Obtenção de qualidade estendida campo de visão imagens de ultrassom do músculo esquelético para medir o comprimento do fascicle muscular

Resumo

Este estudo descreve como obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade usando o método de ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) com o propósito de fazer medidas de comprimento de fascícula muscular. Aplicamos este método a músculos com fascicles que se estendem além do campo de visão de sondas de ultrassom tradicional comum (T-US).

Resumo

O comprimento da fascícula muscular, que é comumente medido in vivo usando ultrassom tradicional, é um parâmetro importante que define a capacidade de geração de força de um músculo. No entanto, mais de 90% de todos os músculos do membro superior e 85% de todos os músculos dos membros inferiores têm comprimentos de fascículo ótimos mais longos do que o campo de visão das sondas de ultrassom tradicional comum (T-US). Um método mais novo e menos frequentemente adotado chamado ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) pode permitir a medição direta de fascicles por mais tempo do que o campo de visão de uma única imagem T-US. Este método, que se encaixa automaticamente em uma sequência de imagens T-US a partir de uma varredura dinâmica, foi demonstrado ser válido e confiável para a obtenção de comprimentos de fascículo muscular in vivo. Apesar dos numerosos músculos esqueléticos com fascicles longos e da validade do método EFOV-US para fazer medições de tais fascicles, poucos estudos publicados utilizaram esse método. Neste estudo, demonstramos tanto como implementar o método EFOV-US para obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade quanto como quantificar os comprimentos de fascícula dessas imagens. Esperamos que esta demonstração incentive o uso do método EFOV-EUA para aumentar o pool de músculos, tanto em populações saudáveis quanto deficientes, para as quais temos dados de comprimento de fascicle muscular in vivo.

Introdução

O comprimento do fascículo é um parâmetro importante da arquitetura muscular esquelética, que no geral é indicativo da capacidade de um músculo de produzir ^força1,2. Especificamente, o comprimento do fascículo de um músculo fornece uma visão sobre a amplitude absoluta de comprimentos sobre os quais um músculo pode gerar força ^ativa3,4. Por exemplo, dado dois músculos com valores idênticos para todos os parâmetros geradores de força isométrica (ou seja, comprimento médio de sarcomere, ângulo de pennação, área transversal fisiológica, estado de contração, etc.) exceto pelo comprimento da fascícula, o músculo com fascicles mais longo produziria sua força máxima em um comprimento mais longo e produziria força sobre uma faixa mais ampla de comprimentos do que o músculo com fascicles ^{mais curtos3} . A quantificação do comprimento do fascículo muscular é importante para entender tanto a função muscular saudável quanto as alterações na capacidade de geração de força de um músculo, que pode ocorrer como resultado do uso muscular alterado (por exemplo, ^{imobilização5,6}, intervenção de ^{exercício7,8,9}, desgaste do salto ^alto10) ou uma mudança no ambiente do músculo (por exemplo, cirurgia de transferência de ^tendão11, distração do ^membro12 ). As medidas de comprimento do fascículo muscular foram originalmente obtidas através de experimentos ex vivo cadavéricos que permitem a medição direta de fascicles dissecados13,14,15,16. As informações valiosas fornecidas por esses experimentos ex vivo levaram ao interesse em implementar métodos in vivo17,18,19 para abordar questões que não puderam ser respondidas em cadáveres; métodos in vivo permitem quantificação de parâmetros musculares em um estado nativo, bem como em diferentes posturas articulares, diferentes estados de contração muscular, diferentes estados de carga ou descarga, e em populações com condições diferentes (ou seja, saudáveis/feridos, jovens/velhos, etc.). Mais frequentemente, o ultrassom é o método utilizado para a obtenção de comprimentos de fascículo muscular in vivo18,19,20; é mais rápido, menos caro e mais fácil de implementar do que outras técnicas de imagem, como a imagem do tensor de difusão (DTI)^18,21.

O ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) demonstrou ser um método válido e confiável para medir o comprimento do fascicle muscular in vivo. Embora comumente implementado, o ultrassom tradicional (T-US) tem um campo de visão que é limitado pelo comprimento da matriz do transdutor de ultrassom (tipicamente entre 4 e 6 cm, embora existam sondas que se estendem até 10 ^cm10)^18,20. Para superar essa limitação, Weng et al. desenvolveram uma tecnologia EFOV-US que adquire automaticamente uma imagem "panorâmica" composta e bidimensional (até 60 cm de comprimento) de um scan dinâmico e de longa ^distância22. A imagem é criada por encaixar, em tempo real, uma sequência de imagens tradicionais de ultrassom no modo B, à medida que o transdutor digitaliza dinamicamente o objeto de interesse. Como as imagens sequenciais de T-US têm grandes regiões sobrepostas, as pequenas diferenças de uma imagem para outra podem ser usadas para calcular o movimento da sonda sem o uso de sensores de movimento externos. Uma vez calculado o movimento da sonda entre duas imagens consecutivas, a imagem "atual" é fundida sucessivamente com as imagens anteriores. O método EFOV-US permite a medição direta de fascicles musculares longos e curvos e tem sido demonstrado ser confiável entre músculos, ensaios e sonografistas23,24,25 e válido para superfícies planas e ^curvas23,26.

Implementar ultrassom para medir o comprimento da fascícula muscular in vivo não é trivial. Ao contrário de outras técnicas de imagem que envolvem protocolos mais automatizados (ou seja, ressonância magnética, tomografia computadorizada), o ultrassom depende da habilidade sonografista e do conhecimento ^{anatômico27,28}. Há preocupação de que o desalinhamento da sonda com o avião fascicle possa causar um erro substancial nas medidas de fascicle. Um estudo demonstra pouca diferença (em média < 3 mm) em medidas de comprimento de fascículo tomadas por ultrassom e ressonância magnética DTI, mas também mostra que a precisão de medição é baixa (desvio padrão de diferença ~12 mm)²⁹. Ainda assim, foi demonstrado que um sonografista novato, com prática e orientação de um sonografista experiente, pode obter meaures válidos usando EFOV-US23. Assim, devem ser feitos esforços para demonstrar protocolos adequados para reduzir o erro humano e melhorar a precisão das medições obtidas usando o EFOV-US. Em última análise, o desenvolvimento e o compartilhamento de protocolos apropriados podem ampliar o número de experimentadores e laboratórios que podem reproduzir dados de comprimento de fascículo da literatura ou obter novos dados em músculos que ainda não foram estudados in vivo.

Neste protocolo, demonstramos como implementar o método EFOV-US para obter imagens musculoesqueléticos de alta qualidade que podem ser usadas para quantificar o comprimento do fascicle muscular. Especificamente, abordamos (a) a coleta de imagens EFOV-US de um único membro superior e um único músculo do membro inferior (b) determinando, em tempo real, a "qualidade" da imagem EFOV-US, e (c) quantificando parâmetros de arquitetura muscular offline. Fornecemos este guia detalhado para incentivar a adoção do método EFOV-US para a obtenção de dados de comprimento de fascículo muscular em músculos que não foram estudados in vivo devido aos seus longos fascicles.

Protocolo

O Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade Northwestern aprovou os procedimentos deste estudo. Todos os participantes inscritos neste trabalho deram consentimento informado antes do início do protocolo detalhado abaixo.
NOTA: O sistema de ultrassom específico utilizado neste estudo tinha recursos EFOV-EUA e foi adotado porque pudemos rever detalhes sobre e avaliações de validade para o algoritmo na literatura ^{científica22,26}; vários outros sistemas com EFOV-US também existem18,20,30. Foi utilizado um transdutor linear 14L5 (largura de banda de frequência de 5 a 14 MHz). Os músculos retratados neste protocolo são apenas um pequeno subconjunto de músculos para os quais as imagens dos EUA foram capturadas e comprimentos de fascículo medidos (por exemplo, tríceps25, extensor carpi ulnaris23, gastrocnemius ^medial10, vasto ^lateralis24, bíceps femoris8,31). Este protocolo destina-se a fornecer ponteiros e descrever as normas necessárias para que possa ser aplicado a músculos além dos dois exemplos que fornecemos.

