Waiting
Login processing...

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

Medicine

Få kvalitet förlängda synfält ultraljud bilder av skelettmuskulatur för att mäta muskel fascicle längd

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

Denna studie beskriver hur man får högkvalitativa muskuloskeletala bilder med hjälp av metoden extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) i syfte att göra muskel fascicle längd åtgärder. Vi tillämpar denna metod på muskler med fascicles som sträcker sig förbi synfältet av vanliga traditionella ultraljud (T-US) sonder.

Abstract

Muskel fascicle längd, som vanligtvis mäts in vivo med hjälp av traditionell ultraljud, är en viktig parameter som definierar en muskel kraft generera kapacitet. Över 90% av alla övre delen muskler och 85% av alla nedre delen muskler har dock optimala fascicle längder längre än synfältet av vanliga traditionella ultraljud (T-US) sonder. En nyare, mindre ofta antagen metod som kallas extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) kan möjliggöra direkt mätning av fascicles längre än synfältet för en enda T-US bild. Denna metod, som automatiskt passar ihop en sekvens av T-US bilder från en dynamisk skanning, har visat sig vara giltig och tillförlitlig för att erhålla muskel fascicle längder in vivo. Trots de många skelettmusklerna med långa fascicles och giltigheten av EFOV-US metoden för att göra mätningar av sådana fascicles, har få publicerade studier använt denna metod. I denna studie visar vi både hur man implementerar EFOV-US-metoden för att erhålla högkvalitativa muskuloskeletala bilder och hur man kvantifierar fasciclelängder från dessa bilder. Vi förväntar oss att denna demonstration kommer att uppmuntra användningen av EFOV-US metoden för att öka poolen av muskler, både i friska och nedsatta populationer, för vilka vi har in vivo muskel fascicle längd data.

Introduction

Fascicle längd är en viktig parameter för skelettmuskulatur arkitektur, som övergripande är vägledande för en muskel förmåga att producera kraft1,2. Specifikt ger en muskel fascicle längd insikt i det absoluta intervallet av längder över vilka en muskel kan generera aktiv kraft3,4. Till exempel, med tanke på två muskler med identiska värden för alla isometriska kraftgenererande parametrar (dvs. genomsnittlig sarkomerlängd, pennationsvinkel, fysiologiskt tvärsnittsområde, kontraktionstillstånd etc.) med undantag för fasciclelängd, skulle muskeln med de längre fascicles producera sin toppkraft på en längre längd och skulle producera kraft över ett bredare spektrum av längder än muskeln med kortare fascicles3 . Kvantifiering av muskelfascicle längd är viktigt för att förstå både hälsosam muskelfunktion och förändringar i en muskels kraftgenererande kapacitet, som kan uppstå som ett resultat av förändrad muskelanvändning (t.ex. immobilisering5,6, motion intervention7,8,9, hög häl bär10) eller en förändring i muskelns miljö (t.ex. senöverföring kirurgi11, lem distraktion12 ). Mätningar av muskel fascicle längd erhölls ursprungligen genom ex vivo kadaveric experiment som möjliggör direkt mätning av dissekerade fascicles13,14,15,16. Den värdefulla information som tillhandahölls av dessa ex vivo-experiment ledde till ett intresse av att genomföra in vivo-metoder17,18,19 för att ta itu med frågor som inte kunde besvaras hos kadaver. In vivo-metoder möjliggör kvantifiering av muskelparametrar i ett inhemskt tillstånd samt vid olika ledställningar, olika muskelkontraktionstillstånd, olika belastnings- eller lossningstillstånd och mellan populationer med olika tillstånd (dvs. friska/skadade, unga/gamla osv.). Oftast är ultraljud den metod som används för att erhålla in vivo muskel fascicle längder18,19,20; Det är snabbare, billigare och lättare att implementera än andra bildframställningstekniker, såsom diffusion tensor imaging (DTI)18,21.

Extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) har visat sig vara en giltig och tillförlitlig metod för att mäta muskel fascicle längd in vivo. Medan det ofta implementeras, traditionell ultraljud (T-US) har ett synfält som begränsas av ultraljudsgivarens matrislängd (vanligtvis mellan 4 och 6 cm, även om det finns sonder som sträcker sig till 10 cm10)18,20. För att övervinna denna begränsning utvecklade Weng et al. en EFOV-US-teknik som automatiskt förvärvar en sammansatt, tvådimensionell "panoramabild" (upp till 60 cm lång) från en dynamisk, utökad avståndsskanning22. Bilden skapas genom att i realtid passa ihop en sekvens av traditionella ultraljudsbilder i B-läge när givaren dynamiskt skannar objektet av intresse. Eftersom sekventiella T-US-bilder har stora överlappande regioner kan de små skillnaderna från en bild till en annan användas för att beräkna avsökningsrörelsen utan användning av externa rörelsesensorer. När avsökningsrörelsen mellan två på varandra följande bilder har beräknats sammanfogas den "aktuella" bilden successivt med föregående bilder. EFOV-US-metoden möjliggör direkt mätning av långa, böjda muskelfascicles och har visat sig vara tillförlitlig över muskler, försök och sonografer23,24,25 och gäller för både plana och böjda ytor23,26.

