Waiting
Login processing...

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

Medicine

Получение качественных ультразвуковых изображений скелетных мышц с расширенным полем зрения для измерения длины мышечной фасции

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

В этом исследовании описывается, как получить высококачественные изображения опорно-двигательного аппарата с использованием метода ультразвука с расширенным полем зрения (EFOV-US) с целью измерения длины мышечной фасции. Мы применяем этот метод к мышцам с фасцикулами, которые простираются за пределы поля зрения обычных традиционных ультразвуковых (T-US) зондов.

Abstract

Длина мышечной фасции, которая обычно измеряется in vivo с использованием традиционного ультразвука, является важным параметром, определяющим способность мышцы генерировать силу. Тем не менее, более 90% всех мышц верхних конечностей и 85% всех мышц нижних конечностей имеют оптимальную длину фасцикул длиннее, чем поле зрения обычных традиционных ультразвуковых зондов (T-US). Более новый, менее часто используемый метод, называемый ультразвуком с расширенным полем зрения (EFOV-US), может обеспечить прямое измерение фасцикул длиннее, чем поле зрения одного изображения T-US. Этот метод, который автоматически объединяет последовательность изображений T-US из динамического сканирования, был продемонстрирован как действительный и надежный для получения длины мышечных фасцикул in vivo. Несмотря на многочисленные скелетные мышцы с длинными фасцикулами и обоснованность метода EFOV-US для проведения измерений таких фасцикул, немногие опубликованные исследования использовали этот метод. В этом исследовании мы демонстрируем как реализовать метод EFOV-US для получения высококачественных изображений опорно-двигательного аппарата, так и как количественно оценить длину фасцикул из этих изображений. Мы ожидаем, что эта демонстрация будет стимулировать использование метода EFOV-US для увеличения пула мышц, как в здоровых, так и в ослабленных популяциях, для которых у нас есть данные о длине мышечных фасций in vivo.

Introduction

Длина фасции является важным параметром архитектуры скелетных мышц, который в целом свидетельствует о способности мышцы вырабатывать силу1,2. В частности, длина фасций мышцы дает представление об абсолютном диапазоне длин, на которых мышца может генерировать активную силу3,4. Например, учитывая две мышцы с одинаковыми значениями для всех изометрических силовых параметров (т.е. средняя длина саркомера, угол пеннации, физиологическая площадь поперечного сечения, состояние сокращения и т.д.), за исключением длины фасцикулы, мышца с более длинными фасцикулами будет производить свою пиковую силу при большей длине и будет производить силу в более широком диапазоне длин, чем мышца с более короткими фасцикулами3 . Количественная оценка длины мышечной фасции важна для понимания как здоровой мышечной функции, так и изменений в способности мышцы генерировать силу, которые могут произойти в результате изменения использования мышц (например, иммобилизация5,6, вмешательство в физические упражнения7,8,9, ношение высокой пятки10) или изменения мышечной среды (например, операция по переносу сухожилий11, отвлечение конечностей12 ). Измерения длины мышечных фасций были первоначально получены с помощью трупных экспериментов ex vivo, которые позволяют напрямую измерять рассеченные фасцикулы13,14,15,16. Ценная информация, полученная в результате этих экспериментов ex vivo, вызвала интерес к применению методов in vivo17,18,19 для решения вопросов, на которые нельзя было ответить в трупах; методы in vivo позволяют количественно оценить параметры мышц в нативном состоянии, а также при различных позах суставов, различных состояниях сокращения мышц, различных состояниях нагрузки или разгрузки, а также в популяциях с различными условиями (т.е. здоровые/травмированные, молодые/старые и т.д.). Чаще всего ультразвук является методом, используемым для получения in vivo длины мышечной фасции18,19,20; он быстрее, дешевле и проще в реализации, чем другие методы визуализации, такие как диффузионная тензорная визуализация (DTI)18,21.

