Vorremmo ringraziare Vikram Darbhe e Patrick Franks per la loro guida sperimentale. Questo lavoro è supportato dal National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program sotto Grant No. DGE-1324585 così come NIH R01D084009 e F31AR076920. Eventuali opinioni, risultati e conclusioni o raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della National Science Foundation o nih.

L'Institutional Review Board (IRB) della Northwestern University ha approvato le procedure di questo studio. Tutti i partecipanti iscritti a questo lavoro hanno dato il consenso informato prima di iniziare il protocollo dettagliato di seguito. NOTA: Il sistema ad ultrasuoni specifico utilizzato in questo studio aveva capacità EFOV-US ed è stato adottato perché siamo stati in grado di rivedere i dettagli e le valutazioni di validità dell'algoritmo nella letteratura scientifica22,26; esistono anche molti altri sistemi con EFOV-US18,20,30. È stato utilizzato un trasduttore lineare array 14L5 (larghezza di banda di frequenza 5-14 MHz). I muscoli ripresi in questo protocollo sono solo un piccolo sottoinsieme di muscoli per i quali sono state catturate immagini statunitensi e sono state misurate lunghezze dei fascicoli (ad esempio, tricipite25, carpi ulnaris estensori23, gastrocnemio mediale10, vastus lateralis24, bicipiti femorali8,31). Questo protocollo ha lo scopo di fornire indicazioni e descrivere gli standard necessari in modo che possa essere applicato ai muscoli oltre i due esempi che forniamo.
1. Raccolta di immagini EFOV-US dei muscoli
Preparazione
<ol><li>Preparazione dell'ecografista<ol>
<li>Prima di utilizzare il sistema a ultrasuoni, leggere il manuale del sistema per acquisire familiarità con la sicurezza del sistema, la cura per la manutenzione del sistema, la configurazione e i controlli del sistema, ecc. Inoltre, consultare le istruzioni del sistema per ottenere immagini EFOV-US e avere familiarità con il metodo implementato per ottenere le immagini EFOV-US. NOTA: diversi sistemi a ultrasuoni nominano la modalità EFOV-US utilizzando una terminologia diversa. Ad esempio, nel sistema utilizzato qui, la modalità EFOV viene definita "Panoramic Imaging". Mentre i dettagli tecnici dell'algoritmo implementato in vari sistemi commerciali sono solitamente proprietà intellettuale e quindi non liberamente disponibili, da una rapida revisione, molti sistemi commerciali con capacità ecografiche panoramiche descrivono un approccio simile a quello descritto da Weng et al.22. Valutare la validità generale delle misurazioni acquisite da qualsiasi sistema, sia ottenendo informazioni più dettagliate direttamente dall'azienda che produce il sistema, utilizzando un fantasma di imaging26,32, o con altri mezzi (ad esempio, il confronto con la dissezione animale24) è raccomandato come un passo importante prima di iniziare la ricerca che coinvolge partecipanti umani.</li>
		<li>Prenditi del tempo per familiarizzare con l'anatomia dei muscoli di interesse e l'anatomia circostante. Si suggerisce che l'ecografista utilizzi un libro di testo di anatomia o preferibilmente un modello di anatomia 3D online interattivo per familiarizzare con l'anatomia di interesse.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparazione dei partecipanti<ol>
<li>Spiegare il protocollo dello studio al partecipante e acquisire il consenso approvato dall'IRB prima di iniziare il protocollo di imaging.</li>
		<li>Chiedere al partecipante di indossare un abbigliamento adeguato per consentire l'accesso al muscolo di interesse. Ad esempio, se l'ecografista prevede di visualizzare un muscolo dell'avambraccio, al partecipante dovrebbe essere chiesto di indossare una camicia a maniche corte.</li>
		<li>Fai sedere il partecipante su una sedia regolabile che può essere bloccata in posizione. Prenditi del tempo per regolare la sedia per rendere il partecipante il più confortevole possibile, pur fornendo l'accesso al muscolo di interesse. NOTA: Se non è disponibile una sedia regolabile che può essere completamente piatta, alcuni progetti di studio potrebbero richiedere l'uso di un tavolo per accedere al muscolo di interesse (ad esempio, muscoli posteriori della coscia).</li>
		<li>Posiziona l'articolazione (s) che il muscolo di interesse si estende in una postura che può essere controllata e ripetuta. Utilizzare la guida clinica33 per individuare i punti di riferimento anatomici e implementare la goniometria; utilizzare gli standard ISB per definire il sistema di coordinate articolari34,35. In generale, per misurare l'angolo articolare, contrassegnare i punti di riferimento anatomici con un marcatore di sicurezza della pelle (Tabella dei materiali) e quindi allineare il centro di un goniometro portatile verso l'alto con l'asse di rotazione dell'articolazione e le braccia del goniometro verso l'alto con i segmenti articolari. NOTA: Se si esegue l'imaging del muscolo passivo, si consiglia di posizionare il muscolo di interesse in una posizione relativamente allungata per evitare l'imaging del muscolo allentato.<ol>