Att genomföra ultraljud för att mäta muskel fascicle längd in vivo är inte trivialt. Till skillnad från andra bildbehandlingstekniker som involverar mer automatiserade protokoll (dvs. MRT, CT) är ultraljud beroende av sonographer skicklighet och anatomisk kunskap27,28. Det finns oro för att sond feljustering med fascicle planet kan orsaka betydande fel i fascicle åtgärder. En studie visar liten skillnad (i genomsnitt < 3 mm) i mått på fascicle längd som tas med ultraljud och DTI MRI men visar också att mätprecisionen är låg (standardavvikelse av skillnad ~12 mm)29. Det har fortfarande visat sig att en nybörjare sonographer, med övning och vägledning från en erfaren sonographer, kan få giltiga meaures med EFOV-US23. Ansträngningar bör därför göras för att påvisa lämpliga protokoll för att minska den mänskliga faktorn och förbättra noggrannheten i de mätningar som erhållits med efov-US. I slutändan kan utveckling och delning av lämpliga protokoll utöka antalet experimenterare och laboratorier som kan reproducera fascicle längd data från litteraturen eller få nya data i muskler som ännu inte har studerats in vivo.

I detta protokoll visar vi hur man implementerar EFOV-US-metoden för att erhålla högkvalitativa muskuloskeletala bilder som kan användas för att kvantifiera muskel fascicle längd. Specifikt adresserar vi (a) samla EFOV-US bilder av en enda övre delen och en enda nedre delen muskel (b) bestämma, i realtid, "kvaliteten" på EFOV-US bilden, och (c) kvantifiera muskelarkitektur parametrar offline. Vi tillhandahåller denna detaljerade guide för att uppmuntra antagandet av EFOV-US metoden för att erhålla muskel fascicle längd data i muskler som har gått ostudied in vivo på grund av deras långa fascicles.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Northwestern University's Institutional Review Board (IRB) godkände förfarandena för denna studie. Alla deltagare som var inskrivna i detta arbete gav informerat samtycke innan protokollet som beskrivs nedan påbörjades.
OBS: Det specifika ultraljudssystemet som användes i denna studie hade EFOV-US kapacitet och antogs eftersom vi kunde granska detaljer om och giltighet bedömningar för algoritmen i den vetenskapliga litteraturen22,26; flera andra system med EFOV-US finns också18,20,30. En linjär matrisgivare 14L5 (frekvensbandbredd 5-14 MHz) användes. Musklerna som avbildas i detta protokoll är bara en liten delmängd av muskler för vilka amerikanska bilder har tagits och fascicle längder mätt (t.ex. triceps25, extensor carpi ulnaris23, mediala gastrocnemius10, vastus lateralis24, biceps femoris8,31). Detta protokoll är avsett att ge pekare och beskriva de nödvändiga standarderna så att det kan tillämpas på muskler utöver de två exempel vi tillhandahåller.

1. Samla EFOV-US bilder av muskler

Förberedelse

  1. Sonographer Förberedelse
    1. Innan du använder ultraljudssystemet, läs igenom systemets manual för att bekanta dig med systemsäkerhet, ta hand om underhåll av systemet, systeminställningar och kontroller etc. Dessutom kan du granska systemets instruktioner för att erhålla EFOV-AMERIKANSKA bilder och känna till den metod som implementeras för att erhålla EFOV-US-bilderna.
      OBS: Olika ultraljudssystem namnger EFOV-US-läget med olika terminologi. I det system som används här kallas efovläget till exempel "Panorama imaging". Medan de tekniska detaljerna i algoritmen som implementeras i olika kommersiella system vanligtvis är immateriella rättigheter och därför inte fritt tillgängliga, beskriver många kommersiella system med panorama ultraljudskapacitet ett tillvägagångssätt som liknar det som beskrivs av Weng et al.22. Utvärdering av den allmänna giltigheten av mätningar som erhållits från något system, antingen genom att få mer detaljerad information direkt från det företag som tillverkar systemet, med hjälp av en bildbild phantom26,32 eller på annat sätt (t.ex. jämförelse med djurs dissekering24) rekommenderas som ett viktigt steg innan forskning som involverar mänskliga deltagare inleds.
    2. Ta dig tid att bekanta dig med anatomin hos de eller de muskler som är av intresse samt den omgivande anatomin. Det föreslås att sonografen använder en anatomi lärobok eller helst en interaktiv online 3D anatomi modell för att bli bekant med anatomi av intresse.
  2. Förberedelse av deltagare
    1. Förklara studiens protokoll för deltagaren och inhämta IRB-godkänt samtycke innan avbildningsprotokollet påbörjas.
    2. Be deltagaren att bära lämpliga kläder för att ge tillgång till muskeln av intresse. Till exempel, om sonografen planerar att avbilda en underarmsmuskel, bör deltagaren uppmanas att bära en kortärmad skjorta.
    3. Placera deltagaren i en justerbar stol som kan låsas på plats. Ta dig tid att justera stolen för att göra deltagaren så bekväm som möjligt samtidigt som du ger tillgång till muskeln av intresse.
      OBS: Om en justerbar stol som kan ligga helt platt inte är tillgänglig, kan vissa studiedesigner kräva användning av ett bord för att komma åt muskeln av intresse (dvs. hamstrings).
    4. Placera lederna som intressemuskeln spänner över i en hållning som kan kontrolleras och upprepas. Använd klinisk vägledning33 för att lokalisera anatomiska landmärken och implementera goniometry; använda ISB-standarder för att definiera det gemensamma koordinatsystemet34,35. I allmänhet, för att mäta ledvinkel, markera anatomiska landmärken med hudsäker markör (Tabell av material) och justera sedan mitten av en handhållen goniometer upp med rotationsaxeln för leden och goniometerns armar upp med de gemensamma segmenten.
      OBS: Om avbildning av passiva muskler, placera muskeln av intresse i en relativt förlängd position rekommenderas för att undvika imaging slack muskel.
      1. För att replikera biceps brachii som avbildas i denna studie, sitt deltagare med fötter stöds, rygg rakt, skuldra vid 85° av bortförande och 10° horisontell flexion, armbåge vid 25° flexion och underarm, handled och fingrar på neutral.
      2. För att replikera tibialis främre som bilden i denna studie, sitt deltagare med knä vid 60° flexion och fotleden vid 15° plantar flexion.
    5. Fäst deltagarnas lem med hjälp av tygremmar för att minimera rörelse under bildprotokollet.

