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Medicine

Erhalten von qualitativ hochwertigen Ultraschallbildern mit erweitertem Sichtfeld der Skelettmuskulatur zur Messung der Muskelfaszikellänge

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

Diese Studie beschreibt, wie man mit der EFOV-US-Methode (Extended Field-of-View Ultrasound) qualitativ hochwertige muskuloskelettale Bilder erhält, um muskelfaszikellängenmessungen durchzuführen. Wir wenden diese Methode auf Muskeln mit Faszikeln an, die über das Sichtfeld herkömmlicher herkömmlicher Ultraschallsonden (T-US) hinausgehen.

Abstract

Die Länge der Muskelfaszikel, die üblicherweise in vivo mit herkömmlichem Ultraschall gemessen wird, ist ein wichtiger Parameter, der die Krafterzeugungskapazität eines Muskels definiert. Über 90% aller Muskeln der oberen Extremitäten und 85% aller Muskeln der unteren Extremitäten haben jedoch optimale Faszikellängen, die länger sind als das Sichtfeld herkömmlicher herkömmlicher Ultraschallsonden (T-US). Eine neuere, weniger häufig verwendete Methode namens Extended Field-of-View-Ultraschall (EFOV-US) kann die direkte Messung von Faszikeln ermöglichen, die länger sind als das Sichtfeld eines einzelnen T-US-Bildes. Diese Methode, die automatisch eine Sequenz von T-US-Bildern aus einem dynamischen Scan zusammenfügt, hat sich als gültig und zuverlässig erwiesen, um Muskelfaszikellängen in vivo zu erhalten. Trotz der zahlreichen Skelettmuskeln mit langen Faszikeln und der Gültigkeit der EFOV-US-Methode zur Messung solcher Faszikel haben nur wenige veröffentlichte Studien diese Methode verwendet. In dieser Studie zeigen wir, wie man die EFOV-US-Methode implementiert, um qualitativ hochwertige Muskel-Skelett-Bilder zu erhalten, und wie man Faszikellängen aus diesen Bildern quantifiziert. Wir erwarten, dass diese Demonstration die Verwendung der EFOV-US-Methode zur Erhöhung des Muskelpools sowohl in gesunden als auch in beeinträchtigten Populationen fördern wird, für die wir In-vivo-Daten zur Muskelfaszikellänge haben.

Introduction

Die Faszikellänge ist ein wichtiger Parameter der Skelettmuskelarchitektur, der insgesamt auf die Fähigkeit eines Muskels hinweist, Kraft zu erzeugen1,2. Insbesondere die Faszikellänge eines Muskels gibt Aufschluss über den absoluten Längenbereich, über den ein Muskel aktive Kraft erzeugen kann3,4. Wenn beispielsweise zwei Muskeln mit identischen Werten für alle isometrischen krafterzeugenden Parameter (d. h. durchschnittliche Sarkomerlänge, Pennationswinkel, physiologische Querschnittsfläche, Kontraktionszustand usw.) mit Ausnahme der Faszikellänge identisch sind, würde der Muskel mit den längeren Faszikeln seine Spitzenkraft bei einer längeren Länge erzeugen und über einen größeren Längenbereich Kraft erzeugen als der Muskel mit kürzeren Faszikeln3 . Die Quantifizierung der Muskelfaszikellänge ist wichtig, um sowohl die gesunde Muskelfunktion als auch Veränderungen der Krafterzeugungskapazität eines Muskels zu verstehen, die als Folge einer veränderten Muskelnutzung (z. B. Ruhigstellung5,6, Trainingsintervention7,8,9, Tragen hoher Ferse10) oder einer Veränderung der Muskelumgebung (z. B. Sehnentransferoperation11, Gliedmaßenablenkung12 ). Messungen der Muskelfaszikellänge wurden ursprünglich durch Ex-vivo-Leichenexperimente gewonnen, die eine direkte Messung von sezierten Faszikeln ermöglichen13,14,15,16. Die wertvollen Informationen, die diese Ex-vivo-Experimente lieferten, führten zu einem Interesse an der Implementierung von In-vivo-Methoden17,18,19, um Fragen zu beantworten, die in Kadavern nicht beantwortet werden konnten; In-vivo-Methoden ermöglichen die Quantifizierung von Muskelparametern in einem nativen Zustand sowie bei verschiedenen Gelenkhaltungen, verschiedenen Muskelkontraktionszuständen, verschiedenen Be- oder Entladezuständen und über Populationen mit unterschiedlichen Bedingungen (d. H. Gesund / Verletzt, Jung / Alt usw.). Am häufigsten ist Ultraschall die Methode, die verwendet wird, um in vivo Muskelfaszikellängen zu erhalten18,19,20; Es ist schneller, kostengünstiger und einfacher zu implementieren als andere bildgebende Verfahren wie diffusion tensor imaging (DTI)18,21.

