筋肉の筋の長さを測定するために骨格筋の品質拡張視野超音波画像を取得する

要約

本研究では、筋力筋長測定を目的とした拡張視野超音波(EFOV-US)法を用いて、高品質の筋骨格画像を得る方法を説明する。我々は、一般的な伝統的な超音波(T-US)プローブの視野を超えて伸びる筋を有する筋肉にこの方法を適用する。

要約

従来の超音波を用いて生体内で一般的に測定される筋魅惑の長さは、筋肉の力発生能力を定義する重要なパラメータである。しかし、すべての上肢の筋肉の90%以上、下肢の筋肉の85%は、一般的な伝統的な超音波(T-US)プローブの視野よりも長い最適な筋の長さを有する。拡張視野超音波(EFOV-US)と呼ばれる新しい、あまり頻繁に採用されていない方法は、単一のT-US画像の視野よりも長いファシクルの直接測定を可能にすることができます。この方法は、動的スキャンからT-US画像のシーケンスを自動的に一緒に収めるもので、インビボで筋肉の魅惑的な長さを得るために有効かつ信頼性が実証されています。長い筋胞を有する多数の骨格筋と、そのような粘膜の測定を行うためのEFOV-US法の有効性にもかかわらず、この方法を利用した公表された研究はほとんどない。本研究では、EFOV-US法を実装して高品質の筋骨格画像を得る方法と、それらの画像から魅惑的な長さを定量化する方法の両方を示す。このデモは、生体内筋力の長さのデータを持っている健康な集団と障害のある集団の両方で、筋肉のプールを増やすためにEFOV-US法の使用を奨励することを期待する。

概要

筋膜の長さは骨格筋アーキテクチャの重要なパラメータであり、全体的には筋肉が力を産生する能力を示す^1,2である。具体的には、筋肉の魅惑的な長さは、筋肉がアクティブな力を生成することができる長さの絶対範囲への洞察を提供します^3,4。例えば、すべての等方体力生成パラメータ(すなわち、平均サルコメアの長さ、ペニング角度、生理学的断面積、収縮状態など)に同じ値を持つ2つの筋肉を与えられた場合、長いファスクルを持つ筋肉は長い長さでピークフォースを生成し、短いfascicles3を持つ筋肉よりも広い範囲の長さで力を生み出すだろう³.筋肉の魅惑の長さの定量化は、筋肉の筋肉の使用の変化(例えば、固定化^5、6、運動介入^7、8、9、高ヒール着用¹⁰)または筋肉の環境の変化(例えば、腱転移手術¹¹、気晴らし)の結果として起こり得る筋肉の力を発生させる能力の健康な筋肉機能と変化の両方を理解するために重要である).筋ファシクルの長さの測定は、元の生体内のカダビリック実験を通じて得られたもので^、解剖されたfascicles13,14,15,16の直接測定を可能^にした。これらのex vivo実験によって提供される貴重な情報は、死体で答えられなかった質問に対処するためにin vivoメソッド17,18,19を実装することに関心を持つものとなった。in vivoメソッドは、ネイティブ状態で、異なる関節姿勢、異なる筋肉収縮状態、異なる積み降ろし状態、および異なる状態(健康/負傷、若い/古いなど)を持つ集団間で筋肉パラメータを定量化することを可能にします。最も頻繁に、超音波は、生体内筋の筋の筋の長さを得るために採用される方法^{である18、19,20};拡散テンソルイメージング(DTI)^18,21のような他のイメージング技術よりも速く、より安価で、実装が容易^です。

