Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Opnåelse af kvalitet udvidet Field-of-View ultralyd billeder af skeletmuskulatur til måling muskel fascicle længde

Published: December 14, 2020 doi: 10.3791/61765
Automatic Translation
1,4,5, 1,2,3,4,5
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

Summary

Denne undersøgelse beskriver, hvordan man opnår muskuloskeletale billeder af høj kvalitet ved hjælp af den udvidede synsfelt ultralyd (EFOV-US) metode med det formål at gøre muskel fascicle længde foranstaltninger. Vi anvender denne metode til muskler med fascicles, der strækker sig forbi synsfeltet af almindelige traditionelle ultralydssonder (T-US).

Abstract

Muskel fascicle længde, som er almindeligt målt in vivo ved hjælp af traditionel ultralyd, er en vigtig parameter definere en muskels kraft generere kapacitet. Men over 90% af alle øvre lemmer muskler og 85% af alle underekstremitet muskler har optimale fascicle længder længere end synsfeltet af fælles traditionelle ultralyd (T-US) sonder. En nyere, mindre hyppigt vedtaget metode kaldet udvidet felt-of-view ultralyd (EFOV-US) kan muliggøre direkte måling af fascicles længere end synsfeltet af et enkelt T-US-billede. Denne metode, som automatisk passer sammen en sekvens af T-US billeder fra en dynamisk scanning, har vist sig at være gyldig og pålidelig for at opnå muskel fascicle længder in vivo. På trods af de mange skeletmuskulaturer med lange fascicles og gyldigheden af EFOV-US metode til at foretage målinger af sådanne fascicles, få offentliggjorte undersøgelser har udnyttet denne metode. I denne undersøgelse demonstrerer vi både, hvordan man implementerer EFOV-US-metoden til at opnå muskuloskeletale billeder af høj kvalitet, og hvordan man kvantificerer fasciclelængder fra disse billeder. Vi forventer, at denne demonstration vil tilskynde til brugen af EFOV-USA-metoden til at øge muskelpuljen, både i raske og svækkede populationer, som vi har in vivo muskel fascicle længde data.

Introduction

Fascicle længde er en vigtig parameter for skeletmuskulatur arkitektur, som generelt er tegn på en muskel evne til at producere kraft1,2. Specifikt, en muskels fascicle længde giver indsigt i det absolutte interval af længder, hvor en muskel kan generere aktiv kraft3,4. For eksempel, givet to muskler med identiske værdier for alle isometriske kraft-genererende parametre (dvs. gennemsnitlige sarkom længde, vimningsvinkel, fysiologiske tværsnit område, sammentrækning tilstand, osv.) bortset fra fascicle længde, musklen med de længere fascicles ville producere sin peak kraft på en længere længde og ville producere kraft over et bredere udvalg af længder end musklen med kortere fascicles3 . Kvantificering af muskelafskloglængden er vigtig for at forstå både sund muskelfunktion og ændringer i en muskels kraftgenererende kapacitet, som kan opstå som følge af ændret muskelbrug (f.eks immobilisering5,6, træningsintervention7,8,9, højhæle iført10) eller en ændring i muskelmiljøet (f.eks. seneoverførselsoperation11, distraktion af lemmer12 ). Målinger af muskelafskædelser blev oprindeligt opnået gennem ex vivo kadaveriske eksperimenter, der giver mulighed for direkte måling af dissekerede fascicles13,14,15,16. De værdifulde oplysninger fra disse ex vivo-forsøg førte til interesse i at gennemføre in vivo-metoder17,18,19 for at besvare spørgsmål, der ikke kunne besvares i kadavere; in vivo-metoder gør det muligt at kvantificere muskelparametre i en indfødt tilstand samt ved forskellige ledstillinger, forskellige muskelsammentrækningstilstande, forskellige belastnings- eller aflæsningstilstande og på tværs af populationer med forskellige tilstande (dvs. sunde/skadede, unge/gamle osv.). Oftest, ultralyd er den metode, der anvendes til at opnå in vivo muskel fascicle længder18,19,20; Det er hurtigere, billigere og lettere at implementere end andre billeddannelsesteknikker, såsom diffusion tensor imaging (DTI)18,21.

Udvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) har vist sig at være en gyldig og pålidelig metode til måling af muskel fascicle længde in vivo. Mens almindeligt gennemført, traditionel ultralyd (T-US) har et synsfelt, som er begrænset af ultralyd transducer array længde (typisk mellem 4 og 6 cm, selv om der er sonder, der strækker sig til 10 cm10)18,20. For at overvinde denne begrænsning udviklede Weng et al. en EFOV-AMERIKANSK teknologi, der automatisk erhverver et sammensat, todimensionelt "panoramabillede" (op til 60 cm langt) fra en dynamisk, udvidet afstandsscanning22. Billedet er skabt ved at passe sammen, i realtid, en sekvens af traditionelle, B-mode ultralyd billeder som transducer dynamisk scanner genstand for interesse. Da sekventielle T-US-billeder har store overlappende områder, kan de små forskelle fra et billede til det næste bruges til at beregne sondebevægelsen uden brug af eksterne bevægelsessensorer. Når sondens bevægelse mellem to på hinanden følgende billeder er beregnet, flettes det "aktuelle" billede successivt med de foregående billeder. EFOV-US-metoden giver mulighed for direkte måling af lange, buede muskelafslappicles og har vist sig at være pålidelig på tværs af muskler, forsøg og sonografer23,24,25 og gælder for både flade og buede overflader23,26.