Extended Field-of-View-Ultraschall (EFOV-US) hat sich als gültige und zuverlässige Methode zur Messung der Muskelfaszikellänge in vivo erwiesen. Obwohl üblicherweise implementiert, hat herkömmlicher Ultraschall (T-US) ein Sichtfeld, das durch die Arraylänge des Ultraschallwandlers begrenzt ist (typischerweise zwischen 4 und 6 cm, obwohl es Sonden gibt, die sich bis zu 10 cm10 erstrecken)18,20. Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelten Weng et al. eine EFOV-US-Technologie, die automatisch ein zusammengesetztes, zweidimensionales "Panoramabild" (bis zu 60 cm lang) aus einem dynamischen, erweiterten Entfernungsscan22 erfasst. Das Bild wird erzeugt, indem in Echtzeit eine Sequenz herkömmlicher B-Mode-Ultraschallbilder zusammengefügt wird, während der Schallkopf das Objekt von Interesse dynamisch scannt. Da sequentielle T-US-Bilder große überlappende Bereiche aufweisen, können die kleinen Unterschiede von einem Bild zum nächsten verwendet werden, um die Sondenbewegung ohne die Verwendung externer Bewegungssensoren zu berechnen. Sobald die Sondenbewegung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berechnet ist, wird das "aktuelle" Bild nacheinander mit den vorhergehenden Bildern zusammengeführt. Die EFOV-US-Methode ermöglicht die direkte Messung langer, gekrümmter Muskelfaszikel und hat sich über Muskeln, Studien und Sonographen hinweg als zuverlässig erwiesen23,24,25 und gilt sowohl für flache als auch für gekrümmte Oberflächen23,26.

Die Implementierung von Ultraschall zur Messung der Muskelfaszikellänge in vivo ist nicht trivial. Im Gegensatz zu anderen bildgebenden Verfahren, die mehr automatisierte Protokolle (d.h. MRT, CT) beinhalten, ist Ultraschall von den Fähigkeiten und anatomischen Kenntnissen des Sonographen abhängig27,28. Es besteht die Befürchtung, dass eine Fehlausrichtung der Sonde mit der Faszikelebene zu erheblichen Fehlern bei den Faszikelmessungen führen kann. Eine Studie zeigt einen geringen Unterschied (im Durchschnitt < 3 mm) in den Messungen der Faszikellänge, die mit Ultraschall und DTI-MRT aufgenommen wurden, zeigt aber auch, dass die Messgenauigkeit gering ist (Standardabweichung der Differenz ~ 12 mm)29. Dennoch hat sich gezeigt, dass ein unerfahrener Sonograph mit Übung und Anleitung eines erfahrenen Sonographen gültige Messungen mit EFOV-US23 erhalten kann. Daher sollten Anstrengungen unternommen werden, um geeignete Protokolle nachzuweisen, um menschliche Fehler zu reduzieren und die Genauigkeit der mit EFOV-US erhaltenen Messungen zu verbessern. Letztendlich kann die Entwicklung und gemeinsame Nutzung geeigneter Protokolle die Anzahl der Experimentatoren und Labors erhöhen, die Faszikellängendaten aus der Literatur reproduzieren oder neue Daten in Muskeln erhalten können, die noch nicht in vivo untersucht wurden.

In diesem Protokoll demonstrieren wir, wie die EFOV-US-Methode implementiert werden kann, um qualitativ hochwertige muskuloskelettale Bilder zu erhalten, die zur Quantifizierung der Muskelfaszikellänge verwendet werden können. Insbesondere befassen wir uns mit (a) dem Sammeln von EFOV-US-Bildern einer einzelnen oberen Extremität und eines einzelnen Musculus der unteren Extremität, (b) der Bestimmung der "Qualität" des EFOV-US-Bildes in Echtzeit und (c) der Offline-Quantifizierung von Muskelarchitekturparametern. Wir stellen diesen detaillierten Leitfaden zur Verfügung, um die Einführung der EFOV-US-Methode zur Gewinnung von Muskelfaszikellängendaten in Muskeln zu fördern, die in vivo aufgrund ihrer langen Faszikel nicht untersucht wurden.

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Protocol

Das Institutional Review Board (IRB) der Northwestern University genehmigte die Verfahren dieser Studie. Alle Teilnehmer, die an dieser Arbeit teilnahmen, gaben vor Beginn des unten beschriebenen Protokolls ihre Einwilligung nach Aufklärung.
HINWEIS: Das spezifische Ultraschallsystem, das in dieser Studie verwendet wurde, verfügte über EFOV-US-Fähigkeiten und wurde übernommen, weil wir Details und Validitätsbewertungen für den Algorithmus in der wissenschaftlichen Literatur überprüfen konnten22,26; mehrere andere Systeme mit EFOV-US existieren ebenfalls18,20,30. Zum Einsatz kam ein linearer Array-Wandler 14L5 (Frequenzbandbreite 5-14 MHz). Die in diesem Protokoll abgebildeten Muskeln sind nur eine kleine Untergruppe von Muskeln, für die US-Bilder aufgenommen und Faszikellängen gemessen wurden (z. B. Trizeps25, Extensor carpi ulnaris23, medialer Gastrocnemius10, Vastus lateralis24, Bizeps femoris8,31). Dieses Protokoll soll Hinweise geben und die notwendigen Standards beschreiben, damit es über die beiden von uns bereitgestellten Beispiele hinaus auf Muskeln angewendet werden kann.