<li>Per replicare il bicipite brachiale come ripreso in questo studio, i partecipanti seduti con i piedi supportati, la schiena dritta, la spalla a 85 ° di abduzione e 10 ° di flessione orizzontale, il gomito a 25 ° di flessione e l'avambraccio, il polso e le dita in folle.</li>
			<li>Per replicare la tibiale anteriore come ripreso in questo studio, i partecipanti seduti con il ginocchio a 60° di flessione e la caviglia a 15° di flessione plantare.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Fissare l'arto dei partecipanti utilizzando cinghie di stoffa per ridurre al minimo il movimento durante il protocollo di imaging.</li>
	</ol>
</li>
</ol>Acquisizione di immagini
<ol start="3"><li>Collegare e accendere il sistema ad ultrasuoni. Assicurarsi che l'esame sia impostato su Muscoloscheletrico, che venga selezionato il trasduttore in uso (qui abbiamo usato 14L5) e che la frequenza di trasmissione sia compresa tra 5-17 MHz (qui è stato utilizzato 11MHz), una gamma di frequenza tipica per l'imaging muscolo-scheletrico. Le frequenze più alte sono generalmente utilizzate per immagini più superficiali in quanto migliorano la risoluzione ma diminuiscono la penetrazione delle onde.</li>
	<li>Vai nelle impostazioni di sistema per regolare le impostazioni dell'interruttore a pedale. Ai fini di questo protocollo, si consiglia di impostare l'interruttore a pedale per avviare/arrestare l'imaging. Se l'interruttore a pedale in uso ha più pedali, impostare pedali aggiuntivi su "Freeze" o "Pause" e "Print" o "Store" l'immagine.</li>
	<li>Applicare una generosa quantità di gel ad ultrasuoni sulla testa del trasduttore.</li>
	<li>Posizionare il trasduttore sulla pelle del partecipante sulla regione approssimativa di interesse.</li>
	<li>Spostare il trasduttore nel piano dell'asse corto del muscolo. Si noti che il trasduttore ha una piccola protuberanza su un lato, chiamata indicatore. Il lato del trasduttore che ha l'indicatore corrisponde al lato sinistro dell'immagine ad ultrasuoni. Quando si esegue l'imaging nell'asse corto, chiedere all'ecografista di tenere l'indicatore puntato lateralmente e quando l'ecografista è in asse lungo, puntare l'indicatore in modo distale.</li>
	<li>Identificare il muscolo di interesse nel piano dell'asse corto (perpendicolare alla direzione della fibra muscolare) e spostare il trasduttore distale e prossimale per ottenere una visualizzazione completa del percorso muscolare.<ol>
<li>Contrassegnare importanti punti di riferimento anatomici (ad esempio, i bordi laterali e mediali del muscolo, la giunzione del tendine muscolare e l'inserimento muscolare) utilizzando marcatori di inchiostro sicuri per la pelle (Tabella dei materiali).</li>
	</ol></li>
	<li>Una volta che la posizione del muscolo è stata identificata e correttamente contrassegnata, chiedi all'ecografista di spostare il trasduttore ad ultrasuoni nel piano dell'asse lungo (parallelo alla direzione della fibra muscolare).</li>
	<li>A partire dall'estremità distale o prossimale del muscolo, ruotare e inclinare il trasduttore per identificare il piano del fascicolo in quel punto. Lasciare un segno sulla pelle quando è stata stabilita la corretta posizione del trasduttore.</li>
	<li>Una volta che il piano fascicolo approssimativo è stato stabilito lungo l'intera lunghezza desiderata da scansionare, chiedi all'ecografista di seguire questo percorso.</li>
	<li>Per iniziare a raccogliere immagini, metti il sistema ad ultrasuoni in modalità EFOV-US.</li>
	<li>A partire da un'estremità del muscolo, fare clic sull'interruttore a pedale per avviare l'acquisizione dell'immagine e spostare lentamente e continuamente il trasduttore ad ultrasuoni nell'asse lungo. Una volta raggiunta la fine del muscolo, fare clic sull'interruttore a pedale per terminare l'acquisizione dell'immagine.</li>
	<li>Esercitati e assicurati il percorso corretto del trasduttore. Ciò potrebbe richiedere diverse immagini di pratica prima di ottenere costantemente immagini EFOV-US di "qualità" (vedere la sezione 2 per la spiegazione delle immagini di qualità).</li>
	<li>Per ottimizzare la visibilità e la chiarezza dell'immagine, prendere in considerazione le regolazioni dei seguenti parametri.<ol>
<li>Profondità: se l'acquisizione dell'immagine termina prima che la lunghezza desiderata del muscolo possa essere catturata, aumentare la profondità dell'immagine (nel sistema utilizzato qui, l'aumento della profondità dell'immagine aumenta la lunghezza assoluta della scansione).</li>
		<li>Messa a fuoco: posiziona la freccia di messa a fuoco nella metà inferiore dell'immagine appena sotto il muscolo di interesse.</li>
		<li>Guadagno: assicurati che il guadagno sia bilanciato attraverso la profondità dell'immagine.</li>
		<li>Velocità: immagine alla velocità ottimale guidata dall'indicatore (nella maggior parte dei sistemi un indicatore di velocità viene visualizzato sul monitor durante l'imaging panoramico).</li>
	</ol></li>
	<li>Una volta raccolte immagini qualitativamente buone (passaggio 2.1), premere il pedale Dell'interruttore Stampa/Store o un pulsante sinonimo sul pannello di controllo per salvare l'immagine.</li>
	<li>Ripetere i passaggi 1.13-1.16 fino a ottenere immagini EFOV-US di qualità 3 del muscolo.</li>