Было продемонстрировано, что ультразвук с расширенным полем зрения (EFOV-US) является действительным и надежным методом измерения длины мышечной фасции in vivo. Несмотря на то, что традиционное ультразвуковое исследование (T-US) обычно реализуется, оно имеет поле зрения, которое ограничено длиной массива ультразвукового преобразователя (обычно от 4 до 6 см, хотя есть зонды, которые простираются до 10 см10) 18,20. Чтобы преодолеть это ограничение, Weng et al. разработали технологию EFOV-US, которая автоматически получает композитное двумерное «панорамное» изображение (длиной до 60 см) из динамического сканирования на увеличенное расстояние22. Изображение создается путем подгонки в режиме реального времени последовательности традиционных ультразвуковых изображений в B-режиме, поскольку преобразователь динамически сканирует интересующий объект. Поскольку последовательные изображения T-US имеют большие перекрывающиеся области, небольшие различия от одного изображения к другому могут быть использованы для расчета движения зонда без использования внешних датчиков движения. После вычисления движения зонда между двумя последовательными изображениями «текущее» изображение последовательно объединяется с предыдущими изображениями. Метод EFOV-US позволяет напрямую измерять длинные, изогнутые мышечные фасцикулы и доказал свою надежность в мышцах, испытаниях и сонографистах23,24,25 и действителен как для плоских, так и для изогнутых поверхностей23,26.

Внедрение ультразвука для измерения длины мышечной фасции in vivo не является тривиальным. В отличие от других методов визуализации, которые включают более автоматизированные протоколы (например, МРТ, КТ), ультразвук зависит от навыков сонографиста и анатомических знаний27,28. Существует опасение, что смещение зонда с плоскостью фасцикула может привести к существенной ошибке в измерениях фасцикул. Одно исследование демонстрирует небольшую разницу (в среднем < 3 мм) в измерениях длины фасций, взятых с использованием ультразвука и МРТ DTI, но также показывает, что точность измерения низкая (стандартное отклонение разницы ~ 12 мм)29. Тем не менее, было показано, что начинающий сонограф, с практикой и руководством опытного сонографиста, может получить действительные меауры с использованием EFOV-US23. Таким образом, следует приложить усилия для демонстрации соответствующих протоколов для снижения человеческой ошибки и повышения точности измерений, полученных с использованием EFOV-US. В конечном счете, разработка и совместное использование соответствующих протоколов может расширить число экспериментаторов и лабораторий, которые могут воспроизводить данные о длине фасцикул из литературы или получать новые данные в мышцах, которые еще не были изучены in vivo.

В этом протоколе мы демонстрируем, как реализовать метод EFOV-US для получения высококачественных изображений опорно-двигательного аппарата, которые могут быть использованы для количественной оценки длины мышечной фасции. В частности, мы рассматриваем (а) сбор изображений EFOV-US одной верхней конечности и одной мышцы нижней конечности, (b) определение в режиме реального времени «качества» изображения EFOV-US и (c) количественную оценку параметров мышечной архитектуры в автономном режиме. Мы предоставляем это подробное руководство, чтобы стимулировать принятие метода EFOV-US для получения данных о длине мышечных фасцикул в мышцах, которые не изучены in vivo из-за их длинных фасцикул.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Совет по институциональному обзору Северо-Западного университета (IRB) одобрил процедуры этого исследования. Все участники, участвующие в этой работе, дали информированное согласие до начала протокола, подробно описанного ниже.
ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретная ультразвуковая система, используемая в этом исследовании, имела возможности EFOV-US и была принята, потому что мы смогли просмотреть детали и оценки валидности алгоритма в научной литературе22,26; существует также несколько других систем с EFOV-US18,20,30. Использовался линейный преобразователь 14Л5 (полоса частот 5-14 МГц). Мышцы, изображенные в этом протоколе, представляют собой лишь небольшое подмножество мышц, для которых были получены изображения УЗИ и измерены длины фасцикул (например, трицепс25, разгибатель carpi ulnaris23, медиальный икроножный 10, vastus lateralis24, бицепс femoris8,31). Этот протокол предназначен для предоставления указателей и описания необходимых стандартов, чтобы его можно было применить к мышцам за пределами двух примеров, которые мы предоставляем.