1. Sammeln von EFOV-US-Bildern von Muskeln

Präparat

  1. Sonographen-Vorbereitung
    1. Lesen Sie vor dem Betrieb des Ultraschallsystems das Handbuch des Systems durch, um sich mit der Systemsicherheit vertraut zu machen, sich um die Wartung des Systems, die Einrichtung und Steuerung des Systems usw. zu kümmern. Lesen Sie außerdem die Anweisungen des Systems zum Abrufen von EFOV-US-Bildern und machen Sie sich mit der Methode vertraut, die zum Abrufen der EFOV-US-Bilder implementiert wurde.
      HINWEIS: Verschiedene Ultraschallsysteme benennen den EFOV-US-Modus mit unterschiedlicher Terminologie. Beispielsweise wird in dem hier verwendeten System der EFOV-Modus als "Panoramic Imaging" bezeichnet. Während die technischen Details des in verschiedenen kommerziellen Systemen implementierten Algorithmus in der Regel geistiges Eigentum sind und daher nicht frei verfügbar sind, beschreiben viele kommerzielle Systeme mit Panorama-Ultraschallfähigkeiten aus einer oberflächlichen Überprüfung einen Ansatz, der dem von Weng et al.22 beschriebenen ähnelt. Die Bewertung der allgemeinen Validität von Messungen, die von einem beliebigen System erfasst werden, entweder durch einholen detaillierterer Informationen direkt von dem Unternehmen, das das System herstellt, durch die Verwendung eines abbildenden Phantoms26,32 oder durch andere Mittel (z. B. Vergleich mit Tierdissektion24), wird als wichtiger Schritt empfohlen, bevor Eine Forschung mit menschlichen Teilnehmern eingeleitet wird.
    2. Nehmen Sie sich Zeit, um sich mit der Anatomie der interessierenden Muskeln sowie der umgebenden Anatomie vertraut zu machen. Es wird empfohlen, dass der Sonograph ein Anatomielehrbuch oder vorzugsweise ein interaktives Online-3D-Anatomiemodell verwendet, um sich mit der Anatomie von Interesse vertraut zu machen.
  2. Vorbereitung der Teilnehmer
    1. Erklären Sie dem Teilnehmer das Protokoll der Studie und holen Sie die vom IRB genehmigte Zustimmung ein, bevor Sie mit dem Bildgebungsprotokoll beginnen.
    2. Bitten Sie den Teilnehmer, geeignete Kleidung zu tragen, um den Zugang zum interessierenden Muskel zu ermöglichen. Wenn der Sonograph beispielsweise plant, einen Unterarmmuskel abzubilden, sollte der Teilnehmer gebeten werden, ein kurzärmeliges Hemd zu tragen.
    3. Setzen Sie den Teilnehmer in einen verstellbaren Stuhl, der arretiert werden kann. Nehmen Sie sich Zeit, um den Stuhl so einzustellen, dass es dem Teilnehmer so bequem wie möglich ist und gleichzeitig Zugang zum interessierenden Muskel bietet.
      HINWEIS: Wenn ein verstellbarer Stuhl, der völlig flach liegen kann, nicht verfügbar ist, können einige Studiendesigns die Verwendung eines Tisches erfordern, um auf den interessierenden Muskel (d. H. Oberschenkel) zuzugreifen.
    4. Platzieren Sie die Gelenke, die der interessierende Muskel überspannt, in einer Haltung, die kontrolliert und wiederholt werden kann. Verwenden Sie klinische Leitlinien33 für die Lokalisierung anatomischer Orientierungspunkte und die Implementierung der Goniometrie; Verwenden Sie ISB-Standards für die Definition des gemeinsamen Koordinatensystems34,35. Um den Gelenkwinkel zu messen, markieren Sie im Allgemeinen anatomische Landmarken mit einem hautsicheren Marker (Tabelle der Materialien) und richten Sie dann die Mitte eines Handgoniometers mit der Rotationsachse des Gelenks und den Armen des Goniometers mit den Gelenksegmenten aus.
      HINWEIS: Bei der Bildgebung des passiven Muskels wird empfohlen, den interessierenden Muskel in eine relativ verlängerte Position zu bringen, um eine Darstellung eines schlaffen Muskels zu vermeiden.
      1. Um den Bizeps brachii zu replizieren, wie er in dieser Studie abgebildet ist, sitzen die Teilnehmer mit gestützten Füßen, geradem Rücken, Schulter bei 85 ° der Abduktion und 10 ° horizontaler Beugung, Ellbogen bei 25 ° Beugung und Unterarm, Handgelenk und Fingern bei neutral.
      2. Um die Tibialis anterior zu replizieren, wie in dieser Studie dargestellt, sitzen teilnehmer mit Knie bei 60 ° Beugung und dem Knöchel bei 15 ° der Plantarbeugung.
    5. Sichern Sie das Glied des Teilnehmers mit Stoffgurten, um die Bewegung während des Bildgebungsprotokolls zu minimieren.