1. Coleta de imagens EFOV-EUA dos músculos

Preparação

1. Preparação do sonografista
   1. Antes de operar o sistema de ultrassom, leia através do manual do sistema para se familiarizar com a segurança do sistema, cuidado para manter o sistema, configuração e controles do sistema, etc. Além disso, revise as instruções do sistema para obter imagens EFOV-US e esteja familiarizado com o método implementado para obter as imagens EFOV-US.
      NOTA: Diferentes sistemas de ultrassom nomeiam o modo EFOV-US usando terminologia diferente. Por exemplo, no sistema utilizado aqui, o modo EFOV é chamado de "Imagem Panorâmica". Embora os detalhes técnicos do algoritmo implementado em vários sistemas comerciais geralmente sejam propriedade intelectual e, portanto, não estejam disponíveis livremente, a partir de uma revisão superficial, muitos sistemas comerciais com capacidades de ultrassom panorâmico descrevem uma abordagem semelhante à descrita por Weng et ^al.22. Avaliar a validade geral das medições adquiridas a partir de qualquer sistema, seja obtendo informações mais detalhadas diretamente da empresa que fabrica o sistema, utilizando um fantasma de ^imagem26,32, ou por outros meios (por exemplo, comparação com a dissecção ^animal24) é recomendado como um passo importante antes de iniciar a pesquisa envolvendo participantes humanos.
   2. Tire um tempo para se familiarizar com a anatomia dos músculos de interesse, bem como com a anatomia circundante. Sugere-se que o sonografista use um livro didático de anatomia ou, preferencialmente, um modelo interativo de anatomia 3D on-line para se familiarizar com a anatomia do interesse.
2. Preparação do Participante
   1. Explique o protocolo do estudo ao participante e adquira o consentimento aprovado pelo IRB antes do início do protocolo de imagem.
   2. Peça ao participante que use roupas apropriadas para permitir o acesso ao músculo de interesse. Por exemplo, se o sonografista planeja imaginar um músculo do antebraço, o participante deve ser convidado a usar uma camisa de manga curta.
   3. Coloque o participante em uma cadeira ajustável que pode ser trancada no lugar. Tire um tempo para ajustar a cadeira para deixar o participante o mais confortável possível, enquanto ainda proporciona acesso ao músculo de interesse.
      NOTA: Se uma cadeira ajustável que pode ficar completamente plana não estiver disponível, alguns desenhos de estudo podem exigir o uso de uma tabela para acessar o músculo de interesse (ou seja, isquiotibiais).
   4. Coloque a articulação que o músculo de interesse abrange em uma postura que pode ser controlada e repetida. Utilizar orientação ^clínica33 para localização de marcos anatômicos e implantação de goniometria; usar normas ISB para definir o sistema de coordenadas ^{conjuntas34,35}. Em geral, para medir o ângulo articular, marque marcos anatômicos com marcador seguro de pele (Tabela de Materiais) e, em seguida, alinhe o centro de um goniômetro portátil com o eixo de rotação da articulação e os braços do goniômetro até os segmentos articulares.
      NOTA: Se a imagem do músculo passivo, recomenda-se colocar o músculo de interesse em uma posição relativamente alongada para evitar a imagem do músculo frouxo.
      1. Para replicar o bíceps brachii conforme imagem deste estudo, participantes do assento com pés apoiados, costas retas, ombro a 85° de abdução e 10° de flexão horizontal, cotovelo a flexão de 25° e antebraço, pulso e dedos neutros.
      2. Para replicar a tibialis anterior como imagem neste estudo, os participantes do assento com joelho a 60° de flexão e tornozelo a 15° de flexão plantar.
   5. Fixar o membro dos participantes usando alças de pano para minimizar o movimento durante o protocolo de imagem.