Bildförvärv

  1. Anslut och slå på ultraljudssystemet. Se till att provet är inställt på Muskuloskeletal, givaren som används väljs (här använde vi 14L5), och överföringsfrekvensen är inställd mellan 5-17 MHz (här användes 11MHz), ett typiskt frekvensområde för muskuloskeletal avbildning. Högre frekvenser används vanligtvis för mer ytlig avbildning eftersom de förbättrar upplösningen men minskar vågpenetration.
  2. Gå in i systeminställningarna för att justera fotbrytareinställningarna. I det här protokollet rekommenderar vi att du ställer in fotbrytaren för att starta/stoppa avbildningen. Om den fotbrytare som används har flera pedaler ställer du in ytterligare pedaler på "Freeze" eller "Pause" och "Skriv ut" eller "Lagra" bilden.
  3. Applicera en generös mängd ultraljudsgel på givarens huvud.
  4. Placera givaren på deltagarens hud på den ungefärliga intresseregionen.
  5. Flytta givaren i muskelns korta axelplan. Observera att givaren har en liten protuberance på ena sidan, kallad en indikator. Sidan av givaren som har indikatorn motsvarar vänster sida av ultraljudsbilden. Vid avbildning i den korta axeln, låt sonografen hålla indikatorn riktad i sidled och när sonografen är i lång axel, peka indikatorn distally.
  6. Identifiera muskeln av intresse i det korta axelplanet (vinkelrätt mot muskelfiberriktning) och flytta givaren distala och proximala för att få en fullständig visualisering av muskelvägen.
    1. Markera viktiga anatomiska landmärken (dvs. muskelns laterala och mediala kanter, muskelsenankorsningen och muskelinsättning) med hjälp av hudsäkra bläckmarkörer (Materialtabell).
  7. När muskelns placering har identifierats och korrekt markerats, låt sonografen flytta ultraljudsgivaren i det långa axelplanet (parallellt med muskelfiberriktningen).
  8. Börja i antingen den distala eller proximala änden av muskeln, rotera och luta givaren för att identifiera fascicleplanet vid den punkten. Gör ett märke på huden när rätt givares position har fastställts.
  9. När det ungefärliga fascicleplanet har upprättats längs hela önskad längd som ska skannas, låt sonografen öva på denna väg.
  10. För att börja samla in bilder, sätt ultraljudssystemet i EFOV-US-läge.
  11. Börja i ena änden av muskeln, klicka på fotbrytaren för att starta bildförvärv och långsamt och kontinuerligt flytta ultraljudsgivaren i den långa axeln. När slutet av muskeln har nåtts, klicka på fotbrytaren för att avsluta bildförvärvet.
  12. Öva och se till att rätt givares väg. Detta kan ta flera övningsbilder innan du konsekvent får "kvalitet" EFOV-US-bilder (se avsnitt 2 för förklaring av kvalitetsbilder).
  13. Om du vill optimera bildens synlighet och tydlighet bör du överväga justeringar av följande parametrar.
    1. Djup: Om bildförvärvet slutar innan önskad längd på muskeln kan fångas, öka bildens djup (i systemet som används här ökar öka bilddjupet den absoluta längden skanningen kan vara).
    2. Fokus: Placera fokuspilen i den nedre halvan av bilden strax under intressemuskeln.
    3. Förstärkning: Se till att förstärkningen balanseras genom bildens djup.
    4. Hastighet: Bild med optimal hastighet som styrs av indikatorn (i de flesta system visas en hastighetsindikator på skärmen under panoramabilder).
  14. När kvalitativt bra bilder har samlats in (steg 2.1) trycker du på fotswitchpedalen Print/Store eller en synonym knapp på kontrollpanelen för att spara bilden.
  15. Upprepa steg 1.13-1.16 tills 3 kvalitet EFOV-US bilder av muskeln erhålls.
  16. Upprepa steg 1,6-1,17 tills alla muskler av intresse erhålls.
  17. Använd en handduk för att försiktigt torka gelén från deltagarens hud. Låt sedan deltagaren skölja av hudens område eller använd en fuktig handduk för att torka av huden som utsattes för gelén. Torr.
  18. Torka gel från givarens huvud och desinficera.
  19. Exportera bilder som okomprimerade DICOM-bilder till en CD-DVD, flash-enhet eller via det lokala nätverket till en dator.

