ヴィクラム・ダルベとパトリック・フランクスの実験的指導に感謝します。この作品は、国立科学財団大学院研究フェローシッププログラムの助成No.DGE-1324585、およびNIH R01D084009およびF311AR076920。この資料に記載されている意見、調査結果、結論または勧告は著者のものであり、必ずしも国立科学財団またはNIHの見解を反映しているわけではありません。

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
<ol><li>ソノグラファーの準備<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>参加者準備<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。<ol>
<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>画像取得
<ol start="3"><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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)。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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)。</li>
	</ol></li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>2. EFOV-US イメージの「品質」の決定
<ol><li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>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。</li>
</ol>3. 筋肉の魅惑的な長さを量子化
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>[直線] ツールを右クリックします。</li>
		<li>[セグメント化された線分]を選択します。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>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。</li>
	<li>[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。</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

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?...

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。

<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 &amp;amp;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

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。

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」?...

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

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。

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

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

Universidad de Cartagena UDEC

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Anatomy and Physiology

Medicine

Unit 1

The Muscular System

SCIENTISTS IN ACTION

3.6K ビュー.  Northwestern University. 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。

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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.

単離骨格筋のミオ - 機械的分析

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 ...

医学

A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

Ultrasound is an attractive modality for imaging muscle and tendon motion during dynamic tasks and can provide a complementary methodological approach for biomechanical studies in a clinical or laboratory setting. Towards this goal, methods for quantification of muscle kinematics from ultrasound imagery are being developed based on image processing. The temporal resolution of these methods is typically not sufficient for highly dynamic tasks, such as drop-landing. We propose a new approach that utilizes a Doppler method for quantifying muscle kinematics. We have developed a novel vector tissue Doppler imaging (vTDI) technique that can be used to measure musculoskeletal contraction velocity, strain and strain rate with sub-millisecond temporal resolution during dynamic activities using ultrasound. The goal of this preliminary study was to investigate the repeatability and potential applicability of the vTDI technique in measuring musculoskeletal velocities during a drop-landing task, in healthy subjects. The vTDI measurements can be performed concurrently with other biomechanical techniques, such as 3D motion capture for joint kinematics and kinetics, electromyography for timing of muscle activation and force plates for ground reaction force. Integration of these complementary techniques could lead to a better understanding of dynamic muscle function and dysfunction underlying the pathogenesis and pathophysiology of musculoskeletal disorders.

We describe a new ultrasound-based vector tissue Doppler imaging technique to measure muscle contraction velocity, strain and strain rate with sub-millisecond temporal resolution during dynamic activities. This approach provides complementary measurements of dynamic muscle function and could lead to a better understanding of mechanisms underlying musculoskeletal disorders.

筋骨格超音波画像の新規応用

Ultrasound is an attractive modality for imaging muscle and tendon  motion during dynamic tasks and can provide a complementary methodological  approach ...

X-ray Diffraction of Intact Murine Skeletal Muscle as a Tool for Studying the Structural Basis of Muscle Disease

Transgenic mouse models have been important tools for studying the relationship of genotype to phenotype for human diseases including those of skeletal muscle. Mouse skeletal muscle has been shown to produce high quality X-ray diffraction patterns on third generation synchrotron beamlines providing an opportunity to link changes at the level of the genotype to functional phenotypes in health and disease by determining the structural consequences of genetic changes. We present detailed protocols for preparation of specimens, collecting the X-ray patterns and extracting relevant structural parameters from the X-ray patterns that may help guide experimenters wishing to perform such experiments for themselves.

We present detailed protocols for performing small-angle X-ray diffraction experiments using intact mouse skeletal muscles. With the wide availability of transgenic mouse models for human diseases, this experimental platform can form a useful test bed for elucidating the structural basis of genetic muscle diseases

筋肉疾患の構造的基礎を研究するためのツールとしての無傷のマウス骨格筋のX線回折

Transgenic mouse models have been important tools for studying the relationship of genotype to phenotype for human diseases including those of skeletal ...

発生生物学

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.

