Waiting
Login processing...

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

Medicine

Oppnå kvalitet utvidet synsfelt ultralyd bilder av skjelettmuskulatur for å måle muskel fascicle lengde

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 studien beskriver hvordan du oppnår høykvalitets muskuloskeletale bilder ved hjelp av den utvidede synsfelt ultralyd (EFOV-US) metoden med det formål å lage muskelfascicle lengde tiltak. Vi bruker denne metoden på muskler med fascicles som strekker seg forbi synsfeltet til vanlige tradisjonelle ultralyd (T-US) sonder.

Abstract

Muskel fascicle lengde, som ofte måles in vivo ved hjelp av tradisjonell ultralyd, er en viktig parameter som definerer en muskel kraft genererer kapasitet. Imidlertid har over 90% av alle øvre lemmuskler og 85% av alle nedre lemmer muskler optimale fascicle lengder lenger enn synsfeltet til vanlige tradisjonelle ultralyd (T-US) sonder. En nyere, sjeldnere vedtatt metode kalt utvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) kan muliggjøre direkte måling av fascicles lenger enn synsfeltet til et enkelt T-US-bilde. Denne metoden, som automatisk passer sammen en sekvens av T-US-bilder fra en dynamisk skanning, har vist seg å være gyldig og pålitelig for å oppnå muskelfascicle lengder in vivo. Til tross for de mange skjelettmusklene med lange fascicles og gyldigheten av EFOV-US-metoden for å gjøre målinger av slike fascicles, har få publiserte studier brukt denne metoden. I denne studien demonstrerer vi både hvordan du implementerer EFOV-US-metoden for å oppnå muskuloskeletalbilder av høy kvalitet og hvordan du kvantifiserer fasciclelengder fra disse bildene. Vi forventer at denne demonstrasjonen vil oppmuntre til bruk av EFOV-US-metoden for å øke bassenget av muskler, både i sunne og svekkede populasjoner, som vi har in vivo muskelfascicle lengdedata for.

Introduction

Fascicle lengde er en viktig parameter for skjelettmuskulatur arkitektur, som generelt indikerer en muskel evne til å produsere force1,2. Spesielt gir en muskels fascicle lengde innsikt i det absolutte spekteret av lengder som en muskel kan generere aktiv kraft3,4. For eksempel, gitt to muskler med identiske verdier for alle isometriske kraftgenererende parametere (dvs. gjennomsnittlig sarcomere lengde, penneringsvinkel, fysiologisk tverrsnittsområde, sammentrekningstilstand, etc.) bortsett fra fascicle lengde, muskelen med lengre fascicles ville produsere sin toppkraft i lengre lengde og ville produsere kraft over et bredere spekter av lengder enn muskelen med kortere fascicles3 . Kvantifisering av muskelfascicle lengde er viktig for å forstå både sunn muskelfunksjon og endringer i en muskels kraftgenererende kapasitet, som kan oppstå som følge av endret muskelbruk (f.eks. immobilisering5,6, treningsintervensjon7,8,9, høy hæl iført10) eller en endring i muskelens miljø (f.eks. seneoverføringskirurgi11, lem distraksjon12 ). Målinger av muskelfascicle lengde ble opprinnelig oppnådd gjennom ex vivo kadaveriske eksperimenter som muliggjør direkte måling av dissekerte fascicles13,14,15,16. Den verdifulle informasjonen fra disse ex vivo-eksperimentene førte til interesse for å implementere in vivo-metoder17,18,19 for å ta opp spørsmål som ikke kunne besvares i kadaver; in vivo-metoder muliggjør kvantifisering av muskelparametere i innfødt tilstand så vel som ved forskjellige leddstillinger, forskjellige muskelkontraksjonstilstander, forskjellige laste- eller lossetilstander, og på tvers av populasjoner med forskjellige forhold (dvs. sunne / skadede, unge / gamle, etc.). Oftest er ultralyd metoden som brukes for å oppnå in vivo muskel fascicle lengder18,19,20; Det er raskere, billigere og enklere å implementere enn andre avbildningsteknikker, for eksempel diffusjons tensoravbildning (DTI)18,21.

Utvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) har vist seg å være en gyldig og pålitelig metode for måling av muskelfascicle lengde in vivo. Mens det vanligvis implementeres, har tradisjonell ultralyd (T-US) et synsfelt som er begrenset av ultralydtransduserens matriselengde (vanligvis mellom 4 og 6 cm, selv om det er sonder som strekker seg til 10 cm10)18,20. For å overvinne denne begrensningen utviklet Weng et al. en EFOV-US-teknologi som automatisk får et sammensatt, todimensjonalt "panorama" bilde (opptil 60 cm langt) fra en dynamisk, utvidet avstandsskanning22. Bildet er laget ved å passe sammen, i sanntid, en sekvens av tradisjonelle, B-modus ultralydbilder når svingeren dynamisk skanner gjenstanden av interesse. Fordi sekvensielle T-US-bilder har store overlappende områder, kan de små forskjellene fra ett bilde til det neste brukes til å beregne sondebevegelsen uten bruk av eksterne bevegelsessensorer. Når sondebevegelsen mellom to påfølgende bilder er beregnet, slås det "gjeldende" bildet sammen suksessivt med de foregående bildene. EFOV-US-metoden tillater direkte måling av lange, buede muskelfascicles og har vist seg å være pålitelig på tvers av muskler, studier og sonografer23,24,25 og gyldig for både flate og buede overflater23,26.

Implementering av ultralyd for å måle muskelfascicle lengde in vivo er ikke trivielt. I motsetning til andre avbildningsteknikker som involverer mer automatiserte protokoller (dvs. MR, CT), er ultralyd avhengig av sonografferdigheter og anatomisk kunnskap27,28. Det er bekymring for at sonde feiljustering med fascicle flyet kan forårsake betydelig feil i fascicle tiltak. En studie viser liten forskjell (i gjennomsnitt < 3 mm) i mål på fascicle lengde tatt ved hjelp av ultralyd og DTI MR, men viser også at målepresisjonen er lav (standardavvik av forskjell ~ 12 mm)29. Likevel har det vist seg at en nybegynner sonograf, med praksis og veiledning fra en erfaren sonograf, kan få gyldige meaures ved hjelp av EFOV-US23. Det bør derfor arbeides for å demonstrere passende protokoller for å redusere menneskelig feil og forbedre nøyaktigheten av målinger oppnådd ved hjelp av EFOV-US. Til syvende og sist kan utvikling og deling av passende protokoller utvide antall eksperimenter og laboratorier som kan reprodusere fascicle lengdedata fra litteraturen eller få nye data i muskler som ennå ikke er studert in vivo.

I denne protokollen demonstrerer vi hvordan du implementerer EFOV-US-metoden for å oppnå høykvalitets muskuloskeletale bilder som kan brukes til å kvantifisere muskelfascicle lengde. Spesielt adresserer vi (a) samle EFOV-US bilder av en enkelt øvre lem og en enkelt nedre lem muskel (b) bestemme, i sanntid, "kvalitet" av EFOV-US bildet, og (c) kvantifisere muskel arkitektur parametere offline. Vi gir denne detaljerte guiden for å oppmuntre til vedtakelse av EFOV-US-metoden for å skaffe muskelfascicle lengde data i muskler som har gått unstudied in vivo på grunn av deres lange fascicles.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Northwestern University's Institutional Review Board (IRB) godkjente prosedyrene i denne studien. Alle deltakere som var påmeldt dette arbeidet ga informert samtykke før protokollen ble startet nedenfor.
MERK: Det spesifikke ultralydsystemet som ble brukt i denne studien hadde EFOV-US evner og ble vedtatt fordi vi var i stand til å gjennomgå detaljer om og gyldighetsvurderinger for algoritmen i den vitenskapelige litteraturen22,26; flere andre systemer med EFOV-US eksisterer også18,20,30. En lineær array svinger 14L5 (frekvensbåndbredde 5-14 MHz) ble brukt. Musklene som er avbildet i denne protokollen er bare en liten undergruppe av muskler som amerikanske bilder har blitt tatt og fascicle lengder målt (f.eks. triceps25, extensor carpi ulnaris23, medial gastrocnemius10, vastus lateralis24, biceps femoris8,31). Denne protokollen er ment å gi pekere og beskrive de nødvendige standardene slik at den kan brukes på muskler utover de to eksemplene vi gir.