2. Fastställande av "kvaliteten" på efov-us-bilden

  1. Efter steg 1.13, låt sonografen identifiera och utvärdera kvaliteten på viktiga anatomiska funktioner i muskeln av intresse och dess omgivande anatomi. Detta är en kvalitativ bedömning baserad på sonografens kunskap om anatomi och muskuloskeletal vävnad ekogenicitet (förmåga hos en vävnad att återspegla ultraljud vågor). För att en EFOV-US-bild ska anses kvalitativt "bra" bör följande uppfyllas:
    1. I någon långaxlig bild av en muskel, kontrollera att sonografen tydligt kan identifiera muskeln som en hypoechoic (mörk) form med hyperechoic (ljusa) gränser som representerar den djupa och ytliga muskel fascia.
    2. Mellan muskelgränserna, kontrollera att sonografen kan identifiera bindväven som omger en muskel fascicle som hyperechoic (ljusa) linjer.
      OBS: Vid avbildning av multi-pennated muskler, bilden bör också innehålla centrala senor som dyker upp i muskelmagen, mellan den djupa och ytliga muskel fascia, som en hyperechoic (ljus) struktur.
    3. Kontrollera att bilden inte har överdriven böjning. Detta indikeras vanligtvis av skuggor eller luckor i bilden eller en ojämn flexibel linjallinje över bilden.
  2. Om bilden saknar en eller flera av de vävnadsstrukturer som beskrivs i 2.1, betrakta bilden som "kvalitativt dålig" och återgå till live 2D-läge.

3. Quanitfying Muscle Fascicle Längd

  1. För att kvantifiera muskelfascicle längd, använd ImageJ, en öppen källkod bildbehandlingsplattform. ImageJ kan laddas ner på https://imagej.net/Downloads.
    OBS: Även om ImageJ ofta implementeras24,25,31,36,37,38, kan kvantifiering av muskelfascicle längd mätas med hjälp av andra bildbehandlingsprogram8,39 eller anpassade koder40,41.
  2. När du har laddat ner öppnar du ultraljudsbilderna som DICOM-bilder i ImageJ genom att klicka på Arkiv | Öppna och markera bilden som ska analyseras.
  3. För att säkerställa att DICOM-bildegenskaperna har bevarats klickar du på verktyget Rak linje på Verktyg-menyn och ritar en rak linje från 0 till 1 cm på linjalen på sidan av ultraljudsbilden. Gå sedan till Analysera | Mät för att mäta den linje som gjorts. Om bildegenskaperna har bevarats ska längden på den raka linjen vara 1 cm.
  4. Om du vill mäta fasciclelängder i bilden fyller du i följande.
    1. Högerklicka på verktyget Rak linje .
    2. Välj Segmenterad rad.
    3. Flytta markören till bilden och klicka i ena änden av fascicle som har valts för att mätas.
      OBS: Gör endast mätningar på fascicles som hela fascicle-vägen (dvs. från en aponeurosis till nästa aponeurosis eller aponeurosis till central sena) kan ses övertygande.
    4. Klicka längs banan för att se till att krökningen i fascicle-banan fångas upp.
    5. När fascicle-banan är slut klickar du för att avsluta raden och går till Analysera | Mät för att mäta linjens längd.
      OBS: Ett nytt fönster, "Resultat", dyker upp första gången en mätning görs. Vilka värden som visas kan hanteras i fönstret Resultat genom att gå till Resultat | Ställ in mått.
  5. Upprepa steg 3.4.3-3.4.5 tills flera fascicle-mått görs i en enda bild.
  6. Spara fascicle mätningar genom att klicka på Arkiv | Spara på resultatfliken eller så kan värdena kopieras och klistras in i ett annat dokument/kalkylblad.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Extended field-of-view ultraljud (EFOV-US) genomfördes för att få bilder från det långa huvudet av biceps brachii och tibialis främre i 4 friska frivilliga (tabell 1). Figur 1 visar vilka EFOV-US bilder av båda musklerna avbildade i denna representativa bildbehandling session och belyser viktiga aspekter av varje bild såsom muskel aponeurosis, central sena, fascicle väg, etc. Efter imaging sessionen var över, 3 kvalitativt "bra" bilder (figur 2) analyserades för varje muskel i varje individ. ImageJ implementerades för att mäta 4 fascicles per bild. I varje bild mättes fascicles med vägar som kunde på ett övertygande sätt visualiseras från ursprung till insättning och som var belägna i olika delar av muskeln som valts. De genomsnittliga fascicle längder som erhålls i denna studie för biceps brachii (14,6 ± 1,7 cm) och tibialis främre (7,3 ± 0,6 cm) ligger inom intervallet för fascicle längder som rapporterats tidigare25,42 (tabell 1).

Eftersom de mest utmanande och subjektiva delarna av detta protokoll är avgörande faktorer som leder till att korrekt bedömer en bild som kvalitativt "bra" eller kvalitativt "dålig". Vi ger flera exempel på "bra" och "dåliga" bilder (figur 2) och hur bildmärken och kvalitet varierar mellan människor (figur 3). Dessutom har vi markerat de delar av bilderna som är specifikt "dåliga".

Subjekt Genus Höjd (m) Ålder Bicep sida Bicep Fascicle Längd (cm) Tibialis främre sida Tibialis Främre Fascicle längd (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
Genomsnitt 14.6 7.3
SD 1.7 0.6

Tabell 1: Deltagarnas demografi och data. Mätningar av fasciclelängd representeras som genomsnittlig ± standardavvikelse.

