Name: obtaining quality extended field-of-view ultrasound images of skeletal muscle to measure muscle fascicle length
Uploaded: 2020-12-14T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Obtaining Quality Extended Field-of-View Ultrasound Images of Skeletal Muscle to Measure Muscle Fascicle Length at JoVE.com

Мы хотели бы поблагодарить Викрама Дарбхе и Патрика Фрэнкса за их экспериментальное руководство. Эта работа поддерживается Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда в рамках гранта No. DGE-1324585, а также NIH R01D084009 и F31AR076920. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, являются мнениями авторов и не обязательно отражают взгляды Национального научного фонда или NIH.

Совет по институциональному обзору Северо-Западного университета (IRB) одобрил процедуры этого исследования. Все участники, участвующие в этой работе, дали информированное согласие до начала протокола, подробно описанного ниже. ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретная ультразвуковая система, использу...

Критические шаги в протоколе.
Существует несколько критических компонентов для получения качественных изображений EFOV-US, которые дают действительные и надежные измерения длины фасцикул. Во-первых, как указано в методе 1.1.2, важно, чтобы сонографисту потребовалос...

Длина фасции является важным параметром архитектуры скелетных мышц, который в целом свидетельствует о способности мышцы вырабатывать силу1,2. В частности, длина фасций мышцы дает представление об абсолютном диапазоне длин, на которых мышца может генерировать активную силу3,4. Например, учитывая две мышцы с одинаковыми значениями для всех изометрических силовых параметров (т.е. средняя длина саркомера, угол пеннации, физиологическая площадь поперечного сечения, состояние сокращения и т.д.), за исключением длины фасцикулы, мышца с более длинными фасцикулами будет производить свою пиковую силу при большей длине и будет производить силу в более широком диапазоне длин, чем мышца с более короткими фасцикулами3 . Количественная оценка длины мышечной фасции важна для понимания как здоровой мышечной функции, так и изменений в способности мышцы генерировать силу, которые могут произойти в результате изменения использования мышц (например, иммобилизация5,6, вмешательство в физические упражнения7,8,9, ношение высокой пятки10) или изменения мышечной среды (например, операция по переносу сухожилий11, отвлечение конечностей12 ). Измерения длины мышечных фасций были первоначально получены с помощью трупных экспериментов ex vivo, которые позволяют напрямую измерять рассеченные фасцикулы13,14,15,16. Ценная информация, полученная в результате этих экспериментов ex vivo, вызвала интерес к применению методов in vivo17,18,19 для решения вопросов, на которые нельзя было ответить в трупах; методы in vivo позволяют количественно оценить параметры мышц в нативном состоянии, а также при различных позах суставов, различных состояниях сокращения мышц, различных состояниях нагрузки или разгрузки, а также в популяциях с различными условиями (т.е. здоровые/травмированные, молодые/старые и т.д.). Чаще всего ультразвук является методом, используемым для получения in vivo длины мышечной фасции18,19,20; он быстрее, дешевле и проще в реализации, чем другие методы визуализации, такие как диффузионная тензорная визуализация (DTI)18,21.
Было продемонстрировано, что ультразвук с расширенным полем зрения (EFOV-US) является действительным и надежным методом измерения длины мышечной фасции in vivo. Несмотря на то, что традиционное ультразвуковое исследование (T-US) обычно реализуется, оно имеет поле зрения, которое ограничено длиной массива ультразвукового преобразователя (обычно от 4 до 6 см, хотя есть зонды, которые простираются до 10 см10) 18,20. Чтобы преодолеть это ограничение, Weng et al. разработали технологию EFOV-US, которая автоматически получает композитное двумерное «панорамное» изображение (длиной до 60 см) из динамического сканирования на увеличенное расстояние22. Изображение создается путем подгонки в режиме реального времени последовательности традиционных ультразвуковых изображений в B-режиме, поскольку преобразователь динамически сканирует интересующий объект. Поскольку последовательные изображения T-US имеют большие перекрывающиеся области, небольшие различия от одного изображения к другому могут быть использованы для расчета движения зонда без использования внешних датчиков движения. После вычисления движения зонда между двумя последовательными изображениями «текущее» изображение последовательно объединяется с предыдущими изображениями. Метод EFOV-US позволяет напрямую измерять длинные, изогнутые мышечные фасцикулы и доказал свою надежность в мышцах, испытаниях и сонографистах23,24,25 и действителен как для плоских, так и для изогнутых поверхностей23,26.
Внедрение ультразвука для измерения длины мышечной фасции in vivo не является тривиальным. В отличие от других методов визуализации, которые включают более автоматизированные протоколы (например, МРТ, КТ), ультразвук зависит от навыков сонографиста и анатомических знаний27,28. Существует опасение, что смещение зонда с плоскостью фасцикула может привести к существенной ошибке в измерениях фасцикул. Одно исследование демонстрирует небольшую разницу (в среднем < 3 мм) в измерениях длины фасций, взятых с использованием ультразвука и МРТ DTI, но также показывает, что точность измерения низкая (стандартное отклонение разницы ~ 12 мм)29. Тем не менее, было показано, что начинающий сонограф, с практикой и руководством опытного сонографиста, может получить действительные меауры с использованием EFOV-US23. Таким образом, следует приложить усилия для демонстрации соответствующих протоколов для снижения человеческой ошибки и повышения точности измерений, полученных с использованием EFOV-US. В конечном счете, разработка и совместное использование соответствующих протоколов может расширить число экспериментаторов и лабораторий, которые могут воспроизводить данные о длине фасцикул из литературы или получать новые данные в мышцах, которые еще не были изучены in vivo.
В этом протоколе мы демонстрируем, как реализовать метод EFOV-US для получения высококачественных изображений опорно-двигательного аппарата, которые могут быть использованы для количественной оценки длины мышечной фасции. В частности, мы рассматриваем (а) сбор изображений EFOV-US одной верхней конечности и одной мышцы нижней конечности, (b) определение в режиме реального времени «качества» изображения EFOV-US и (c) количественную оценку параметров мышечной архитектуры в автономном режиме. Мы предоставляем это подробное руководство, чтобы стимулировать принятие метода EFOV-US для получения данных о длине мышечных фасцикул в мышцах, которые не изучены in vivo из-за их длинных фасцикул.