1. Сбор изображений мышц EFOV-US

Подготовка

  1. Подготовка сонографиста
    1. Перед эксплуатацией ультразвуковой системы прочитайте руководство по эксплуатации системы, чтобы ознакомиться с безопасностью системы, заботой о обслуживании системы, настройкой системы и элементами управления и т. Д. Кроме того, ознакомьтесь с инструкциями системы по получению изображений EFOV-US и ознакомьтесь с методом, реализованным для получения изображений EFOV-US.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Различные ультразвуковые системы называют режим EFOV-US, используя разную терминологию. Например, в системе, используемой здесь, режим EFOV называется «Панорамная визуализация». Хотя технические детали алгоритма, реализованного в различных коммерческих системах, обычно являются интеллектуальной собственностью и, следовательно, не находятся в свободном доступе, из беглого обзора многие коммерческие системы с панорамными ультразвуковыми возможностями описывают подход, аналогичный тому, который описан Weng et al.22. Оценка общей достоверности измерений, полученных из любой системы, либо путем получения более подробной информации непосредственно от компании, которая производит систему, с помощью фантома визуализации26,32, либо с помощью других средств (например, сравнение с вскрытием животных24) рекомендуется в качестве важного шага перед началом исследования с участием людей-участников.
    2. Потратьте время, чтобы ознакомиться с анатомией интересующих мышц, а также с окружающей анатомией. Предлагается, чтобы сонографист использовал учебник анатомии или, предпочтительно, интерактивную онлайн-модель анатомии 3D, чтобы ознакомиться с анатомией, представляющей интерес.
  2. Подготовка участников
    1. Объясните участнику протокол исследования и получите одобренное IRB согласие до начала протокола визуализации.
    2. Попросите участника надеть соответствующую одежду, чтобы обеспечить доступ к интересующей мышце. Например, если сонографист планирует изобразить мышцу предплечья, участника следует попросить надеть рубашку с короткими рукавами.
    3. Посадите участника в регулируемое кресло, которое можно зафиксировать на месте. Потратьте время, чтобы отрегулировать стул, чтобы сделать участника максимально комфортным, обеспечивая при этом доступ к интересующей мышце.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если регулируемый стул, который может лежать полностью плоским, недоступен, некоторые конструкции исследования могут потребовать использования стола для доступа к интересующей мышце (т. Е. Подколенным сухожилиям).
    4. Поместите сустав (суставы), который охватывает интересующая мышца, в позу, которую можно контролировать и повторять. Используйте клиническое руководство33 для определения анатомических ориентиров и осуществления гониометрии; использовать стандарты ISB для определения совместной системы координат34,35. В общем, чтобы измерить угол сустава, отметьте анатомические ориентиры маркером безопасности кожи (Таблицей материалов), а затем выровняйте центр ручного гониометра вверх с осью вращения сустава и руки гониометра вверх с сегментами сустава.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При визуализации пассивной мышцы рекомендуется размещение интересующей мышцы в относительно удлиненном положении, чтобы избежать визуализации слабой мышцы.
      1. Чтобы воспроизвести бицепс брахии, как показано в этом исследовании, сядьте участников с опорой на ноги, спиной прямо, плечом при 85° абдукции и 10° горизонтального сгибания, локтем при сгибании 25° и предплечьем, запястьем и пальцами на нейтральной.
      2. Чтобы воспроизвести переднюю часть большеберцовой кости, как показано в этом исследовании, усадите участников с коленом на 60 ° сгибания и лодыжкой на 15 ° подошвенного сгибания.
    5. Закрепите конечность участника с помощью тканевых ремней, чтобы свести к минимуму движение во время протокола визуализации.

