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Obtención de imágenes de ultrasonido de campo de visión extendido de calidad del músculo esquelético para medir la longitud del fascículo 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 estudio describe cómo obtener imágenes musculoesqueléticas de alta calidad utilizando el método de ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) con el fin de realizar mediciones de longitud de fascículo muscular. Aplicamos este método a los músculos con fascículos que se extienden más allá del campo de visión de las sondas de ultrasonido tradicionales comunes (T-US).

Abstract

La longitud del fascículo muscular, que comúnmente se mide in vivo utilizando ultrasonido tradicional, es un parámetro importante que define la capacidad de generación de fuerza de un músculo. Sin embargo, más del 90% de todos los músculos de las extremidades superiores y el 85% de todos los músculos de las extremidades inferiores tienen longitudes óptimas de fascículos más largas que el campo de visión de las sondas de ultrasonido tradicionales comunes (T-US). Un método más nuevo y menos frecuentemente adoptado llamado ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) puede permitir la medición directa de fascículos más largos que el campo de visión de una sola imagen T-US. Este método, que encaja automáticamente una secuencia de imágenes T-US de un escaneo dinámico, ha demostrado ser válido y confiable para obtener longitudes de fascículos musculares in vivo. A pesar de los numerosos músculos esqueléticos con fascículos largos y la validez del método EFOV-US para realizar mediciones de dichos fascículos, pocos estudios publicados han utilizado este método. En este estudio, demostramos cómo implementar el método EFOV-US para obtener imágenes musculoesqueléticas de alta calidad y cómo cuantificar las longitudes de los fascículos a partir de esas imágenes. Esperamos que esta demostración fomente el uso del método EFOV-US para aumentar el grupo de músculos, tanto en poblaciones sanas como deterioradas, para lo cual tenemos datos in vivo de longitud de fascículos musculares.

Introduction

La longitud del fascículo es un parámetro importante de la arquitectura del músculo esquelético, que en general es indicativo de la capacidad de un músculo para producir fuerza1,2. Específicamente, la longitud del fascículo de un músculo proporciona información sobre el rango absoluto de longitudes sobre las cuales un músculo puede generar fuerza activa3,4. Por ejemplo, dados dos músculos con valores idénticos para todos los parámetros isométricos generadores de fuerza (es decir, longitud media del sarcómero, ángulo de pennación, área de sección transversal fisiológica, estado de contracción, etc.) excepto para la longitud del fascículo, el músculo con los fascículos más largos produciría su fuerza máxima a una longitud más larga y produciría fuerza en un rango más amplio de longitudes que el músculo con fascículos más cortos3 . La cuantificación de la longitud del fascículo muscular es importante para comprender tanto la función muscular sana como los cambios en la capacidad de generación de fuerza de un músculo, que pueden ocurrir como resultado de un uso muscular alterado (por ejemplo, inmovilización5,6, intervención de ejercicio7,8,9, uso alto del talón10) o un cambio en el entorno del músculo (por ejemplo, cirugía de transferencia de tendones11, distracción de extremidades12 ). Las mediciones de la longitud del fascículo muscular se obtuvieron originalmente a través de experimentos cadavéricos ex vivo que permiten la medición directa de fascículos disecados13,14,15,16. La valiosa información proporcionada por estos experimentos ex vivo llevó a un interés en la implementación de métodos in vivo17,18,19 para abordar preguntas que no podían ser respondidas en cadáveres; Los métodos in vivo permiten cuantificar los parámetros musculares en un estado nativo, así como en diferentes posturas articulares, diferentes estados de contracción muscular, diferentes estados de carga o descarga, y en poblaciones con diferentes condiciones (es decir, sanos / lesionados, jóvenes / viejos, etc.). Con mayor frecuencia, la ecografía es el método empleado para obtener longitudes de fascículo muscular in vivo18,19,20; es más rápida, menos costosa y más fácil de implementar que otras técnicas de imagen, como la imagen por tensor de difusión (DTI)18,21.