Figure 1
Bild 1: Schematiska och EFOV-bilder av två exempelmuskler. (vänster) Illustration av muskeln som studeras. (höger) Exempel på "bra" bilder på toppen och samma bild med hela muskeln (mörkblå), central sena (ljusblå) och muskelfascicles (vit) skisserade. Varje bild har en motsvarande 1 cm skalstreck (vit) längst ned till höger på bilden. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Figure 2
Bild 2: Demonstration av bildkvalitet. Demonstration av tre kvalitativt "bra" och tre kvalitativt "dåliga" bilder som erhållits från biceps brachii och tibialis främre deltagarna 1 och 2. (Topp A & B) I alla kvalitativt "bra" bilder fascicles som sträcker sig från inre sena till muskel aponeurosis kan visualiseras. Vi illustrerar bilder som kvalitativt är "dåliga" och inte bör analyseras. Delar av bilden som kvalificerar den är som "dålig" betonas (blå lådor och pilar) och inkluderar ojämna eller trasiga bilder, överdriven eller icke-anatomiskt relevant böjning, bilder som utesluter hela fascicle och bilder med suddiga centrala senor. Varje bild har en skalningslist (vit lodrät linje) som representerar 1 cm. Denna del av figuren belyser variationen mellan bilder främst på grund av sonografens inkonsekvens över separata bildsökningar. (Nedre A & B) En "bra" biceps och en "bra" tibialis främre muskel visas. Den orange rutan på originalbilden sprängs sedan upp för att mer exakt illustrera zoomen som ses vid mätning av fascicles i ImageJ. Den nedersta bilden visar representativa konturerade fascicles (vita streckade linjer). Dessa bilder anses vara "bra" eftersom fascicles kan följas från ursprung till insättning och den zoomade delen av bilden inte har betydande förvrängningar eller artefakter. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Figure 3
Figur 3: Variabilitet i bildkvaliteten mellan individer. Variation i bildkvalitet och synlighet finns mellan deltagarna, till stor del på grund av anatomisk variation (dvs. muskelstorlek, muskellängd, subkutan fetthalt) och skillnader i muskelinnehåll (dvs. mängder intramuskulärt fett, bindväv, fibros). Specifikt kan variationer i muskelinnehåll och lager av vävnad ovanför muskeln påverka ekointensiteten hos den avbildade muskeln43. Naturliga anatomiska skillnader mellan individer kommer att resultera i muskel arkitektoniska funktioner varierar i plats och / eller relativ storlek över amerikanska bilder av olika individer. Denna demonstration av muskler hos olika deltagare betonar vikten av en grundlig förståelse av anatomi och tillräcklig praxis att få bilder på olika individer för att få förtroende för kvaliteten och noggrannheten hos de bilder som erhålls. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiska steg i protokollet.

Det finns några kritiska komponenter för att erhålla efov-amerikanska bilder av hög kvalitet som ger giltiga och tillförlitliga fascicle längdmått. För det första, som anges i metod 1.1.2 är det viktigt att sonografen tar sig tid att bekanta sig med anatomin i muskeln som avbildas samt omgivande muskler, ben och andra mjukvävnadsstrukturer. Detta kommer att förbättra sonografens förmåga att avbilda rätt muskel och avgöra om flera bilder fångar samma muskelplan. För det andra bör sonografen öva protokollet om fantomer och flera pilotdeltagare innan han samlar in data för publicering. Ultraljud är känt för att resultera i mätfel om sonografen inte korrekt identifierar fascicleplanet, en uppgift som är utmanande och kan förbättras med övning. Slutligen rekommenderas det starkt att se till att giltigheten av de mätningar som gjorts av EFOV-US-algoritmen i det ultraljudssystem som används har fastställts. Om metodens noggrannhet inte har visats kan valideringen enkelt göras med hjälp av en ultraljud phantom23,26 eller genom jämförelse med ett annat bildverktyg44 eller cadaveric dissekering45.

Ändringar och felsökning av metoden.

Om bildens synlighet är dålig eller sondens rörelse är ojämn under dynamisk skanning, kan tillsats av ultraljudsgel förbättra bildkvaliteten genom att förbättra kopplingen mellan givare och hud. Om bildförvärvet kapas av algoritmen innan hela objektet av intresse fångas, bör bildens djup ökas. Om du ökar bildens djup utökas det tillgängliga skanningsavståndet, vilket gör att längre objekt kan fångas i en enda EFOV-AMERIKANSK bild. I allmänhet är det bäst att hänvisa till ultraljudssystemets handbok när du försöker förbättra eller felsöka bildkvalitet eller bildförvärv.

Här visar vi hur man tar EFOV-US bilder av hela muskeln från muskel sena korsningen av ursprunget sena till insättningssenanan. Att fånga hela muskeln är nödvändigt för vissa muskler, såsom biceps brachii, vars fascicles sträcker sig nästan hela muskelns längd. Men för andra muskler, såsom tibialis främre eller andra pennated muskler, kortare skanningar som inte innehåller hela muskelmagen kan fortfarande fånga hela muskelfascicles. För nybörjare sonographers, förvärva bilder från kortare skanningar som fortfarande fånga full fascicle längder kan minska risken för sond feljustering med fascicle planet och förbättra bildkvaliteten, minska risken för fascicle mätning fel.

Metodens begränsningar

Noterbart är att muskelaktivering kan ändra muskelfascicle längd. På grund av skanningsmetodens natur är den största begränsningen av EFOV-US att den inte kan genomföras för att studera muskelfascicle förändringar på grund av dynamisk muskelkontraktion (t.ex. under promenader46,47). Dessutom, på grund av den tid som krävs för att fånga en EFOV-US bild, imaging en muskel vid maximal sammandragning är sannolikt ogenomförbar på grund av muskel trötthet. Efov-US-metoden är i stället fördelaktig för sub-maximal eller passiv avbildning. Ett sätt att säkerställa muskelaktivitet är konstant över deltagare, lemmar eller sessioner är att samtidigt mäta EMG under avbildning och analysera endast bilder som tas när muskeln är på önskad aktivitetsnivå. Även om rekommenderas, särskilt om studera populationer med förändrad neural enhet, åtgärder av EMG inte togs i den population som studeras här.