Получение изображений

  1. Подключите и включите ультразвуковую систему. Убедитесь, что экзамен установлен на Опорно-двигательный аппарат, выбран используемый преобразователь (здесь мы использовали 14L5), а частота передачи установлена между 5-17 МГц (здесь использовалось 11 МГц), типичный диапазон частот для визуализации опорно-двигательного аппарата. Более высокие частоты обычно используются для более поверхностной визуализации, поскольку они улучшают разрешение, но уменьшают проникновение волн.
  2. Зайдите в системные настройки, чтобы настроить параметры ножного переключателя. Для целей этого протокола мы рекомендуем установить ножной переключатель для запуска/остановки визуализации. Если используемый ножной переключатель имеет несколько педалей, установите дополнительные педали в «Заморозка» или «Пауза», а также «Печать» или «Сохранение» изображения.
  3. Нанесите обильное количество ультразвукового геля на головку датчика.
  4. Поместите датчик на кожу участника в приблизительной интересующей области.
  5. Переместите преобразователь в короткую ось плоскости мышцы. Обратите внимание, что преобразователь имеет небольшой выступ с одной стороны, называемый индикатором. Сторона датчика, имеющая индикатор, соответствует левой стороне ультразвукового изображения. При визуализации по короткой оси попросите сонографиста держать индикатор направленным сбоку, а когда сонографист находится на длинной оси, наведите индикатор дистально.
  6. Определите интересующую мышцу в плоскости короткой оси (перпендикулярно направлению мышечного волокна) и переместите преобразователь дистально и проксимально, чтобы получить полную визуализацию мышечного пути.
    1. Отметьте важные анатомические ориентиры (например, боковые и медиальные края мышцы, мышечное сухожильное соединение и мышечное введение) с помощью безопасных для кожи маркеров чернил (Таблица материалов).
  7. После того, как местоположение мышцы было идентифицировано и правильно обозначено, попросите сонографиста переместить ультразвуковой преобразователь в плоскость длинной оси (параллельно направлению мышечного волокна).
  8. Начиная с дистального или проксимального конца мышцы, поверните и наклоните датчик, чтобы идентифицировать плоскость фасцикулы в этой точке. Сделайте отметку на коже, когда будет установлено правильное положение датчика.
  9. После того, как приблизительная плоскость фасцикулы будет установлена по всей желаемой длине для сканирования, попросите сонографиста попрактиковаться в следовании по этому пути.
  10. Чтобы начать сбор изображений, переведите ультразвуковую систему в режим EFOV-US.
  11. Начиная с одного конца мышцы, нажмите ножной переключатель, чтобы начать получение изображения, и медленно и непрерывно перемещайте ультразвуковой преобразователь по длинной оси. Как только конец мышцы будет достигнут, нажмите ножной переключатель, чтобы завершить получение изображения.
  12. Практикуйте и обеспечьте правильный путь преобразователя. Это может занять несколько практических изображений, прежде чем последовательно получить «качественные» изображения EFOV-US (см. раздел 2 для объяснения качества изображений).
  13. Чтобы оптимизировать видимость и четкость изображения, рассмотрите возможность корректировки следующих параметров.
    1. Глубина: Если получение изображения заканчивается до того, как желаемая длина мышцы может быть захвачена, увеличьте глубину изображения (в системе, используемой здесь, увеличение глубины изображения увеличивает абсолютную длину сканирования).
    2. Фокус: поместите стрелку фокусировки в нижнюю половину изображения чуть ниже интересующей мышцы.
    3. Усиление: убедитесь, что усиление сбалансировано по глубине изображения.
    4. Скорость: Изображение на оптимальной скорости, управляемой индикатором (в большинстве систем индикатор скорости отображается на мониторе во время панорамной съемки).
  14. После того, как качественно хорошие изображения были собраны (шаг 2.1), нажмите на педаль ножного переключателя Print/Store или синонимическую кнопку на панели управления, чтобы сохранить изображение.
  15. Повторяйте шаги 1.13-1.16 до получения 3 качественных изображений мышц EFOV-US.
  16. Повторяйте шаги 1.6-1.17 до тех пор, пока не будут получены все интересующие мышцы.
  17. Используйте полотенце, чтобы аккуратно вытереть гель с кожи участника. Затем попросите участника смыть область кожи или использовать влажное полотенце, чтобы протереть кожу, которая подвергалась воздействию геля. Сухой.
  18. Протрите гель с головки датчика и продезинфицируйте.
  19. Экспортируйте изображения в виде несжатых образов DICOM на компакт-диск, флэш-накопитель или через локальную сеть на компьютер.