骨格筋疾患の定量的磁気共鳴イメージング

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

3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue

The developmental goal of 3D ultrasound imaging (3DUS) is to engineer a modality to perform 3D morphological ultrasound analysis of human muscles. 3DUS images are constructed from calibrated freehand 2D B-mode ultrasound images, which are positioned into a voxel array. Ultrasound (US) imaging allows quantification of muscle size, fascicle length, and angle of pennation. These morphological variables are important determinants of muscle force and length range of force exertion. The presented protocol describes an approach to determine volume and fascicle length of m.&#160;vastus lateralis and m.&#160;gastrocnemius medialis. 3DUS facilitates standardization using 3D anatomical references. This approach provides a fast and cost-effective approach for quantifying 3D morphology in skeletal muscles. In healthcare and sports, information on the morphometry of muscles is very valuable in diagnostics and/or follow-up evaluations after treatment or training.

3D ultrasound imaging (3DUS) allows fast and cost-effective morphometry of musculoskeletal tissues. We present a protocol to measure muscle volume and fascicle length using 3DUS.

3 D の超音波画像診断: 筋骨格系組織の迅速かつコスト効果の高い計測

The developmental goal of 3D ultrasound imaging (3DUS) is to engineer a modality to perform 3D morphological ultrasound analysis of human muscles. 3DUS ...

Simultaneous Brightfield, Fluorescence, and Optical Coherence Tomographic Imaging of Contracting Cardiac Trabeculae Ex Vivo

In cardiac muscle, intracellular Ca2+ transients activate contractile myofilaments, causing contraction, macroscopic shortening, and geometric&#160;deformation. Our understanding of the internal relationships between these events has been limited because we can neither &#39;see&#39; inside the muscle nor precisely track the spatio-temporal nature of excitation-contraction dynamics. To resolve these problems, we have constructed a device that combines a suite of imaging modalities. Specifically, it integrates a brightfield microscope to measure local changes of sarcomere length and tissue strain, a fluorescence microscope to visualize the Ca2+ transient, and an optical coherence tomograph to capture the tissue&#39;s geometric&#160;changes throughout the time-course of a cardiac cycle. We present here the imaging infrastructure and associated data collection framework. Data are collected from isolated rod-like tissue structures known as trabeculae carneae. In our instrument, a pair of position-controlled platinum hooks hold each end of an ex vivo muscle sample while it is continuously superfused with nutrient-rich saline solution. The hooks are under independent control, permitting real-time control of muscle length and force. Lengthwise translation enables the piecewise scanning of the sample, overcoming limitations associated with the relative size of the microscope imaging window (540 &#181;m by 540 &#181;m) and the length of a typical trabecula (&#62;2000 &#181;m). Platinum electrodes at either end of the muscle chamber stimulate the trabecula at a user-defined rate. We exploit the stimulation signal as a trigger for synchronizing the data from each imaging window to reconstruct the entire sample twitching under steady-state conditions. Applying image-processing techniques to these brightfield imaging data provides tissue displacement and sarcomere length maps. Such a collection of data, when incorporated into an experiment-modeling pipeline, will provide a deeper understanding of muscle contractile homogeneity and heterogeneity in physiology and pathophysiology.

Simultaneous Brightfield, Fluorescence, and Optical Coherence Tomographic Imaging of Contracting Cardiac Trabeculae Ex Vivo

This protocol presents a collection of sarcomere, calcium, and macroscopic geometric&#160;data from an actively contracting cardiac trabecula ex vivo. These simultaneous measurements are made possible by the integration of three imaging modalities.

心臓トラベキュラEx Vivoの同時ブライトフィールド、蛍光、光コヘレンス断層イメージング

In cardiac muscle, intracellular Ca2+ transients activate contractile myofilaments, causing contraction, macroscopic shortening, and ...

生物工学

Muscle Function Obtained with Motion Mode Ultrasound and Surface Electromyography during Core Endurance Exercise