Se ha demostrado que el ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) es un método válido y confiable para medir la longitud del fascículo muscular in vivo. Aunque se implementa comúnmente, el ultrasonido tradicional (T-US) tiene un campo de visión que está limitado por la longitud de la matriz del transductor de ultrasonido (típicamente entre 4 y 6 cm, aunque hay sondas que se extienden hasta 10 cm10)18,20. Para superar esta limitación, Weng et al. desarrollaron una tecnología EFOV-US que adquiere automáticamente una imagen "panorámica" compuesta y bidimensional (hasta 60 cm de largo) a partir de un escaneo dinámico de distancia extendida22. La imagen se crea encajando, en tiempo real, una secuencia de imágenes de ultrasonido tradicionales en modo B a medida que el transductor escanea dinámicamente el objeto de interés. Debido a que las imágenes secuenciales T-US tienen grandes regiones superpuestas, las pequeñas diferencias de una imagen a la siguiente se pueden usar para calcular el movimiento de la sonda sin el uso de sensores de movimiento externos. Una vez que se calcula el movimiento de la sonda entre dos imágenes consecutivas, la imagen "actual" se fusiona sucesivamente con las imágenes anteriores. El método EFOV-US permite la medición directa de fascículos musculares largos y curvos y ha demostrado ser fiable en todos los músculos, ensayos y ecografistas23,24,25 y válido tanto para superficies planas como curvas23,26.

Implementar ultrasonido para medir la longitud del fascículo muscular in vivo no es trivial. A diferencia de otras técnicas de imagen que implican protocolos más automatizados (es decir, resonancia magnética, tomografía computarizada), el ultrasonido depende de la habilidad del ecografista y el conocimiento anatómico27,28. Existe la preocupación de que la desalineación de la sonda con el plano del fascículo pueda causar un error sustancial en las medidas del fascículo. Un estudio demuestra poca diferencia (en promedio < 3 mm) en las medidas de longitud de fascículo tomadas mediante ultrasonido y resonancia magnética DTI, pero también muestra que la precisión de la medición es baja (desviación estándar de diferencia ~ 12 mm)29. Aún así, se ha demostrado que un ecografista novato, con la práctica y la guía de un ecografista experimentado, puede obtener medidas válidas utilizando EFOV-US23. Por lo tanto, se deben hacer esfuerzos para demostrar protocolos apropiados para reducir el error humano y mejorar la precisión de las mediciones obtenidas utilizando EFOV-US. En última instancia, desarrollar y compartir protocolos apropiados puede ampliar el número de experimentadores y laboratorios que pueden reproducir datos de longitud de fascículos de la literatura u obtener datos novedosos en músculos que aún no se han estudiado in vivo.

En este protocolo, demostramos cómo implementar el método EFOV-US para obtener imágenes musculoesqueléticas de alta calidad que se pueden utilizar para cuantificar la longitud del fascículo muscular. Específicamente, abordamos (a) la recopilación de imágenes EFOV-US de una sola extremidad superior y un solo músculo de la extremidad inferior (b) determinando, en tiempo real, la "calidad" de la imagen EFOV-US, y (c) cuantificando los parámetros de arquitectura muscular fuera de línea. Proporcionamos esta guía detallada para fomentar la adopción del método EFOV-US para obtener datos de longitud de fascículos musculares en músculos que no se han estudiado in vivo debido a sus fascículos largos.

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Protocol

La Junta de Revisión Institucional (IRB) de la Universidad Northwestern aprobó los procedimientos de este estudio. Todos los participantes inscritos en este trabajo dieron su consentimiento informado antes de comenzar el protocolo que se detalla a continuación.
NOTA: El sistema de ultrasonido específico utilizado en este estudio tenía capacidades EFOV-US y fue adoptado porque pudimos revisar detalles y evaluaciones de validez para el algoritmo en la literatura científica22,26; también existen muchos otros sistemas con EFOV-US18,20,30. Se utilizó un transductor de matriz lineal 14L5 (ancho de banda de frecuencia 5-14 MHz). Los músculos fotografiados en este protocolo son solo un pequeño subconjunto de músculos para los cuales se han capturado imágenes estadounidenses y medido la longitud de los fascículos (por ejemplo, tríceps25, extensor carpi ulnaris23, gastrocnemio medial10, vasto lateralis24, bíceps femoral8,31). Este protocolo está destinado a proporcionar punteros y describir los estándares necesarios para que pueda aplicarse a los músculos más allá de los dos ejemplos que proporcionamos.