2. Определение «качества» изображения EFOV-US

  1. Следуя шагу 1.13, попросите сонографиста определить и оценить качество ключевых анатомических особенностей интересующей мышцы и окружающей ее анатомии. Это качественная оценка, основанная на знании сонографистом анатомии и эхогенности костно-мышечной ткани (способность ткани отражать ультразвуковые волны). Для того, чтобы изображения EFOV-US считались качественно «хорошими», должны быть соблюдены следующие:
    1. На любом длинноосевом изображении мышцы убедитесь, что сонографист может четко идентифицировать мышцу как гипоэховую (темную) форму с гиперэхоическими (яркими) границами, которые представляют собой глубокую и поверхностную мышечную фасцию.
    2. Между мышечными границами проверьте, что сонографист может идентифицировать соединительную ткань, окружающую мышечный фасцикул, как гиперэхогенные (яркие) линии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При визуализации многопрядных мышц изображение должно также содержать центральное сухожилие (сухожилия), которые появляются в мышечном животе, между глубокой и поверхностной мышечной фасцией, как гиперэховая (яркая) структура.
    3. Убедитесь, что изображение не имеет чрезмерного изгиба. Обычно на это указывают тени или пробелы в изображении или зубчатая гибкая линия линейки над изображением.
  2. Если на изображении отсутствует одна или несколько тканевых структур, описанных в 2.1, сочтут изображение «качественно плохим» и вернитесь в живой 2D-режим.

3. Кванифицирующая длина мышечной фасции

  1. Для количественной оценки длины мышечной фасции используйте ImageJ, платформу обработки изображений с открытым исходным кодом. ImageJ можно скачать по https://imagej.net/Downloads.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя ImageJ часто реализуется24,25,31,36,37,38, количественная оценка длины мышечной фасции может быть измерена с использованием другого программного обеспечения для обработки изображений8,39 или пользовательских кодов40,41.
  2. После загрузки откройте ультразвуковые изображения как изображения DICOM в ImageJ, щелкнув Файл | Откройте и выберите изображение для анализа.
  3. Чтобы убедиться, что свойства изображения DICOM сохранены, нажмите на инструмент «Прямая линия» в меню «Инструменты» и нарисуйте прямую линию от 0 до 1 см на линейке на стороне ультразвукового изображения. Затем перейдите в раздел Анализ | Измерьте , чтобы измерить сделанную линию. Если свойства изображения сохранены, длина прямой линии должна составлять 1 см.
  4. Чтобы измерить длину фасций на изображении, выполните следующие действия.
    1. Щелкните правой кнопкой мыши инструмент «Прямая линия ».
    2. Выберите Сегментированная линия.
    3. Наведите курсор на изображение и щелкните на одном конце фасцикула, выбранную для измерения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Делайте измерения на фасцикулах только для того, чтобы можно было убедительно увидеть весь путь фасцикулы (т.е. от одного апоневроза до следующего апоневроза или апоневроза до центрального сухожилия).
    4. Щелкните вдоль контура, чтобы убедиться, что кривизна в контуре фасцикулы захвачена.
    5. Как только будет достигнут конец пути к фасцикулу, дважды щелкните, чтобы закончить строку, и перейдите в раздел Анализ | Измерьте длину линии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Новое окно", "Результаты", появится при первом измерении. Отображаемыми значениями можно управлять в окне Результаты, перейдя в раздел Результаты | Установка измерений.
  5. Повторяйте шаги 3.4.3-3.4.5 до тех пор, пока на одном изображении не будет выполнено несколько измерений фасцикул.
  6. Сохраните измерения фасцикул, щелкнув Файл | Сохраните на вкладке результатов или значения можно скопировать и вставить в другой документ/электронную таблицу.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Расширенное УЗИ поля зрения (EFOV-US) было реализовано для получения изображений с длинной головки бицепса плечевого сустава и передней большеберцовой кости у 4 здоровых добровольцев (таблица 1). На рисунке 1 показаны изображения EFOV-US обеих мышц, изображенных в этом репрезентативном сеансе визуализации, и выделены важные аспекты каждого изображения, такие как мышечный апоневроз, центральное сухожилие, путь фасцика и т. Д. После окончания сеанса визуализации были проанализированы 3 качественно «хороших» изображения (рисунок 2) для каждой мышцы у каждого человека. ImageJ был реализован для измерения 4 фасцикул на изображение. На каждом изображении измерялись фасцикулы с путями, которые можно было убедительно визуализировать от начала до вставки и которые были расположены в разных частях выбранной мышцы. Средняя длина фасций, полученная в этом исследовании для двухглавого плеча (14,6 ± 1,7 см) и передней большеберцовой кости (7,3 ± 0,6 см), находится в пределах диапазона длин фасций, о которых сообщалось ранее25,42 (таблица 1).