1. Samle EFOV-US bilder av muskler

Forberedelse

  1. Sonograf Forberedelse
    1. Før du bruker ultralydsystemet, må du lese gjennom systemets håndbok for å bli kjent med systemsikkerhet, omsorg for vedlikehold av systemet, systemoppsett og kontroller, etc. I tillegg kan du se gjennom systemets instruksjoner for å skaffe EFOV-US-bilder og være kjent med metoden som er implementert for å få EFOV-US-bildene.
      MERK: Ulike ultralydsystemer navngir EFOV-US-modusen ved hjelp av annen terminologi. I systemet som brukes her, kalles for eksempel EFOV-modusen "Panoramic Imaging". Mens de tekniske detaljene i algoritmen implementert i ulike kommersielle systemer vanligvis er intellektuell eiendom og derfor ikke fritt tilgjengelig, fra en kortfattet gjennomgang, beskriver mange kommersielle systemer med panorama ultralyd evner en tilnærming som ligner den som er beskrevet av Weng et al.22. Evaluering av den generelle gyldigheten av målinger ervervet fra ethvert system, enten ved å innhente mer detaljert informasjon direkte fra selskapet som produserer systemet, ved å bruke et bilde fantom26,32, eller på annen måte (f.eks. sammenligning med dyrespredning24) anbefales som et viktig skritt før man starter forskning som involverer menneskelige deltakere.
    2. Ta deg tid til å bli kjent med anatomien til muskelen (e) av interesse så vel som den omkringliggende anatomien. Det foreslås at sonografen bruker en anatomi lærebok eller helst en interaktiv online 3D anatomi modell for å bli kjent med anatomien av interesse.
  2. Klargjøring av deltaker
    1. Forklare studiens protokoll til deltakeren og innhente IRB-godkjent samtykke før bildebehandlingsprotokollen startes.
    2. Be deltakeren om å bruke passende klær for å gi tilgang til muskelen av interesse. For eksempel, hvis sonografen planlegger å avbilde en underarmsmuskulatur, bør deltakeren bli bedt om å bruke en kortermet skjorte.
    3. Sett deltakeren i en justerbar stol som kan låses på plass. Ta deg tid til å justere stolen for å gjøre deltakeren så komfortabel som mulig, samtidig som du gir tilgang til muskelen av interesse.
      MERK: Hvis en justerbar stol som kan ligge helt flatt ikke er tilgjengelig, kan noen studiedesign kreve bruk av et bord for å få tilgang til muskelen av interesse (dvs. hamstrings).
    4. Plasser leddene som muskelen av interesse spenner over i en holdning som kan kontrolleres og gjentas. Bruk klinisk veiledning33 for å finne anatomiske landemerker og implementere goniometri; bruke ISB-standarder for å definere felles koordinatsystemet34,35. Generelt, for å måle felles vinkel, merk anatomiske landemerker med hudsikker markør (Tabell over materialer) og juster deretter midten av et håndholdt goniometer opp med rotasjonsaksen til leddet og armene på goniometeret opp med leddsegmentene.
      MERK: Hvis du ser passiv muskel, anbefales det å plassere muskelen av interesse i en relativt forlenget posisjon for å unngå å avbilde slakkmuskel.
      1. For å gjenskape biceps brachii som avbildet i denne studien, sete deltakere med føtter støttet, tilbake rett, skulder ved 85° av bortføring og 10° horisontal fleksjon, albue ved 25 ° fleksjon, og underarm, håndledd og fingre ved nøytral.
      2. For å gjenskape tibialis-fremre som avbildet i denne studien, setedeltakere med kne ved 60° fleksjon og ankelen ved 15° plantarfleksjon.
    5. Fest deltakernes lem ved hjelp av klutstropper for å minimere bevegelsen under bildebehandlingsprotokollen.

Bildeanskaffelse

  1. Koble til og slå på ultralydsystemet. Forsikre deg om at eksamen er satt til Muskuloskeletal, svingeren i bruk er valgt (her brukte vi 14L5), og overføringsfrekvensen er satt mellom 5-17 MHz (her 11MHz ble brukt), et typisk frekvensområde for muskuloskeletal avbildning. Høyere frekvenser brukes vanligvis til mer overfladisk avbildning ettersom de forbedrer oppløsningen, men reduserer bølgegjennomtrengningen.
  2. Gå inn i systeminnstillingene for å justere fotbryterens innstillinger. I denne protokollen anbefaler vi at du setter fotbryteren til å starte/stoppe avbildningen. Hvis fotbryteren som er i bruk har flere pedaler, setter du flere pedaler til "Frys" eller "Pause", og "Skriv ut" eller "Lagre" bildet.
  3. Påfør en sjenerøs mengde ultralydgel på transduserens hode.
  4. Plasser svingeren på deltakerens hud på den omtrentlige interesseområdet.
  5. Flytt svingeren i muskelens korte akseplan. Vær oppmerksom på at svingeren har et lite fremspring på den ene siden, kalt en indikator. Siden av svingeren som har indikatoren, tilsvarer venstre side av ultralydbildet. Når du ser på den korte aksen, må du la sonografen holde indikatoren pekende sidelengs, og når sonografen er i lang akse, peker du indikatoren distalt.
  6. Identifiser muskelen av interesse i kort akseplanet (vinkelrett på muskelfiberretning) og flytt svingeren distal og proksimal for å få en full visualisering av muskelbanen.
    1. Merk viktige anatomiske landemerker (dvs. muskelens laterale og mediale kanter, muskelsennekrysset og muskelinnsetting) ved hjelp av hudsikre blekkmarkører (Materialbord).
  7. Når plasseringen av muskelen er identifisert og riktig merket, be sonografen flytte ultralydtransduseren i det lange akseplanet (parallelt med muskelfiberretningen).
  8. Begynn enten i den distale eller proksimale enden av muskelen, roter og vipp svingeren for å identifisere fascicleplanet på det tidspunktet. Merk huden når riktig svingerposisjon er fastslått.
  9. Når det omtrentlige fascicle-flyet er etablert langs hele ønsket lengde som skal skannes, må du få sonografen til å øve seg på å følge denne banen.
  10. For å begynne å samle bilder, sett ultralydsystemet i EFOV-US-modus.
  11. Fra den ene enden av muskelen klikker du på fotbryteren for å starte bildeanskaffelse og sakte og kontinuerlig flytte ultralydtransduseren i den lange aksen. Når slutten av muskelen er nådd, klikker du på fotbryteren for å avslutte bildeanskaffelse.
  12. Øv og sørg for riktig svingerbane. Dette kan ta flere øvelsesbilder før du konsekvent får tak i EFOV-US-bilder av typen "kvalitet" (se avsnitt 2 for forklaring av kvalitetsbilder).
  13. Hvis du vil optimalisere bildesynligheten og klarheten, bør du vurdere justeringer av følgende parametere.
    1. Dybde: Hvis bildeoppkjøpet slutter før ønsket lengde på muskelen kan fanges opp, øker du dybden på bildet (i systemet som brukes her, øker den absolutte lengden skanningen kan være).
    2. Fokus: Plasser fokuspilen i den nedre halvdelen av bildet rett under interessemuskelen.
    3. Forsterkning: Sørg for at forsterkningen balanseres gjennom dybden på bildet.
    4. Hastighet: Bildet har optimal hastighet som styres av indikatoren (i de fleste systemer vises en hastighetsindikator på skjermen under panoramabilder).
  14. Når kvalitativt gode bilder er samlet inn (trinn 2.1), trykker du på Print /Store footswitch pedal eller en synonym knapp på kontrollpanelet for å lagre bildet.
  15. Gjenta trinn 1.13-1.16 til 3 kvalitet EFOV-US bilder av muskelen er oppnådd.
  16. Gjenta trinn 1,6-1,17 til alle muskler av interesse er oppnådd.
  17. Bruk et håndkle for å tørke gelen forsiktig fra deltakerens hud. La deretter deltakeren skylle av hudområdet eller bruk et fuktig håndkle for å tørke av huden som ble utsatt for gelen. Tørr.
  18. Tørk gel fra transduserens hode og desinfiser.
  19. Eksporter bilder som ukomprimerte DICOM-bilder til en CD-DVD, flash-enhet eller gjennom det lokale nettverket til en datamaskin.

2. Bestemme "kvalitet" av EFOV-US-bildet

  1. Etter trinn 1.13, be sonografen identifisere og evaluere kvaliteten på viktige anatomiske egenskaper i muskelen av interesse og dens omkringliggende anatomi. Dette er en kvalitativ vurdering basert på sonografens kunnskap om anatomi og muskuloskeletal vevsekkogenicitet (vevets evne til å reflektere ultralydbølger). For at et EFOV-US-bilde skal betraktes som kvalitativt "bra", bør følgende oppfylles:
    1. I et hvilket som helst langaksebilde av en muskel, kontroller at sonografen tydelig kan identifisere muskelen som en hypoekolsk (mørk) form med hyperechoic (lyse) grenser som representerer den dype og overfladiske muskelfasciaen.
    2. Mellom muskelgrensene, sjekk at sonografen kan identifisere bindevevet rundt en muskelfascicle som hyperechoic (lyse) linjer.
      MERK: Ved avbildning av multi-penned muskler, bildet bør også inneholde sentrale sener som vises i muskel magen, mellom dyp og overfladisk muskel fascia, som en hyperechoic (lys) struktur.
    3. Kontroller at bildet ikke har overdreven bøyning. Dette angis vanligvis av skygger eller mellomrom i bildet eller en ujevn, fleksibel linjallinje over bildet.
  2. Hvis bildet mangler en eller flere av vevsstrukturene som er beskrevet i 2.1, anser du bildet som "kvalitativt dårlig" og går tilbake til live 2D-modus.

3. Quanitfying Muskel Fascicle Lengde

  1. For å kvantifisere muskelfascicle lengde, bruk ImageJ, en åpen kildekode bildebehandlingsplattform. ImageJ kan lastes ned på https://imagej.net/Downloads.
    MERK: Selv om ImageJ ofte implementeres24,25,31,36,37,38, kan kvantifisering av muskelfascicle lengde måles ved hjelp av annen bildebehandling programvare8,39 eller tilpassede koder40,41.
  2. Når du er lastet ned, åpner du ultralydbildene som DICOM-bilder i ImageJ ved å klikke på Fil | Åpne og velg bildet som skal analyseres.
  3. For å sikre at DICOM-bildeegenskapene er bevart, klikker du på Rett linje-verktøyet på Verktøy -menyen og tegner en rett linje fra 0 til 1 cm på linjalen på siden av ultralydbildet. Gå deretter til Analyser | Mål for å måle linjen som er laget. Hvis bildeegenskapene er bevart, skal lengden på den rette linjen være 1 cm.
  4. For å måle fascicle lengder i bildet, fullfør følgende.
    1. Høyreklikk på Rett linje-verktøyet .
    2. Velg Segmentert linje.
    3. Flytt markøren til bildet og klikk i den ene enden av fascicle som er valgt å bli målt.
      MERK: Gjør bare målinger på fascicles som hele fascicle banen (dvs. fra en aponeurose til neste aponeurose eller aponeurose til sentral sene) kan overbevisende sees.
    4. Klikk langs stien for å sikre at krumningen i fascicle-banen fanges.
    5. Når slutten av fascicle-banen er nådd, dobbeltklikker du for å avslutte linjen og går til Analyser | Mål for å måle lengden på linjen.
      MERK: Et nytt vindu, "Resultater", dukker opp første gang en måling gjøres. Hvilke verdier som vises, kan behandles i Resultat-vinduet ved å gå til Resultater | Angi mål.
  5. Gjenta trinn 3.4.3-3.4.5 til flere fascicle-tiltak er gjort i ett enkelt bilde.
  6. Lagre fascicle-målinger ved å klikke på Fil | Lagre i resultatfanen, eller verdiene kan kopieres og limes inn i et annet dokument/regneark.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Utvidet synsfelt ultralyd (EFOV-US) ble implementert for å få bilder fra det lange hodet på biceps brachii og tibialis fremre hos 4 friske frivillige (tabell 1). Figur 1 viser hvilke EFOV-US-bilder av begge musklene som er avbildet i denne representative bildeøkten, og fremhever viktige aspekter ved hvert bilde, for eksempel muskelaponeurose, sentral sene, fasciclebane osv. Etter at bildebehandlingsøkten var over, ble 3 kvalitativt "gode" bilder (figur 2) analysert for hver muskel i hver enkelt person. ImageJ ble implementert for å måle 4 fascicles per bilde. I hvert bilde ble fascicles med baner som kunne overbevisende visualiseres fra opprinnelse til innsetting, og som var plassert i forskjellige deler av muskelen som ble valgt, målt. Gjennomsnittlig fascicle lengder oppnådd i denne studien for biceps brachii (14,6 ± 1,7 cm) og tibialis fremre (7,3 ± 0,6 cm) er innenfor området fascicle lengder rapportert tidligere25,42 (Tabell 1).

Ettersom de mest utfordrende og subjektive delene av denne protokollen er å bestemme faktorer som fører til at et bilde anses som kvalitativt "bra" eller kvalitativt "dårlig". Vi gir flere eksempler på "gode" og "dårlige" bilder (figur 2) og hvordan bildelandemerker og kvalitet varierer på tvers av personer (figur 3). I tillegg har vi fremhevet delene av bildene som er spesielt "dårlige".

Tema Kjønn Høyde (m) Alder Bicep-siden Bicep Fascicle Lengde (cm) Tibialis fremre side Tibialis Anterior Fascicle lengde (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
Gjennomsnitt 14.6 7.3
SD 1.7 0.6

Tabell 1: Deltakende demografi og data. Målinger av fascicle lengde er representert som gjennomsnittlig ± standardavvik.

Figure 1
Figur 1: Skjematiske og EFOV-bilder av to eksempelmuskler. (venstre) Illustrasjon av muskelen som studeres. (høyre) Eksempel på "gode" bilder på toppen og det samme bildet med hele muskelen (mørk blå), sentral sene (lyseblå) og muskelfascicles (hvit) skissert. Hvert bilde har en tilsvarende 1 cm skalalinje (hvit) nederst til høyre i bildet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Demonstrasjon av bildekvalitet. Demonstrasjon av tre kvalitativt "gode" og tre kvalitativt "dårlige" bilder hentet fra biceps brachii og tibialis fremre av deltakerne 1 og 2. (Øverste A & B) I alle de kvalitativt "gode" bildene kan fascicles som strekker seg fra intern sene til muskelaponeurose visualiseres. Vi illustrerer bilder som er kvalitativt "dårlige" og ikke bør analyseres. Deler av bildet som kvalifiserer det er som "dårlig" understrekes (blå bokser og piler) og inkluderer ujevne eller ødelagte bilder, overdreven eller ikke-anatomisk relevant bøyning, bilder som utelukker hele fascicle, og bilder med uskarpe sentrale sener. Hvert bilde har en skalalinje (hvit vertikal linje) som representerer 1 cm. Denne delen av figuren fremhever variasjonen blant bilder som hovedsakelig skyldes sonografens inkonsekvens på tvers av separate bildeundersøkelser. (Nederst a & B) En "god" biceps og en "god" tibialis fremre muskel vises. Den oransje boksen på det opprinnelige bildet blåses deretter opp for å illustrere mer nøyaktig zoomen som ses når du måler fascicles i ImageJ. Det nederste bildet viser representative omrissede fascicles (hvite stiplede linjer). Disse bildene anses som "gode" fordi fascicles kan følges fra opprinnelse til innsetting, og den zoomede delen av bildet har ikke betydelige forvrengninger eller artefakter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Variasjon i bildekvaliteten på tvers av enkeltpersoner. Variasjon i bildekvalitet og synlighet eksisterer mellom deltakerne, hovedsakelig på grunn av anatomisk variasjon (dvs. muskelstørrelse, muskellengde, subkutant fettinnhold) og forskjeller i muskelinnhold (dvs. mengder intramuskulært fett, bindevev, fibrose). Spesielt kan variasjoner i muskelinnhold og lag av vev over muskelen påvirke ekkointensiteten til den avbildede muskelen43. Naturlige anatomiske forskjeller på tvers av individer vil resultere i muskelarkitekturiske egenskaper som varierer i plassering og / eller relativ størrelse på tvers av amerikanske bilder av forskjellige individer. Denne demonstrasjonen av muskler i ulike deltakere understreker viktigheten av en grundig forståelse av anatomi og tilstrekkelig praksis med å skaffe bilder på ulike personer for å få tillit til kvaliteten og nøyaktigheten av bildene som oppnås. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske trinn i protokollen.

Det er noen få kritiske komponenter for å oppnå EFOV-US-bilder av høy kvalitet som gir gyldige og pålitelige fascicle lengdemål. For det første, som angitt i metode 1.1.2, er det viktig at sonografen tar seg tid til å bli kjent med anatomien til muskelen som blir avbildet, så vel som omkringliggende muskler, bein og andre bløtvevsstrukturer. Dette vil forbedre sonografens evne til å avbilde riktig muskel og avgjøre om flere bilder fanger det samme muskelplanet. For det andre bør sonografen praktisere protokollen på fantomer og flere pilotdeltakere før de samler inn data for publisering. Ultralyd er kjent for å resultere i målefeil hvis sonografen ikke identifiserer fascicleplanet riktig, en oppgave som er utfordrende og kan forbedre seg med praksis. Til slutt anbefales det sterkt å sikre at gyldigheten av målingene gjort av EFOV-US-algoritmen i ultralydsystemet som brukes, er etablert. Hvis metodens nøyaktighet ikke er demonstrert, kan validering enkelt gjøres ved hjelp av et ultralydfantom23,26 eller gjennom sammenligning med et annet bildeverktøy44 eller kadaverisk disseksjon45.

Endringer og feilsøking av metoden.

Hvis bildesynligheten er dårlig eller probebevegelsen er ujevn under dynamisk skanning, kan det å legge til ultralydgel forbedre bildekvaliteten ved å forbedre svinger-til-hud-koblingen. Hvis bildeanskaffelsen kuttes av algoritmen før hele gjenstanden av interesse fanges opp, bør dybden på bildet økes. Hvis du øker dybden på bildet, utvides den tilgjengelige skanneavstanden, slik at lengre objekter kan fanges opp i ett enkelt EFOV-US-bilde. Generelt er det best å referere til ultralydsystemets håndbok når du prøver å forbedre eller feilsøke bildekvalitet eller bildeanskaffelse.

Her demonstrerer vi hvordan du tar EFOV-US bilder av hele muskelen fra muskel senekrysset av opprinnelsessenen til innsettingssenen. Fange hele muskelen er nødvendig for noen muskler, for eksempel biceps brachii, hvis fascicles spenner over nesten hele lengden av muskelen. Men for andre muskler, som tibialis fremre eller andre pennerte muskler, kortere skanninger som ikke inkluderer full muskel mage kan fortsatt fange hele muskelfascicles. For nybegynnere sonografer, å skaffe bilder fra kortere skanninger som fortsatt fanger full fascicle lengder kan redusere sjansene for sonde feiljustering med fascicle plan og forbedre bildekvaliteten, redusere potensialet for fascicle måling feil.

Begrensninger ved metoden

Spesielt kan muskelaktivering endre muskelfascicle lengde. På grunn av skannemetodens natur er den største begrensningen i EFOV-US at den ikke kan implementeres for å studere muskelfascicleendringer på grunn av dynamisk muskelkontraksjon (f.eks. under turgåing46,47). I tillegg, på grunn av tiden som kreves for å fange et EFOV-US-bilde, er det sannsynligvis umulig å forestille seg en muskel ved maksimal sammentrekning på grunn av muskeltretthet. I stedet er EFOV-US-metoden gunstig for submaksimal eller passiv avbildning. En måte å sikre at muskelaktiviteten er konstant på tvers av deltakere, lemmer eller økter, er samtidig å måle EMG under avbildning og analysere bare bilder som tas når muskelen er på et ønsket aktivitetsnivå. Selv om det anbefales, spesielt hvis man studerer populasjoner med endret nevral drivkraft, ble det ikke tatt tiltak av EMG i befolkningen som ble studert her.

Selv om tradisjonell ultralyd har vist seg å være gyldig og pålitelig for måling av in vivo muskel fascicle lengder, noen fascicle måling feil vil oppstå hvis sonografens justering av ultralyd transduseren avviker fra fascicle planet27,29,48. På grunn av arten av EFOV-US's dynamiske skanning, er det bekymring for at EFOV-US-metoden kan ha mer feil enn T-US21,24. Mens en nylig studie viste at fascicle målingsfeil fra sonde feiljustering ikke var større i EFOV-USA enn i den veletablerte, T-US metode23 i en enkelt håndleddsmuskel, er en generell begrensning av B-modus ultralyd at du bare er i stand til å fange en relativt liten, 2-dimensjonal (2D) visning av muskelen. Den sanne banen til individuelle fascicles kan være 3D; det gjenstår bekymringer om at feil knyttet til måling av lengder på potensielt 3D-baner fra 2D-visninger kan være større for lengre fascicles.

Metodens betydning med hensyn til eksisterende/alternative metoder

Statisk, B-modus ultralyd er en allment akseptert metode for måling av muskelfascicle lengder in vivo. Imidlertid begrenser synsfeltet til T-US-sonder lengden på fascicles som kan måles direkte. I stedet krever måling av fascicles lenger enn synsfeltet til T-US trigonometriske estimeringsmetoder, diffusjons tensoravbildning (DTI) eller EFOV-US20. Generelt er ultralydavbildning favorisert fremfor MR-teknikker (magnetic resonance imaging) som DTI fordi MR er dyrere og utfordrende å implementere18. Fascicle lengder fanget med EFOV-US har vist seg å være mer nøyaktig enn trigonometriske estimeringsmetoder24,36, som forventes siden muskelfascicles regelmessig følger en buet bane, men trigonometriske estimeringsmetoder antar linearitet i beregningen av muskelfascicle lengde.

Det skal bemerkes at selv om de fleste ultralydsonder er 4-6 cm lange, har ultralydsonder opp til 10 cm blitt brukt9,10. De 10 cm sondene muliggjør et bredere synsfelt, noe som muliggjør fangst av lengre, rette fascicles. Likevel reduserer den lengre sondelengden bildefrekvensen, vil kreve at bildeflaten (kroppen) også er rett for å unngå ujevn kompresjon av det avbildede vevet, og kan ikke være i stand til å fange lengre buede fascicles (uten bruk av EFOV)20.

Fremtidige applikasjoner eller retninger for metoden

Guiden som er beskrevet her for å oppnå kvalitet EFOV-US bilder for måling muskel fascicle lengde er ment å oppmuntre bruken av EFOV-US metoden til å utvide bassenget av muskler som feltet har in vivo muskel arkitekturdata. Forventningen er at denne metoden brukes på både sunne og svekkede populasjoner (f.eks. individer etter hjerneslag38,49 eller post-ortopedisk kirurgi) for bedre å forstå muskelfunksjon og muskeltilpasning. I tillegg er disse in vivo-dataene viktige for utvikling av modeller som mer nøyaktig forutsier menneskelig bevegelse samt utvikling av fagspesifikke muskel- og skjelettmodeller.

Spesielt er EFOV-US-metoden ikke begrenset til målinger av muskelfascicle lengde. Metoden har blitt brukt til måling av senelengde50,51 og muskelanatomisk tverrsnittsområde, 52,53 samt for dokumentasjon av ulike overfladiske lesjoner54,55. Dermed er det mulighet til å utvikle guider, lik den som presenteres her, for å skaffe bilder av høy kvalitet med EFOV-US-metoden for ulike applikasjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi vil gjerne takke Vikram Darbhe og Patrick Franks for deres eksperimentelle veiledning. Dette arbeidet støttes av National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. DGE-1324585 samt NIH R01D084009 og F31AR076920. Eventuelle meninger, funn og konklusjoner eller anbefalinger uttrykt i dette materialet er forfatternes og gjenspeiler ikke nødvendigvis synspunktene til 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

Medisin Utgave 166 Ultralyd Utvidet synsfelt Skjelettmuskulatur Muskelarkitektur Muskel- og skjelettavbildning Muskelfascicles
Oppnå kvalitet utvidet synsfelt ultralyd bilder av skjelettmuskulatur for å måle muskel fascicle lengde
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