Summary

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

Published: December 14, 2020
doi:

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.

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…

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 (<strong class="…

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

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. , (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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video