Наиболее сложными и субъективными частями этого протокола являются определяющие факторы, которые приводят к правильному восприятию изображения как качественно «хорошего» или качественно «плохого». Мы приводим несколько примеров «хороших» и «плохих» изображений (рисунок 2) и то, как ориентиры и качество изображения варьируются у разных людей (рисунок 3). Кроме того, мы выделили части изображений, которые являются специфически «плохими».

Тема Род Высота (м) Возраст Бицепс Сайд Бицепс Фасциколь Длина (см) Тибиалис Передняя сторона Длина передней фасции большеберцовой кости (см)
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
Средний 14.6 7.3
СД 1.7 0.6

Таблица 1: Демографические данные и данные участников. Измерения длины фасцикул представлены как среднее ± стандартного отклонения.

Figure 1
Рисунок 1: Схематические и EFOV изображения двух примеров мышц. (слева) Иллюстрация изучаемой мышцы. (справа) Пример «хороших» изображений сверху и такое же изображение с очерченными целыми мышцами (темно-синие), центральным сухожилием (светло-голубым) и мышечными раковинами (белыми). Каждое изображение имеет соответствующую полосу масштаба 1 см (белая) в правом нижнем углу изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Демонстрация качества изображения. Демонстрация трех качественно «хороших» и трех качественно «плохих» изображений, полученных с бицепсов плечевой и передней части большеберцовой кости участников 1 и 2. (Топ А и Б) Во всех качественно «хороших» изображениях можно визуализировать фасцикулы, которые простираются от внутреннего сухожилия до мышечного апоневроза. Мы иллюстрируем изображения, которые качественно «плохие» и не должны анализироваться. Части изображения, которые квалифицируют его как «плохое», подчеркиваются (синие поля и стрелки) и включают зубчатые или сломанные изображения, чрезмерные или неанатомически релевантные изгибы, изображения, которые исключают всю фасцикулу, и изображения с размытыми центральными сухожилиями. Каждое изображение имеет шкалу масштаба (белая вертикальная линия), которая составляет 1 см. Эта часть рисунка подчеркивает изменчивость среди изображений, обусловленную главным образом несогласованностью сонографиста в отдельных развертках изображения. (Нижняя часть A & B) Показаны один «хороший» бицепс и одна «хорошая» передняя мышца большеберцовой кости. Затем оранжевая рамка на исходном изображении раздувается, чтобы более точно проиллюстрировать масштаб, который виден при измерении фасцикул в ImageJ. На нижнем изображении показаны репрезентативные очерченные фасцикулы (белые пунктирные линии). Эти изображения считаются «хорошими», потому что фасцикулы можно проследить от начала до вставки, а увеличенная часть изображения не имеет существенных искажений или артефактов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Изменчивость качества изображения у разных людей. Вариабельность качества изображения и видимости существует между участниками, в основном из-за анатомических вариаций (т.е. размер мышц, длина мышц, содержание подкожного жира) и различий в содержании мышц (т.е. количество внутримышечного жира, соединительной ткани, фиброза). В частности, изменения в содержании мышц и слоях ткани над мышцей могут влиять на интенсивность эха изображенной мышцы43. Естественные анатомические различия между людьми приведут к тому, что мышечные архитектурные особенности будут различаться по местоположению и / или относительному размеру на изображениях разных людей в США. Эта демонстрация мышц у разных участников подчеркивает важность глубокого понимания анатомии и достаточной практики получения изображений на разных людях для получения уверенности в качестве и точности получаемых изображений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Критические шаги в протоколе.

