Name: obtaining quality extended field-of-view ultrasound images of skeletal muscle to measure muscle fascicle length
Uploaded: 2020-12-14T14:00:00
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Nous tenons à remercier Vikram Darbhe et Patrick Franks pour leurs conseils expérimentaux. Ce travail est soutenu par le Programme de bourses de recherche pour diplômés de la National Science Foundation sous le numéro de subvention. DGE-1324585 ainsi que NIH R01D084009 et F31AR076920. Toutes les opinions, constatations et conclusions ou recommandations exprimées dans ce document sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue de la National Science Foundation ou des NIH.

Le Conseil d’examen institutionnel (CISR) de l’Université Northwestern a approuvé les procédures de cette étude. Tous les participants inscrits à ce travail ont donné leur consentement éclairé avant de commencer le protocole détaillé ci-dessous. NOTE: Le système d’échographie spécifique utilisé dans cette étude avait des capacités EFOV-US et a été adopté parce que nous avons été en mesure d’examiner les détails et les évaluations de validité de l’algorithme dans la littérature <sup c...

Étapes critiques du protocole.
Il existe quelques composants essentiels pour obtenir des images EFOV-US de qualité qui donnent des mesures de longueur de fascicule valides et fiables. Tout d’abord, comme indiqué dans la méthode 1.1.2, il est essentiel que l’échographiste prenne le temps de se familiariser avec l’anatomie du muscle imagé ainsi qu’avec les muscles environnants, les os et d’autres structures des tissus mous. Cela améliorera la capacité de l’é...

La longueur du fascicule est un paramètre important de l’architecture des muscles squelettiques, ce qui, dans l’ensemble, indique la capacité d’un muscle à produire de la force1,2. Plus précisément, la longueur du fascicule d’un muscle donne un aperçu de la gamme absolue de longueurs sur lesquelles un muscle peut générer une force active3,4. Par exemple, étant donné deux muscles ayant des valeurs identiques pour tous les paramètres générateurs de force isométrique (c.-à-d. longueur moyenne du sarcomère, angle de pennation, section transversale physiologique, état de contraction, etc.), à l’exception de la longueur du fascicule, le muscle avec les fascicules les plus longs produirait sa force maximale à une longueur plus longue et produirait une force sur une gamme de longueurs plus large que le muscle avec des fascicules plus courts3 . La quantification de la longueur du fascicule musculaire est importante pour comprendre à la fois la fonction musculaire saine et les changements dans la capacité de génération de force d’un muscle, qui peuvent survenir à la suite d’une altération de l’utilisation musculaire (p. ex., immobilisation5,6, intervention d’exercice7,8,9, port du talon haut10) ou d’un changement dans l’environnement du muscle (p. ex., chirurgie de transfert de tendon11, distraction des membres12 ). Les mesures de la longueur du fascicule musculaire ont été obtenues à l’origine par des expériences cadavériques ex vivo qui permettent de mesurer directement les fascicules disséqués13,14,15,16. Les informations précieuses fournies par ces expériences ex vivo ont suscité un intérêt pour la mise en œuvre de méthodes in vivo17,18,19 pour répondre à des questions auxquelles il n’était pas possible de répondre dans les cadavres; Les méthodes in vivo permettent de quantifier les paramètres musculaires dans un état natif ainsi qu’à différentes postures articulaires, différents états de contraction musculaire, différents états de charge ou de déchargement, et à travers des populations avec des conditions différentes (c.-à-d. en bonne santé / blessé, jeune / vieux, etc.). Le plus souvent, l’échographie est la méthode utilisée pour obtenir des longueurs de fascicule musculaire in vivo18,19,20; elle est plus rapide, moins coûteuse et plus facile à mettre en œuvre que d’autres techniques d’imagerie, telles que l’imagerie par tenseur de diffusion (DTI)18,21.
L’échographie à champ de vision étendu (EFOV-US) s’est avérée être une méthode valide et fiable pour mesurer la longueur du fascicule musculaire in vivo. Bien que couramment mises en œuvre, l’échographie traditionnelle (T-US) a un champ de vision limité par la longueur du réseau du transducteur à ultrasons (généralement entre 4 et 6 cm, bien qu’il existe des sondes qui s’étendent jusqu’à 10 cm10)18,20. Pour surmonter cette limitation, Weng et al. ont développé une technologie EFOV-US qui acquiert automatiquement une image « panoramique » composite et bidimensionnelle (jusqu’à 60 cm de long) à partir d’un balayage dynamique à distance étendue22. L’image est créée en assemblant, en temps réel, une séquence d’images échographiques traditionnelles en mode B pendant que le transducteur scanne dynamiquement l’objet d’intérêt. Étant donné que les images T-US séquentielles ont de grandes régions qui se chevauchent, les petites différences d’une image à l’autre peuvent être utilisées pour calculer le mouvement de la sonde sans utiliser de capteurs de mouvement externes. Une fois que le mouvement de la sonde entre deux images consécutives est calculé, l’image « actuelle » est fusionnée successivement avec les images précédentes. La méthode EFOV-US permet la mesure directe de longs fascicules musculaires incurvés et s’est avérée fiable pour les muscles, les essais et les échographistes23,24,25 et valable pour les surfaces planes et courbes23,26.
La mise en œuvre d’ultrasons pour mesurer la longueur du fascicule musculaire in vivo n’est pas anodine. Contrairement à d’autres techniques d’imagerie qui impliquent des protocoles plus automatisés (c.-à-d. IRM, tomodensitométrie), l’échographie dépend des compétences de l’échographiste et des connaissances anatomiques27,28. On craint qu’un désalignement de la sonde avec le plan fascicule puisse entraîner une erreur substantielle dans les mesures du fascicule. Une étude démontre peu de différence (en moyenne < 3 mm) dans les mesures de la longueur du fascicule prises à l’aide de l’échographie et de l’IRM DTI, mais montre également que la précision de mesure est faible (écart type de différence ~ 12 mm)29. Pourtant, il a été démontré qu’un échographiste novice, avec la pratique et les conseils d’un échographiste expérimenté, peut obtenir des mesures valides en utilisant EFOV-US23. Ainsi, des efforts devraient être faits pour démontrer des protocoles appropriés pour réduire les erreurs humaines et améliorer la précision des mesures obtenues à l’aide d’EFOV-US. En fin de compte, l’élaboration et le partage de protocoles appropriés peuvent augmenter le nombre d’expérimentateurs et de laboratoires capables de reproduire des données sur la longueur des fascicules provenant de la littérature ou d’obtenir de nouvelles données sur les muscles qui n’ont pas encore été étudiés in vivo.
Dans ce protocole, nous montrons comment mettre en œuvre la méthode EFOV-US pour obtenir des images musculo-squelettiques de haute qualité qui peuvent être utilisées pour quantifier la longueur du fascicule musculaire. Plus précisément, nous abordons (a) la collecte d’images EFOV-US d’un seul membre supérieur et d’un seul muscle du membre inférieur (b) la détermination, en temps réel, de la « qualité » de l’image EFOV-US et (c) la quantification des paramètres de l’architecture musculaire hors ligne. Nous fournissons ce guide détaillé pour encourager l’adoption de la méthode EFOV-US pour obtenir des données sur la longueur des fascicules musculaires dans les muscles qui n’ont pas été étudiés in vivo en raison de leurs longs fascicules.