	<li>Ripetere i passaggi 1.6-1.17 fino a ottenere tutti i muscoli di interesse.</li>
	<li>Utilizzare un asciugamano per pulire delicatamente il gel dalla pelle del partecipante. Quindi chiedi al partecipante di risciacquare l'area della pelle o utilizzare un asciugamano umido per pulire la pelle esposta al gel. Secco.</li>
	<li>Pulire il gel dalla testa del trasduttore e disinfettare.</li>
	<li>Esportare le immagini come immagini DICOM non compresse su un CD-DVD, un'unità flash o attraverso la rete locale su un computer.</li>
</ol>2. Determinazione della "qualità" dell'immagine EFOV-US
<ol><li>Seguendo il passaggio 1.13, chiedi all'ecografista di identificare e valutare la qualità delle caratteristiche anatomiche chiave del muscolo di interesse e della sua anatomia circostante. Questa è una valutazione qualitativa basata sulla conoscenza dell'ecografista dell'anatomia e dell'ecogenicità del tessuto muscolo-scheletrico (capacità di un tessuto di riflettere le onde ultrasoniche). Affinché un'immagine EFOV-US sia considerata qualitativamente "buona", è necessario soddisfare quanto segue:<ol>
<li>In qualsiasi immagine ad asse lungo di un muscolo, verificare che l'ecografista possa identificare chiaramente il muscolo come una forma ipoecoica (scura) con confini iperecoici (luminosi) che rappresentano la fascia muscolare profonda e superficiale.</li>
		<li>Tra i confini muscolari, verificare che l'ecografista possa identificare il tessuto connettivo che circonda un fascicolo muscolare come linee iperecogene (luminose). NOTA: quando si visualizzano i muscoli multi-pennated, l'immagine dovrebbe contenere anche tendini centrali che si presentano nella pancia muscolare, tra la fascia muscolare profonda e superficiale, come una struttura iperecoica (luminosa).</li>
		<li>Verificare che l'immagine non presenti una flessione eccessiva. Questo di solito è indicato da ombre o spazi vuoti nell'immagine o da una linea di righello flessibile frastagliata sull'immagine.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Se all'immagine manca una o più delle strutture tissutali descritte in 2.1, considerare l'immagine "qualitativamente scarsa" e tornare alla modalità 2D dal vivo.</li>
</ol>3. Quanitificare la lunghezza del fascicolo muscolare
<ol><li>Per quantificare la lunghezza del fascicolo muscolare, utilizzare ImageJ, una piattaforma di elaborazione delle immagini open source. ImageJ può essere scaricato da https://imagej.net/Downloads. NOTA: Sebbene ImageJ sia spesso implementato24,25,31,36,37,38, la quantificazione della lunghezza del fascicolo muscolare può essere misurata utilizzando altri software di elaborazione delle immagini8,39 o codici personalizzati40,41.</li>
	<li>Una volta scaricate, apri le immagini a ultrasuoni come immagini DICOM in ImageJ facendo clic su File | Apri e seleziona l'immagine da analizzare.</li>
	<li>Per assicurarsi che le proprietà dell'immagine DICOM siano state mantenute, fare clic sullo strumento Linea retta nel menu Strumenti e disegnare una linea retta da 0 a 1 cm sul righello sul lato dell'immagine ad ultrasuoni. Quindi vai su Analizza | Misura per misurare la linea realizzata. Se le proprietà dell'immagine sono state mantenute, la lunghezza della linea retta deve essere di 1 cm.</li>
	<li>Per misurare le lunghezze dei fascicoli nell'immagine, completare quanto segue.<ol>
<li>Fate clic con il pulsante destro del mouse sullo strumento Linea retta .</li>
		<li>Selezionare Linea segmentata.</li>
		<li>Sposta il cursore sull'immagine e fai clic su un'estremità del fascicolo che è stata scelta per essere misurata. NOTA: Effettuare misurazioni sui fascicoli solo che l'intero percorso del fascicolo (cioè da un'aponeurosi all'aponeurosi successiva o aponeurosi al tendine centrale) può essere visto in modo convincente.</li>
		<li>Fate clic lungo il tracciato per assicurarvi che venga acquisita la curvatura nel tracciato del fascicolo.</li>
		<li>Una volta raggiunta la fine del percorso del fascicolo, fai doppio clic per terminare la linea e vai su Analizza | Misurare per misurare la lunghezza della linea. NOTA: una nuova finestra, "Risultati", apparirà la prima volta che viene effettuata una misurazione. I valori visualizzati possono essere gestiti nella finestra Risultati accedendo a Risultati | Imposta misure.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ripetere i passaggi 3.4.3-3.4.5 fino a quando non vengono effettuate più misure di fascicolo in una singola immagine.</li>
	<li>Salvare le misure dei fascicoli facendo clic su File | Salva nella scheda dei risultati o i valori possono essere copiati e incollati in un altro documento / foglio di calcolo.</li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Passaggi critici nel protocollo.
Ci sono alcuni componenti critici per ottenere immagini EFOV-US di qualità che producono misure di lunghezza del fascicolo valide e affidabili. In primo luogo, come indicato nel metodo 1.1.2 è essenziale che l'ecografista impieghi del tempo per acquisire familiarità con l'anatomia del muscolo che viene ripreso, nonché con i muscoli circostanti, le ossa e altre strutture dei tessuti molli. Ciò migliorerà la capacità dell'ecografista di vi...