Bildaufnahme

  1. Schließen Sie das Ultraschallsystem an und schalten Sie es ein. Stellen Sie sicher, dass die Untersuchung auf Muskuloskelettal eingestellt ist, der verwendete Schallkopf ausgewählt ist (hier haben wir 14L5 verwendet) und die Sendefrequenz zwischen 5-17 MHz eingestellt ist (hier wurden 11 MHz verwendet), ein typischer Frequenzbereich für die muskuloskelettale Bildgebung. Höhere Frequenzen werden im Allgemeinen für oberflächlichere Bildgebung verwendet, da sie die Auflösung verbessern, aber die Wellendurchdringung verringern.
  2. Gehen Sie in die Systemeinstellungen, um die Fußschaltereinstellungen anzupassen. Für die Zwecke dieses Protokolls empfehlen wir, den Fußschalter so einzustellen, dass die Bildgebung gestartet/gestoppt wird. Wenn der verwendete Fußschalter über mehrere Pedale verfügt, stellen Sie zusätzliche Pedale auf "Freeze" oder "Pause" und "Print" oder "Store" des Bildes ein.
  3. Tragen Sie eine großzügige Menge Ultraschallgel auf den Kopf des Schallkopfes auf.
  4. Platzieren Sie den Schallkopf auf der Haut des Teilnehmers in der ungefähren Region von Interesse.
  5. Bewegen Sie den Wandler in der kurzen Achsenebene des Muskels. Beachten Sie, dass der Schallkopf auf einer Seite einen kleinen Vorsprung hat, der als Indikator bezeichnet wird. Die Seite des Schallkopfes, auf der sich der Indikator befindet, entspricht der linken Seite des Ultraschallbildes. Wenn Sie sich in der kurzen Achse abbilden, lassen Sie den Sonographen den Indikator seitlich zeigen, und wenn sich der Sonograph in der langen Achse befindet, richten Sie den Indikator distal.
  6. Identifizieren Sie den interessierenden Muskel in der kurzen Achsenebene (senkrecht zur Muskelfaserrichtung) und bewegen Sie den Wandler distal und proximal, um eine vollständige Visualisierung des Muskelpfads zu erhalten.
    1. Markieren Sie wichtige anatomische Landmarken (d. H. Die lateralen und medialen Ränder des Muskels, die Muskelsehnenverbindung und die Muskeleinführung) mit hautsicheren Tintenmarkern (Tabelle der Materialien).
  7. Sobald die Position des Muskels identifiziert und richtig markiert wurde, lassen Sie den Sonographen den Ultraschallwandler in der langen Achsenebene (parallel zur Muskelfaserrichtung) bewegen.
  8. Beginnen Sie entweder am distalen oder proximalen Ende des Muskels, drehen und neigen Sie den Schallkopf, um die Faszikelebene an diesem Punkt zu identifizieren. Markieren Sie die Haut, wenn die richtige Wandlerposition festgelegt wurde.
  9. Sobald die ungefähre Faszikelebene entlang der gesamten gewünschten Länge ermittelt wurde, lassen Sie den Sonographen üben, diesem Weg zu folgen.
  10. Um mit dem Sammeln von Bildern zu beginnen, versetzen Sie das Ultraschallsystem in den EFOV-US-Modus.
  11. Klicken Sie an einem Ende des Muskels auf den Fußschalter, um die Bildaufnahme zu starten, und bewegen Sie den Ultraschallwandler langsam und kontinuierlich in der langen Achse. Sobald das Ende des Muskels erreicht ist, klicken Sie auf den Fußschalter, um die Bildaufnahme zu beenden.
  12. Üben und stellen Sie den richtigen Wandlerpfad sicher. Dies kann mehrere Übungsbilder erfordern, bevor konsistent "qualitativ hochwertige" EFOV-US-Bilder erhalten werden (siehe Abschnitt 2 für die Erläuterung der Bildqualität).
  13. Um die Sichtbarkeit und Klarheit des Bildes zu optimieren, sollten Sie Anpassungen an den folgenden Parametern in Betracht ziehen.
    1. Tiefe: Wenn die Bildaufnahme endet, bevor die gewünschte Länge des Muskels erfasst werden kann, erhöhen Sie die Tiefe des Bildes (in dem hier verwendeten System erhöht die Erhöhung der Bildtiefe die absolute Länge, die der Scan haben kann).
    2. Fokus: Platzieren Sie den Fokuspfeil in der unteren Hälfte des Bildes direkt unter dem interessierenden Muskel.
    3. Verstärkung: Stellen Sie sicher, dass die Verstärkung durch die Tiefe des Bildes ausgeglichen wird.
    4. Geschwindigkeit: Bild mit der optimalen Geschwindigkeit, die von der Anzeige geleitet wird (in den meisten Systemen wird während der Panoramabildgebung eine Geschwindigkeitsanzeige auf dem Monitor angezeigt).
  14. Sobald qualitativ gute Bilder gesammelt wurden (Schritt 2.1), drücken Sie das Druck-/Store-Fußschalterpedal oder eine synonyme Taste auf dem Bedienfeld, um das Bild zu speichern.
  15. Wiederholen Sie die Schritte 1.13-1.16, bis 3 EFOV-US-Qualitätsbilder des Muskels erhalten sind.
  16. Wiederholen Sie die Schritte 1.6-1.17, bis alle interessierenden Muskeln erreicht sind.
  17. Verwenden Sie ein Handtuch, um das Gel sanft von der Haut des Teilnehmers abzuwischen. Lassen Sie den Teilnehmer dann den Hautbereich abspülen oder wischen Sie mit einem feuchten Handtuch die Haut ab, die dem Gel ausgesetzt war. Trocken.
  18. Wischen Sie das Gel vom Kopf des Schallkopfes ab und desinfizieren Sie es.
  19. Exportieren Sie Images als unkomprimierte DICOM-Images auf eine CD-DVD, ein Flash-Laufwerk oder über das lokale Netzwerk auf einen Computer.