拡張視野超音波(EFOV-US)は、生体内で筋肉の魅惑の長さを測定するための有効かつ信頼性の高い方法であることが実証されている。一般的に実装されている間、従来の超音波(T-US)は、超音波トランスデューサの配列の長さ(通常4〜6cmの間で、10 ^cm10)^18,20まで及ぶプローブがあるが、視野を有する。この制限を克服するために、Wengらは動的な長距離^scan22から合成された2次元の「パノラマ」画像(長さ60cmまで)を自動的に取得するEFOV-US技術を開発しました。画像は、トランスデューサが目的の対象を動的にスキャンする場合、リアルタイムで従来のBモード超音波画像のシーケンスを一緒にフィットさせることによって作成されます。連続するT-US画像は大きな重なり合う領域を持つため、外部モーションセンサーを使用せずに、1つの画像から次の画像へのわずかな違いを使用してプローブの動きを計算することができます。連続する2つの画像間のプローブの動きが計算されると、「現在」の画像は、前の画像と連続してマージされます。EFOV-US法は、長く湾曲した筋の筋の直接測定を可能にし、筋肉、試験、およびソノグラ^{ファー23,24,25}および平らなおよび曲面両方に有効であることを証明した。

生体内で筋肉の魅惑的な長さを測定するために超音波を実施することは些細なことではありません。より自動化されたプロトコル(すなわち、MRI、CT)を含む他の画像化技術とは異なり、超音波はソノグラファーのスキルと解剖学的知識^27,28に依存^する。ファシクル面とのプローブの位置合わせが、ファシクル対策に大きな誤差を引き起こす可能性が懸念されています。1つの研究は、超音波およびDTI MRIを用いて取られた魅惑の長さの測定において(平均3mm<平均)ほとんど違いが示されないが、測定精度が低い(差の標準偏差〜12mm)²⁹も示している。それでも、経験豊富なソノグラファーからの練習と指導を受けた初心者のソノグラファーが、EFOV-US23を使用して有効なメアを得ることができることを示しています。したがって、人為的ミスを減らし、EFOV-USを用いて得られた測定の精度を向上させるための適切なプロトコルを実証する努力が必要である。最終的には、適切なプロトコルを開発し、共有することは、文献から魅惑的な長さのデータを再現したり、まだインビボで研究されていない筋肉の新しいデータを得ることができる実験者や研究室の数を拡大する可能性があります。

本プロトコルでは、EFOV-US法を実装して、筋の筋の長さを定量化するために使用できる高品質の筋骨格画像を得る方法を示す。具体的には、(a)単一の上肢および単一の下肢筋(b)のEFOV-US画像を収集し、リアルタイムでEFOV-US画像の「品質」を決定し、(c)オフラインの筋肉アーキテクチャパラメータを定量する。我々は、彼らの長いファシクルのために生体内で研究されていない筋肉の筋肉の筋ファシクル長さデータを取得するためのEFOV-US法の採用を奨励するために、この詳細なガイドを提供します。

プロトコル

ノースウェスタン大学の制度審査委員会(IRB)は、この研究の手順を承認しました。この作業に登録されたすべての参加者は、以下に詳述するプロトコルを開始する前にインフォームド・コンセントを与えました。
注:この研究で使用される特定の超音波システムは、EFOV-US機能を有し、我々は科学文献^22,26のアルゴリズムの詳細と有効性評価を確認することができたので採用されました。EFOV-US を持つ複数の他のシステムも ^{18,20,30 存在します}。線形アレイトランスデューサ14L5(周波数帯域幅5~14MHz)を利用した。このプロトコルで画像化された筋肉は、米国の画像がキャプチャされ、ファシクルの長さが測定された筋肉のほんの一部です(例えば、トリセップ^ス25、伸張カルピulnaris23、内側胃腸¹⁰、広大な側大筋²⁴、上腕二頭筋フェムリス^8,31)。このプロトコルは、ポインタを提供し、我々が提供する 2 つの例を超えて筋肉に適用できるように必要な標準を記述することを意図しています。