Även om traditionell ultraljud har visat sig vara giltig och tillförlitlig för att mäta in vivo muskel fascicle längder, vissa fascicle mätning fel kommer att uppstå om sonografens justering av ultraljud givaren avviker från fascicle plan27,29,48. På grund av arten av EFOV-US:s dynamiska skanning finns det en oro för att EFOV-US-metoden kan ha fler fel än T-US21,24. Medan en ny studie visade att fascicle mätning fel från sond feljustering var inte större i EFOV-USA än i den väletablerade, T-US metod23 i en enda handled muskel, en allmän begränsning av B-läge ultraljud är att du bara kan fånga en relativt liten, 2-dimensionella (2D) syn på muskeln. Den sanna vägen för enskilda fascicles kan vara 3D; Oron kvarstår för att fel i samband med mätning av längder på potentiellt 3D-sökvägar från 2D-vyer kan vara större för längre fascicles.

Metodens betydelse för befintliga/alternativa metoder

Statisk, B-läge ultraljud är en allmänt accepterad metod för att mäta muskel fascicle längder in vivo. Synfältet för T-US-sonder begränsar dock längden på fascicles som kan mätas direkt. Mätning av fascicles längre än synfältet för T-US kräver istället trigonometriska skattningsmetoder, diffusion tensor imaging (DTI) eller EFOV-US20. I allmänhet gynnas ultraljudstomografi framför magnetisk resonanstomografi (MRI) tekniker som DTI eftersom MRI är dyrare och utmanande att genomföra18. Fascicle längder fångas med EFOV-US har visat sig vara mer exakta än trigonometric uppskattningsmetoder24,36, vilket förväntas eftersom muskel fascicles regelbundet följer en krökt väg, men trigonometric uppskattning metoder antar linjäritet i sin beräkning av muskel fascicle längd.

Det bör noteras att även om de flesta ultraljudssonder är 4-6 cm långa, har ultraljudssonder upp till 10 cm använts9,10. De 10 cm sonderna möjliggör ett bredare synfält, vilket möjliggör fångst av längre, raka fascicles. Den längre sondlängden minskar bildhastigheten, kräver att bildytan (kroppen) också är rak för att undvika ojämn komprimering av den avbildade vävnaden och kanske inte kan fånga längre böjda fascicles (utan användning av EFOV)20.

Metods framtida tillämpningar eller anvisningar

Guiden som beskrivs här för att erhålla efov-amerikanska bilder av hög kvalitet för att mäta muskelfascicle längd är avsedd att uppmuntra användningen av EFOV-US-metoden för att utöka poolen av muskler för vilka fältet har in vivo muskelarkitekturdata. Förväntningen är att denna metod tillämpas på både friska och nedsatta populationer (t.ex. individer efter stroke38,49 eller post ortopedisk kirurgi) för att bättre förstå muskelfunktion och muskelanpassning. Dessutom är dessa in vivo-data viktiga för utveckling av modeller som mer exakt förutsäger mänsklig rörelse samt utvecklingen av ämnesspecifika muskuloskeletala modeller.

Efov-US-metoden är inte begränsad till mätningar av muskelfascicle längd. Metoden har använts för mätning av senlängd50,51 och muskel anatomiska tvärsnittsområde,52,53 samt för dokumentation av olika ytliga skador54,55. Således finns det möjlighet att utveckla guider, liknande den som presenteras här, för att få högkvalitativa bilder med EFOV-US-metoden för olika applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Vi vill tacka Vikram Darbhe och Patrick Franks för deras experimentella vägledning. Detta arbete stöds av National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. DGE-1324585 samt NIH R01D084009 och F31AR076920. Alla åsikter, resultat och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis åsikterna från National Science Foundation eller NIH.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
14L5 linear transducers Siemens 10789396
Acuson S2000 Ultrasound System Siemens 10032746
Adjustable chair (Biodex System) Biodex Medical Systems System Pro 4
Skin Marker Medium Tip SportSafe n/a Multi-color 4 Pack recommended
Ultrasound Gel - Standard 8 Ounce Non-Sterile Fragrance Free Glacial Tint MediChoice, Owens &Minor M500812