2. Bestimmung der "Qualität" des EFOV-US-Bildes

  1. Lassen Sie den Sonographen nach Schritt 1.13 die Qualität der wichtigsten anatomischen Merkmale des interessierenden Muskels und seiner umgebenden Anatomie identifizieren und bewerten. Dies ist eine qualitative Bewertung, die auf den Kenntnissen des Sonographen über Anatomie und Muskel-Skelett-Gewebe-Echogenität (Fähigkeit eines Gewebes, Ultraschallwellen zu reflektieren) basiert. Damit ein EFOV-US-Bild als qualitativ "gut" angesehen werden kann, sollte Folgendes erfüllt sein:
    1. Überprüfen Sie in jedem Langachsenbild eines Muskels, ob der Sonograph den Muskel eindeutig als hypoechoische (dunkle) Form mit hyperechoischen (hellen) Grenzen identifizieren kann, die die tiefe und oberflächliche Muskelfaszie darstellen.
    2. Überprüfen Sie zwischen den Muskelgrenzen, ob der Sonograph das Bindegewebe, das ein Muskelfaszikel umgibt, als hyperechoische (helle) Linien identifizieren kann.
      HINWEIS: Bei der Abbildung von mehrgeschriebenen Muskeln sollte das Bild auch zentrale Sehnen enthalten, die sich im Muskelbauch zwischen der tiefen und der oberflächlichen Muskelfaszie als hyperechoische (helle) Struktur zeigen.
    3. Stellen Sie sicher, dass das Bild keine übermäßige Biegung aufweist. Dies wird normalerweise durch Schatten oder Lücken im Bild oder eine gezackte flexible Lineallinie über dem Bild angezeigt.
  2. Wenn dem Bild eine oder mehrere der in 2.1 beschriebenen Gewebestrukturen fehlen, betrachten Sie das Bild als "qualitativ schlecht" und kehren Sie in den Live-2D-Modus zurück.

3. Quantifizierung der Muskelfaszikellänge

  1. Um die Länge der Muskelfaszikel zu quantifizieren, verwenden Sie ImageJ, eine Open-Source-Bildverarbeitungsplattform. ImageJ kann unter https://imagej.net/Downloads heruntergeladen werden.
    HINWEIS: Obwohl ImageJ häufig implementiert wird24,25,31,36,37,38, kann die Quantifizierung der Muskelfaszikellänge mit einer anderen Bildverarbeitungssoftware8,39 oder benutzerdefinierten Codes40,41 gemessen werden.
  2. Öffnen Sie nach dem Herunterladen die Ultraschallbilder als DICOM-Bilder in BildJ, indem Sie auf Datei | Öffnen Sie das zu analysierende Bild und wählen Sie es aus.
  3. Um sicherzustellen, dass die DICOM-Bildeigenschaften erhalten geblieben sind, klicken Sie im Menü Extras auf das Werkzeug Gerade Linie und zeichnen Sie eine gerade Linie von 0 bis 1 cm auf das Lineal an der Seite des Ultraschallbildes. Gehen Sie dann zu analysieren | Messen Sie, um die gemachte Linie zu messen. Wenn die Bildeigenschaften erhalten geblieben sind, sollte die Länge der geraden Linie 1 cm betragen.
  4. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um die Faszikellängen im Bild zu messen.
    1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Gerade-Linie-Werkzeug .
    2. Wählen Sie Segmentierte Linie aus.
    3. Bewegen Sie den Cursor auf das Bild und klicken Sie auf ein Ende des Faszikels, das für die Messung ausgewählt wurde.
      HINWEIS: Machen Sie nur Messungen an Faszikeln, bei denen der gesamte Faszikelweg (d.h. von einer Aponeurose zur nächsten Aponeurose oder Aponeurose zur zentralen Sehne) überzeugend zu sehen ist.
    4. Klicken Sie entlang des Pfades, um sicherzustellen, dass die Krümmung im Faszikelpfad erfasst wird.
    5. Sobald das Ende des Faszikelpfads erreicht ist, doppelklicken Sie, um die Zeile zu beenden, und fahren Sie mit analysieren | Messen, um die Länge der Linie zu messen.
      HINWEIS: Ein neues Fenster, "Ergebnisse", wird angezeigt, wenn zum ersten Mal eine Messung durchgeführt wird. Welche Werte angezeigt werden, können Sie im Ergebnisfenster verwalten, indem Sie zu Ergebnisse | Stellen Sie Messungen ein.
  5. Wiederholen Sie die Schritte 3.4.3-3.4.5, bis mehrere Faszikelmessungen in einem einzigen Bild durchgeführt werden.
  6. Speichern Sie Faszikelmessungen, indem Sie auf Datei | Speichern Sie auf der Registerkarte Ergebnisse oder die Werte können kopiert und in ein anderes Dokument / eine andere Tabelle eingefügt werden.