La lunghezza del fascicolo è un parametro importante dell'architettura del muscolo scheletrico, che nel complesso è indicativo della capacità di un muscolo di produrre forza1,2. In particolare, la lunghezza del fascicolo di un muscolo fornisce informazioni sulla gamma assoluta di lunghezze su cui un muscolo può generare forza attiva3,4. Ad esempio, dati due muscoli con valori identici per tutti i parametri isometrici generatori di forza (cioè lunghezza media del sarcomero, angolo di pennazione, area fisiologica della sezione trasversale, stato di contrazione, ecc.) ad eccezione della lunghezza del fascicolo, il muscolo con i fascicoli più lunghi produrrebbe la sua forza di picco a una lunghezza maggiore e produrrebbe forza su una gamma più ampia di lunghezze rispetto al muscolo con fascicoli più corti3 . La quantificazione della lunghezza del fascicolo muscolare è importante per comprendere sia la funzione muscolare sana che i cambiamenti nella capacità di generazione di forza di un muscolo, che possono verificarsi a seguito di un uso alterato del muscolo (ad esempio, immobilizzazione5,6, intervento di esercizio7,8,9, usura del tallone alto10) o di un cambiamento nell'ambiente muscolare (ad esempio, chirurgia del trasferimento dei tendini11, distrazione degli arti12 ). Le misurazioni della lunghezza del fascicolo muscolare sono state originariamente ottenute attraverso esperimenti cadaverici ex vivo che consentono la misurazione diretta dei fascicoli sezionati13,14,15,16. Le preziose informazioni fornite da questi esperimenti ex vivo hanno portato ad un interesse nell'implementazione di metodi in vivo17,18,19 per rispondere a domande a cui non è stato possibile rispondere nei cadaveri; i metodi in vivo consentono la quantificazione dei parametri muscolari in uno stato nativo, nonché in diverse posture articolari, diversi stati di contrazione muscolare, diversi stati di carico o scarico e tra popolazioni con condizioni diverse (ad esempio sano / ferito, giovane / vecchio, ecc.). Più frequentemente, l'ecografia è il metodo impiegato per ottenere lunghezze muscolari in vivo18,19,20; è più veloce, meno costoso e più facile da implementare rispetto ad altre tecniche di imaging, come l'imaging del tensore di diffusione (DTI)18,21.
L'ecografia a campo visivo esteso (EFOV-US) ha dimostrato di essere un metodo valido e affidabile per misurare la lunghezza del fascicolo muscolare in vivo. Sebbene comunemente implementati, gli ultrasuoni tradizionali (T-US) hanno un campo visivo che è limitato dalla lunghezza dell'array del trasduttore ad ultrasuoni (in genere tra 4 e 6 cm, anche se ci sono sonde che si estendono fino a 10 cm10) 18,20. Per superare questa limitazione, Weng et al. hanno sviluppato una tecnologia EFOV-US che acquisisce automaticamente un'immagine "panoramica" composita e bidimensionale (lunga fino a 60 cm) da una scansione dinamica a lunga distanza22. L'immagine viene creata assemblando insieme, in tempo reale, una sequenza di immagini ecografiche tradizionali in modalità B mentre il trasduttore scansiona dinamicamente l'oggetto di interesse. Poiché le immagini T-US sequenziali hanno grandi regioni sovrapposte, le piccole differenze da un'immagine all'altra possono essere utilizzate per calcolare il movimento della sonda senza l'uso di sensori di movimento esterni. Una volta calcolato il movimento della sonda tra due immagini consecutive, l'immagine "corrente" viene unita successivamente alle immagini precedenti. Il metodo EFOV-US consente la misurazione diretta di fascicoli muscolari lunghi e curvi e si è dimostrato affidabile su muscoli, prove ed ecografisti23,24,25 e valido sia per superfici piane che curve23,26.
Implementare gli ultrasuoni per misurare la lunghezza del fascicolo muscolare in vivo non è banale. A differenza di altre tecniche di imaging che coinvolgono protocolli più automatizzati (ad esempio, RISONANZA MAGNETICA, TC), l'ecografia dipende dall'abilità dell'ecografista e dalle conoscenze anatomiche27,28. Si teme che il disallineamento della sonda con il piano del fascicolo possa causare errori sostanziali nelle misure del fascicolo. Uno studio dimostra una piccola differenza (in media < 3 mm) nelle misure della lunghezza del fascicolo prese utilizzando ultrasuoni e DTI MRI, ma mostra anche che la precisione della misurazione è bassa (deviazione standard della differenza ~ 12 mm) 29. Tuttavia, è stato dimostrato che un ecografista alle prime armi, con la pratica e la guida di un ecografo esperto, può ottenere misure valide utilizzando EFOV-US23. Pertanto, dovrebbero essere compiuti sforzi per dimostrare protocolli appropriati per ridurre l'errore umano e migliorare l'accuratezza delle misurazioni ottenute utilizzando EFOV-US. In definitiva, lo sviluppo e la condivisione di protocolli appropriati può espandere il numero di sperimentatori e laboratori in grado di riprodurre i dati sulla lunghezza del fascicolo dalla letteratura o ottenere nuovi dati nei muscoli che non sono ancora stati studiati in vivo.
In questo protocollo, dimostriamo come implementare il metodo EFOV-US per ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità che possono essere utilizzate per quantificare la lunghezza del fascicolo muscolare. In particolare, ci occupiamo (a) di raccogliere immagini EFOV-US di un singolo arto superiore e di un singolo muscolo dell'arto inferiore (b) determinare, in tempo reale, la "qualità" dell'immagine EFOV-US e (c) quantificare i parametri dell'architettura muscolare offline. Forniamo questa guida dettagliata per incoraggiare l'adozione del metodo EFOV-US per ottenere dati sulla lunghezza del fascicolo muscolare in muscoli che non sono stati studiati in vivo a causa dei loro lunghi fascicoli.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>14L5 linear transducers</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>10789396</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acuson S2000 Ultrasound System</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>10032746</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable chair (Biodex System)</td>
			<td>Biodex Medical Systems</td>
			<td>System Pro 4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Skin Marker Medium Tip</td>
			<td>SportSafe</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Multi-color 4 Pack recommended</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound Gel - Standard 8 Ounce Non-Sterile Fragrance Free Glacial Tint</td>
			<td>MediChoice, Owens &#38;Minor</td>
			<td>M500812</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