Существует несколько критических компонентов для получения качественных изображений EFOV-US, которые дают действительные и надежные измерения длины фасцикул. Во-первых, как указано в методе 1.1.2, важно, чтобы сонографисту потребовалось время, чтобы ознакомиться с анатомией изображаемой мышцы, а также с окружающими мышцами, костями и другими структурами мягких тканей. Это улучшит способность сонографиста изображать правильную мышцу и определять, захватывают ли несколько изображений одну и ту же мышечную плоскость. Во-вторых, сонографист должен практиковать протокол на фантомах и нескольких пилотных участниках перед сбором данных для публикации. Известно, что ультразвук приводит к ошибке измерения, если сонографист не идентифицирует правильно плоскость фасцикулы, задача, которая является сложной и может улучшиться с практикой. Наконец, настоятельно рекомендуется убедиться, что достоверность измерений, выполненных алгоритмом EFOV-US в используемой ультразвуковой системе, установлена. Если точность метода не была продемонстрирована, валидация может быть легко выполнена с помощью ультразвукового фантома23,26 или путем сравнения с другим инструментом визуализации44 или трупной диссекцией45.

Модификации и устранение неполадок метода.

Если видимость изображения плохая или движение зонда неравномерно во время динамического сканирования, добавление ультразвукового геля может улучшить качество изображения за счет улучшения связи между преобразователем и кожей. Если получение изображения прерывается алгоритмом до захвата всего интересующего объекта, глубина изображения должна быть увеличена. Увеличение глубины изображения расширяет доступное расстояние сканирования, что позволяет захватывать более длинные объекты в рамках одного изображения EFOV-US. В общем, лучше всего обращаться к руководству по ультразвуковой системе при попытке улучшить или устранить неполадки качества изображения или получения изображения.

Здесь мы продемонстрируем, как захватить изображения EFOV-US всей мышцы от мышечного сухожильного соединения исходного сухожилия до сухожилия вставки. Захват всей мышцы необходим для некоторых мышц, таких как бицепс плечевой мышцы, чьи фасцикулы охватывают почти всю длину мышцы. Тем не менее, для других мышц, таких как передняя большеберцовая или другие выписанные мышцы, более короткие сканирования, которые не включают полную мышцу живота, могут по-прежнему захватывать целые мышечные фасцикулы. Для начинающих сонографов получение изображений из более коротких сканов, которые все еще захватывают полную длину фасцикул, может снизить вероятность смещения зонда с плоскостью фасцикулы и улучшить качество изображения, уменьшая вероятность погрешности измерения фасцикул.

Ограничения метода

Примечательно, что активация мышц может изменить длину мышечной фасции. Из-за характера метода сканирования основным ограничением EFOV-US является то, что он не может быть реализован для изучения изменений мышечных фасций из-за динамического сокращения мышц (например, во время ходьбы46,47). Кроме того, из-за времени, необходимого для захвата изображения EFOV-US, визуализация мышцы при максимальном сокращении, вероятно, невозможна из-за мышечной усталости. Вместо этого метод EFOV-US полезен для субмаксимальной или пассивной визуализации. Один из способов обеспечить постоянную мышечную активность у участников, конечностей или сеансов - это одновременно измерить ЭМГ во время визуализации и анализировать только изображения, которые делаются, когда мышца находится на некотором желаемом уровне активности. Хотя это было рекомендовано, особенно при изучении популяций с измененным нейронным драйвом, измерения ЭМГ не были приняты в популяции, изученной здесь.