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Representative Results

Erweiterter Sichtfeld-Ultraschall (EFOV-US) wurde implementiert, um Bilder vom langen Kopf des Bizeps brachii und der Tibialis anterior bei 4 gesunden Freiwilligen zu erhalten (Tabelle 1). Abbildung 1 zeigt, welche EFOV-US-Bilder beider Muskeln in dieser repräsentativen Bildgebungssitzung abgebildet sind, und hebt wichtige Aspekte jedes Bildes hervor, wie Muskelaponeriose, zentrale Sehne, Faszikelpfad usw. Nach Abschluss der Bildgebungssitzung wurden 3 qualitativ "gute" Bilder (Abbildung 2) für jeden Muskel in jedem Individuum analysiert. ImageJ wurde implementiert, um 4 Faszikel pro Bild zu messen. In jedem Bild wurden Faszikel mit Pfaden gemessen, die vom Ursprung bis zur Insertion überzeugend visualisiert werden konnten und die sich in verschiedenen Teilen des ausgewählten Muskels befanden. Die in dieser Studie erhaltenen durchschnittlichen Faszikellängen für den Bizeps brachii (14,6 ± 1,7 cm) und den Tibialis anterior (7,3 ± 0,6 cm) liegen im Bereich der zuvor berichteten Faszikellängen25,42 (Tabelle 1).

Als herausforderndster und subjektivster Teil dieses Protokolls sind bestimmende Faktoren, die dazu führen, ein Bild korrekt als qualitativ "gut" oder qualitativ "schlecht" zu betrachten. Wir stellen mehrere Beispiele für "gute" und "schlechte" Bilder vor (Abbildung 2) und wie sich Bildmerkmale und -qualität von Person zu Person unterscheiden (Abbildung 3). Zusätzlich haben wir die Teile der Bilder hervorgehoben, die spezifisch "schlecht" sind.

Betreff Geschlecht Höhe (m) Alter Bizepsseite Bicep Faszikel Länge (cm) Tibialis Vorderseite Tibialis Anterior Faszikel Länge (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
Durchschnitt 14.6 7.3
SD 1.7 0.6

Tabelle 1: Demografie und Daten der Teilnehmer. Messungen der Faszikellänge werden als durchschnittliche ± Standardabweichung dargestellt.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische und EFOV-Bilder von zwei Beispielmuskeln. (links) Illustration des untersuchten Muskels. (rechts) Beispiel für "gute" Bilder oben und das gleiche Bild mit dem ganzen Muskel (dunkelblau), der zentralen Sehne (hellblau) und den Muskelfaszikeln (weiß) umrandet. Jedes Bild hat einen entsprechenden 1 cm Maßstabsbalken (weiß) unten rechts im Bild. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Demonstration der Bildqualität. Nachweis von drei qualitativ "guten" und drei qualitativ "schlechten" Bildern aus dem Bizeps brachii und der Tibialis anterior der Teilnehmer 1 und 2. (Oben A & B) In allen qualitativ "guten" Bildern lassen sich Faszikel visualisieren, die sich von der inneren Sehne bis zur Muskelaponeurose erstrecken. Wir illustrieren Bilder, die qualitativ "schlecht" sind und nicht analysiert werden sollten. Teile des Bildes, die es als "schlecht" qualifizieren, werden hervorgehoben (blaue Kästchen und Pfeile) und umfassen gezackte oder gebrochene Bilder, übermäßige oder nicht anatomisch relevante Biegungen, Bilder, die das gesamte Faszikel ausschließen, und Bilder mit verschwommenen zentralen Sehnen. Jedes Bild hat einen Maßstabsbalken (weiße vertikale Linie), der 1 cm darstellt. Dieser Teil der Abbildung unterstreicht die Variabilität zwischen den Bildern, die hauptsächlich auf die Inkonsistenz des Sonographen zwischen separaten Bild-Sweeps zurückzuführen ist. (Unten A & B) Gezeigt werden ein "guter" Bizeps und ein "guter" Musculus tibialis anterior. Die orangefarbene Box auf dem Originalbild wird dann aufgeblasen, um den Zoom, der bei der Messung von Faszikeln in ImageJ zu sehen ist, genauer zu veranschaulichen. Das untere Bild zeigt repräsentative umrissene Faszikel (weiß gestrichelte Linien). Diese Bilder werden als "gut" eingestuft, da Faszikel vom Ursprung bis zur Einfügung verfolgt werden können und der vergrößerte Teil des Bildes keine wesentlichen Verzerrungen oder Artefakte aufweist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Variabilität der Bildqualität zwischen Individuen. Variabilität in der Bildqualität und Sichtbarkeit besteht zwischen den Teilnehmern, hauptsächlich aufgrund anatomischer Variationen (d. H. Muskelgröße, Muskellänge, subkutaner Fettgehalt) und Unterschieden im Muskelinhalt (d. H. Mengen an intramuskulärem Fett, Bindegewebe, Fibrose). Insbesondere Variationen des Muskelinhalts und der Gewebeschichten über dem Muskel können die Echointensität des abgebildeten Muskels beeinflussen43. Natürliche anatomische Unterschiede zwischen Individuen führen zu muskelarchitektonischen Merkmalen, die in der Lage und / oder relativen Größe zwischen US-Bildern verschiedener Individuen variieren. Diese Demonstration der Muskeln bei verschiedenen Teilnehmern betont die Bedeutung eines gründlichen Verständnisses der Anatomie und ausreichender Übung, Bilder von verschiedenen Personen zu erhalten, um Vertrauen in die Qualität und Genauigkeit der erhaltenen Bilder zu gewinnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Kritische Schritte im Protokoll.