Gennemførelse ultralyd til at måle muskel fascicle længde in vivo er ikke trivielt. I modsætning til andre billeddannelsesteknikker, der involverer mere automatiserede protokoller (dvs. MR, CT), er ultralyd afhængig af sonograffærdigheder og anatomisk viden27,28. Der er bekymring for, at sonde forskydning med fascicle flyet kan forårsage betydelige fejl i fascicle foranstaltninger. En undersøgelse viser ringe forskel (i gennemsnit < 3 mm) i målinger af fascicle længde taget ved hjælp af ultralyd og DTI MR, men viser også, at måling præcision er lav (standard afvigelse af forskel ~ 12 mm) 29. Alligevel har det vist sig, at en nybegynder sonograf, med praksis og vejledning fra en erfaren sonograf, kan få gyldige meaures ved hjælp af EFOV-US23. Der bør derfor gøres en indsats for at påvise passende protokoller for at reducere menneskelige fejl og forbedre nøjagtigheden af målinger opnået ved hjælp af EFOV-USA. I sidste ende kan udvikling og deling af passende protokoller udvide antallet af forsøgspersoner og laboratorier, der kan reproducere fasciclelængdedata fra litteraturen eller få nye data i muskler, som endnu ikke er blevet undersøgt in vivo.

I denne protokol demonstrerer vi, hvordan man implementerer EFOV-US-metoden for at opnå muskuloskeletale billeder af høj kvalitet, der kan bruges til at kvantificere muskelfasciclelængden. Specifikt behandler vi (a) indsamling af EFOV-AMERIKANSKE billeder af en enkelt overekstremitet og en enkelt underekstremitetsmuskel (b) der i realtid bestemmer "kvaliteten" af EFOV-US-billedet og (c) kvantificering af muskelarkitekturparametre offline. Vi giver denne detaljerede guide til at tilskynde til vedtagelsen af EFOV-US metode til at opnå muskel fascicle længde data i muskler, der er gået unstudied in vivo på grund af deres lange fascicles.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Northwestern University's Institutional Review Board (IRB) godkendte procedurerne i denne undersøgelse. Alle deltagere, der var tilmeldt dette arbejde, gav informeret samtykke, inden protokollen blev indledt nedenfor.
BEMÆRK: Det specifikke ultralydssystem, der blev anvendt i denne undersøgelse, havde EFOV-US-kapaciteter og blev vedtaget, fordi vi var i stand til at gennemgå detaljer om og validitetsvurderinger for algoritmen i den videnskabelige litteratur22,26; flere andre systemer med EFOV-USA findes også18,20,30. En lineær array transducer 14L5 (frekvens båndbredde 5-14 MHz) blev udnyttet. Musklerne afbildet i denne protokol er blot en lille delmængde af muskler, som amerikanske billeder er blevet fanget og fascicle længder målt (f.eks triceps25, extensor carpi ulnaris23, mediale gastrocnemius10, vastus lateralis24, biceps femoris8,31). Denne protokol er beregnet til at give pejlemærker og beskrive de nødvendige standarder, så det kan anvendes på muskler ud over de to eksempler, vi giver.

1. Indsamling EFOV-US billeder af muskler

Præparation

  1. Forberedelse af sonograf
    1. Før du betjener ultralydssystemet, skal du læse i systemets manual for at blive fortrolig med systemsikkerhed, pleje af vedligeholdelse af systemet, systemopsætning og kontroller osv. Derudover gennemgå systemets instruktioner til at få EFOV-US-billeder og være bekendt med den metode, der er implementeret for at få EFOV-US-billederne.
      BEMÆRK: Forskellige ultralydssystemer navngiver EFOV-US-tilstanden ved hjælp af forskellige terminologier. I det system, der bruges her, kaldes EFOV-tilstanden f.eks. Mens de tekniske detaljer i algoritmen implementeret i forskellige kommercielle systemer er normalt intellektuel ejendomsret og derfor ikke frit tilgængelige, fra en overfladisk gennemgang, mange kommercielle systemer med panoramisk ultralyd kapaciteter beskrive en tilgang svarende til den, der er beskrevet af Weng et al.22. Evaluering af den generelle gyldighed af målinger, der er erhvervet fra ethvert system, enten ved at indhente mere detaljerede oplysninger direkte fra den virksomhed, der fremstiller systemet, ved hjælp af et billedfantom26,32 eller på anden måde (f.eks. sammenligning med dyre dissektion24) anbefales som et vigtigt skridt, før man påbegynder forskning, der involverer menneskelige deltagere.
    2. Tag dig tid til at blive fortrolig med anatomien af muskel (r) af interesse samt den omgivende anatomi. Det foreslås, at sonografen bruger en anatomi lærebog eller helst en interaktiv online 3D anatomi model til at blive fortrolig med anatomi af interesse.
  2. Forberedelse af deltagere
    1. Forklar undersøgelsens protokol til deltageren, og få godkendt IRB-godkendelse, inden billedbehandlingsprotokollen påbegyndes.
    2. Bed deltageren om at bære passende tøj for at give adgang til muskel af interesse. For eksempel, hvis sonographer planlægger at afbilde en underarmsmuskel, skal deltageren blive bedt om at bære en kortærmet skjorte.
    3. Sæt deltageren i en justerbar stol, der kan låses på plads. Tag dig tid til at justere stolen for at gøre deltageren så behagelig som muligt, mens du stadig giver adgang til muskel af interesse.
      BEMÆRK: Hvis en justerbar stol, der kan lægge helt fladt, ikke er tilgængelig, kan nogle studiedesign kræve brug af et bord for at få adgang til muskel af interesse (dvs. hamstrings).
    4. Placer den eller de led, som muskel af interesse spænder over i en kropsholdning, der kan kontrolleres og gentages. Brug klinisk vejledning33 til at lokalisere anatomiske landemærker og implementere goniometri; anvende ISB-standarder til definition af det fælles koordinatsystem34,35. Generelt, for at måle fælles vinkel, markere anatomiske vartegn med huden sikker markør (Tabel over materialer) og derefter justere midten af en håndholdt goniometer op med rotationsaksen af leddet og armene på goniometer op med de fælles segmenter.
      BEMÆRK: Hvis billeddannelse passiv muskel, placere muskel af interesse i en relativt forlænget position anbefales at undgå billeddannelse slap muskel.
      1. For at kopiere biceps brachii som afbildet i denne undersøgelse, sæde deltagere med fødder støttet, tilbage lige, skulder ved 85 ° bortførelse og 10 ° af vandret fleksion, albue ved 25 ° fleksion, og underarm, håndled, og fingre på neutral.
      2. For at replikere skinnebenet anterior som afbildet i denne undersøgelse, sæde deltagere med knæ ved 60 ° af fleksion og anklen ved 15 ° af plantar fleksion.
    5. Fastgør deltagerne lemmer ved hjælp af klud stropper for at minimere bevægelse under billedbehandling protokol.