1. Recopilación de imágenes EFOV-US de los músculos

Preparación

  1. Preparación para ecografista
    1. Antes de operar el sistema de ultrasonido, lea el manual del sistema para familiarizarse con la seguridad del sistema, el cuidado del mantenimiento del sistema, la configuración y los controles del sistema, etc. Además, revise las instrucciones del sistema para obtener imágenes EFOV-US y familiarícese con el método implementado para obtener las imágenes EFOV-US.
      NOTA: Diferentes sistemas de ultrasonido nombran el modo EFOV-US utilizando diferente terminología. Por ejemplo, en el sistema utilizado aquí, el modo EFOV se conoce como "Imágenes panorámicas". Si bien los detalles técnicos del algoritmo implementado en varios sistemas comerciales suelen ser propiedad intelectual y, por lo tanto, no están disponibles libremente, a partir de una revisión superficial, muchos sistemas comerciales con capacidades de ultrasonido panorámico describen un enfoque similar al descrito por Weng et al.22. Se recomienda evaluar la validez general de las mediciones adquiridas de cualquier sistema, ya sea obteniendo información más detallada directamente de la empresa que fabrica el sistema, utilizando un fantasma de imágenes26,32, o por otros medios (por ejemplo, comparación con la disección animal24) como un paso importante antes de iniciar la investigación con participantes humanos.
    2. Tómese el tiempo para familiarizarse con la anatomía de los músculos de interés, así como con la anatomía circundante. Se sugiere que el ecografista utilice un libro de texto de anatomía o preferiblemente un modelo interactivo de anatomía 3D en línea para familiarizarse con la anatomía de interés.
  2. Preparación de los participantes
    1. Explicar el protocolo del estudio al participante y obtener el consentimiento aprobado por el IRB antes de comenzar el protocolo de imágenes.
    2. Pida al participante que use ropa adecuada para permitir el acceso al músculo de interés. Por ejemplo, si el ecografista planea obtener imágenes de un músculo del antebrazo, se le debe pedir al participante que use una camisa de manga corta.
    3. Coloque al participante en una silla ajustable que se pueda bloquear en su lugar. Tómese el tiempo para ajustar la silla para que el participante se sienta lo más cómodo posible y al mismo tiempo proporcione acceso al músculo de interés.
      NOTA: Si no se dispone de una silla ajustable que pueda colocarse completamente plana, algunos diseños de estudio pueden requerir el uso de una mesa para acceder al músculo de interés (es decir, los isquiotibiales).
    4. Coloque la(s) articulación(es) que abarca el músculo de interés en una postura que pueda ser controlada y repetida. Utilizar la guía clínica33 para localizar puntos de referencia anatómicos e implementar goniometría; utilizar los estándares ISB para definir el sistema de coordenadas conjuntas34,35. En general, para medir el ángulo de la articulación, marque los puntos de referencia anatómicos con un marcador seguro para la piel (Tabla de materiales) y luego alinee el centro de un goniómetro de mano hacia arriba con el eje de rotación de la articulación y los brazos del goniómetro hacia arriba con los segmentos articulares.
      NOTA: Si se toman imágenes del músculo pasivo, se recomienda colocar el músculo de interés en una posición relativamente alargada para evitar obtener imágenes del músculo flojo.
      1. Para replicar los bíceps braquiales como se muestra en este estudio, se siente a los participantes con los pies apoyados, la espalda recta, el hombro a 85 ° de abducción y 10 ° de flexión horizontal, el codo a 25 ° de flexión y el antebrazo, la muñeca y los dedos en neutro.
      2. Para replicar el tibial anterior como se muestra en este estudio, se siente a los participantes con la rodilla a 60° de flexión y el tobillo a 15° de flexión plantar.
    5. Asegure la extremidad de los participantes usando correas de tela para minimizar el movimiento durante el protocolo de imágenes.