<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 longueur du fascicule musculaire, qui est généralement mesurée in vivo à l’aide d’ultrasons traditionnels, est un paramètre important définissant la capacité de génération de force d’un muscle. Cependant, plus de 90% de tous les muscles des membres supérieurs et 85% de tous les muscles des membres inférieurs ont des longueurs de fascicule optimales plus longues que le champ de vision des sondes échographiques traditionnelles courantes (T-US). Une méthode plus récente et moins fréquemment adoptée appelée échographie à champ de vision étendu (EFOV-US) peut permettre la mesure directe de fascicules plus longtemps que le champ de vision d’une seule image T-US. Cette méthode, qui assemble automatiquement une séquence d’images T-US à partir d’un balayage dynamique, s’est avérée valide et fiable pour obtenir des longueurs de fascicule musculaire in vivo. Malgré les nombreux muscles squelettiques avec de longs fascicules et la validité de la méthode EFOV-US pour effectuer des mesures de ces fascicules, peu d’études publiées ont utilisé cette méthode. Dans cette étude, nous démontrons à la fois comment mettre en œuvre la méthode EFOV-US pour obtenir des images musculo-squelettiques de haute qualité et comment quantifier la longueur des fascicules à partir de ces images. Nous nous attendons à ce que cette démonstration encourage l’utilisation de la méthode EFOV-US pour augmenter le bassin de muscles, à la fois dans les populations saines et altérées, pour lesquelles nous disposons de données in vivo sur la longueur des fascicules musculaires.

L’échographie à champ de vision étendu (EFOV-US) a été mise en œuvre pour obtenir des images de la longue tête du biceps brachii et du tibialis antérieur chez 4 volontaires sains (tableau 1). La figure 1 montre les images EFOV-US des deux muscles imagées lors de cette séance d’imagerie représentative et met en évidence des aspects importants de chaque image tels que l’aponévrose musculaire, le tendon central, la trajectoire du fascicule, etc. Une fois la s...

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

Cette étude décrit comment obtenir des images musculo-squelettiques de haute qualité en utilisant la méthode EFOV-US (Extended Field-of-View Ultrasound) dans le but de mesurer la longueur du fascicule musculaire. Nous appliquons cette méthode aux muscles avec des fascicules qui s’étendent au-delà du champ de vision des sondes à ultrasons traditionnelles courantes (T-US).