Køb af billede

  1. Sæt i og tænd ultralydssystemet. Sørg for, at eksamen er indstillet til Muskuloskeletal, transducer i brug er valgt (her brugte vi 14L5), og transmissionsfrekvensen er indstillet mellem 5-17 MHz (her blev 11MHz brugt), et typisk frekvensområde for muskuloskeletal billeddannelse. Højere frekvenser bruges generelt til mere overfladisk billeddannelse, da de forbedrer opløsningen, men reducerer bølgeindtrængning.
  2. Gå ind i systemindstillingerne for at justere indstillingerne for fodkontakt. I forbindelse med denne protokol anbefaler vi, at du indstiller footswitch til at starte/ stoppe billeddannelsen. Hvis den fodkontakt, der er i brug, har flere pedaler, skal du indstille yderligere pedaler til "Freeze" eller "Pause" og "Print" eller "Store" billedet.
  3. Påfør en generøs mængde ultralydgel på transducerens hoved.
  4. Placer transducer på deltagerens hud på den omtrentlige region af interesse.
  5. Flyt transducer i den korte akse plan af musklen. Bemærk, at transduceren har en lille fremspring på den ene side, kaldet en indikator. Den side af transduceren, der har indikatoren, svarer til venstre side af ultralydsbilledet. Når du billeddannelse i den korte akse, har sonographer holde indikatoren pegede sidevært og når sonografen er i lang akse, pege indikatoren distally.
  6. Identificer muskel af interesse i den korte akse plan (vinkelret på muskel fiber retning) og flytte transducer distal og proksimale at få en fuld visualisering af muskelstien.
    1. Markér vigtige anatomiske landemærker (dvs. muskelens laterale og mediale kanter, muskelsenenkrydset og muskelindføring) ved hjælp af hudsikre blækmarkører (Materialetabel).
  7. Når placeringen af musklen er blevet identificeret og korrekt markeret, har sonographer flytte ultralyd transducer i den lange akse plan (parallelt med muskel fiber retning).
  8. Begyndende ved enten den distale eller proksimale ende af musklen, rotere og vippe transducer at identificere fascicle plan på det tidspunkt. Sæt et mærke på huden, når den korrekte transducerposition er etableret.
  9. Når den omtrentlige fascicle plan er blevet etableret langs hele den ønskede længde, der skal scannes, har sonographer praksis efter denne vej.
  10. For at begynde at indsamle billeder skal du sætte ultralydssystemet i EFOV-US-tilstand.
  11. Starter i den ene ende af musklen, skal du klikke på footswitch at starte billedet erhvervelse og langsomt og kontinuerligt flytte ultralyd transducer i den lange akse. Når slutningen af musklen er nået, skal du klikke på footswitch at afslutte billedet erhvervelse.
  12. Øv og sørg for den korrekte transducervej. Dette kan tage flere øvelsesbilleder, før der konsekvent opnås "kvalitet" EFOV-US-billeder (se afsnit 2 for at forklare kvalitetsbilleder).
  13. Hvis du vil optimere billedets synlighed og klarhed, skal du overveje justeringer af følgende parametre.
    1. Dybde: Hvis billedopsamling slutter, før den ønskede længde af musklen kan fanges, øge dybden af billedet (i det system, der anvendes her, øger øge billeddybden den absolutte længde scanningen kan være).
    2. Fokus: Placer fokuspilen i den nederste halvdel af billedet lige under interessemusklen.
    3. Gain: Sørg for gevinsten er afbalanceret gennem dybden af billedet.
    4. Hastighed: Billede ved den optimale hastighed som styret af indikatoren (i de fleste systemer vises en hastighedsindikator på skærmen under panoramisk billeddannelse).
  14. Når kvalitativt gode billeder er blevet indsamlet (trin 2.1), skal du trykke på Print / Store footswitch pedal eller en synonym knap på kontrolpanelet for at gemme billedet.
  15. Gentag trin 1.13-1.16 indtil 3 kvalitet EFOV-US billeder af musklen er opnået.
  16. Gentag trin 1.6-1.17, indtil alle muskler af interesse er opnået.
  17. Brug et håndklæde til forsigtigt at tørre gelen af deltagerens hud. Få derefter deltageren til at skylle hudområdet af eller bruge et fugtigt håndklæde til at tørre huden, der blev udsat for gelen. Tør.
  18. Tør gelen af transducerens hoved og desinficer.
  19. Eksporter billeder som ukomprimerede DICOM-afbildninger til en cd-dvd, et flashdrev eller via det lokale netværk til en computer.