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gans, C., Bock, W. J. The functional significance of muscle architecture: a theoretical analysis. Advances in Anatomy, Embryology and Cell Biology. 38, 115-142 (1965).
  2. Gans, C. Fiber architecture and muscle function. Exercise and Sports Sciences Reviews. 10, 160-207 (1982).
  3. Lieber, R. L., Fridén, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle & Nerve. 23 (11), 1647-1666 (2000).
  4. Zajac, F. E. Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 17 (4), 359-411 (1989).
  5. Williams, P. E., Goldspink, G. The effect of immobilization on the longitudinal growth of striated muscle fibres. Journal of Anatomy. 116 (1), 45 (1973).
  6. Williams, P. E., Goldspink, G. Changes in sarcomere length and physiological properties in immobilized muscle. Journal of Anatomy. 127 (3), 459-468 (1978).
  7. Blazevich, A. J., Cannavan, D., Coleman, D. R., Horne, S. Influence of concentric and eccentric resistance training on architectural adaptation in human quadriceps muscles. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1565-1575 (2007).
  8. Seymore, K. D., Domire, Z. J., DeVita, P., Rider, P. M., Kulas, A. S. The effect of Nordic hamstring strength training on muscle architecture, stiffness, and strength. European Journal of Applied Physiology. 117 (5), 943-953 (2017).
  9. Franchi, M. V., et al. Architectural, functional and molecular responses to concentric and eccentric loading in human skeletal muscle. Acta Physiologica. 210 (3), 642-654 (2014).
  10. Csapo, R., Maganaris, C. N., Seynnes, O. R., Narici, M. V. On muscle, tendon and high heels. The Journal of Experimental Biology. 213 (15), 2582-2588 (2010).
  11. Takahashi, M., Ward, S. R., Marchuk, L. L., Frank, C. B., Lieber, R. L. Asynchronous muscle and tendon adaptation after surgical tensioning procedures. Journal of Bone and Joint Surgery. 92 (3), 664-674 (2010).
  12. Boakes, J. L., Foran, J., Ward, S. R., Lieber, R. L. Case Report: Muscle Adaptation by Serial Sarcomere Addition 1 Year after Femoral Lengthening. Clinical Orthopaedics and Related Research. 456, 250-253 (2007).
  13. Cutts, A., Alexander, R. M., Ker, R. F. Ratios of cross-sectional areas of muscles and their tendons in a healthy human forearm. Journal of Anatomy. 176, 133-137 (1991).
  14. Lieber, R. L., Friden, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle Nerve. 23, 1647-1666 (2000).
  15. Lieber, R. L., Fazeli, B. M., Botte, M. J. Architecture of Selected Wrist Flexor and Extensor Muscles. Journal of Hand Surgery-American. 15 (2), 244-250 (1990).
  16. Brand, P. W., Beach, R. B., Thompson, D. E. Relative tension and potential excursion of muscles in the forearm and hand. Journal of Hand Surgery. 6 (3), (1981).
  17. Fukunaga, T., Kawakami, Y., Kuno, S., Funato, K., Fukashiro, S. Muscle architecture and function in humans. Journal of Biomechanics. 30 (5), 457-463 (1997).
  18. Kwah, L. K., Pinto, R. Z., Diong, J., Herbert, R. D. Reliability and validity of ultrasound measurements of muscle fascicle length and pennation in humans: a systematic review. Journal of Applied Physiology. 114, 761-769 (2013).
  19. Lieber, R. L., Ward, S. R. Skeletal muscle design to meet functional demands. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 366 (1570), 1466-1476 (2011).
  20. Franchi, M. V., et al. Muscle architecture assessment: strengths, shortcomings and new frontiers of in vivo imaging techniques. Ultrasound in Medicine & Biology. 44 (12), 2492-2504 (2018).
  21. Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & posture. 37 (3), 305-312 (2013).
  22. Weng, L., et al. US extended-field-of-view imaging technology. Radiology. 203 (3), 877-880 (1997).
  23. Adkins, A. N., Franks, P. F., Murray, W. M. Demonstration of extended field-of-view ultrasound's potential to increase the pool of muscles for which in vivo fascicle length is measurable. Journal of Biomechanics. 63, 179-185 (2017).
  24. Noorkoiv, M., Stavnsbo, A., Aagaard, P., Blazevich, A. J. In vivo assessment of muscle fascicle length by extended field-of-view ultrasonography. Journal of Applied Physiology. , (2010).
  25. Nelson, C. M., Dewald, J. P. A., Murray, W. M. In vivo measurements of biceps brachii and triceps brachii fascicle lengths using extended field-of-view ultrasound. Journal of Biomechanics. 49, 1948-1952 (2016).
  26. Fornage, B. D., Atkinson, E. N., Nock, L. F., Jones, P. H. US with extended field of view: Phantom-tested accuracy of distance measurements. Radiology. 214, 579-584 (2000).
  27. Bénard, M. R., Becher, J. G., Harlaar, J., Huijing, P. A., Jaspers, R. T. Anatomical information is needed in ultrasound imaging of muscle to avoid potentially substantial errors in measurement of muscle geometry. Muscle & Nerve. 39 (5), 652-665 (2009).
  28. Pinto, A., et al. Sources of error in emergency ultrasonography. Critical Ultrasound Journal. 5 (1), 1 (2013).
  29. Bolsterlee, B., Veeger, H. E. J., van der Helm, F. C. T., Gandevia, S. C., Herbert, R. D. Comparison of measurements of medial gastrocnemius architectural parameters from ultrasound and diffusion tensor images. Journal of Biomechanics. 48 (6), 1133-1140 (2015).
  30. VanHooren, B., Teratsias, P., Hodson-Tole, E. F. Ultrasound imaging to assess skeletal muscle architecture during movements: a systematic review of methods, reliability, and challenges. Journal of Applied Physiology. 128 (4), 978-999 (2020).