Adquisición de imágenes

  1. Conecte y encienda el sistema de ultrasonido. Asegúrese de que el examen esté configurado en Musculoesquelético, se seleccione el transductor en uso (aquí usamos 14L5) y la frecuencia de transmisión se establezca entre 5-17 MHz (aquí se usaron 11MHz), un rango de frecuencia típico para imágenes musculoesqueléticas. Las frecuencias más altas generalmente se usan para imágenes más superficiales, ya que mejoran la resolución pero disminuyen la penetración de la onda.
  2. Vaya a la configuración del sistema para ajustar la configuración del interruptor de pie. A los efectos de este protocolo, se recomienda configurar el interruptor de pie para iniciar/detener la imagen. Si el pedal en uso tiene varios pedales, configure pedales adicionales en "Congelar" o "Pausa", y "Imprimir" o "Almacenar" la imagen.
  3. Aplique una cantidad generosa de gel de ultrasonido en la cabeza del transductor.
  4. Coloque el transductor sobre la piel del participante en la región aproximada de interés.
  5. Mueva el transductor en el plano del eje corto del músculo. Tenga en cuenta que el transductor tiene una pequeña protuberancia en un lado, llamada indicador. El lado del transductor que tiene el indicador se corresponde con el lado izquierdo de la imagen de ultrasonido. Cuando tome imágenes en el eje corto, haga que el ecografista mantenga el indicador apuntando lateralmente y cuando el ecografista esté en el eje largo, apunte el indicador distalmente.
  6. Identificar el músculo de interés en el plano del eje corto (perpendicular a la dirección de la fibra muscular) y mover el transductor distal y proximal para obtener una visualización completa de la trayectoria muscular.
    1. Marque puntos de referencia anatómicos importantes (es decir, los bordes laterales y mediales del músculo, la unión del tendón muscular y la inserción muscular) utilizando marcadores de tinta seguros para la piel (Tabla de materiales).
  7. Una vez que la ubicación del músculo ha sido identificada y debidamente marcada, haga que el ecografista mueva el transductor de ultrasonido en el plano del eje largo (paralelo a la dirección de la fibra muscular).
  8. Comenzando en el extremo distal o proximal del músculo, gire e incline el transductor para identificar el plano del fascículo en ese punto. Haga una marca en la piel cuando se haya establecido la posición correcta del transductor.
  9. Una vez que se haya establecido el plano del fascículo aproximado a lo largo de toda la longitud deseada para ser escaneado, haga que el ecografista practique seguir este camino.
  10. Para comenzar a recopilar imágenes, coloque el sistema de ultrasonido en modo EFOV-US.
  11. Comenzando en un extremo del músculo, haga clic en el pedal para iniciar la adquisición de imágenes y mueva lenta y continuamente el transductor de ultrasonido en el eje largo. Una vez que se haya alcanzado el extremo del músculo, haga clic en el interruptor del pie para finalizar la adquisición de la imagen.
  12. Practique y asegure la ruta correcta del transductor. Esto puede tomar varias imágenes de práctica antes de obtener consistentemente imágenes EFOV-US de "calidad" (consulte la sección 2 para obtener una explicación de las imágenes de calidad).
  13. Para optimizar la visibilidad y la claridad de la imagen, considere la posibilidad de realizar ajustes en los siguientes parámetros.
    1. Profundidad: Si la adquisición de la imagen termina antes de que se pueda capturar la longitud deseada del músculo, aumente la profundidad de la imagen (en el sistema utilizado aquí, aumentar la profundidad de la imagen aumenta la longitud absoluta que puede tener el escaneo).
    2. Enfoque: Coloque la flecha de enfoque en la mitad inferior de la imagen justo debajo del músculo de interés.
    3. Ganancia: Asegúrese de que la ganancia esté equilibrada a través de la profundidad de la imagen.
    4. Velocidad: Imagen a la velocidad óptima guiada por el indicador (en la mayoría de los sistemas se muestra un indicador de velocidad en el monitor durante la toma de imágenes panorámicas).
  14. Una vez que se hayan recopilado imágenes cualitativamente buenas (paso 2.1), presione el pedal del pedal Imprimir / Almacenar o un botón sinónimo en el panel de control para guardar la imagen.
  15. Repita los pasos 1.13-1.16 hasta que se obtengan 3 imágenes EFOV-US de calidad del músculo.
  16. Repita los pasos 1.6-1.17 hasta que se obtengan todos los músculos de interés.
  17. Use una toalla para limpiar suavemente el gel de la piel del participante. Luego haga que el participante enjuague el área de la piel o use una toalla húmeda para limpiar la piel que estuvo expuesta al gel. Seco.
  18. Limpie el gel de la cabeza del transductor y desinfecte.
  19. Exporte imágenes como imágenes DICOM sin comprimir a un CD-DVD, unidad flash o a través de la red local a un equipo.