Obtention d’images échographiques à champ de vision étendu de qualité du muscle squelettique pour mesurer la longueur du fascicule musculaire

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

Being able to obtain quality extended field of view ultrasound images can increase the number of muscles for which we have in vivo fascicle length data. The main advantage of extended field of view ultrasound is that it can enable direct measurement of longer curved muscle fascicles which cannot be captured with traditional ultrasound. This method may be applied to the over 90%of upper limb and 85%of lower limb muscles with optimal fascicle lengths longer than the field of view of common ultrasound probes.Successful implementation of this method requires a good understanding of musculoskeletal anatomy. Practice obtaining images and practice assessing the quality of images. Begin by taking time to become familiar with the systems method for obtaining EFOV-US and with the anatomy of the muscles of interest.After explaining the study protocol, seat the participant in an adjustable chair that can be locked in place, and adjust the chair so that the participant is as comfortable as possible while still providing access to the muscle of interest. Place the joint that the muscle of interest spans in a posture that can be controlled and repeated and use clinical guidance to locate anatomical landmarks. Using the ISB standards for defining the joint coordinate system, mark the anatomical landmarks with a skin-safe marker.Align the center of a handheld goniometer with the axis of rotation of the joint and align the arms of the goniometer with the joint's segments, then, measure the joint angle. Then use cloth straps to secure the limb to minimize movement during the imaging protocol. For image acquisition, plug in and turn on the ultrasound system and ensure that the exam is set to musculoskeletal, the transducer is set to the transducer in use, and the transmit frequency is set between five to 17 megahertz.In the system's software, set the foot switch to start-stop the imaging. If the foot switch in use has multiple pedals, set additional pedals to freeze or pause and to print or store the image. Next, apply a generous amount of ultrasound gel to the head of the transducer and place the transducer onto the participant's skin in the approximate region of interest.Move the transducer across the shorter axis plane of the muscle keeping the indicator pointed laterally. Identify the muscle of interest in the short axis plane perpendicular to the muscle fiber direction and move the transducer distally and proximally to acquire a full visualization of the muscle path using the skin-safe markers to mark important anatomical landmarks as they are identified. Once the location of the muscle has been identified and marked, move the ultrasound transducer in the long axis plane with the indicator pointed distally.When either the distal or proximal end of the muscle has been identified, rotate and tilt the transducer to identify the fascicle plane at that point and mark the skin when the correct transducer position has been established. Once the approximate fascicle plane has been established along the entire desired length to be scanned, practice following the muscle path and set the ultrasound system to the extended field of view mode. Starting at one end of the muscle, click the foot switch to start the image acquisition and slowly and continuously move the ultrasound transducer along the long axis.When the end of the muscle has been reached, click the foot switch to end image acquisition. To optimize image visibility and clarity, if the image acquisition ends before the desired length of the muscle can be captured, increase the depth of the image. To adjust the focus, place the focus arrow in the lower 1/2 of the image just below the muscle of interest.Ensure that the gain is balanced through the depth of the image and use the indicator to determine the optimal speed for moving the transducer. Once qualitatively good images have been collected, export the images as uncompressed DICOM images. Adjust the chair so that the participant is comfortable and the tibialis anterior can be accessed with ultrasound.Then, locate and mark anatomical landmarks and make joint angle measures. After finding the location of the fascicle plane and practicing capturing images, capture an EFOV-US image of the tibialis anterior. When all of the images have been acquired, open a long axis image of interest in an appropriate image analysis software program.Identify the connective tissues surrounding the muscle as bright hyperechoic lines indicating the muscle boundaries around a dark hypoechoic shape and check that the image does not have excessive non-anatomical bending, gaps in the image, or a jagged, flexible ruler line over the image. If the image is missing one or more of these tissue structures, deem the image qualitatively poor. To quantify the muscle fascicle length, first, open the image of interest in ImageJ and use the straight line tool to draw a 10 millimeter straight line on the ruler on the side of the ultrasound image.Select analyze and measure to measure the line. If the image properties have been preserved, the length of the straight line should be approximately one centimeter. To measure the fascicle lengths in the image, right click on the straight line tool to select segmented line.Click one end of the fascicle to be measured and continuously click along the muscle path to ensure that the curvature in the fascicle has been captured. Then, double-click at the end of the fascicle and select analyze and measure to measure the length of the line. In these representative analyses, extended field of view ultrasound was used to obtain images from the long head of the biceps brachii and the tibialis anterior in four healthy volunteers.Extended field of view ultrasound imaging of these muscles was used to observe important aspects of the tissues such as central tendon and fascicle path. After imaging, qualitatively good images were then analyzed for each muscle in each individual. ImageJ was implemented to measure four fascicles with paths that could be convincingly visualized from their origin to insertion and that were located in different portions of the muscle in each image.The average fascicle lengths obtained in this study for the biceps brachii and the tibialis anterior were within the range of previously reported fascicle lengths. As it can be difficult to determine which images are appropriate for fascicle evaluation, here, representative, qualitatively bad images are shown with the portions of the images that are specifically bad highlighted. In these images, variations in the muscle quality and landmarks for different individuals can be observed.When attempting this protocol, take time to understand the validity of the algorithm used by the ultrasound system. Review the anatomy of the muscle of interest and obtain sufficient practice imaging. This protocol is intended to provide pointers and describe the necessary standards.So extended field of view ultrasound may be applied to muscles beyond the two examples we provide. We expect that this method will be applied to steady muscle in both healthy and impaired populations to better understand healthy muscle function and muscle adaptation following injury or disease.

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