Aquisição de Imagens

3. Ligue e ligue o sistema de ultrassom. Certifique-se de que o exame está definido como Musculoesquelético, o transdutor em uso é selecionado (aqui usamos 14L5), e a frequência de transmissão é definida entre 5-17 MHz (aqui foi utilizado 11MHz), uma faixa de frequência típica para imagens musculoesqueléticos. Frequências mais altas são geralmente usadas para imagens mais superficiais à medida que melhoram a resolução, mas diminuem a penetração de ondas.
4. Vá para as configurações do sistema para ajustar as configurações do footswitch. Para efeitos deste protocolo, recomendamos definir o footswitch para iniciar/parar a imagem. Se o footswitch em uso tiver vários pedais, defina pedais adicionais para "Congelar" ou "Pausar", e "Imprimir" ou "Armazenar" a imagem.
5. Aplique uma quantidade generosa de gel de ultrassom na cabeça do transdutor.
6. Coloque o transdutor na pele do participante na região aproximada de interesse.
7. Mova o transdutor no plano de eixo curto do músculo. Observe que o transdutor tem uma pequena protuberância de um lado, chamada de indicador. O lado do transdutor que tem o indicador corresponde ao lado esquerdo da imagem do ultrassom. Ao fotografar no eixo curto, o sonografista mantenha o indicador apontado lateralmente e quando o sonografista estiver em eixo longo, aponte o indicador de forma distral.
8. Identifique o músculo de interesse no plano de eixo curto (perpendicular à direção da fibra muscular) e mova o transdutor distal e proximal para obter uma visualização completa do caminho muscular.
   1. Marque marcos anatômicos importantes (ou seja, as bordas laterais e medial do músculo, a junção do tendão muscular e a inserção muscular) utilizando marcadores de tinta seguros para a pele (Tabela de Materiais).
9. Uma vez identificado e devidamente marcado a localização do músculo, o sonografista mova o transdutor de ultrassom no plano de eixo longo (paralelo à direção da fibra muscular).
10. Começando na extremidade distal ou proximal do músculo, gire e incline o transdutor para identificar o plano fascículo naquele ponto. Faça uma marca na pele quando a posição correta do transdutor tiver sido estabelecida.
11. Uma vez que o plano fascicle aproximado tenha sido estabelecido ao longo de todo o comprimento desejado para ser escaneado, tenha a prática de sonografista seguindo esse caminho.
12. Para começar a coletar imagens, coloque o sistema de ultrassom no modo EFOV-US.
13. A partir de uma extremidade do músculo, clique no footswitch para iniciar a aquisição da imagem e mova lentamente e continuamente o transdutor de ultrassom no eixo longo. Uma vez que o fim do músculo tenha sido alcançado, clique no footswitch para acabar com a aquisição de imagem.
14. Pratique e garanta o caminho correto do transdutor. Isso pode tirar várias imagens práticas antes de obter consistentemente imagens EFOV-US de "qualidade" (Ver seção 2 para explicação de imagens de qualidade).
15. Para otimizar a visibilidade e clareza da imagem, considere ajustes nos seguintes parâmetros.
    1. Profundidade: Se a aquisição de imagem terminar antes que o comprimento desejado do músculo possa ser capturado, aumente a profundidade da imagem (no sistema usado aqui, aumentar a profundidade da imagem aumenta o comprimento absoluto que a varredura pode ser).
    2. Foco: Coloque a seta de foco na metade inferior da Imagem logo abaixo do músculo de interesse.
    3. Ganho: Certifique-se de que o ganho é equilibrado através da profundidade da imagem.
    4. Velocidade: Imagem na velocidade ideal como guiada pelo indicador (na maioria dos sistemas um indicador de velocidade exibe no monitor durante a imagem panorâmica).
16. Uma vez que foram coletadas imagens qualitativamente boas (etapa 2.1), aperte o pedal de footswitch print/store ou um botão sinônimo no painel de controle para salvar a imagem.
17. Repetição de passos 1.13-1.16 até 3 imagens EFOV-US de qualidade do músculo são obtidas.
18. Repetir as etapas 1.6-1.17 até que todos os músculos de interesse sejam obtidos.
19. Use uma toalha para limpar suavemente o gel da pele do participante. Em seguida, o participante enxágue a área da pele ou use uma toalha úmida para limpar a pele que foi exposta ao gel. Seco.
20. Limpe gel da cabeça do transdutor e desinfete.
21. Exporte imagens como imagens DICOM não compactadas em um CD-DVD, unidade flash ou através da rede local em um computador.