2. Bestemmelse af "kvalitet" af EFOV-US-billedet

  1. Efter trin 1.13, har sonographer identificere og evaluere kvaliteten af centrale anatomiske træk af muskel af interesse og dens omgivende anatomi. Dette er en kvalitativ vurdering baseret på sonografens viden om anatomi og muskuloskeletal væv ekkogenicitet (evne til et væv til at afspejle ultralydbølger). For at et EFOV-US-billede kan betragtes som kvalitativt "godt", skal følgende opfyldes:
    1. I enhver lang akse billede af en muskel, kontrollere, at sonographer klart kan identificere musklen som en hypoechoic (mørk) form med hyperechoic (lyse) grænser, som repræsenterer den dybe og overfladiske muskel fascia.
    2. Mellem muskelgrænserne skal du kontrollere, at sonografen kan identificere bindevævet omkring en muskelafskicle som hyperechoic (lyse) linjer.
      BEMÆRK: Når billeddannelse multi-pennated muskler, billedet bør også indeholde centrale sener (r), der dukker op i muskelmaven, mellem den dybe og overfladiske muskel fascia, som en hyperechoic (lyse) struktur.
    3. Kontroller, at billedet ikke har overdreven bøjning. Dette er normalt angivet med skygger eller huller i billedet eller en takkede fleksibel lineal linje over billedet.
  2. Hvis billedet mangler en eller flere af vævsstrukturerne, der er beskrevet i punkt 2.1, skal du finde billedet "kvalitativt dårligt" og vende tilbage til live 2D-tilstand.

3. Quanitfying Muskel Fascicle Længde

  1. For at kvantificere muskel fascicle længde, skal du bruge ImageJ, en open source billedbehandling platform. ImageJ kan downloades på https://imagej.net/Downloads.
    BEMÆRK: Selvom ImageJ ofte implementeres24,25,31,36,37,38, kan kvantificering af muskelafskiclelængde måles ved hjælp af anden billedbehandlingssoftware8,39 eller brugerdefinerede koder40,41.
  2. Når du er downloadet, skal du åbne ultralydsbillederne som DICOM-billeder i ImageJ ved at klikke på Fil | Åbn og vælg det billede, der skal analyseres.
  3. For at sikre, at DICOM-billedegenskaberne er bevaret, skal du klikke på værktøjet Lige linje i menuen Funktioner og tegne en lige linje fra 0 til 1 cm på linealen på siden af ultralydsbilledet. Gå derefter til Analyze | Mål for at måle den linje, der er foretaget. Hvis billedegenskaberne er bevaret, skal længden af den lige linje være 1 cm.
  4. Hvis du vil måle fasciclelængder i billedet, skal du udfylde følgende.
    1. Højreklik på værktøjet Lige linje .
    2. Vælg Segmenteret linje.
    3. Flyt markøren over på billedet, og klik i den ene ende af den fascicle, der er valgt til at blive målt.
      BEMÆRK: Foretag kun målinger på fascicles, at hele fascicle-stien (dvs. fra en aponeurose til den næste aponeurose eller aponeurose til central sene) overbevisende kan ses.
    4. Klik langs stien for at sikre krumning i fascicle stien er fanget.
    5. Når slutningen af fascicle-stien er nået, skal du dobbeltklikke for at afslutte linjen og gå til Analysér | Mål for at måle linjens længde.
      BEMÆRK: Et nyt vindue, "Resultater", vil dukke op første gang en måling foretages. Hvilke værdier der vises, kan administreres i vinduet Resultater ved at gå til Resultater | Indstil målinger.
  5. Gentag trin 3.4.3-3.4.5, indtil der foretages flere fascicle-målinger i et enkelt billede.
  6. Gem fasciclemålinger ved at klikke på Fil | Gem på resultatfanen, eller værdierne kan kopieres og indsættes i et andet dokument/regneark.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Udvidet felt-of-view ultralyd (EFOV-US) blev gennemført for at få billeder fra den lange leder af biceps brachii og skinnebenet forreste i 4 raske frivillige (tabel 1). Figur 1 viser, hvad EFOV-US billeder af begge muskler afbildet i denne repræsentative billeddannelse session og fremhæver vigtige aspekter af hvert billede såsom muskel aponeurose, central sene, fascicle sti, osv. Efter billeddannelse session var overstået, 3 kvalitativt "gode" billeder (Figur 2) blev analyseret for hver muskel i hver enkelt. ImageJ blev implementeret for at måle 4 fascicles pr billede. I hvert billede blev fascicles med stier, der overbevisende kunne visualiseres fra oprindelse til indsættelse, og som var placeret i forskellige dele af den valgte muskel, målt. De gennemsnitlige fasciclelængder, der er opnået i denne undersøgelse for biceps brachii (14,6 ± 1,7 cm) og skinnebenet anterior (7,3 ± 0,6 cm), ligger inden for området fasciclelængder, der tidligere er rapporteret25,42 (tabel 1).

Da de mest udfordrende og subjektive dele af denne protokol er afgørende faktorer, der fører til korrekt at anse et billede som kvalitativt "god" eller kvalitativt "dårlig". Vi giver flere eksempler på "gode" og "dårlige" billeder (figur 2), og hvordan billedmærker og kvalitet varierer på tværs af mennesker (figur 3). Derudover har vi fremhævet de dele af billederne, der specifikt er "dårlige".

Emne Køn Højde (m) Alder Bicep Side Bicep Fascicle Længde (cm) Tibialis Forreste Side Tibialis Anterior Fascicle længde (cm)
1 M 1.78 24 L 16.4 ± 0,3 L 7.6 ± 0,1
2 F 1.8 23 R 12.2 ± 0.2 L 7.5 ± 0,2
3 M 1.82 24 L 14.9 ± 0,2 R 7.7 ± 0.1
4 F 1.79 28 R 14.7 ± 0,2 L 6.4 ± 0,3
Gennemsnitlig 14.6 7.3
SD 1.7 0.6

Tabel 1: Deltagernes demografi og data. Målinger af fascicle længde er repræsenteret som gennemsnitlige ± standardafvigelse.