2. Determinación de la "calidad" de la imagen EFOV-US

  1. Siguiendo el paso 1.13, haga que el ecografista identifique y evalúe la calidad de las características anatómicas clave del músculo de interés y su anatomía circundante. Esta es una evaluación cualitativa basada en el conocimiento del ecografista de la anatomía y la ecogenicidad del tejido musculoesquelético (capacidad de un tejido para reflejar ondas ultrasónicas). Para que una imagen EFOV-US se considere cualitativamente "buena" se debe cumplir lo siguiente:
    1. En cualquier imagen de eje largo de un músculo, verifique que el ecografista pueda identificar claramente el músculo como una forma hipoecoica (oscura) con límites hiperecoicos (brillantes) que representan la fascia muscular profunda y superficial.
    2. Entre los límites musculares, verifique que el ecografista pueda identificar el tejido conectivo que rodea un fascículo muscular como líneas hiperecoicas (brillantes).
      NOTA: Al obtener imágenes de músculos con varios centavos, la imagen también debe contener tendones centrales que aparecen en el vientre muscular, entre la fascia muscular profunda y superficial, como una estructura hiperecoica (brillante).
    3. Compruebe que la imagen no tenga una flexión excesiva. Esto generalmente se indica mediante sombras o huecos en la imagen o una línea de regla flexible dentada sobre la imagen.
  2. Si a la imagen le falta una o más de las estructuras tisulares descritas en 2.1, considere la imagen "cualitativamente pobre" y vuelva al modo 2D en vivo.

3. Longitud del fascículo muscular cuantificador

  1. Para cuantificar la longitud del fascículo muscular, utilice ImageJ, una plataforma de procesamiento de imágenes de código abierto. ImageJ se puede descargar en https://imagej.net/Downloads.
    NOTA: Aunque ImageJ se implementa con frecuencia24,25,31,36,37,38, la cuantificación de la longitud del fascículo muscular se puede medir utilizando otro software de procesamiento de imágenes8,39 o códigos personalizados40,41.
  2. Una vez descargadas, abra las imágenes de ultrasonido como imágenes DICOM en ImageJ haciendo clic en Archivo | Abrir y seleccionar la imagen a analizar.
  3. Para asegurarse de que se han conservado las propiedades de la imagen DICOM, haga clic en la herramienta Línea recta en el menú Herramientas y dibuje una línea recta de 0 a 1 cm en la regla en el lado de la imagen de ultrasonido. Luego vaya a Analizar | Medida para medir la línea realizada. Si se han conservado las propiedades de la imagen, la longitud de la línea recta debe ser de 1 cm.
  4. Para medir las longitudes de los fascículos en la imagen, complete lo siguiente.
    1. Haga clic con el botón derecho en la herramienta Línea recta.
    2. Seleccione Línea segmentada.
    3. Mueva el cursor a la imagen y haga clic en un extremo del fascículo que se ha elegido para medir.
      NOTA: Solo realice mediciones en fascículos para que se pueda ver de manera convincente toda la ruta del fascículo (es decir, desde una aponeurosis hasta la siguiente aponeurosis o aponeurosis hasta el tendón central).
    4. Haga clic a lo largo de la ruta para asegurarse de que se captura la curvatura en la ruta del fascículo.
    5. Una vez que se alcanza el final de la ruta del fascículo, haga doble clic para terminar la línea y vaya a Analizar | Medida para medir la longitud de la línea.
      NOTA: Aparecerá una nueva ventana, "Resultados", la primera vez que se realice una medición. Los valores que se muestran se pueden administrar en la ventana Resultados yendo a Resultados | Establecer medidas.
  5. Repita los pasos 3.4.3-3.4.5 hasta que se realicen varias medidas de fascículos en una sola imagen.
  6. Guarde las mediciones de fascículos haciendo clic en Archivo | Guarde en la pestaña de resultados o los valores se pueden copiar y pegar en otro documento / hoja de cálculo.