<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

Длина мышечной фасции, которая обычно измеряется in vivo с использованием традиционного ультразвука, является важным параметром, определяющим способность мышцы генерировать силу. Тем не менее, более 90% всех мышц верхних конечностей и 85% всех мышц нижних конечностей имеют оптимальную длину фасцикул длиннее, чем поле зрения обычных традиционных ультразвуковых зондов (T-US). Более новый, менее часто используемый метод, называемый ультразвуком с расширенным полем зрения (EFOV-US), может обеспечить прямое измерение фасцикул длиннее, чем поле зрения одного изображения T-US. Этот метод, который автоматически объединяет последовательность изображений T-US из динамического сканирования, был продемонстрирован как действительный и надежный для получения длины мышечных фасцикул in vivo. Несмотря на многочисленные скелетные мышцы с длинными фасцикулами и обоснованность метода EFOV-US для проведения измерений таких фасцикул, немногие опубликованные исследования использовали этот метод. В этом исследовании мы демонстрируем как реализовать метод EFOV-US для получения высококачественных изображений опорно-двигательного аппарата, так и как количественно оценить длину фасцикул из этих изображений. Мы ожидаем, что эта демонстрация будет стимулировать использование метода EFOV-US для увеличения пула мышц, как в здоровых, так и в ослабленных популяциях, для которых у нас есть данные о длине мышечных фасций in vivo.

Расширенное УЗИ поля зрения (EFOV-US) было реализовано для получения изображений с длинной головки бицепса плечевого сустава и передней большеберцовой кости у 4 здоровых добровольцев (таблица 1). На рисунке 1 показаны изображения EFOV-US обеих мышц, изображенных в этом...

Watch this Scientific Journal Video about Obtaining Quality Extended Field-of-View Ultrasound Images of Skeletal Muscle to Measure Muscle Fascicle Length at JoVE.com

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

В этом исследовании описывается, как получить высококачественные изображения опорно-двигательного аппарата с использованием метода ультразвука с расширенным полем зрения (EFOV-US) с целью измерения длины мышечной фасции. Мы применяем этот метод к мышцам с фасцикулами, которые простираются за пределы поля зрения обычных традиционных ультразвуковых (T-US) зондов.

Получение качественных ультразвуковых изображений скелетных мышц с расширенным полем зрения для измерения длины мышечной фасции

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.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Anatomy and Physiology

Medicine

Unit 1

The Muscular System

SCIENTISTS IN ACTION

Myo-mechanical Analysis of Isolated Skeletal Muscle

Мио-механический анализ изолированных скелетных мышц

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 ...

Skeletal Muscle Gender Dimorphism from Proteomics

Скелетных мышц Гендерный диморфизм от протеомики

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

Метод измерения Тон Осевые и проксимальных мышц

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

Высокая пропускная проточной цитометрии Клеточная Анализ для выявления антител к N-метил-D-аспартат рецепторов или допамин-2 рецепторов в сыворотке человека

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

Человеческого скелета Процедуры биопсии мышц с использованием модифицированного Бергстром Техника

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

Количественный магнитно-резонансная томография скелетных мышечных заболеваний

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

Раннее выявление лекарственно-индуцированный почечной дисфункции гемодинамических Использование Сонографические технологии в Rats

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

Ультразвук оценки на основе коронарной артерии потока и коронарного кровотока заповедника Использование перегрузки Модель давления у мышей

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

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

Человек<em&gt; латеральной широкой</em&gt; Скелетных мышц Биопсия Используя Weil-Blakesley конхотом

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

Индукция и оценка физической нагрузке скелетных мышц нарушения у людей

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