Figure 1
Figur 1: Skematiske og EFOV billeder af to eksempel muskler. (til venstre) Illustration af den muskel, der studeres. (højre) Eksempel på "gode" billeder på toppen og det samme billede med hele musklen (mørkeblå), central sene (lyseblå) og muskel fascicles (hvid) skitseret. Hvert billede har en tilsvarende 1 cm skalalinje (hvid) nederst til højre i billedet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Demonstration af billedkvalitet. Demonstration af tre kvalitativt "gode" og tre kvalitativt "dårlige" billeder opnået fra biceps brachii og skinnebenet forreste del af deltagerne 1 og 2. (Øverst A & B) I alle de kvalitativt "gode" billeder kan fascicles, der strækker sig fra intern sene til muskelaponeurose, visualiseres. Vi illustrerer billeder, der er kvalitativt "dårlige" og ikke bør analyseres. Dele af billedet, der kvalificerer det er som "dårlig" understreges (blå kasser og pile) og omfatter takkede eller brudte billeder, overdreven eller ikke-anatomisk relevant bøjning, billeder, der udelukker hele fascicle, og billeder med slørede centrale sener. Hvert billede har en skalalinje (hvid lodret linje), som repræsenterer 1 cm. Denne del af figuren fremhæver variationen blandt billeder, der hovedsagelig skyldes sonografens inkonsekvens på tværs af separate billeddannelses sweeps. (Bund A & B) En "god" biceps og en "god" skinneben forreste muskel er vist. Den orange boks på det oprindelige billede blæses derefter op for mere præcist at illustrere den zoom, der ses ved måling af fascicles i ImageJ. Det nederste billede viser repræsentative skitserede fascicles (hvide stiplede linjer). Disse billeder anses for "gode", fordi fascicles kan følges fra oprindelse til indsættelse, og den zoomede del af billedet ikke har væsentlige forvrængninger eller artefakter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Variabilitet i billedkvaliteten på tværs af enkeltpersoner. Variabilitet i billedkvaliteten og synligheden eksisterer mellem deltagerne, hovedsagelig på grund af anatomisk variation (dvs. muskelstørrelse, muskellængde, subkutant fedtindhold) og forskelle i muskelindhold (dvs. mængder intramuskulært fedt, bindevæv, fibrose). Specifikt, variationer i muskelindhold og lag af væv over musklen kan påvirke ekko intensiteten af billedet muscle43. Naturlige anatomiske forskelle på tværs af individer vil resultere i muskel arkitektoniske træk varierende i placering og / eller relativ størrelse på tværs af amerikanske billeder af forskellige individer. Denne demonstration af muskler i forskellige deltagere understreger vigtigheden af en grundig forståelse af anatomi og tilstrækkelig praksis at opnå billeder på forskellige individer for at få tillid til kvaliteten og nøjagtigheden af de billeder, der opnås. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske trin i protokollen.

Der er et par kritiske komponenter til at opnå kvalitet EFOV-US billeder, der giver gyldige og pålidelige fascicle længde foranstaltninger. For det første er det som angivet i metode 1.1.2 vigtigt, at sonografen tager sig tid til at blive fortrolig med anatomien af den muskel, der afbildes, samt omgivende muskler, knogler og andre bløde vævsstrukturer. Dette vil forbedre sonografens evne til at afbilde den korrekte muskel og afgøre, om flere billeder fanger det samme muskelplan. For det andet bør sonografen praktisere protokollen om fantomer og flere pilotdeltagere, før han indsamler data til offentliggørelse. Ultralyd er kendt for at resultere i målefejl, hvis sonografen ikke identificerer fascicle-flyet korrekt, en opgave, der er udfordrende og kan forbedres med praksis. Endelig anbefales det kraftigt at sikre, at gyldigheden af de målinger, der er foretaget af EFOV-US-algoritmen i det anvendte ultralydssystem, er blevet fastslået. Hvis metodens nøjagtighed ikke er blevet påvist, kan validering gøres let ved hjælp af en ultralyd phantom23,26 eller gennem sammenligning med et andet billeddannelsesværktøj44 eller cadaverisk dissektion45.

Ændringer og fejlfinding af metoden.

Hvis billedets synlighed er dårlig, eller sondebevægelsen er ujævn under dynamisk scanning, kan tilføjelse af ultralydgel forbedre billedkvaliteten ved at forbedre transducer-til-hud kobling. Hvis billedopsamlingen afbrydes af algoritmen, før hele genstanden for interesse er fanget, skal billedets dybde øges. Forøgelse af billedets dybde udvider den tilgængelige scanningsafstand, så længere objekter kan optages i et enkelt EFOV-US-billede. Generelt er det bedst at henvise til ultralydssystemets manual, når du forsøger at forbedre eller fejlfinde billedkvalitet eller billedopsamling.

Her demonstrerer vi, hvordan man fanger EFOV-AMERIKANSKE billeder af hele musklen fra muskelsenen krydset af oprindelse senen til indsættelse senen. Indfange hele musklen er nødvendig for nogle muskler, såsom biceps brachii, hvis fascicles spænder næsten hele længden af musklen. Men for andre muskler, såsom skinnebenet forreste eller andre pennated muskler, kortere scanninger, der ikke omfatter den fulde muskel mave kan stadig fange hele muskel fascicles. For nybegyndere sonografer, erhverve billeder fra kortere scanninger, der stadig fange fuld fascicle længder kan mindske chancerne for sonde forskydning med fascicle flyet og forbedre billedkvaliteten, hvilket reducerer potentialet for fascicle måling fejl.