Es gibt einige kritische Komponenten, um qualitativ hochwertige EFOV-US-Bilder zu erhalten, die gültige und zuverlässige Faszikellängenmessungen liefern. Erstens ist es, wie in Methode 1.1.2 angegeben, wichtig, dass sich der Sonograph Zeit nimmt, um sich mit der Anatomie des abgebildeten Muskels sowie den umgebenden Muskeln, Knochen und anderen Weichteilstrukturen vertraut zu machen. Dies verbessert die Fähigkeit des Sonographen, den richtigen Muskel abzubilden und festzustellen, ob mehrere Bilder die gleiche Muskelebene erfassen. Zweitens sollte der Sonograph das Protokoll an Phantomen und mehreren Pilotteilnehmern üben, bevor er Daten für die Veröffentlichung sammelt. Es ist bekannt, dass Ultraschall zu Messfehlern führt, wenn der Sonograph die Faszikelebene nicht richtig identifiziert, eine Aufgabe, die eine Herausforderung darstellt und sich mit der Praxis verbessern kann. Schließlich wird dringend empfohlen, sicherzustellen, dass die Gültigkeit der Messungen des EFOV-US-Algorithmus in dem verwendeten Ultraschallsystem nachgewiesen wurde. Wenn die Genauigkeit der Methode nicht nachgewiesen wurde, kann die Validierung einfach mit einem Ultraschallphantom23,26 oder durch Vergleich mit einem anderen Bildgebungswerkzeug44 oder einer Leichendissektion45 durchgeführt werden.

Änderungen und Fehlerbehebung der Methode.

Wenn die Bildsichtbarkeit schlecht ist oder die Sondenbewegung während des dynamischen Scannens ungleichmäßig ist, kann das Hinzufügen von Ultraschallgel die Bildqualität verbessern, indem die Kopplung von Schallkopf zu Haut verbessert wird. Wenn die Bildaufnahme vom Algorithmus abgeschnitten wird, bevor das gesamte Objekt von Interesse erfasst wird, sollte die Tiefe des Bildes erhöht werden. Die Erhöhung der Bildtiefe erweitert den verfügbaren Scanabstand, sodass längere Objekte in einem einzigen EFOV-US-Bild erfasst werden können. Im Allgemeinen ist es am besten, sich auf das Handbuch des Ultraschallsystems zu beziehen, wenn Sie versuchen, die Bildqualität oder die Bildaufnahme zu verbessern oder Fehler zu beheben.

Hier zeigen wir, wie man EFOV-US-Bilder des gesamten Muskels von der Muskelsehnenverbindung der Ursprungssehne bis zur Insertionssehne erfasst. Die Erfassung des gesamten Muskels ist für einige Muskeln notwendig, wie z.B. den Bizeps brachii, dessen Faszikel sich fast über die gesamte Länge des Muskels erstrecken. Für andere Muskeln, wie die Tibialis anterior oder andere pennierte Muskeln, können kürzere Scans, die nicht den vollen Muskelbauch umfassen, jedoch immer noch ganze Muskelfaszikel erfassen. Für unerfahrene Sonographen kann die Aufnahme von Bildern aus kürzeren Scans, die immer noch die volle Faszikellänge erfassen, die Wahrscheinlichkeit einer Fehlausrichtung der Sonden mit der Faszikelebene verringern und die Bildqualität verbessern, wodurch das Potenzial für Faszikelmessfehler verringert wird.

Einschränkungen der Methode

Insbesondere kann die Muskelaktivierung die Länge der Muskelfaszikel verändern. Aufgrund der Art der Scanmethode besteht die Haupteinschränkung von EFOV-US darin, dass sie nicht zur Untersuchung von Muskelfaszikelveränderungen aufgrund einer dynamischen Muskelkontraktion (z. B. während des Gehens46,47) eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist aufgrund der Zeit, die für die Aufnahme eines EFOV-US-Bildes erforderlich ist, die Abbildung eines Muskels bei maximaler Kontraktion aufgrund von Muskelermüdung wahrscheinlich nicht möglich. Stattdessen ist die EFOV-US-Methode für submaximale oder passive Bildgebung von Vorteil. Eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass die Muskelaktivität über Teilnehmer, Gliedmaßen oder Sitzungen hinweg konstant ist, besteht darin, gleichzeitig EMG während der Bildgebung zu messen und nur Bilder zu analysieren, die aufgenommen werden, wenn sich der Muskel auf einem gewünschten Aktivitätsniveau befindet. Obwohl empfohlen, insbesondere wenn Populationen mit verändertem neuronalem Antrieb untersucht wurden, wurden EMG-Messungen in der hier untersuchten Population nicht durchgeführt.