obtaining quality extended field-of-view ultrasound images of skeletal muscle to measure muscle fascicle length

La lunghezza del fascicolo muscolare, che viene comunemente misurata in vivo utilizzando gli ultrasuoni tradizionali, è un parametro importante che definisce la capacità di generazione della forza di un muscolo. Tuttavia, oltre il 90% di tutti i muscoli degli arti superiori e l'85% di tutti i muscoli degli arti inferiori hanno lunghezze di fascicolo ottimali più lunghe del campo visivo delle comuni sonde a ultrasuoni tradizionali (T-US). Un metodo più recente e meno frequentemente adottato chiamato ecografia a campo visivo esteso (EFOV-US) può consentire la misurazione diretta di fascicoli più lunghi del campo visivo di una singola immagine T-US. Questo metodo, che inserisce automaticamente una sequenza di immagini T-US da una scansione dinamica, si è dimostrato valido e affidabile per ottenere lunghezze di fascicoli muscolari in vivo. Nonostante i numerosi muscoli scheletrici con lunghi fascicoli e la validità del metodo EFOV-US per effettuare misurazioni di tali fascicoli, pochi studi pubblicati hanno utilizzato questo metodo. In questo studio, dimostriamo sia come implementare il metodo EFOV-US per ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità sia come quantificare le lunghezze dei fascicoli da quelle immagini. Ci aspettiamo che questa dimostrazione incoraggi l'uso del metodo EFOV-US per aumentare il pool di muscoli, sia in popolazioni sane che compromesse, per le quali abbiamo dati sulla lunghezza del fascicolo muscolare in vivo.

L'ecografia a campo visivo esteso (EFOV-US) è stata implementata per ottenere immagini dalla testa lunga del bicipite brachiale e dalla tibiale anteriore in 4 volontari sani (Tabella 1). La Figura 1 mostra quali immagini EFOV-US di entrambi i muscoli hanno ripreso in questa sessione di imaging rappresentativa ed evidenzia aspetti importanti di ogni immagine come l'aponeurosi muscolare, il tendine centrale, il percorso del fascicolo, ecc. Al termine della sessione di imaging...

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Obtaining Quality Extended Field-of-View Ultrasound Images of Skeletal Muscle to Measure Muscle Fascicle Length

Questo studio descrive come ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità utilizzando il metodo ecografico a campo visivo esteso (EFOV-US) allo scopo di effettuare misure di lunghezza del fascicolo muscolare. Applichiamo questo metodo ai muscoli con fascicoli che si estendono oltre il campo visivo delle comuni sonde a ultrasuoni tradizionali (T-US).

Ottenere immagini ecografiche di qualità del campo visivo esteso del muscolo scheletrico per misurare la lunghezza del fascicolo muscolare

Muscle fascicle length, which is commonly measured in vivo using traditional ultrasound, is an important parameter defining a muscle&#8217;s force ...

obtaining-quality-extended-field-view-ultrasound-images-skeletal

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SCIENTISTS IN ACTION

3.5K Views.  Northwestern University. Questo studio descrive come ottenere immagini muscoloscheletriche di alta qualità utilizzando il metodo ecografico a campo visivo esteso (EFOV-US) allo scopo di effettuare misure di lunghezza del fascicolo muscolare. Applichiamo questo metodo ai muscoli con fascicoli che si estendono oltre il campo visivo delle comuni sonde a ultrasuoni tradizionali (T-US).

Video: Obtaining Quality Extended Field-of-View Ultrasound Images of Skeletal Muscle to Measure Muscle Fascicle Length

Myo-mechanical Analysis of Isolated Skeletal Muscle

To assess the in vivo effects of therapeutic interventions for the treatment of muscle disease 1,2,3, quantitative methods are needed that measure force generation and fatigability in treated muscle. We describe a detailed approach to evaluating myo-mechanical properties in freshly explanted hindlimb muscle from the mouse. We describe the atraumatic harvest of mouse extensor digitorum longus muscle, mounting the muscle in a muscle strip myograph (Model 820MS; Danish Myo Technology), and the measurement of maximal twitch and tetanic tension, contraction time, and half-relaxation time, using a square pulse stimulator (Model S48; Grass Technologies). Using these measurements, we demonstrate the calculation of specific twitch and tetanic tension normalized to muscle cross-sectional area, the twitch-to-tetanic tension ratio, the force-frequency relationship curve and the low frequency fatigue curve 4. This analysis provides a method for quantitative comparison between therapeutic interventions in mouse models of muscle disease 1,2,3,5, as well as comparison of the effects of genetic modification on muscle function 6,7,8,9.

To assess the in vivo effects of therapeutic interventions for muscle disease, methods are needed to quantitate force generation and fatigability in treated muscle. We detail an approach to evaluating myo-mechanical properties in explanted mouse hindlimb muscle. This analysis provides a robust approach to quantitating the effects of genetic modification on muscle function, as well as comparison of therapies in mouse models of muscle disease.