Begrænsninger af metoden

Især, muskel aktivering kan ændre muskel fascicle længde. På grund af scanningsmetodens art er den største begrænsning af EFOV-USA, at det ikke kan implementeres for at studere muskelafskæmningsændringer på grund af dynamisk muskelsammentrækning (f.eks. under gang46,47). Derudover, på grund af den tid, der kræves for at fange en EFOV-US billede, billeddannelse en muskel ved maksimal sammentrækning er sandsynligvis umuligt på grund af muskeltræthed. I stedet er EFOV-US-metoden gavnlig for submaksimal eller passiv billeddannelse. En måde at sikre muskelaktivitet er konstant på tværs af deltagere, lemmer, eller sessioner er at samtidig måle EMG under billeddannelse og analysere kun billeder, der er taget, når musklen er på nogle ønskede aktivitetsniveau. Selvom det anbefales, især hvis man studerede populationer med ændret neuralt drev, blev der ikke taget foranstaltninger af EMG i den undersøgte population her.

Selvom traditionel ultralyd har vist sig at være gyldig og pålidelig til måling i vivo muskel fascicle længder, nogle fascicle målefejl vil opstå, hvis sonografens tilpasning af ultralyd transducer afviger fra fascicle plane27,29,48. På grund af karakteren af EFOV-US's dynamiske scanning er der bekymring for, at EFOV-US-metoden kan have flere fejl end T-US21,24. Mens en nylig undersøgelse viste, at fascicle måling fejl fra sonde forskydning ikke var større i EFOV-USA end i den veletablerede, T-US metode23 i en enkelt håndledsmuskel, en generel begrænsning af B-mode ultralyd er, at du kun er i stand til at fange en relativt lille, 2-dimensionelle (2D) opfattelse af musklen. Den sande vej for individuelle fascicles kan være 3D; der er fortsat bekymring for, at fejl i forbindelse med måling af længder af potentielt 3D-stier fra 2D-visninger kan være større i længere tid.

Metodens betydning med hensyn til eksisterende/alternative metoder

Statisk, B-mode ultralyd er en bredt accepteret metode til måling af muskel fascicle længder in vivo. Men, field-of-view af T-US sonder begrænser længden af fascicles, der kan måles direkte. I stedet kræver måling af fascicles længere end synsfeltet for T-US trigonometriske estimeringsmetoder, diffusion tensor imaging (DTI) eller EFOV-US20. Generelt er ultralydsscanning begunstiget frem for MAGNETISK RESONANSBILLEDDANNELSE (MRI) teknikker som DTI, fordi MR er dyrere og udfordrende at implementere18. Fascicle længder fanget med EFOV-USA har vist sig at være mere præcis end trigonometriske skøn metoder24,36, som forventes, da muskel fascicles regelmæssigt følger en buet vej, men trigonometriske skøn metoder påtage linearitet i deres beregning af muskel fascicle længde.

Det skal bemærkes, at selvom de fleste ultralydsonder er 4-6 cm lange, er ultralydsonder op til 10 cm blevet brugt9,10. De 10 cm sonder muliggør et bredere synsfelt, der muliggør opsamling af længere, lige fascicles. Stadig, den længere sonde længde falder billedhastighed, ville kræve billeddannelse overflade (kroppen) til også at være lige for at undgå ujævn kompression af det afbildede væv, og kan ikke være i stand til at fange længere buede fascicles (uden brug af EFOV)20.

Fremtidige programmer eller retninger af metoden

Vejledningen beskrevet her for at opnå kvalitet EFOV-US billeder til måling af muskel fascicle længde er beregnet til at fremme brugen af EFOV-US metode til at udvide puljen af muskler, som feltet har in vivo muskel arkitektur data. Forventningen er, at denne metode anvendes på både raske og nedsat populationer (f.eks personer efter slagtilfælde38,49 eller post-ortopædkirurgi) for bedre at forstå muskelfunktion og muskeltilpasning. Derudover er disse in vivo-data vigtige for udviklingen af modeller, der mere præcist forudsiger menneskelig bevægelse samt udviklingen af emnespecifikke muskuloskelettale modeller.