2. Determinando a "qualidade" da imagem EFOV-EUA

1. Seguindo a etapa 1.13, que o sonografista identifique e avalie a qualidade das principais características anatômicas do músculo de interesse e sua anatomia circundante. Trata-se de uma avaliação qualitativa baseada no conhecimento do sonografista sobre anatomia e ecogenicidade do tecido musculoesquelético (capacidade de um tecido para refletir ondas ultrassônicas). Para que uma imagem EFOV-US seja considerada qualitativamente "boa" o seguinte deve ser atendido:
   1. Em qualquer imagem de longo eixo de um músculo, verifique se o sonografista pode identificar claramente o músculo como uma forma hipoecórica (escura) com limites hiperecóicos (brilhantes) que representam a fáscia muscular profunda e superficial.
   2. Entre os limites musculares, verifique se o sonografista pode identificar o tecido conjuntivo ao redor de um fascículo muscular como linhas hiperecóicas (brilhantes).
      NOTA: Ao fotografar músculos multi-pennados, a imagem também deve conter tendões centrais que aparecem na barriga muscular, entre a fáscia muscular profunda e superficial, como uma estrutura hiperecóica (brilhante).
   3. Verifique se a imagem não tem dobra excessiva. Isso geralmente é indicado por sombras ou lacunas na imagem ou uma linha de régua flexível irregular sobre a imagem.
2. Se faltar uma ou mais das estruturas teciduais descritas no 2.1, considere a imagem "qualitativamente pobre" e volte a viver no modo 2D.

3. Comprimento do Fascicle Muscular Quanitfying

1. Para quantificar o comprimento do fascículo muscular, use imageJ, uma plataforma de processamento de imagem de código aberto. ImageJ pode ser baixado em https://imagej.net/Downloads.
   NOTA: Embora o ImageJ seja frequentemente implementado24,25,31,36,37,38, a quantificação do comprimento do fascicle muscular pode ser medida usando outros softwares de processamento de ^imagem8,39 ou códigos ^{personalizados40,41}.
2. Uma vez baixado, abra as imagens de ultrassom como imagens DICOM no ImageJ clicando em Arquivo | Abra e selecione a imagem para analisar.
3. Para garantir que as propriedades de imagem DICOM tenham sido preservadas, clique na ferramenta Linha Reta no menu Ferramentas e desenhe uma linha reta de 0 a 1 cm na régua na lateral da imagem do ultrassom. Em seguida, vá para Analisar | Medida para medir a linha feita. Se as propriedades da imagem tiverem sido preservadas, o comprimento da linha reta deve ser de 1 cm.
4. Para medir os comprimentos do fascicle na imagem, complete o seguinte.
   1. Clique com o botão direito do mouse na ferramenta Linha Reta .
   2. Selecione Linha Segmentada.
   3. Mova o cursor para a imagem e clique em uma extremidade do fascicle que foi escolhido para ser medido.
      NOTA: Faça apenas medições em fascicles que todo o caminho do fascículo (ou seja, de uma aponeurose para a próxima aponeurose ou aponeurose ao tendão central) pode ser visto de forma convincente.
   4. Clique ao longo do caminho para garantir que a curvatura no caminho do fascículo seja capturada.
   5. Uma vez que o fim do caminho fascicle é alcançado, clique duas vezes para finalizar a linha e vá para Analisar | Meça para medir o comprimento da linha.
      NOTA: Uma nova janela, "Resultados", aparecerá na primeira vez que uma medição for feita. Quais valores são exibidos podem ser gerenciados na janela Resultados indo para resultados | Definir medidas.
5. Repetição de passos 3.4.3-3.4.5 até que várias medidas de fascículo sejam feitas em uma única imagem.
6. Salve medições de fascicle clicando em | de arquivos Salvar na guia de resultados ou os valores podem ser copiados e colados em outro documento/planilha.

Resultados

O ultrassom de campo de visão estendido (EFOV-US) foi implementado para obter imagens da cabeça longa do bíceps brachii e da tibialis anterior em 4 voluntários saudáveis (Tabela 1). A Figura 1 mostra o que as imagens EFOV-US de ambos os músculos foram imagens nesta sessão de imagem representativa e destaca aspectos importantes de cada imagem, como aponeurose muscular, tendão central, caminho de fascículo, etc. Após o fim da sessão de imagem, foram analisadas 3 ima...

Discussão

Passos críticos no protocolo.

Existem alguns componentes críticos para obter imagens EFOV-US de qualidade que produzem medidas válidas e confiáveis de comprimento de fascicle. Em primeiro lugar, como indicado no método 1.1.2 é essencial que o sonografista tire tempo para se familiarizar com a anatomia do músculo que está sendo imageado, bem como músculos, ossos e outras estruturas de tecidos moles circundantes. Isso melhorará a capacidade do sonografista de imaginar ...

Materiais

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