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Representative Results

Se implementó ultrasonido de campo de visión extendido (EFOV-US) para obtener imágenes de la cabeza larga del bíceps braquial y el tibial anterior en 4 voluntarios sanos (Tabla 1). La Figura 1 muestra qué imágenes EFOV-US de ambos músculos se muestran en esta sesión de imágenes representativas y destaca aspectos importantes de cada imagen, como la aponeurosis muscular, el tendón central, la trayectoria del fascículo, etc. Una vez finalizada la sesión de imagen, se analizaron 3 imágenes cualitativamente "buenas" (Figura 2) para cada músculo de cada individuo. ImageJ se implementó para medir 4 fascículos por imagen. En cada imagen se midieron fascículos con trayectorias que podían visualizarse de manera convincente desde el origen hasta la inserción y que se ubicaban en diferentes porciones del músculo seleccionado. Las longitudes medias de fascículos obtenidas en este estudio para el bíceps braquial (14,6 ± 1,7 cm) y el tibial anterior (7,3 ± 0,6 cm) se encuentran dentro del rango de longitudes de fascículos reportadas anteriormente25,42 (Tabla 1).

Como parte más desafiante y subjetiva de este protocolo, los factores determinantes que conducen a considerar correctamente una imagen como cualitativamente "buena" o cualitativamente "mala". Proporcionamos varios ejemplos de imágenes "buenas" y "malas" (Figura 2) y cómo los puntos de referencia y la calidad de las imágenes varían entre las personas (Figura 3). Además, hemos destacado las partes de las imágenes que son específicamente "malas".

Asunto Género Altura (m) Edad Lado del bíceps Longitud del fascículo bíceps (cm) Lado tibial anterior Longitud del fascículo tibial anterior (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
Promedio 14.6 7.3
SD 1.7 0.6

Tabla 1: Datos demográficos y de los participantes. Las mediciones de la longitud del fascículo se representan como desviación estándar promedio ±.

Figure 1
Figura 1: Imágenes esquemáticas y EFOV de dos músculos de ejemplo. (izquierda) Ilustración del músculo que se está estudiando. (derecha) Ejemplo de imágenes "buenas" en la parte superior y la misma imagen con músculo entero (azul oscuro), tendón central (azul claro) y fascículos musculares (blanco) delineados. Cada imagen tiene una barra de escala correspondiente de 1 cm (blanco) en la parte inferior derecha de la imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Demostración de la calidad de imagen. Demostración de tres imágenes cualitativamente "buenas" y tres cualitativamente "malas" obtenidas del bíceps braquial y el tibial anterior de los participantes 1 y 2. (Arriba A y B) En todas las imágenes cualitativamente "buenas" se pueden visualizar fascículos que se extienden desde el tendón interno hasta la aponeurosis muscular. Ilustramos imágenes que son cualitativamente "malas" y no deben ser analizadas. Se enfatizan las partes de la imagen que la califican como "mala" (cuadros azules y flechas) e incluyen imágenes dentadas o rotas, flexión excesiva o no anatómicamente relevante, imágenes que excluyen todo el fascículo e imágenes con tendones centrales borrosos. Cada imagen tiene una barra de escala (línea vertical blanca) que representa 1 cm. Esta parte de la figura destaca la variabilidad entre las imágenes debido principalmente a la inconsistencia del ecografista en barridos de imágenes separados. (Parte inferior A y B) Se muestra un bíceps "bueno" y un músculo tibial anterior "bueno". La caja naranja en la imagen original se explota para ilustrar con mayor precisión el zoom que se ve al medir fascículos en ImageJ. La imagen inferior muestra fascículos delineados representativos (líneas discontinuas blancas). Estas imágenes se consideran "buenas" porque los fascículos se pueden seguir desde el origen hasta la inserción y la parte ampliada de la imagen no tiene distorsiones o artefactos sustanciales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Variabilidad en la calidad de la imagen entre individuos. Existe variabilidad en la calidad de la imagen y la visibilidad entre los participantes, en gran parte debido a la variación anatómica (es decir, el tamaño muscular, la longitud muscular, el contenido de grasa subcutánea) y las diferencias en el contenido muscular (es decir, cantidades de grasa intramuscular, tejido conectivo, fibrosis). Específicamente, las variaciones en el contenido muscular y las capas de tejido por encima del músculo pueden afectar la intensidad del eco del músculo fotografiado43. Las diferencias anatómicas naturales entre los individuos darán como resultado características arquitectónicas musculares que varían en ubicación y / o tamaño relativo en las imágenes estadounidenses de diferentes individuos. Esta demostración de los músculos en diferentes participantes enfatiza la importancia de una comprensión profunda de la anatomía y la práctica suficiente para obtener imágenes en varios individuos para ganar confianza en la calidad y precisión de las imágenes que se obtienen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Pasos críticos en el protocolo.