Myo-meccanico Analisi dei isolata del muscolo scheletrico

To assess the in vivo effects of therapeutic interventions for the treatment of muscle disease 1,2,3, quantitative methods are needed that measure force ...

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Skeletal Muscle Gender Dimorphism from Proteomics

Gross contraction in skeletal muscle is primarily determined by a relatively small number of contractile proteins, however this tissue is also remarkably adaptable to environmental factors1 such as hypertrophy by resistance exercise and atrophy by disuse. It thereby exhibits remodeling and adaptations to stressors (heat, ischemia, heavy metals, etc.)2,3. Damage can occur to muscle by a muscle exerting force while lengthening, the so-called eccentric contraction4. The contractile proteins can be damaged in such exertions and need to be repaired, degraded and/or resynthesized; these functions are not part of the contractile proteins, but of other much less abundant proteins in the cell. To determine what subset of proteins is involved in the amelioration of this type of damage, a global proteome must be established prior to exercise5 and then followed subsequent to the exercise to determine the differential protein expression and thereby highlight candidate proteins in the adaptations to damage and its repair. Furthermore, most studies of skeletal muscle have been conducted on the male of the species and hence may not be representative of female muscle. 
In this article we present a method for extracting proteins reproducibly from male and female muscles, and separating them by two-dimensional gel electrophoresis followed by high resolution digital imaging6. This provides a protocol for spots (and subsequently identified proteins) that show a statistically significant (p &lt; 0.05) two-fold increase or decrease, appear or disappear from the control state. These are then excised, digested with trypsin and separated by high-pressure liquid chromatography coupled to a mass spectrometer (LC/MS) for protein identification (LC/MS/MS)5. This methodology (Figure 1) can be used on many tissues with little to no modification (liver, brain, heart etc.).

A straight-forward set of methods to isolate and determine the identity of the most abundant proteins expressed in skeletal muscle. About 800 spots are discerned on a two-dimensional gel from 10 mg muscle; this allows for the determination of gender-specific protein expression. These methods will give equivalent results in most tissues.

Sesso Dimorfismo muscolo scheletrico da Proteomica

Gross contraction in skeletal muscle is primarily determined by a relatively small number of contractile proteins, however this tissue is also remarkably ...

Method to Measure Tone of Axial and Proximal Muscle

The control of tonic muscular activity remains poorly understood. While abnormal tone is commonly assessed clinically by measuring the passive resistance of relaxed limbs1, no systems are available to study tonic muscle control in a natural, active state of antigravity support. We have developed a device (Twister) to study tonic regulation of axial and proximal muscles during active postural maintenance (i.e. postural tone). Twister rotates axial body regions relative to each other about the vertical axis during stance, so as to twist the neck, trunk or hip regions. This twisting imposes length changes on axial muscles without changing the body's relationship to gravity. Because Twister does not provide postural support, tone must be regulated to counteract gravitational torques. We quantify this tonic regulation by the restive torque to twisting, which reflects the state of all muscles undergoing length changes, as well as by electromyography of relevant muscles. Because tone is characterized by long-lasting low-level muscle activity, tonic control is studied with slow movements that produce "tonic" changes in muscle length, without evoking fast "phasic" responses. Twister can be reconfigured to study various aspects of muscle tone, such as co-contraction, tonic modulation to postural changes, tonic interactions across body segments, as well as perceptual thresholds to slow axial rotation. Twister can also be used to provide a quantitative measurement of the effects of disease on axial and proximal postural tone and assess the efficacy of intervention.

We have developed a device (Twister) to study the regulation of tonic muscle activity during active postural maintenance. Twister measures torsional resistance and muscular responses in standing subjects during twisting of the body axis. The device can be flexibly configured to study various aspects of tonic control across the neck, trunk, and/or hips.

Metodo per misurare il tono muscolare di assiale e prossimale

The control of tonic muscular activity remains poorly understood.  While abnormal tone is commonly assessed clinically by measuring the passive resistance ...

High-throughput Flow Cytometry Cell-based Assay to Detect Antibodies to N-Methyl-D-aspartate Receptor or Dopamine-2 Receptor in Human Serum

Over the recent years, antibodies against surface and conformational proteins involved in neurotransmission have been detected in autoimmune CNS diseases in children and adults. These antibodies have been used to guide diagnosis and treatment. Cell-based assays have improved the detection of antibodies in patient serum. They are based on the surface expression of brain antigens on eukaryotic cells, which are then incubated with diluted patient sera followed by fluorochrome-conjugated secondary antibodies. After washing, secondary antibody binding is then analyzed by flow cytometry. Our group has developed a high-throughput flow cytometry live cell-based assay to reliably detect antibodies against specific neurotransmitter receptors. This flow cytometry method is straight forward, quantitative, efficient, and the use of a high-throughput sampler system allows for large patient cohorts to be easily assayed in a short space of time. Additionally, this cell-based assay can be easily adapted to detect antibodies to many different antigenic targets, both from the central nervous system and periphery. Discovering additional novel antibody biomarkers will enable prompt and accurate diagnosis and improve treatment of immune-mediated disorders.

Over the recent years, live cell-based assays have been used successfully to detect antibodies against surface and conformational antigens. Here, we describe a method using high-throughput flow cytometry enabling the analysis of large cohorts of patients. Detection of novel antibodies will improve diagnosis and treatment of immune-mediated disorders.

