMediChoice, Owens & MinoriM500812
a ultrasuoni

Riferimenti

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