1. EFOV-US の筋肉の画像を収集する

準備

1. ソノグラファーの準備
   1. 超音波システムを操作する前に、システムのマニュアルを読んでシステムの安全性、システムのメンテナンス、システムのセットアップ、コントロールなどを管理します。さらに、EFOV-US イメージを取得するためのシステムの指示を確認し、EFOV-US イメージを取得するために実装された方法を理解してください。
      注:異なる超音波システムは、異なる用語を使用してEFOV-USモードの名前を付けます。例えば、ここで使用するシステムでは、EFOVモードは「パノラマイメージング」と呼ばれる。様々な商業システムで実装されるアルゴリズムの技術的詳細は、通常、知的財産であり、したがって自由に利用できませんが、控えめなレビューから、パノラマ超音波機能を備えた多くの商用システムは、Wengらら.²²によって記述されたものと同様のアプローチを記述しています。システムを製造する企業から直接より詳細な情報を得ることによって、任意のシステムから取得した測定の一般的な妥当性を評価する、イメージングファントム^26,32、またはその他の手段(例えば、動物解剖²⁴との比較)を用いて、人間の参加者を含む研究を開始する前に重要なステップとして推奨される。
   2. 関心のある筋肉の解剖学と周囲の解剖学に慣れるには時間を取ってください。ソノグラファーは、解剖学の教科書または好ましくは、関心の解剖学に精通するためにインタラクティブなオンライン3D解剖学モデルを使用することが示唆される。
2. 参加者準備
   1. 研究の議定書を参加者に説明し、イメージングプロトコルを開始する前にIRB承認の同意を得る。
   2. 参加者に適切な服を着て、関心のある筋肉にアクセスできるように依頼します。たとえば、ソノグラファーが前腕の筋肉を画像化する予定の場合、参加者は半袖シャツを着用するように求められます。
   3. 所定の位置にロックすることができる調節可能な椅子に参加者を取り付ける。まだ興味の筋肉へのアクセスを提供しながら、参加者をできるだけ快適にするために椅子を調整する時間を取ります.
      注:完全に平らに置くことができる調整可能な椅子が利用できない場合、一部の研究設計は、関心のある筋肉(すなわち、ハムストリングス)にアクセスするためにテーブルの使用を必要とする場合があります。
   4. 目的の筋肉がまたがる関節を、制御および繰り返しできる姿勢に配置します。解剖学的ランドマークを見つけ、ゴニオメトリーを実施するための臨床ガイダンス³³を使用してください。ジョイント座標系^34,35を定義するために ISB 規格を使用^します。一般に、関節の角度を測定するには、皮膚セーフマーカー(材料表)で解剖学的ランドマークをマークし、ハンドヘルドゴニオメーターの中心を関節の回転軸と、ジョイントセグメントと共にゴニオメーターの腕に合わせます。
      注:受動的な筋肉をイメージングする場合は、比較的長い位置に関心のある筋肉を配置することが推奨され、スラック筋のイメージングを避けてください。
      1. この研究で画像化された上腕二頭筋腕上筋を再現するために、足を支え、背中をまっすぐに、85°の水平屈曲で肩、25°屈曲で肘、前腕、手首、指をニュートラルに座らせた。
      2. この研究で画像化された脛骨前部を複製するために、60°の屈曲で膝を持つ座席参加者と、足底屈曲の15°で足首を有する。
   5. 画像処理プロトコル中の動きを最小限に抑えるために、布のストラップを使用して参加者の手足を固定します。