  31. Pimenta, R., Blazavich, A. J., Frietas, S. R. Biceps Femoris Long-Head Architecture Assessed Using Different Sonographic Techniques. Medicine & Science in Sports & Exercise. 50 (12), 2584-2594 (2018).
  32. Adkins, A. N., Franks, P. W., Murray, W. M. Demonstration of extended field-of-view ultrasound’s potential to increase the pool of muscles for which in vivo fascicle length is measurable. Journal of Biomechanics. 63, 179-185 (2017).
  33. Norkin, C. C., White, J. D. Measurement Of Joint Motion: A Guide To Goniometry. 5th edn. , F.A. Davis Company. (2016).
  34. Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion--part I: ankle, hip, and spine. International Society of Biomechanics. Journal of Biomechanics. 35 (4), 543-548 (2002).
  35. Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion--Part II: shoulder, elbow, wrist and hand. Journal of Biomechanics. 38 (5), 981-992 (2005).
  36. Franchi, M. V., Fitze, D. P., Raiteri, B. J., Hahn, D., Spörri, J. Ultrasound-derived biceps femoris long-head fascicle length: extrapolation pitfalls. Medicine and Science in Sports and Exercise. 52 (1), 233-243 (2020).
  37. Freitas, S. R., Marmeleira, J., Valamatos, M. J., Blazevich, A., Mil-Homens, P. Ultrasonographic Measurement of the Biceps Femoris Long-Head Muscle Architecture. Journal of Ultrasound in Medicine. 37 (4), 977-986 (2018).
  38. Nelson, C. M., Murray, W. M., Dewald, J. P. A. Motor Impairment-Related Alterations in Biceps and Triceps Brachii Fascicle Lengths in Chronic Hemiparetic Stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. 32 (9), 799-809 (2018).
  39. Alonso-Fernandez, D., Docampo-Blanco, P., Martinez-Fernandez, J. Changes in muscle architecture of biceps femoris induced by eccentric strength training with nordic hamstring exercise. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 28 (1), 88-94 (2018).
  40. Herbert, R. D., et al. In vivo passive mechanical behaviour of muscle fascicles and tendons in human gastrocnemius muscle-tendon units. The Journal of Physiology. 589 (21), 5257-5267 (2011).
  41. Jakubowski, K. L., Terman, A., Santana, R. V. C., Lee, S. S. M. Passive material properties of stroke-impaired plantarflexor and dorsiflexor muscles. Clinical Biomechanics. 49, 48-55 (2017).
  42. Ward, S. R., Eng, C. M., Smallwood, L. H., Lieber, R. L. Are Current Measurements of Lower Extremity Muscle Architecture Accurate. Clinical Orthopaedics and Related Research. 467 (4), 1074-1082 (2009).
  43. Pillen, S., van Alfen, N. Skeletal muscle ultrasound. Neurological Research. 33 (10), 1016-1024 (2011).
  44. Scott, J. M., et al. Panoramic ultrasound: a novel and valid tool for monitoring change in muscle mass. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle. 8 (3), 475-481 (2017).
  45. Silbernagel, K. G., Shelley, K., Powell, S., Varrecchia, S. Extended field of view ultrasound imaging to evaluate Achilles tendon length and thickness: a reliability and validity study. Muscles, Ligaments and Tendons Journal. 6 (1), 104 (2016).
  46. Lichtwark, G. A., Bougoulias, K., Wilson, A. M. Muscle fascicle and series elastic element length changes along the length of the human gastrocnemius during walking and running. Journal of Biomechanics. 40 (1), 157-164 (2007).
  47. Farris, D. J., Sawicki, G. S. Human medial gastrocnemius force-velocity behavior shifts with locomotion speed and gait. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (3), 977-982 (2012).
  48. Bolsterlee, B., Gandevia, S. C., Herbert, R. D. Effect of Transducer Orientation on Errors in Ultrasound Image-Based Measurements of Human Medial Gastrocnemius Muscle Fascicle Length and Pennation. PLoS ONE. 11 (6), (2016).
  49. Adkins, A. N., Dewald, J. P. A., Garmirian, L., Nelson, C. M., et al. Serial sarcomere number is substantially decreased within the paretic biceps brachii in chronic hemiparetic stroke. bioRxiv. , (2020).
  50. Pang, B. S., Ying, M. Sonographic measurement of Achilles tendons in asymptomatic subjects. Journal of Ultrasound in Medicine. 25 (10), 1291-1296 (2006).
  51. Ryan, E. D., et al. Test-retest reliability and the minimal detectable change for achilles tendon length: a panoramic ultrasound assessment. Ultrasound in Medicine & Biology. 39 (12), 2488-2491 (2013).
  52. Noorkoiv, M., Nosaka, K., Blazevich, A. J. Assessment of quadriceps muscle cross-sectional area by ultrasound extended-field-of-view imaging. European Journal of Applied Physiology. 109 (4), 631-639 (2010).
  53. Franchi, M. V., Fitze, D. P., Hanimann, J., Sarto, F., Spörri, J. Panoramic ultrasound vs. MRI for the assessment of hamstrings cross-sectional area and volume in a large athletic cohort. Scientific Reports. 10 (1), 14144 (2020).
  54. Yerli, H., Eksioglu, S. Y. Extended Field-of-View Sonography: Evaluation of the Superficial Lesions. Canadian Association of Radiologists Journal. 60 (1), 35-39 (2009).
  55. Kim, S. H., Choi, B. I., Kim, K. W., Lee, K. H., Han, J. K. Extended Field-of-View Sonography. Journal of Ultrasound in Medicine. 22 (4), 385-394 (2003).

Tags

Medicin nummer 166 ultraljud utökat synfält skelettmuskulatur muskelarkitektur muskuloskeletal avbildning muskelfascicles
Få kvalitet förlängda synfält ultraljud bilder av skelettmuskulatur för att mäta muskel fascicle längd
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