Hay algunos componentes críticos para obtener imágenes EFOV-US de calidad que producen medidas de longitud de fascículo válidas y confiables. En primer lugar, como se indica en el método 1.1.2, es esencial que el ecografista se tome el tiempo para familiarizarse con la anatomía del músculo que se está fotografiando, así como con los músculos, huesos y otras estructuras de tejidos blandos circundantes. Esto mejorará la capacidad del ecografista para obtener imágenes del músculo correcto y determinar si varias imágenes están capturando el mismo plano muscular. En segundo lugar, el ecografista debe practicar el protocolo sobre fantasmas y múltiples participantes piloto antes de recopilar datos para su publicación. Se sabe que el ultrasonido resulta en un error de medición si el ecografista no identifica adecuadamente el plano del fascículo, una tarea que es desafiante y puede mejorar con la práctica. Por último, se recomienda encarecidamente asegurarse de que se ha establecido la validez de las mediciones realizadas por el algoritmo EFOV-US en el sistema de ultrasonido que se está utilizando. Si no se ha demostrado la exactitud del método, la validación se puede realizar fácilmente mediante un ultrasonido fantasma23,26 o mediante comparación con otra herramienta de imagen44 o disección cadavérica45.

Modificaciones y solución de problemas del método.

Si la visibilidad de la imagen es deficiente o el movimiento de la sonda es desigual durante el escaneo dinámico, agregar gel de ultrasonido puede mejorar la calidad de la imagen al mejorar el acoplamiento del transductor a la piel. Si el algoritmo corta la adquisición de imágenes antes de capturar todo el objeto de interés, se debe aumentar la profundidad de la imagen. El aumento de la profundidad de la imagen amplía la distancia de escaneo disponible, lo que permite capturar objetos más largos dentro de una sola imagen EFOV-US. En general, es mejor consultar el manual del sistema de ultrasonido cuando se intenta mejorar o solucionar problemas de calidad de imagen o adquisición de imágenes.

Aquí, demostramos cómo capturar imágenes EFOV-US de todo el músculo desde la unión del tendón muscular del tendón de origen hasta el tendón de inserción. La captura de todo el músculo es necesaria para algunos músculos, como el bíceps braquial, cuyos fascículos abarcan casi toda la longitud del músculo. Sin embargo, para otros músculos, como el tibial anterior u otros músculos pennados, las exploraciones más cortas que no incluyen el vientre muscular completo aún pueden capturar fascículos musculares completos. Para los ecografistas novatos, la adquisición de imágenes de exploraciones más cortas que aún capturan longitudes completas de fascículos puede disminuir las posibilidades de desalineación de la sonda con el plano del fascículo y mejorar la calidad de la imagen, disminuyendo el potencial de error de medición del fascículo.

Limitaciones del método

En particular, la activación muscular puede cambiar la longitud del fascículo muscular. Debido a la naturaleza del método de escaneo, la principal limitación de EFOV-US es que no se puede implementar para estudiar los cambios en los fascículos musculares debido a la contracción muscular dinámica (por ejemplo, durante la caminata46,47). Además, debido al tiempo requerido para capturar una imagen EFOV-US, la obtención de imágenes de un músculo en la contracción máxima es probablemente inviable debido a la fatiga muscular. En cambio, el método EFOV-US es beneficioso para imágenes submáximas o pasivas. Una forma de garantizar que la actividad muscular sea constante en todos los participantes, extremidades o sesiones es medir simultáneamente la EMG durante las imágenes y analizar solo las imágenes que se toman cuando el músculo está en algún nivel de actividad deseado. Aunque se recomienda, particularmente si se estudian poblaciones con impulso neural alterado, no se tomaron medidas de EMG en la población estudiada aquí.