Især, EFOV-USA metode er ikke begrænset til målinger af muskel fascicle længde. Metoden er blevet brugt til måling af senelængde50,51 og muskel anatomisk tværsnit område,52,53 samt til dokumentation af forskellige overfladiske læsioner54,55. Således er der mulighed for at udvikle vejledninger, svarende til den, der præsenteres her, for at opnå billeder af høj kvalitet med EFOV-US-metoden til forskellige applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi vil gerne takke Vikram Darbhe og Patrick Franks for deres eksperimentelle vejledning. Dette arbejde er støttet af National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. DGE-1324585 samt NIH R01D084009 og F31AR076920. Eventuelle udtalelser, resultater og konklusioner eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er forfatternes og afspejler ikke nødvendigvis synspunkterne fra National Science Foundation eller NIH.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gans, C., Bock, W. J. The functional significance of muscle architecture: a theoretical analysis. Advances in Anatomy, Embryology and Cell Biology. 38, 115-142 (1965).
  2. Gans, C. Fiber architecture and muscle function. Exercise and Sports Sciences Reviews. 10, 160-207 (1982).
  3. Lieber, R. L., Fridén, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle & Nerve. 23 (11), 1647-1666 (2000).
  4. Zajac, F. E. Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 17 (4), 359-411 (1989).
  5. Williams, P. E., Goldspink, G. The effect of immobilization on the longitudinal growth of striated muscle fibres. Journal of Anatomy. 116 (1), 45 (1973).
  6. Williams, P. E., Goldspink, G. Changes in sarcomere length and physiological properties in immobilized muscle. Journal of Anatomy. 127 (3), 459-468 (1978).
  7. Blazevich, A. J., Cannavan, D., Coleman, D. R., Horne, S. Influence of concentric and eccentric resistance training on architectural adaptation in human quadriceps muscles. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1565-1575 (2007).
  8. Seymore, K. D., Domire, Z. J., DeVita, P., Rider, P. M., Kulas, A. S. The effect of Nordic hamstring strength training on muscle architecture, stiffness, and strength. European Journal of Applied Physiology. 117 (5), 943-953 (2017).
  9. Franchi, M. V., et al. Architectural, functional and molecular responses to concentric and eccentric loading in human skeletal muscle. Acta Physiologica. 210 (3), 642-654 (2014).
  10. Csapo, R., Maganaris, C. N., Seynnes, O. R., Narici, M. V. On muscle, tendon and high heels. The Journal of Experimental Biology. 213 (15), 2582-2588 (2010).
  11. Takahashi, M., Ward, S. R., Marchuk, L. L., Frank, C. B., Lieber, R. L. Asynchronous muscle and tendon adaptation after surgical tensioning procedures. Journal of Bone and Joint Surgery. 92 (3), 664-674 (2010).
  12. Boakes, J. L., Foran, J., Ward, S. R., Lieber, R. L. Case Report: Muscle Adaptation by Serial Sarcomere Addition 1 Year after Femoral Lengthening. Clinical Orthopaedics and Related Research. 456, 250-253 (2007).
  13. Cutts, A., Alexander, R. M., Ker, R. F. Ratios of cross-sectional areas of muscles and their tendons in a healthy human forearm. Journal of Anatomy. 176, 133-137 (1991).
  14. Lieber, R. L., Friden, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle Nerve. 23, 1647-1666 (2000).
  15. Lieber, R. L., Fazeli, B. M., Botte, M. J. Architecture of Selected Wrist Flexor and Extensor Muscles. Journal of Hand Surgery-American. 15 (2), 244-250 (1990).
  16. Brand, P. W., Beach, R. B., Thompson, D. E. Relative tension and potential excursion of muscles in the forearm and hand. Journal of Hand Surgery. 6 (3), (1981).
  17. Fukunaga, T., Kawakami, Y., Kuno, S., Funato, K., Fukashiro, S. Muscle architecture and function in humans. Journal of Biomechanics. 30 (5), 457-463 (1997).
  18. Kwah, L. K., Pinto, R. Z., Diong, J., Herbert, R. D. Reliability and validity of ultrasound measurements of muscle fascicle length and pennation in humans: a systematic review. Journal of Applied Physiology. 114, 761-769 (2013).
  19. Lieber, R. L., Ward, S. R. Skeletal muscle design to meet functional demands. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 366 (1570), 1466-1476 (2011).
  20. Franchi, M. V., et al. Muscle architecture assessment: strengths, shortcomings and new frontiers of in vivo imaging techniques. Ultrasound in Medicine & Biology. 44 (12), 2492-2504 (2018).
  21. Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & posture. 37 (3), 305-312 (2013).
  22. Weng, L., et al. US extended-field-of-view imaging technology. Radiology. 203 (3), 877-880 (1997).
  23. Adkins, A. N., Franks, P. F., Murray, W. M. Demonstration of extended field-of-view ultrasound's potential to increase the pool of muscles for which in vivo fascicle length is measurable. Journal of Biomechanics. 63, 179-185 (2017).
  24. Noorkoiv, M., Stavnsbo, A., Aagaard, P., Blazevich, A. J. In vivo assessment of muscle fascicle length by extended field-of-view ultrasonography. Journal of Applied Physiology. , (2010).
  25. Nelson, C. M., Dewald, J. P. A., Murray, W. M. In vivo measurements of biceps brachii and triceps brachii fascicle lengths using extended field-of-view ultrasound. Journal of Biomechanics. 49, 1948-1952 (2016).
  26. Fornage, B. D., Atkinson, E. N., Nock, L. F., Jones, P. H. US with extended field of view: Phantom-tested accuracy of distance measurements. Radiology. 214, 579-584 (2000).
  27. Bénard, M. R., Becher, J. G., Harlaar, J., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Anatomical information is needed in ultrasound imaging of muscle to avoid potentially substantial errors in measurement of muscle geometry. Muscle & Nerve. 39 (5), 652-665 (2009).
  28. Pinto, A., et al. Sources of error in emergency ultrasonography. Critical Ultrasound Journal. 5 (1), 1 (2013).
  29. Bolsterlee, B., Veeger, H. E. J., van der Helm, F. C. T., Gandevia, S. C., Herbert, R. D. Comparison of measurements of medial gastrocnemius architectural parameters from ultrasound and diffusion tensor images. Journal of Biomechanics. 48 (6), 1133-1140 (2015).