Motion mode (M-mode) ultrasound allows researchers and clinicians to measure the change of muscle thickness across time. Muscle thickness can be measured between fascial borders at a given time point during an exercise. This selected time point produces a one-dimensional image resulting in real-time, live observation of anatomy. Ultrasound used during functional movement can be referred to as dynamic ultrasound; this is feasible and reliable with the use of a linear transducer, elastic belt, and foam block to secure consistent transducer placement. The lateral abdominal wall is commonly investigated using ultrasound due to the overlapping nature of the muscles. Surface electromyography (sEMG) can complement M-mode ultrasound imaging because it measures the electrical representation of muscle activation. There is minimal evidence using M-mode ultrasound and sEMG simultaneously during core exercise. Exercises that challenge the core musculature involve both isometric holds (e.g., side plank), as well as oscillatory extremity movements (e.g., dead bug). In this study, both instruments will be used simultaneously to measure core muscle function during exercise. Ultrasound measurements will be obtained using a linear transducer and ultrasound unit, and sEMG measurements will be acquired from a wireless sEMG system. To make comparisons between participants and exercises, normalization methods using static, exercise starting positions for both instruments will be used. An activation ratio will be used for ultrasound and calculated by dividing the contracted thickness (thickness during a time point of exercise) by the rested (starting position) thickness. Muscle thickness will be measured in centimeters from the superior inferior fascial border to inferior superior fascial border. These methods aim to offer an innovative and practical measurement of muscle function with M-mode ultrasound and sEMG during core endurance exercises.

This protocol uses motion mode ultrasound and surface electromyography simultaneously to measure muscle function of the core. Muscle thickness and activation of the local stabilizers (e.g., transverse abdominis, internal oblique) and global movers (e.g., external oblique) is achievable during specific time points of the side plank and dead bug exercises.

コア持久力運動中のモーションモード超音波と表面筋電図で得られる筋機能

Motion mode (M-mode) ultrasound allows researchers and clinicians to measure the change of muscle thickness across time. Muscle thickness can be measured ...

アキレス腱の形態の超音波評価

Measurement of Healthy and Injured Triceps Surae Morphology

Achilles tendon injuries occur throughout the lifespan and can negatively affect quality of life and overall health. Achilles tendinopathy is generally classified as an overuse injury associated with fusiform tendon thickening, neovascularization, and interstitial tendon degeneration. Current literature suggests these structural changes are associated with&#160;symptoms and lower physical activity levels, as well as&#160;symptoms and lower extremity function in the long term. Surgically and non-surgically managed Achilles tendon ruptures result in increased tendon cross-sectional area (CSA) and a lengthened Achilles tendon. Both structural outcomes have clinical implications, as larger CSA positively predicts function, whereas increased tendon lengthening predicts reduced function after Achilles tendon rupture. Given the relationship between structural changes associated with Achilles tendon injuries for both injury severity and injury recovery, it is critical to be able to quantify Achilles tendon structure reliably and accurately. Silbernagel&#39;s group has established a valid and reliable method for efficiently evaluating triceps surae muscle and tendon structure. In this protocol, B-mode musculoskeletal ultrasound imaging is used to measure triceps surae structure, including Achilles tendon thickness and CSA, soleus thickness, and the presence of additional findings (calcifications and bursitis). B-mode extended field-of-view is used to measure Achilles tendon length and gastrocnemius anatomical CSA. Finally, power Doppler is used to identify intratendinous neovascularization. Quantification of triceps surae structure allows for comparison between limbs as well as longitudinal changes in response to exercise and treatment for healthy individuals and those with Achilles tendon injuries. This protocol has been used in many research studies to date and proves valuable in understanding the relationship between tendon structure and injury development, severity, and recovery. As ultrasound devices are becoming more affordable and portable, this protocol proves promising as a clinical tool, given its quick and efficient methods.

著者スポットライト:アキレス腱損傷の複雑さを探る—研究と将来の方向性

Ultrasound imaging is becoming more accessible in clinical and research settings, and a consistent protocol will be beneficial for comparison between studies and for clinical interpretations. This protocol for ultrasound evaluation is a valid and reliable method to evaluate Achilles tendon morphology in healthy, tendinopathic, and ruptured tendons.

健常者と負傷した上腕三頭筋の形態の測定

Achilles tendon injuries occur throughout the lifespan and can negatively affect quality of life and overall health. Achilles tendinopathy is generally ...

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

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単離骨格筋のミオ - 機械的分析

筋骨格超音波画像の新規応用

筋肉疾患の構造的基礎を研究するためのツールとしての無傷のマウス骨格筋のX線回折

骨格筋疾患の定量的磁気共鳴イメージング

3 D の超音波画像診断: 筋骨格系組織の迅速かつコスト効果の高い計測

心臓トラベキュラEx Vivoの同時ブライトフィールド、蛍光、光コヘレンス断層イメージング

コア持久力運動中のモーションモード超音波と表面筋電図で得られる筋機能

健常者と負傷した上腕三頭筋の形態の測定

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