High-throughput Citometria a Flusso test cellulare per individuare gli anticorpi per N-metil-D-aspartato Receptor o dopamina-2 recettore nel siero umano

Over the recent years, antibodies against surface and conformational proteins involved in neurotransmission have been detected in autoimmune CNS diseases ...

Human Skeletal Muscle Biopsy Procedures Using the Modified Bergstr&#246;m Technique

The percutaneous biopsy technique enables researchers and clinicians to collect skeletal muscle tissue samples. The technique is safe and highly effective. This video describes the percutaneous biopsy technique using a modified Bergstr&#246;m needle to obtain skeletal muscle tissue samples from the vastus lateralis of human subjects. The Bergstr&#246;m needle consists of an outer cannula with a small opening (&#8216;window&#8217;) at the side of the tip and an inner trocar with a cutting blade at the distal end. Under local anesthesia and aseptic conditions, the needle is advanced into the skeletal muscle through an incision in the skin, subcutaneous tissue, and fascia. Next, suction is applied to the inner trocar, the outer trocar is pulled back, skeletal muscle tissue is drawn into the window of the outer cannula by the suction, and the inner trocar is rapidly closed, thus cutting or clipping the skeletal muscle tissue sample. The needle is rotated 90&#176;&#160;and another cut is made. This process may be repeated three more times. This multiple cutting technique typically produces a sample of 100-200 mg or more in healthy subjects and can be done immediately before, during, and after a bout of exercise or other intervention. Following post-biopsy dressing of the incision site, subjects typically resume their activities of daily living right away and can fully participate in vigorous physical activity within 48-72 hr. Subjects should avoid heavy resistance exercise for 48 hr to reduce the risk of herniation of the muscle through the incision in the fascia.

Human Skeletal Muscle Biopsy Procedures Using the Modified Bergstr&amp;#246;m Technique

The purpose of this video is to present the modified Bergstr&#246;m skeletal muscle biopsy technique on human subjects.

Scheletrici Procedure biopsia muscolare dell&#39;uomo con la tecnica Bergström Modificato

The percutaneous biopsy technique enables researchers and clinicians to collect skeletal muscle tissue samples. The technique is safe and highly ...

Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of living systems. Neuromuscular diseases often exhibit a temporally varying, spatially heterogeneous, and multi-faceted pathology. The goal of this protocol is to characterize this pathology using qMRI methods. The MRI acquisition protocol begins with localizer images (used to locate the position of the body and tissue of interest within the MRI system), quality control measurements of relevant magnetic field distributions, and structural imaging for general anatomical characterization. The qMRI portion of the protocol includes measurements of the longitudinal and transverse relaxation time constants (T1 and T2, respectively). Also acquired are diffusion-tensor MRI data, in which water diffusivity is measured and used to infer pathological processes such as edema. Quantitative magnetization transfer imaging is used to characterize the relative tissue content of macromolecular and free water protons. Lastly, fat-water MRI methods are used to characterize fibro-adipose tissue replacement of muscle. In addition to describing the data acquisition and analysis procedures, this paper also discusses the potential problems associated with these methods, the analysis and interpretation of the data, MRI safety, and strategies for artifact reduction and protocol optimization.

Neuromuscular diseases often exhibit a temporally varying, spatially heterogeneous, and multi-faceted pathology. The goal of this protocol is to characterize this pathology using non-invasive magnetic resonance imaging methods.

Quantitative Magnetic Resonance Imaging di malattia muscolare scheletrico

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of ...

Early Detection of Drug-Induced Renal Hemodynamic Dysfunction Using Sonographic Technology in Rats

The kidney normally functions to maintain hemodynamic homeostasis and is a major site of damage caused by drug toxicity. Drug-induced nephrotoxicity is estimated to contribute to 19- 25% of all clinical cases of acute kidney injury (AKI) in critically ill patients. AKI detection has historically relied on metrics such as serum creatinine (sCr) or blood urea nitrogen (BUN) which are demonstrably inadequate in full assessment of nephrotoxicity in the early phase of renal dysfunction. Currently, there is no robust diagnostic method to accurately detect hemodynamic alteration in the early phase of AKI while such alterations might actually precede the rise in serum biomarker levels. Such early detection can help clinicians make an accurate diagnosis and help in in decision making for therapeutic strategy. Rats were treated with Cisplatin to induce AKI. Nephrotoxicity was assessed for six days using high-frequency sonography, sCr measurement and upon histopathology of kidney. Hemodynamic evaluation using 2D and Color-Doppler images were used to serially study nephrotoxicity in rats, using the sonography. Our data showed successful drug-induced kidney injury in adult rats by histological examination. Color-Doppler based sonographic assessment of AKI indicated that resistive-index (RI) and pulsatile-index (PI) were increased in the treatment group; and peak-systolic velocity (mm/s), end-diastolic velocity (mm/s) and velocity-time integral (VTI, mm) were decreased in renal arteries in the same group. Importantly, these hemodynamic changes evaluated by sonography preceded the rise of sCr levels. Sonography-based indices such as RI or PI can thus be useful predictive markers of declining renal function in rodents. From our sonography-based observations in the kidneys of rats that underwent AKI, we showed that these noninvasive hemodynamic measurements may consider as an accurate, sensitive and robust method in detecting early stage kidney dysfunction. This study also underscores the importance of ethical issues associated with animal use in research.

Early stage hemodynamic dysfunction is critical to the development of kidney disease. Yet, detection methodologies are limited. Recent advances in sonography provide a noninvasive, accurate option for early detection of kidney injury. This study outlines a step-by-step, sonographic methodology for detecting kidney dysfunction using a drug-induced nephrotoxicity rat model.