  30. VanHooren, B., Teratsias, P., Hodson-Tole, E. F. Ultrasound imaging to assess skeletal muscle architecture during movements: a systematic review of methods, reliability, and challenges. Journal of Applied Physiology. 128 (4), 978-999 (2020).
  31. Pimenta, R., Blazavich, A. J., Frietas, S. R. Biceps Femoris Long-Head Architecture Assessed Using Different Sonographic Techniques. Medicine & Science in Sports & Exercise. 50 (12), 2584-2594 (2018).
  32. Adkins, A. N., Franks, P. W., Murray, W. M. Demonstration of extended field-of-view ultrasound’s potential to increase the pool of muscles for which in vivo fascicle length is measurable. Journal of Biomechanics. 63, 179-185 (2017).
  33. Norkin, C. C., White, J. D. Measurement Of Joint Motion: A Guide To Goniometry. 5th edn. , F.A. Davis Company. (2016).
  34. Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion--part I: ankle, hip, and spine. International Society of Biomechanics. Journal of Biomechanics. 35 (4), 543-548 (2002).
  35. Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion--Part II: shoulder, elbow, wrist and hand. Journal of Biomechanics. 38 (5), 981-992 (2005).
  36. Franchi, M. V., Fitze, D. P., Raiteri, B. J., Hahn, D., Spörri, J. Ultrasound-derived biceps femoris long-head fascicle length: extrapolation pitfalls. Medicine and Science in Sports and Exercise. 52 (1), 233-243 (2020).
  37. Freitas, S. R., Marmeleira, J., Valamatos, M. J., Blazevich, A., Mil-Homens, P. Ultrasonographic Measurement of the Biceps Femoris Long-Head Muscle Architecture. Journal of Ultrasound in Medicine. 37 (4), 977-986 (2018).
  38. Nelson, C. M., Murray, W. M., Dewald, J. P. A. Motor Impairment-Related Alterations in Biceps and Triceps Brachii Fascicle Lengths in Chronic Hemiparetic Stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. 32 (9), 799-809 (2018).
  39. Alonso-Fernandez, D., Docampo-Blanco, P., Martinez-Fernandez, J. Changes in muscle architecture of biceps femoris induced by eccentric strength training with nordic hamstring exercise. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 28 (1), 88-94 (2018).
  40. Herbert, R. D., et al. In vivo passive mechanical behaviour of muscle fascicles and tendons in human gastrocnemius muscle-tendon units. The Journal of Physiology. 589 (21), 5257-5267 (2011).
  41. Jakubowski, K. L., Terman, A., Santana, R. V. C., Lee, S. S. M. Passive material properties of stroke-impaired plantarflexor and dorsiflexor muscles. Clinical Biomechanics. 49, 48-55 (2017).
  42. Ward, S. R., Eng, C. M., Smallwood, L. H., Lieber, R. L. Are Current Measurements of Lower Extremity Muscle Architecture Accurate. Clinical Orthopaedics and Related Research. 467 (4), 1074-1082 (2009).
  43. Pillen, S., van Alfen, N. Skeletal muscle ultrasound. Neurological Research. 33 (10), 1016-1024 (2011).
  44. Scott, J. M., et al. Panoramic ultrasound: a novel and valid tool for monitoring change in muscle mass. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle. 8 (3), 475-481 (2017).
  45. Silbernagel, K. G., Shelley, K., Powell, S., Varrecchia, S. Extended field of view ultrasound imaging to evaluate Achilles tendon length and thickness: a reliability and validity study. Muscles, Ligaments and Tendons Journal. 6 (1), 104 (2016).
  46. Lichtwark, G. A., Bougoulias, K., Wilson, A. M. Muscle fascicle and series elastic element length changes along the length of the human gastrocnemius during walking and running. Journal of Biomechanics. 40 (1), 157-164 (2007).
  47. Farris, D. J., Sawicki, G. S. Human medial gastrocnemius force-velocity behavior shifts with locomotion speed and gait. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (3), 977-982 (2012).
  48. Bolsterlee, B., Gandevia, S. C., Herbert, R. D. Effect of Transducer Orientation on Errors in Ultrasound Image-Based Measurements of Human Medial Gastrocnemius Muscle Fascicle Length and Pennation. PLoS ONE. 11 (6), (2016).
  49. Adkins, A. N., Dewald, J. P. A., Garmirian, L., Nelson, C. M., et al. Serial sarcomere number is substantially decreased within the paretic biceps brachii in chronic hemiparetic stroke. bioRxiv. , (2020).
  50. Pang, B. S., Ying, M. Sonographic measurement of Achilles tendons in asymptomatic subjects. Journal of Ultrasound in Medicine. 25 (10), 1291-1296 (2006).
  51. Ryan, E. D., et al. Test-retest reliability and the minimal detectable change for achilles tendon length: a panoramic ultrasound assessment. Ultrasound in Medicine & Biology. 39 (12), 2488-2491 (2013).
  52. Noorkoiv, M., Nosaka, K., Blazevich, A. J. Assessment of quadriceps muscle cross-sectional area by ultrasound extended-field-of-view imaging. European Journal of Applied Physiology. 109 (4), 631-639 (2010).
  53. Franchi, M. V., Fitze, D. P., Hanimann, J., Sarto, F., Spörri, J. Panoramic ultrasound vs. MRI for the assessment of hamstrings cross-sectional area and volume in a large athletic cohort. Scientific Reports. 10 (1), 14144 (2020).
  54. Yerli, H., Eksioglu, S. Y. Extended Field-of-View Sonography: Evaluation of the Superficial Lesions. Canadian Association of Radiologists Journal. 60 (1), 35-39 (2009).
  55. Kim, S. H., Choi, B. I., Kim, K. W., Lee, K. H., Han, J. K. Extended Field-of-View Sonography. Journal of Ultrasound in Medicine. 22 (4), 385-394 (2003).

Tags

Medicin Udgave 166 Ultralyd Udvidet Field-of-View Skeletmuskulatur Muskel arkitektur Muskelmedicin imaging Muskel fascicles
Opnåelse af kvalitet udvidet Field-of-View ultralyd billeder af skeletmuskulatur til måling muskel fascicle længde
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Adkins, A. N., Murray, W. M.… More

Adkins, A. N., Murray, W. M. Obtaining Quality Extended Field-of-View Ultrasound Images of Skeletal Muscle to Measure Muscle Fascicle Length. J. Vis. Exp. (166), e61765, doi:10.3791/61765 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter