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Obtenção de qualidade estendida campo de visão imagens de ultrassom do músculo esquelético para medir o comprimento do fascicle muscular

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

Este estudo descreve como obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade usando o método de ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) com o propósito de fazer medidas de comprimento de fascícula muscular. Aplicamos este método a músculos com fascicles que se estendem além do campo de visão de sondas de ultrassom tradicional comum (T-US).

Abstract

O comprimento da fascícula muscular, que é comumente medido in vivo usando ultrassom tradicional, é um parâmetro importante que define a capacidade de geração de força de um músculo. No entanto, mais de 90% de todos os músculos do membro superior e 85% de todos os músculos dos membros inferiores têm comprimentos de fascículo ótimos mais longos do que o campo de visão das sondas de ultrassom tradicional comum (T-US). Um método mais novo e menos frequentemente adotado chamado ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) pode permitir a medição direta de fascicles por mais tempo do que o campo de visão de uma única imagem T-US. Este método, que se encaixa automaticamente em uma sequência de imagens T-US a partir de uma varredura dinâmica, foi demonstrado ser válido e confiável para a obtenção de comprimentos de fascículo muscular in vivo. Apesar dos numerosos músculos esqueléticos com fascicles longos e da validade do método EFOV-US para fazer medições de tais fascicles, poucos estudos publicados utilizaram esse método. Neste estudo, demonstramos tanto como implementar o método EFOV-US para obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade quanto como quantificar os comprimentos de fascícula dessas imagens. Esperamos que esta demonstração incentive o uso do método EFOV-EUA para aumentar o pool de músculos, tanto em populações saudáveis quanto deficientes, para as quais temos dados de comprimento de fascicle muscular in vivo.

Introduction

O comprimento do fascículo é um parâmetro importante da arquitetura muscular esquelética, que no geral é indicativo da capacidade de um músculo de produzir força1,2. Especificamente, o comprimento do fascículo de um músculo fornece uma visão sobre a amplitude absoluta de comprimentos sobre os quais um músculo pode gerar força ativa3,4. Por exemplo, dado dois músculos com valores idênticos para todos os parâmetros geradores de força isométrica (ou seja, comprimento médio de sarcomere, ângulo de pennação, área transversal fisiológica, estado de contração, etc.) exceto pelo comprimento da fascícula, o músculo com fascicles mais longo produziria sua força máxima em um comprimento mais longo e produziria força sobre uma faixa mais ampla de comprimentos do que o músculo com fascicles mais curtos3 . A quantificação do comprimento do fascículo muscular é importante para entender tanto a função muscular saudável quanto as alterações na capacidade de geração de força de um músculo, que pode ocorrer como resultado do uso muscular alterado (por exemplo, imobilização5,6, intervenção de exercício7,8,9, desgaste do salto alto10) ou uma mudança no ambiente do músculo (por exemplo, cirurgia de transferência de tendão11, distração do membro12 ). As medidas de comprimento do fascículo muscular foram originalmente obtidas através de experimentos ex vivo cadavéricos que permitem a medição direta de fascicles dissecados13,14,15,16. As informações valiosas fornecidas por esses experimentos ex vivo levaram ao interesse em implementar métodos in vivo17,18,19 para abordar questões que não puderam ser respondidas em cadáveres; métodos in vivo permitem quantificação de parâmetros musculares em um estado nativo, bem como em diferentes posturas articulares, diferentes estados de contração muscular, diferentes estados de carga ou descarga, e em populações com condições diferentes (ou seja, saudáveis/feridos, jovens/velhos, etc.). Mais frequentemente, o ultrassom é o método utilizado para a obtenção de comprimentos de fascículo muscular in vivo18,19,20; é mais rápido, menos caro e mais fácil de implementar do que outras técnicas de imagem, como a imagem do tensor de difusão (DTI)18,21.

O ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) demonstrou ser um método válido e confiável para medir o comprimento do fascicle muscular in vivo. Embora comumente implementado, o ultrassom tradicional (T-US) tem um campo de visão que é limitado pelo comprimento da matriz do transdutor de ultrassom (tipicamente entre 4 e 6 cm, embora existam sondas que se estendem até 10 cm10)18,20. Para superar essa limitação, Weng et al. desenvolveram uma tecnologia EFOV-US que adquire automaticamente uma imagem "panorâmica" composta e bidimensional (até 60 cm de comprimento) de um scan dinâmico e de longa distância22. A imagem é criada por encaixar, em tempo real, uma sequência de imagens tradicionais de ultrassom no modo B, à medida que o transdutor digitaliza dinamicamente o objeto de interesse. Como as imagens sequenciais de T-US têm grandes regiões sobrepostas, as pequenas diferenças de uma imagem para outra podem ser usadas para calcular o movimento da sonda sem o uso de sensores de movimento externos. Uma vez calculado o movimento da sonda entre duas imagens consecutivas, a imagem "atual" é fundida sucessivamente com as imagens anteriores. O método EFOV-US permite a medição direta de fascicles musculares longos e curvos e tem sido demonstrado ser confiável entre músculos, ensaios e sonografistas23,24,25 e válido para superfícies planas e curvas23,26.

Implementar ultrassom para medir o comprimento da fascícula muscular in vivo não é trivial. Ao contrário de outras técnicas de imagem que envolvem protocolos mais automatizados (ou seja, ressonância magnética, tomografia computadorizada), o ultrassom depende da habilidade sonografista e do conhecimento anatômico27,28. Há preocupação de que o desalinhamento da sonda com o avião fascicle possa causar um erro substancial nas medidas de fascicle. Um estudo demonstra pouca diferença (em média < 3 mm) em medidas de comprimento de fascículo tomadas por ultrassom e ressonância magnética DTI, mas também mostra que a precisão de medição é baixa (desvio padrão de diferença ~12 mm)29. Ainda assim, foi demonstrado que um sonografista novato, com prática e orientação de um sonografista experiente, pode obter meaures válidos usando EFOV-US23. Assim, devem ser feitos esforços para demonstrar protocolos adequados para reduzir o erro humano e melhorar a precisão das medições obtidas usando o EFOV-US. Em última análise, o desenvolvimento e o compartilhamento de protocolos apropriados podem ampliar o número de experimentadores e laboratórios que podem reproduzir dados de comprimento de fascículo da literatura ou obter novos dados em músculos que ainda não foram estudados in vivo.

Neste protocolo, demonstramos como implementar o método EFOV-US para obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade que podem ser usadas para quantificar o comprimento do fascicle muscular. Especificamente, abordamos (a) a coleta de imagens EFOV-US de um único membro superior e um único músculo do membro inferior (b) determinando, em tempo real, a "qualidade" da imagem EFOV-US, e (c) quantificando parâmetros de arquitetura muscular offline. Fornecemos este guia detalhado para incentivar a adoção do método EFOV-US para a obtenção de dados de comprimento de fascículo muscular em músculos que não foram estudados in vivo devido aos seus longos fascicles.

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Protocol

O Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade Northwestern aprovou os procedimentos deste estudo. Todos os participantes inscritos neste trabalho deram consentimento informado antes do início do protocolo detalhado abaixo.
NOTA: O sistema de ultrassom específico utilizado neste estudo tinha recursos EFOV-EUA e foi adotado porque pudemos rever detalhes sobre e avaliações de validade para o algoritmo na literatura científica22,26; vários outros sistemas com EFOV-US também existem18,20,30. Foi utilizado um transdutor linear 14L5 (largura de banda de frequência de 5 a 14 MHz). Os músculos retratados neste protocolo são apenas um pequeno subconjunto de músculos para os quais as imagens dos EUA foram capturadas e comprimentos de fascículo medidos (por exemplo, tríceps25, extensor carpi ulnaris23, gastrocnemius medial10, vasto lateralis24, bíceps femoris8,31). Este protocolo destina-se a fornecer ponteiros e descrever as normas necessárias para que possa ser aplicado a músculos além dos dois exemplos que fornecemos.

1. Coleta de imagens EFOV-EUA dos músculos

Preparação

  1. Preparação do sonografista
    1. Antes de operar o sistema de ultrassom, leia através do manual do sistema para se familiarizar com a segurança do sistema, cuidado para manter o sistema, configuração e controles do sistema, etc. Além disso, revise as instruções do sistema para obter imagens EFOV-US e esteja familiarizado com o método implementado para obter as imagens EFOV-US.
      NOTA: Diferentes sistemas de ultrassom nomeiam o modo EFOV-US usando terminologia diferente. Por exemplo, no sistema utilizado aqui, o modo EFOV é chamado de "Imagem Panorâmica". Embora os detalhes técnicos do algoritmo implementado em vários sistemas comerciais geralmente sejam propriedade intelectual e, portanto, não estejam disponíveis livremente, a partir de uma revisão superficial, muitos sistemas comerciais com capacidades de ultrassom panorâmico descrevem uma abordagem semelhante à descrita por Weng et al.22. Avaliar a validade geral das medições adquiridas a partir de qualquer sistema, seja obtendo informações mais detalhadas diretamente da empresa que fabrica o sistema, utilizando um fantasma de imagem26,32, ou por outros meios (por exemplo, comparação com a dissecção animal24) é recomendado como um passo importante antes de iniciar a pesquisa envolvendo participantes humanos.
    2. Tire um tempo para se familiarizar com a anatomia dos músculos de interesse, bem como com a anatomia circundante. Sugere-se que o sonografista use um livro didático de anatomia ou, preferencialmente, um modelo interativo de anatomia 3D on-line para se familiarizar com a anatomia do interesse.
  2. Preparação do Participante
    1. Explique o protocolo do estudo ao participante e adquira o consentimento aprovado pelo IRB antes do início do protocolo de imagem.
    2. Peça ao participante que use roupas apropriadas para permitir o acesso ao músculo de interesse. Por exemplo, se o sonografista planeja imaginar um músculo do antebraço, o participante deve ser convidado a usar uma camisa de manga curta.
    3. Coloque o participante em uma cadeira ajustável que pode ser trancada no lugar. Tire um tempo para ajustar a cadeira para deixar o participante o mais confortável possível, enquanto ainda proporciona acesso ao músculo de interesse.
      NOTA: Se uma cadeira ajustável que pode ficar completamente plana não estiver disponível, alguns desenhos de estudo podem exigir o uso de uma tabela para acessar o músculo de interesse (ou seja, isquiotibiais).
    4. Coloque a articulação que o músculo de interesse abrange em uma postura que pode ser controlada e repetida. Utilizar orientação clínica33 para localização de marcos anatômicos e implantação de goniometria; usar normas ISB para definir o sistema de coordenadas conjuntas34,35. Em geral, para medir o ângulo articular, marque marcos anatômicos com marcador seguro de pele (Tabela de Materiais) e, em seguida, alinhe o centro de um goniômetro portátil com o eixo de rotação da articulação e os braços do goniômetro até os segmentos articulares.
      NOTA: Se a imagem do músculo passivo, recomenda-se colocar o músculo de interesse em uma posição relativamente alongada para evitar a imagem do músculo frouxo.
      1. Para replicar o bíceps brachii conforme imagem deste estudo, participantes do assento com pés apoiados, costas retas, ombro a 85° de abdução e 10° de flexão horizontal, cotovelo a flexão de 25° e antebraço, pulso e dedos neutros.
      2. Para replicar a tibialis anterior como imagem neste estudo, os participantes do assento com joelho a 60° de flexão e tornozelo a 15° de flexão plantar.
    5. Fixar o membro dos participantes usando alças de pano para minimizar o movimento durante o protocolo de imagem.

Aquisição de Imagens

  1. Ligue e ligue o sistema de ultrassom. Certifique-se de que o exame está definido como Musculoesquelético, o transdutor em uso é selecionado (aqui usamos 14L5), e a frequência de transmissão é definida entre 5-17 MHz (aqui foi utilizado 11MHz), uma faixa de frequência típica para imagens musculoesqueléticos. Frequências mais altas são geralmente usadas para imagens mais superficiais à medida que melhoram a resolução, mas diminuem a penetração de ondas.
  2. Vá para as configurações do sistema para ajustar as configurações do footswitch. Para efeitos deste protocolo, recomendamos definir o footswitch para iniciar/parar a imagem. Se o footswitch em uso tiver vários pedais, defina pedais adicionais para "Congelar" ou "Pausar", e "Imprimir" ou "Armazenar" a imagem.
  3. Aplique uma quantidade generosa de gel de ultrassom na cabeça do transdutor.
  4. Coloque o transdutor na pele do participante na região aproximada de interesse.
  5. Mova o transdutor no plano de eixo curto do músculo. Observe que o transdutor tem uma pequena protuberância de um lado, chamada de indicador. O lado do transdutor que tem o indicador corresponde ao lado esquerdo da imagem do ultrassom. Ao fotografar no eixo curto, o sonografista mantenha o indicador apontado lateralmente e quando o sonografista estiver em eixo longo, aponte o indicador de forma distral.
  6. Identifique o músculo de interesse no plano de eixo curto (perpendicular à direção da fibra muscular) e mova o transdutor distal e proximal para obter uma visualização completa do caminho muscular.
    1. Marque marcos anatômicos importantes (ou seja, as bordas laterais e medial do músculo, a junção do tendão muscular e a inserção muscular) utilizando marcadores de tinta seguros para a pele (Tabela de Materiais).
  7. Uma vez identificado e devidamente marcado a localização do músculo, o sonografista mova o transdutor de ultrassom no plano de eixo longo (paralelo à direção da fibra muscular).
  8. Começando na extremidade distal ou proximal do músculo, gire e incline o transdutor para identificar o plano fascículo naquele ponto. Faça uma marca na pele quando a posição correta do transdutor tiver sido estabelecida.
  9. Uma vez que o plano fascicle aproximado tenha sido estabelecido ao longo de todo o comprimento desejado para ser escaneado, tenha a prática de sonografista seguindo esse caminho.
  10. Para começar a coletar imagens, coloque o sistema de ultrassom no modo EFOV-US.
  11. A partir de uma extremidade do músculo, clique no footswitch para iniciar a aquisição da imagem e mova lentamente e continuamente o transdutor de ultrassom no eixo longo. Uma vez que o fim do músculo tenha sido alcançado, clique no footswitch para acabar com a aquisição de imagem.
  12. Pratique e garanta o caminho correto do transdutor. Isso pode tirar várias imagens práticas antes de obter consistentemente imagens EFOV-US de "qualidade" (Ver seção 2 para explicação de imagens de qualidade).
  13. Para otimizar a visibilidade e clareza da imagem, considere ajustes nos seguintes parâmetros.
    1. Profundidade: Se a aquisição de imagem terminar antes que o comprimento desejado do músculo possa ser capturado, aumente a profundidade da imagem (no sistema usado aqui, aumentar a profundidade da imagem aumenta o comprimento absoluto que a varredura pode ser).
    2. Foco: Coloque a seta de foco na metade inferior da Imagem logo abaixo do músculo de interesse.
    3. Ganho: Certifique-se de que o ganho é equilibrado através da profundidade da imagem.
    4. Velocidade: Imagem na velocidade ideal como guiada pelo indicador (na maioria dos sistemas um indicador de velocidade exibe no monitor durante a imagem panorâmica).
  14. Uma vez que foram coletadas imagens qualitativamente boas (etapa 2.1), aperte o pedal de footswitch print/store ou um botão sinônimo no painel de controle para salvar a imagem.
  15. Repetição de passos 1.13-1.16 até 3 imagens EFOV-US de qualidade do músculo são obtidas.
  16. Repetir as etapas 1.6-1.17 até que todos os músculos de interesse sejam obtidos.
  17. Use uma toalha para limpar suavemente o gel da pele do participante. Em seguida, o participante enxágue a área da pele ou use uma toalha úmida para limpar a pele que foi exposta ao gel. Seco.
  18. Limpe gel da cabeça do transdutor e desinfete.
  19. Exporte imagens como imagens DICOM não compactadas em um CD-DVD, unidade flash ou através da rede local em um computador.

2. Determinando a "qualidade" da imagem EFOV-EUA

  1. Seguindo a etapa 1.13, que o sonografista identifique e avalie a qualidade das principais características anatômicas do músculo de interesse e sua anatomia circundante. Trata-se de uma avaliação qualitativa baseada no conhecimento do sonografista sobre anatomia e ecogenicidade do tecido musculoesquelético (capacidade de um tecido para refletir ondas ultrassônicas). Para que uma imagem EFOV-US seja considerada qualitativamente "boa" o seguinte deve ser atendido:
    1. Em qualquer imagem de longo eixo de um músculo, verifique se o sonografista pode identificar claramente o músculo como uma forma hipoecórica (escura) com limites hiperecóicos (brilhantes) que representam a fáscia muscular profunda e superficial.
    2. Entre os limites musculares, verifique se o sonografista pode identificar o tecido conjuntivo ao redor de um fascículo muscular como linhas hiperecóicas (brilhantes).
      NOTA: Ao fotografar músculos multi-pennados, a imagem também deve conter tendões centrais que aparecem na barriga muscular, entre a fáscia muscular profunda e superficial, como uma estrutura hiperecóica (brilhante).
    3. Verifique se a imagem não tem dobra excessiva. Isso geralmente é indicado por sombras ou lacunas na imagem ou uma linha de régua flexível irregular sobre a imagem.
  2. Se faltar uma ou mais das estruturas teciduais descritas no 2.1, considere a imagem "qualitativamente pobre" e volte a viver no modo 2D.

3. Comprimento do Fascicle Muscular Quanitfying

  1. Para quantificar o comprimento do fascículo muscular, use imageJ, uma plataforma de processamento de imagem de código aberto. ImageJ pode ser baixado em https://imagej.net/Downloads.
    NOTA: Embora o ImageJ seja frequentemente implementado24,25,31,36,37,38, a quantificação do comprimento do fascicle muscular pode ser medida usando outros softwares de processamento de imagem8,39 ou códigos personalizados40,41.
  2. Uma vez baixado, abra as imagens de ultrassom como imagens DICOM no ImageJ clicando em Arquivo | Abra e selecione a imagem para analisar.
  3. Para garantir que as propriedades de imagem DICOM tenham sido preservadas, clique na ferramenta Linha Reta no menu Ferramentas e desenhe uma linha reta de 0 a 1 cm na régua na lateral da imagem do ultrassom. Em seguida, vá para Analisar | Medida para medir a linha feita. Se as propriedades da imagem tiverem sido preservadas, o comprimento da linha reta deve ser de 1 cm.
  4. Para medir os comprimentos do fascicle na imagem, complete o seguinte.
    1. Clique com o botão direito do mouse na ferramenta Linha Reta .
    2. Selecione Linha Segmentada.
    3. Mova o cursor para a imagem e clique em uma extremidade do fascicle que foi escolhido para ser medido.
      NOTA: Faça apenas medições em fascicles que todo o caminho do fascículo (ou seja, de uma aponeurose para a próxima aponeurose ou aponeurose ao tendão central) pode ser visto de forma convincente.
    4. Clique ao longo do caminho para garantir que a curvatura no caminho do fascículo seja capturada.
    5. Uma vez que o fim do caminho fascicle é alcançado, clique duas vezes para finalizar a linha e vá para Analisar | Meça para medir o comprimento da linha.
      NOTA: Uma nova janela, "Resultados", aparecerá na primeira vez que uma medição for feita. Quais valores são exibidos podem ser gerenciados na janela Resultados indo para resultados | Definir medidas.
  5. Repetição de passos 3.4.3-3.4.5 até que várias medidas de fascículo sejam feitas em uma única imagem.
  6. Salve medições de fascicle clicando em | de arquivos Salvar na guia de resultados ou os valores podem ser copiados e colados em outro documento/planilha.

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Representative Results

O ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) foi implementado para obter imagens da cabeça longa do bíceps brachii e da tibialis anterior em 4 voluntários saudáveis (Tabela 1). A Figura 1 mostra o que as imagens EFOV-US de ambos os músculos foram imagens nesta sessão de imagem representativa e destaca aspectos importantes de cada imagem, como aponeurose muscular, tendão central, caminho de fascículo, etc. Após o fim da sessão de imagem, foram analisadas 3 imagens qualitativamente "boas" (Figura 2) para cada músculo em cada indivíduo. ImageJ foi implementado para medir 4 fascicles por imagem. Em cada imagem, foram medidos fascicles com caminhos que poderiam ser convincentemente visualizados da origem à inserção e que estavam localizados em diferentes porções do músculo selecionado. Os comprimentos médios de fascículo obtidos neste estudo para os bíceps braquii (14,6 ± 1,7 cm) e os tibialis anteriores (7,3 ± 0,6 cm) estão dentro da faixa de comprimentos de fascícula relatados anteriormente25,42 (Tabela 1).

Como partes mais desafiadoras e subjetivas deste protocolo são fatores determinantes que levam a considerar corretamente uma imagem como qualitativamente "boa" ou qualitativamente "ruim". Fornecemos vários exemplos de imagens "boas" e "ruins" (Figura 2) e como os marcos de imagem e qualidade variam entre as pessoas (Figura 3). Além disso, destacamos as porções das imagens que são especificamente "ruins".

Assunto Gênero Altura (m) Idade Lado do bíceps Comprimento do fascicle do bíceps (cm) Tibialis Anterior Side Comprimento de fascicle anterior tibialis (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
Média 14.6 7.3
SD 1.7 0.6

Tabela 1: Demografia e Dados dos Participantes. As medidas de comprimento do fascicle são representadas como desvio padrão ± médio.

Figure 1
Figura 1: Imagens esquemáticas e EFOV de dois músculos de exemplo. (esquerda) Ilustração do músculo que está sendo estudado. (à direita) Exemplo de imagens "boas" em cima e a mesma imagem com músculos inteiros (azul escuro), tendão central (azul claro) e fascicles musculares (branco) delineados. Cada imagem tem uma barra de escala de 1 cm correspondente (branca) no canto inferior direito da imagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Demonstração da Qualidade da Imagem. Demonstração de três imagens qualitativamente "boas" e três qualitativamente "ruins" obtidas do bíceps braquii e da tibialis anterior dos participantes 1 e 2. (Top A & B) Em todas as imagens qualitativamente "boas" podem ser visualizadas as fáscicas que se estendem do tendão interno à aponeurose muscular. Ilustramos imagens que são qualitativamente "ruins" e não devem ser analisadas. Partes da imagem que a qualificam são enfatizadas como "ruins" são enfatizadas (caixas azuis e setas) e incluem imagens irregulares ou quebradas, dobras excessivas ou não anatomicamente relevantes, imagens que excluem todo o fascicle e imagens com tendões centrais borrados. Cada imagem tem uma barra de escala (linha vertical branca) que representa 1 cm. Esta parte da figura está destacando a variabilidade entre as imagens devido principalmente à inconsistência do sonografista em varreduras de imagens separadas. (Inferior A & B) Um bíceps "bom" e um músculo tibialis anterior "bom" são mostrados. A caixa laranja na imagem original é então explodida para ilustrar com mais precisão o zoom que é visto ao medir fascicles no ImageJ. A imagem inferior mostra fascicles delineados representativos (linhas brancas tracejadas). Essas imagens são consideradas "boas" porque os fascicles podem ser seguidos da origem à inserção e a parte ampliada da imagem não tem distorções substanciais ou artefatos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Variabilidade na qualidade da imagem entre os indivíduos. A variabilidade na qualidade e visibilidade da imagem existe entre os participantes, em grande parte devido à variação anatômica (ou seja, tamanho muscular, comprimento muscular, teor de gordura subcutânea) e diferenças no conteúdo muscular (ou seja, quantidades de gordura intramuscular, tecido conjuntivo, fibrose). Especificamente, variações no conteúdo muscular e camadas de tecido acima do músculo podem afetar a intensidade de eco do músculo inflamado43. Diferenças anatômicas naturais entre indivíduos resultarão em características arquitetônicas musculares variando em localização e/ou tamanho relativo em imagens dos EUA de diferentes indivíduos. Essa demonstração de músculos em diferentes participantes ressalta a importância de uma compreensão completa da anatomia e prática suficiente de obtenção de imagens em diversos indivíduos para ganhar confiança na qualidade e precisão das imagens que estão sendo obtidas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Passos críticos no protocolo.

Existem alguns componentes críticos para obter imagens EFOV-US de qualidade que produzem medidas válidas e confiáveis de comprimento de fascicle. Em primeiro lugar, como indicado no método 1.1.2 é essencial que o sonografista tire tempo para se familiarizar com a anatomia do músculo que está sendo imageado, bem como músculos, ossos e outras estruturas de tecidos moles circundantes. Isso melhorará a capacidade do sonografista de imaginar o músculo correto e determinar se várias imagens estão capturando o mesmo plano muscular. Em segundo lugar, o sonografista deve praticar o protocolo sobre fantasmas e múltiplos participantes piloto antes de coletar dados para publicação. O ultrassom é conhecido por resultar em erro de medição se o sonografista não identificar adequadamente o plano fascicle, uma tarefa que é desafiadora e pode melhorar com a prática. Por último, é fortemente recomendado garantir que a validade das medições feitas pelo algoritmo EFOV-US no sistema de ultrassom que está sendo utilizado tenha sido estabelecida. Se a precisão do método não tiver sido demonstrada, a validação pode ser feita facilmente usando um ultrassom fantasma23,26 ou através de comparação com outra ferramenta de imagem44 ou dissecção cadavírica45.

Modificações e solução de problemas do método.

Se a visibilidade da imagem for ruim ou o movimento da sonda for desigual durante a varredura dinâmica, a adição de gel de ultrassom pode melhorar a qualidade da imagem, melhorando o acoplamento transdutor-pele. Se a aquisição de imagem for cortada pelo algoritmo antes que todo o objeto de interesse seja capturado, a profundidade da imagem deve ser aumentada. Aumentar a profundidade da imagem expande a distância de varredura disponível, permitindo assim que objetos mais longos sejam capturados dentro de uma única imagem EFOV-US. Em geral, é melhor consultar o manual do sistema de ultrassom ao tentar melhorar ou solucionar problemas a qualidade da imagem ou a aquisição de imagens.

Aqui, demonstramos como capturar imagens EFOV-US de todo o músculo desde a junção do tendão muscular do tendão de origem até o tendão da inserção. Capturar todo o músculo é necessário para alguns músculos, como o bíceps braquia, cujos fascicles abrangem quase toda a extensão do músculo. No entanto, para outros músculos, como os músculos tibialis anterior ou outros pennated, exames mais curtos que não incluem a barriga muscular completa ainda podem capturar fascicles musculares inteiros. Para os sonografistas iniciantes, a aquisição de imagens de varreduras mais curtas que ainda capturam comprimentos completos de fascículo pode diminuir as chances de desalinhamento da sonda com o plano fascicle e melhorar a qualidade da imagem, diminuindo o potencial de erro de medição de fascícula.

Limitações do Método

Notavelmente, a ativação muscular pode alterar o comprimento da fascícula muscular. Devido à natureza do método de digitalização, a maior limitação do EFOV-US é que ele não pode ser implementado para estudar alterações de fascículo muscular devido à contração muscular dinâmica (por exemplo, durante a caminhada46,47). Além disso, devido ao tempo necessário para capturar uma imagem EFOV-EUA, a imagem de um músculo com contração máxima é provavelmente inviável devido à fadiga muscular. Em vez disso, o método EFOV-US é benéfico para imagens sub-máximas ou passivas. Uma maneira de garantir que a atividade muscular seja constante entre os participantes, membros ou sessões é medir simultaneamente o EMG durante a imagem e analisar apenas imagens que são tiradas quando o músculo está em algum nível de atividade desejado. Embora recomendado, particularmente se estudar populações com unidade neural alterada, medidas de EMG não foram tomadas na população aqui estudada.

Embora o ultrassom tradicional tenha se mostrado válido e confiável para medir os comprimentos de fascículo muscular in vivo, algum erro de medição de fascículo ocorrerá se o alinhamento do ultrassom do transdutor de ultrassom se desviar do avião fascicle27,29,48. Devido à natureza da varredura dinâmica do EFOV-US, há preocupação de que o método EFOV-US possa ter mais erro do que o T-US21,24. Embora um estudo recente tenha demonstrado que o erro de medição de fascículo do desalinhamento da sonda não foi maior no EFOV-US do que no método T-US bem estabelecido23 em um único músculo de pulso, uma limitação geral do ultrassom do modo B é que você só é capaz de capturar uma visão relativamente pequena, bidimensional (2D) do músculo. O verdadeiro caminho dos fascicles individuais pode ser 3D; as preocupações permanecem de que erros associados à medição de comprimentos de caminhos potencialmente 3D a partir de visualizações 2D podem ser maiores para fascicles mais longos.

Significância do Método em relação aos Métodos Existentes/Alternativos

O ultrassom estático, modo B é um método amplamente aceito para medir os comprimentos de fascículo muscular in vivo. No entanto, o campo de visão das sondas T-US limita o comprimento dos fascicles que podem ser diretamente medidos. Em vez disso, a medição de fascicles por mais tempo do que o campo de visão do T-US requer métodos de estimativa trigonométrica, imagem tensor de difusão (DTI) ou EFOV-US20. Em geral, a imagem de ultrassom é favorecida sobre técnicas de ressonância magnética (RM) como a DTI porque a ressonância magnética é mais cara e desafiadora para implementar18. Os comprimentos de fascículo capturados com EFOV-US mostraram-se mais precisos do que os métodos de estimativa trigonométrica24,36, o que é esperado uma vez que os fáscicos musculares seguem regularmente um caminho curvo, mas os métodos de estimativa trigonométrica assumem linearidade em seu cálculo do comprimento da fascícula muscular.

Deve-se notar que, embora a maioria das sondas de ultrassom tenham 4-6 cm de comprimento, sondas de ultrassom de até 10 cm foram usadas9,10. As sondas de 10 cm permitem um campo de visão mais amplo, permitindo a captura de fascicles mais longos e retos. Ainda assim, o comprimento mais longo da sonda diminui a taxa de quadros, exigiria que a superfície de imagem (o corpo) também fosse reta para evitar a compressão irregular do tecido imageado, e pode não ser capaz de capturar fascicles curvas mais longos (sem o uso de EFOV)20.

Aplicações ou Direções Futuras do Método

O guia aqui detalhado para a obtenção de imagens EFOV-US de qualidade para medir o comprimento da fascícula muscular tem o objetivo de incentivar o uso do método EFOV-US para expandir o pool de músculos para os quais o campo tem dados de arquitetura muscular in vivo. A expectativa é que esse método seja aplicado a populações saudáveis e prejudicadas (por exemplo, indivíduos pós-AVC38,49 ou cirurgia pós-ortopédica) para entender melhor a função muscular e a adaptação muscular. Além disso, esses dados in vivo são importantes para o desenvolvimento de modelos que predizem com mais precisão o movimento humano, bem como o desenvolvimento de modelos musculoesqueléticos específicos do assunto.

Notavelmente, o método EFOV-US não se limita a medidas de comprimento de fascículo muscular. O método tem sido utilizado para medição do comprimento do tendão50,51 e área transversal anatômica muscular,52,53 bem como para documentação de várias lesões superficiais54,55. Assim, há oportunidade de desenvolver guias, semelhantes ao aqui apresentados, para a obtenção de imagens de alta qualidade com o método EFOV-US para diversas aplicações.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Gostaríamos de agradecer a Vikram Darbhe e Patrick Franks por sua orientação experimental. Este trabalho é apoiado pelo Programa de Bolsas de Pós-Graduação em Pesquisa da Fundação Nacional de Ciência sob o Grant No. DGE-1324585, bem como NIH R01D084009 e F31AR076920. Quaisquer opiniões, achados e conclusões ou recomendações expressas neste material são dos autores e não refletem necessariamente as opiniões da Fundação Nacional de Ciência ou do 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

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Medicina Edição 166 Ultrassom Campo de Visão Estendido Músculo Esquelético Arquitetura Muscular Imagem Musculoesquelética Fascicles Musculares
Obtenção de qualidade estendida campo de visão imagens de ultrassom do músculo esquelético para medir o comprimento do fascicle muscular
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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).

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