画像取得

3. 超音波システムを差し込んでオンにします。試験が筋骨格系に設定され、使用中のトランスデューサが選択され(ここでは14L5を使用)、送信周波数が5〜17MHz(ここでは11MHzを使用)の間に設定されていることを確認します。高い周波数は、解像度を向上させるが、波の浸透を減少させるため、一般的に、より表面的なイメージングに使用されます。
4. システム設定に移動して、フットスイッチの設定を調整します。このプロトコルの目的のために、イメージ投射を開始/停止するようにフットスイッチを設定することを推奨します。使用中のフットスイッチに複数のペダルがある場合は、追加のペダルを「フリーズ」または「一時停止」に設定し、画像を「印刷」または「保存」します。
5. トランスデューサの頭部に超音波ゲルの寛大な量を適用します。
6. 参加者の皮膚にトランスデューサを置き、関心のあるおおよその領域に置きます。
7. トランスデューサを筋肉の短軸平面に移動します。トランスデューサは、インジケータと呼ばれる片側に小さな突起を持っている点に注意してください。インジケータを有するトランスデューサの側面は、超音波画像の左側に対応しています。短軸で撮像する場合、ソノグラファーはインジケーターを横方向に向け、ソノグラファーが長い軸に入っているとき、インジケータを遠位に向けてください。
8. 短軸面(筋肉の繊維方向に垂直)で関心のある筋肉を特定し、トランスデューサ遠位と近位を動かして、筋肉の経路を完全に視覚化します。
   1. 皮膚安全インクマーカー(材料表)を使用して、重要な解剖学的ランドマーク(すなわち、筋肉の横端と内側の縁、筋肉腱接合部、筋肉挿入)をマークします。
9. 筋肉の位置が特定され、適切にマークされたら、ソノグラファーは長軸平面(筋線維方向に平行)で超音波トランスデューサを移動させます。
10. 筋肉の遠位または近位の端から始まり、トランスデューサを回転させて傾けて、その時点でファシクル面を識別します。正しいトランスデューサの位置が確立されたら、皮膚にマークを付けます。
11. スキャンしたい長さ全体に沿って近似ファシクル面が確立されたら、このパスに従ってソノグラファーの練習をしてもらいます。
12. 画像の収集を開始するには、EFOV-USモードで超音波システムを置きます。
13. 筋肉の一端から始めて、足跡スイッチをクリックして画像取得を開始し、超音波トランスデューサを長い軸でゆっくりと連続的に動かします。筋肉の終わりに達したら、足のスイッチをクリックして画像取得を終了します。
14. 正しいトランスデューサパスを練習し、確認してください。これは、一貫して「品質」EFOV-USイメージを取得する前にいくつかの練習画像を取ることができます(品質画像の説明についてはセクション2を参照してください)。
15. 画像の可視性とわかりやすさを最適化するには、次のパラメータを調整することを検討してください。
    1. 深さ: 筋肉の所望の長さをキャプチャできる前に画像取得が終了した場合は、画像の深さを増やします(ここで使用されるシステムでは、画像の深さを増やすとスキャンの絶対長が長くなります)。
    2. フォーカス:フォーカス矢印を画像の下半分に配置し、対象の筋肉のすぐ下に置きます。
    3. ゲイン: ゲインが画像の深さによってバランスが取れていることを確認します。
    4. 速度:インジケータによって導かれる最適な速度での画像(ほとんどのシステムでは、パノラマ画像撮影中に速度インジケータがモニターに表示されます)。
16. 質的に良い画像が収集されたら(ステップ2.1)、 プリント/ストア のフットスイッチペダルまたはコントロールパネルの同義語のボタンを押して画像を保存します。
17. 筋肉の3品質EFOV-US画像が得られるまで、ステップ1.13-1.16を繰り返します。
18. 目的のすべての筋肉が得られるまで、ステップ1.6-1.17を繰り返します。
19. タオルを使って、参加者の肌からゲルをやさしく拭きます。その後、参加者に皮膚の領域をすすいだり、湿ったタオルを使ってゲルにさらされた皮膚を拭いたりします。乾いた。
20. トランスデューサのヘッドからゲルを拭き取り、消毒します。
21. イメージを非圧縮 DICOM イメージとして CD-DVD、フラッシュ ドライブ、またはローカル ネットワークを介してコンピュータにエクスポートします。