Aunque se ha demostrado que el ultrasonido tradicional es válido y confiable para medir longitudes de fascículos musculares in vivo, se producirá algún error de medición de fascículos si la alineación del transductor de ultrasonido por parte del ecografista se desvía del plano del fascículo27,29,48. Debido a la naturaleza del escaneo dinámico del EFOV-US, existe la preocupación de que el método EFOV-US pueda tener más errores que T-US21,24. Si bien un estudio reciente demostró que el error de medición del fascículo de la desalineación de la sonda no fue mayor en EFOV-US que en el método T-US bien establecido23 en un solo músculo de la muñeca, una limitación general del ultrasonido en modo B es que solo puede capturar una vista relativamente pequeña en 2 dimensiones (2D) del músculo. El verdadero camino de los fascículos individuales puede ser 3D; Persiste la preocupación de que los errores asociados con la medición de longitudes de caminos potencialmente 3D desde vistas 2D pueden ser mayores para fascículos más largos.

Importancia del método con respecto a los métodos existentes/alternativos

El ultrasonido estático en modo B es un método ampliamente aceptado para medir las longitudes de los fascículos musculares in vivo. Sin embargo, el campo de visión de las sondas T-US limita la longitud de los fascículos que se pueden medir directamente. En cambio, la medición de fascículos más largos que el campo de visión de T-US requiere métodos de estimación trigonométrica, imágenes de tensor de difusión (DTI) o EFOV-US20. En general, la ecografía se ve favorecida sobre las técnicas de resonancia magnética (RM) como la DTI porque la RM es más costosa y difícil de implementar18. Las longitudes de fascículo capturadas con EFOV-US han demostrado ser más precisas que los métodos de estimación trigonométrica24,36, lo que se espera ya que los fascículos musculares siguen regularmente una trayectoria curva, pero los métodos de estimación trigonométrica asumen linealidad en su cálculo de la longitud del fascículo muscular.

Cabe señalar que aunque la mayoría de las sondas de ultrasonido tienen una longitud de 4-6 cm, se han utilizado sondas de ultrasonido de hasta 10 cm9,10. Las sondas de 10 cm permiten un campo de visión más amplio, lo que permite la captura de fascículos más largos y rectos. Aún así, la longitud más larga de la sonda disminuye la velocidad de fotogramas, requeriría que la superficie de la imagen (el cuerpo) también sea recta para evitar la compresión desigual del tejido fotografiado, y es posible que no pueda capturar fascículos curvos más largos (sin el uso de EFOV)20.

Aplicaciones futuras o direcciones del método

La guía detallada aquí para obtener imágenes EFOV-US de calidad para medir la longitud del fascículo muscular está destinada a fomentar el uso del método EFOV-US para expandir el grupo de músculos para los cuales el campo tiene datos de arquitectura muscular in vivo. La expectativa es que este método se aplique tanto a poblaciones sanas como deterioradas (por ejemplo, individuos después de un accidente cerebrovascular38,49 o una cirugía post-ortopédica) para comprender mejor la función muscular y la adaptación muscular. Además, estos datos in vivo son importantes para el desarrollo de modelos que predigan con mayor precisión el movimiento humano, así como para el desarrollo de modelos musculoesqueléticos específicos del sujeto.

En particular, el método EFOV-US no se limita a las mediciones de la longitud del fascículo muscular. El método se ha utilizado para la medición de la longitud del tendón50,51 y del área de la sección transversal anatómica muscular52,53, así como para la documentación de diversas lesiones superficiales54,55. Por lo tanto, existe la oportunidad de desarrollar guías, similares a la presentada aquí, para obtener imágenes de alta calidad con el método EFOV-US para diversas aplicaciones.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Nos gustaría agradecer a Vikram Darbhe y Patrick Franks por su guía experimental. Este trabajo es apoyado por el Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la Subvención No. DGE-1324585, así como NIH R01D084009 y F31AR076920. Cualquier opinión, hallazgo y conclusión o recomendación expresada en este material son las de los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la National Science Foundation o 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 Número 166 Ultrasonido Campo de visión extendido Músculo esquelético Arquitectura muscular Imágenes musculoesqueléticas Fascículos musculares
Obtención de imágenes de ultrasonido de campo de visión extendido de calidad del músculo esquelético para medir la longitud del fascículo 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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