Хотя было показано, что традиционное ультразвук является действительным и надежным для измерения длины фасцикул in vivo, некоторая погрешность измерения фасцикул будет возникать, если выравнивание ультразвукового преобразователя сонографистом отклоняется от плоскости фасцикулы27,29,48. Из-за характера динамического сканирования EFOV-US существует опасение, что метод EFOV-US может иметь больше ошибок, чем T-US21,24. В то время как недавнее исследование показало, что погрешность измерения фасцикулы от смещения зонда не была больше в EFOV-US, чем в хорошо зарекомендовавшем себя методе T-US23 в одной мышце запястья, общим ограничением ультразвука в B-режиме является то, что вы можете захватить только относительно небольшой, 2-мерный (2D) вид мышцы. Истинный путь отдельных фасцикул может быть 3D; По-прежнему существуют опасения, что ошибки, связанные с измерением длины потенциально 3D-путей из 2D-видов, могут быть больше для более длинных фасцикул.

Значение метода по отношению к существующим/альтернативным методам

Статическое, B-модное ультразвуковое исследование является широко распространенным методом измерения длины мышечных фасций in vivo. Однако поле зрения зондов T-US ограничивает длину фасцикул, которые могут быть непосредственно измерены. Вместо этого измерение фасцикул длиннее поля зрения T-US требует тригонометрических методов оценки, диффузионной тензорной визуализации (DTI) или EFOV-US20. В целом, ультразвуковая визуализация предпочтительнее методов магнитно-резонансной томографии (МРТ), таких как DTI, потому что МРТ является более дорогой и сложной для реализации18. Было показано, что длины фасцикул, захваченные с помощью EFOV-US, более точны, чем тригонометрические методы оценки24,36, что ожидается, поскольку мышечные фасцикулы регулярно следуют изогнутому пути, но тригонометрические методы оценки предполагают линейность при расчете длины мышечной фасцикулы.

Следует отметить, что, хотя большинство ультразвуковых зондов имеют длину 4-6 см, ультразвуковые зонды до 10 см были использованы9,10. 10-сантиметровые датчики обеспечивают более широкое поле зрения, позволяя захватывать более длинные прямые фасцикулы. Тем не менее, большая длина зонда снижает частоту кадров, потребует, чтобы поверхность изображения (тело) также была прямой, чтобы избежать неравномерного сжатия изображенной ткани, и может быть не в состоянии захватывать более длинные изогнутые фасцикулы (без использования EFOV)20.

Будущие применения или направления применения метода

Руководство, подробно описанное здесь для получения качественных изображений EFOV-US для измерения длины мышечной фасции, предназначено для поощрения использования метода EFOV-US для расширения пула мышц, для которых поле имеет данные о мышечной архитектуре in vivo. Ожидается, что этот метод будет применяться как к здоровым, так и к ослабленным группам населения (например, людям после инсульта 38,49 или после ортопедической хирургии), чтобы лучше понять мышечную функцию и адаптацию мышц. Кроме того, эти данные in vivo важны для разработки моделей, которые более точно предсказывают движения человека, а также для разработки предметных моделей опорно-двигательного аппарата.

Примечательно, что метод EFOV-US не ограничивается измерениями длины мышечной фасции. Метод был использован для измерения длины сухожилия 50,51 и анатомической площади поперечного сечения мышц,52,53, а также для документирования различных поверхностных поражений54,55. Таким образом, есть возможность разработать руководства, аналогичные представленному здесь, для получения высококачественных изображений методом EFOV-US для различных применений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Мы хотели бы поблагодарить Викрама Дарбхе и Патрика Фрэнкса за их экспериментальное руководство. Эта работа поддерживается Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда в рамках гранта No. DGE-1324585, а также NIH R01D084009 и F31AR076920. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, являются мнениями авторов и не обязательно отражают взгляды Национального научного фонда или 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

Медицина выпуск 166 Ультразвук Расширенное поле зрения Скелетные мышцы Мышечная архитектура Визуализация опорно-двигательного аппарата Мышечные фасцикулы
Получение качественных ультразвуковых изображений скелетных мышц с расширенным полем зрения для измерения длины мышечной фасции
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