La diagnosi precoce del farmaco-indotta renale emodinamica erettile Utilizzando ecografica Technology di ratti

The kidney normally functions to maintain hemodynamic homeostasis and is a major site of damage caused by drug toxicity. Drug-induced nephrotoxicity is ...

Ultrasound Based Assessment of Coronary Artery Flow and Coronary Flow Reserve Using the Pressure Overload Model in Mice

Transthoracic Doppler echocardiography (TTDE) is a clinically useful, noninvasive tool for studying coronary artery flow velocity and coronary flow reserve (CFR) in humans. Reduced CFR is accompanied by marked intramyocardial and pericoronary fibrosis and is used as an indication of the severity of dysfunction. This study explores, step-by-step, the real-time changes measured in the coronary flow velocity, CFR and systolic to diastolic peak velocity (S/D) ratio in the setting of an aortic banding model in mice. By using a Doppler transthoracic imaging technique that yields reproducible and reliable data, the method assesses changes in flow in the septal coronary artery (SCA), for a period of over two weeks in mice, that previously either underwent aortic banding or thoracotomy. 
During imaging, hyperemia in all mice was induced by isoflurane, an anesthetic that increased coronary flow velocity when compared with resting flow. All images were acquired by a single imager. Two ratios, (1) CFR, the ratio between hyperemic and baseline flow velocities, and (2) systolic (S) to diastolic (D) flow were determined, using a proprietary software and by two independent observers. Importantly, the observed changes in coronary flow preceded LV dysfunction as evidenced by normal LV mass and fractional shortening (FS). 
The method was benchmarked against the current gold standard of coronary assessment, histopathology. The latter technique showed clear pathologic changes in the coronary artery in the form of peri-coronary fibrosis that correlated to the flow changes as assessed by echocardiography. 
The study underscores the value of using a non-invasive technique to monitor coronary circulation in mouse hearts. The method minimizes redundant use of research animals and demonstrates that advanced ultrasound-based indices, such as CFR and S/D ratios, can serve as viable diagnostic tools in a variety of investigational protocols including drug studies and the study of genetically modified strains.

Coronary flow reserve (CFR) is useful for assessment of myocardial oxygen demand and evaluation of cardiovascular risk. This study establishes a step-by-step transthoracic Doppler echocardiographic (TTDE) method for longitudinal monitoring of the changes in CFR, as measured from coronary artery in mice, under the experimental pressure overload of aortic banding.

Valutazione Ecografia base di coronaropatia Flow e flusso coronarico Reserve Utilizzando la pressione Sovraccarico modello nei topi

Transthoracic Doppler echocardiography (TTDE) is a clinically useful, noninvasive tool for studying coronary artery flow velocity and coronary flow ...

Human Vastus Lateralis Skeletal Muscle Biopsy Using the Weil-Blakesley Conchotome

Percutaneous muscle biopsy using the Weil-Blakesley conchotome is well established in both clinical and research practice. It is a safe, effective and well tolerated technique. The Weil-Blakesley conchotome has a sharp biting tip with a 4 - 6 mm wide hollow. It is inserted through a 5 - 10 mm skin incision and can be maneuvered for controlled tissue penetration. The tip is opened and closed within the tissue and then rotated through 90 -180&#176; to cut the muscle. The amount of muscle obtained following repeated sampling can vary from 20 mg to 290 mg which can be processed for both histology and molecular studies. The wound needs to be kept dry and vigorous physical activity kept to a minimum for approximately 72 hr although normal levels of activity can restart immediately following the procedure. This procedure is safe and effective when close attention is paid to the selection of subjects, full asepsis and post procedure care. &#160;Both right and left vastus lateralis are suitable for biopsy dependent on participant preference.

Human Vastus Lateralis Skeletal Muscle Biopsy Using the Weil-Blakesley Conchotome

This video demonstrates the technique of percutaneous muscle biopsy of the human vastus lateralis using the Weil-Blakesley conchotome.

Umano<em&gt; vasto laterale</em&gt; Biopsia muscolare scheletrico Utilizzando la Weil-Blakesley Conchotome

Percutaneous muscle biopsy using the Weil-Blakesley conchotome is well established in both clinical and research practice. It is a safe, effective and ...

Induction and Assessment of Exertional Skeletal Muscle Damage in Humans

Contraction-induced muscle damage via voluntary eccentric (lengthening) contractions offers an excellent model for studying muscle adaptation and recovery in humans. Herein we discuss the design of an eccentric exercise protocol to induce damage in the quadriceps muscles, marked by changes in strength, soreness, and plasma creatine kinase levels. This method is simple, ethical, and widely applicable since it is performed in human participants and eliminates the interspecies translation of the results. Subjects perform 300 maximal eccentric contractions of the knee extensor muscles at a speed of 120&#176;/sec on an isokinetic dynamometer. The extent of the damage is measurable using relatively non-invasive isokinetic and isometric measures of strength loss, soreness, and plasma creatine kinase levels over several days following the exercise. Therefore, its application can be directed to specific populations in an attempt to identify mechanisms for muscle adaptation and regeneration.

This article describes a safe and reliable method to induce and quantify exertional skeletal muscle damage in human subjects.

Induzione e valutazione di Exertional scheletrico danno muscolare negli esseri umani

Contraction-induced muscle damage via voluntary eccentric (lengthening) contractions offers an excellent model for studying muscle adaptation and recovery ...