2. EFOV-US イメージの「品質」の決定

1. ステップ1.13に続いて、ソノグラファーは、関心のある筋肉とその周囲の解剖学の主要な解剖学的特徴の質を識別し、評価する。これは、解剖学と筋骨格組織エコー原性(超音波を反射する組織の能力)に関するソノグラファーの知識に基づく定性的評価です。EFOV-US イメージを質的に「良い」と見なすためには、次の条件を満たす必要があります。
   1. 筋肉の長軸画像では、ソノグラファーが深く表面的な筋筋膜を表す超エコー(明るい)境界を持つ低響部(暗い)形状として筋肉を明確に識別できることを確認してください。
   2. 筋肉の境界の間で、ソノグラファーが筋肉を取り巻く結合組織を超響性(明るい)ラインとして識別できることを確認してください。
      注:複数のペンで区切られた筋肉をイメージングする場合、画像には、深部と表面的な筋筋膜の間の筋肉腹に現れる中央腱を、超エコー(明るい)構造として含める必要があります。
   3. 画像に過度の曲げが含まれていないことを確認します。これは通常、画像の影やギャップ、または画像上のギザギザのフレキシブル定規線によって示されます。
2. 2.1に記載されている組織構造の1つ以上が欠けている場合は、画像を「質的に貧弱」とみなし、生きている2Dモードに戻ります。

3. 筋肉の魅惑的な長さを量子化

1. 筋肉の魅惑的な長さを定量化するには、オープンソースの画像処理プラットフォームである ImageJ を使用します。imageJは https://imagej.net/Downloads でダウンロードできます。
   注:ImageJは24,25,31,36,37,38を頻繁に実装していますが、他の画像処理ソフトウェア^8,39またはカスタムコード^40,41を使用して筋肉の魅惑の長さの定量を測定することができます。
2. ダウンロードしたら、ファイルの|をクリックして、画像のDICOM画像として、画像を開きます 。分析 する画像を開いて選択します。
3. DICOM 画像のプロパティが保持されていることを確認するには、[ツール] メニューの [直線] ツールをクリックし、超音波画像の側面のルーラーに 0 ~ 1 cm の直線を描画します。その後、分析|作られた線を測定する測定。イメージプロパティが保持されている場合、直線の長さは 1 cm にする必要があります。
4. 画像のファシクルの長さを測定するには、次の手順を実行します。
   1. [直線] ツールを右クリックします。
   2. [セグメント化された線分]を選択します。
   3. イメージ上にカーソルを移動し、計測対象として選択したファシクルの一方の端をクリックします。
      注:ファシクルの全体のパス(すなわち、1つのアポンユーロシスから次のアポンユーロシスまたはアポンユーロシスから中央腱まで)が説得力を持って見ることができるファシクルの測定のみを行います。
   4. パスに沿ってクリックすると、ファシクル パスの曲率がキャプチャされます。
   5. ファシクル パスの終わりに達したら、ダブルクリックして行を終了し、[ 解析] |線 の長さを測定します。
      注: 新しいウィンドウ「結果」は、初めて計測が行われるとポップアップ表示されます。[結果] ウィンドウで表示される値は、[ 結果] |測定を設定します。
5. 1 つの画像で複数のファシクルメジャーが作成されるまで、手順 3.4.3 ~ 3.4.5 を繰り返します。
6. [ファイル]|をクリックして、ファシクルの測定値を保存します 。 結果タブに保存するか、値をコピーして別のドキュメント/スプレッドシートに貼り付けることができます。

結果

拡張視野超音波(EFOV-US)は、4人の健常なボランティアで上腕二頭筋の頭と脛表の前頭部から画像を得るために実施した(表1)。図1は、この代表的なイメージングセッションで画像化された両筋肉のEFOV-US画像を示し、筋肉のアポンユーロシス、中央腱、魅惑路などの各画像の重要な側面を強調しています。撮像セッションが終わった後、3つの定性的に「良い」?...

ディスカッション

プロトコルの重要なステップ。

有効で信頼性の高いファシクル長さの測定をもたらす、EFOV-US の高品質のイメージを取得するための重要なコンポーネントがいくつかあります。まず、方法1.1.2で示されているように、ソノグラファーは、周囲の筋肉、骨、および他の軟部組織構造だけでなく、画像化されている筋肉の解剖学に慣れるのに時間がかかることが?...

資料

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