Obwohl sich der traditionelle Ultraschall für die Messung der In-vivo-Muskelfaszikellängen als gültig und zuverlässig erwiesen hat, tritt ein gewisser Faszikelmessfehler auf, wenn die Ausrichtung des Ultraschallwandlers durch den Sonographen von der Faszikelebene abweicht27,29,48. Aufgrund der Art des dynamischen Scans der EFOV-US besteht die Befürchtung, dass die EFOV-US-Methode mehr Fehler aufweisen könnte als T-US21,24. Während eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, dass der Faszikelmessfehler durch Sondenfehlausrichtung in EFOV-US nicht größer war als in der gut etablierten T-US-Methode23 in einem einzigen Handgelenkmuskel, besteht eine allgemeine Einschränkung des B-Mode-Ultraschalls darin, dass Sie nur eine relativ kleine, 2-dimensionale (2D) Ansicht des Muskels erfassen können. Der wahre Weg einzelner Faszikel kann 3D sein; Es bestehen weiterhin Bedenken, dass Fehler, die mit dem Messen von Längen potenzieller 3D-Pfade aus 2D-Ansichten verbunden sind, für längere Faszikel größer sein können.

Bedeutung der Methode im Hinblick auf bestehende/alternative Methoden

Statischer B-Mode-Ultraschall ist eine weithin akzeptierte Methode zur Messung der Muskelfaszikellänge in vivo. Das Sichtfeld von T-US-Sonden begrenzt jedoch die Länge von Faszikeln, die direkt gemessen werden können. Stattdessen erfordert die Messung von Faszikeln, die länger sind als das Sichtfeld von T-US, trigonometrische Schätzmethoden, Diffusionstensor-Bildgebung (DTI) oder EFOV-US20. Im Allgemeinen wird die Ultraschallbildgebung gegenüber Magnetresonanztomographie (MRT) -Techniken wie DTI bevorzugt, da die MRT teurer und schwieriger zu implementieren ist18. Faszikellängen, die mit EFOV-US erfasst wurden, haben sich als genauer erwiesen als trigonometrische Schätzmethoden24,36, was erwartet wird, da Muskelfaszikel regelmäßig einem gekrümmten Pfad folgen, aber trigonometrische Schätzmethoden linearität bei ihrer Berechnung der Muskelfaszikellänge annehmen.

Es sollte beachtet werden, dass, obwohl die meisten Ultraschallsonden 4-6 cm lang sind, Ultraschallsonden bis zu 10 cm verwendet wurden9,10. Die 10-cm-Sonden ermöglichen ein breiteres Sichtfeld und ermöglichen die Erfassung längerer, gerader Faszikel. Dennoch verringert die längere Sondenlänge die Bildrate, würde erfordern, dass die Bildgebungsoberfläche (der Körper) auch gerade ist, um eine ungleichmäßige Kompression des abgebildeten Gewebes zu vermeiden, und möglicherweise nicht in der Lage ist, längere gekrümmte Faszikel (ohne die Verwendung von EFOV) zu erfassen20.

Zukünftige Anwendungen oder Richtungen der Methode

Der hier beschriebene Leitfaden zur Erlangung hochwertiger EFOV-US-Bilder zur Messung der Muskelfaszikellänge soll die Verwendung der EFOV-US-Methode zur Erweiterung des Muskelpools fördern, für den das Feld über In-vivo-Muskelarchitekturdaten verfügt. Es wird erwartet, dass diese Methode sowohl auf gesunde als auch auf beeinträchtigte Bevölkerungsgruppen (z. B. Personen nach Schlaganfall38,49 oder postorthopädische Operation) angewendet wird, um die Muskelfunktion und die Muskelanpassung besser zu verstehen. Darüber hinaus sind diese In-vivo-Daten wichtig für die Entwicklung von Modellen, die die menschliche Bewegung genauer vorhersagen, sowie für die Entwicklung fachspezifischer muskuloskelettaler Modelle.

Bemerkenswert ist, dass die EFOV-US-Methode nicht auf Messungen der Muskelfaszikellänge beschränkt ist. Das Verfahren wurde zur Messung der Sehnenlänge50,51 und der anatomischen Muskelquerschnittsfläche,52,53 sowie zur Dokumentation verschiedener oberflächlicher Läsionen54,55 verwendet. So besteht die Möglichkeit, ähnlich wie hier vorgestellte Leitfäden zu entwickeln, um qualitativ hochwertige Bilder mit der EFOV-US-Methode für verschiedene Anwendungen zu erhalten.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Acknowledgments

Wir danken Vikram Darbhe und Patrick Franks für ihre experimentelle Anleitung. Diese Arbeit wird vom Graduate Research Fellowship Program der National Science Foundation unter der Fördernummer grant no. DGE-1324585 sowie NIH R01D084009 und F31AR076920. Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen, die in diesem Material zum Ausdruck gebracht werden, sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation oder des NIH wider.

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

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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).

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