Universität zu Köln

Rosahl, Clara Sophie (2025). Quantification of echo intensity in fascicle-aligned ultrasound: ex-vivo validation of spatial gain sonography. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The breadth of functions attributed to muscle has only recently been grasped, augmenting it from mere body locomotor to important metabolic and endocrine organ. Its structure, supported by intramuscular connective tissue, is cause and consequence of many functional changes in the muscle. Each muscle fiber is surrounded by endomysium; perimysium in turn engulfs several muscle fibers forming a fascicle. Epimysium forms the outermost layer of a muscle and is also known as fascia in clinical contexts. In pennate muscles, fascicles are not parallel to the epimysium but lie at an angle allowing for more force to be generated per muscle cross-sectional area. Changes of intramuscular connective tissue are difficult to track in a non-invasive and inexpensive way. While ultrasound offers a chance to do so, it lacks reliability as each measurement is highly dependent on operator and subject variables such as probe tilt, ultrasound device settings, muscle pennation angle and subcutaneous fat layer. Ultrasound waves are emitted from a probe and travel through connective tissue and muscle at different speeds of sound. At each tissue interface a portion of them is reflected to the probe. B-mode ultrasound images consist of pixels of different gray values determined by the sound energy received at the probe, which is also called echo intensity. Echo intensity in muscle increases with age and immobilization, but also in muscular dystrophy, which may be attributed to muscle atrophy and denser intramuscular connective tissue under these circumstances. This relationship allows for tracking muscle quality with ultrasound and eventually could help with early detection of muscle pathology. However, echo intensity decreases with increasing pennation angle if not corrected for. Similarly, different probe tilts lead to differing echo intensities, i.e., a low inter-rater reliability. This study aimed to establish a relationship between the insonation angle and echo intensity in order to mathematically integrate this relationship in future measurements or even implement it in future devices. From the laws of specular reflection, we hypothesized (1) that the highest echo intensity would result from a perpendicular insonation of muscle fascicles, i.e., with the probe parallel to the fascicle. The mean gray value (MGV) of the ultrasound image at 0° of fascicle probe angle (FPA) would then be comparable between muscles without the bias of probe tilt or pennation angle. Next, we hypothesized (2) that the relationship between MGV and FPA could be mathematically modeled and (3) that this would result in a trigonometric function. 51 muscles of Bos taurus from overall 10 different anatomical locations were scanned post-mortem at 5 different insonation angles using an angulated ultrasound gel pad. The ultrasound scans were obtained in longitudinal orientation to the fascicles with the skin, subcutaneous fat and the superficial fascia removed. All ultrasound settings remained constant throughout measurements. Pennation angle, tilt angle of the probe and mean gray value in a region of interest were measured, the relationship between FPA and MGV was analyzed and the slope of the linear function for each muscle was calculated (tilt echo gain; TEG). Computation of FPA to MGV revealed a sinusoidal fit, confirming hypotheses 2 and 3. At smaller FPAs the relationship could be modeled with a linear fit with high enough accuracy. The linear fit was used for further calculations as it would be more user-friendly in the clinical setting. We found that MGV was indeed highest at an FPA of 0° for every muscle aligning with our first hypothesis. Both MGV at 0° FPA (MGV_00) and TEG showed muscle-specific differences. They also behaved differently across muscles indicating that they reflect different features of muscle architecture. In mixed effect models age was significant for MGV_00. Limitations of this study include the unknown effect of internal image processing of the ultrasound software which is inherent to all commercial scanners. Changes in echo intensity could also have been caused by employing an ultrasound gel pad resulting in a slight variability in scanning depth. However, no significant muscle-specific effects were detected for the depth of the region of interest suggesting that scanning depth did not affect the results. While new parameters for measuring echo intensity were found in this study, it cannot be determined whether MGV_00 and TEG correlate with the amount of IMCT, which is a topic of ongoing research. Finally, age could only be made available for part of the animals resulting in limited validity of the data regarding the relationship between age and MGV_00. This study established and validated a new method to quantitatively measure echo intensity in muscles using angulation, from here on referred to as spatial gain sonography. MGV_00 and TEG serve as more objective parameters than echo intensity alone, especially with regards to probe tilt, and might serve as new muscle-specific variables to compare between or track muscle echo intensity over time. This will allow for future muscular ultrasound studies to be more comparable and is one step in the necessary standardization towards reliable ultrasound diagnostics of musculoskeletal pathologies.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Quantifizierung der Echointensität in faszikel-longitudinalem Muskelultraschall: ex-vivo Validierung von Spatial Gain Sonographie German
Translated abstract:	Abstract Language Das breite Spektrum der Funktionen von Muskulatur wurde erst kürzlich erfasst und deren Stellenwert damit von simplem Bewegungstreiber zu metabolisch und endokrin aktivem Organ angehoben. Die strukturelle Architektur des Muskels, unterstützt durch intramuskuläres Bindegewebe, ist dabei Ursache und Folge vieler funktioneller Anpassungen. Jede Muskelfaser ist von sogenanntem Endomysium umgeben, während Perimysium mehrere Muskelfasern umschließt und damit ein Faszikel bildet. Epimysium, auch als Faszie bezeichnet, bildet die äußerste Schicht des Muskels. In gefiederten Muskeln liegen die Faszikel nicht parallel zum Epimysium, sondern in einem Winkel, der eine größere Kraftgenerierung bei gleicher anatomischer Querschnittsfläche erlaubt. Veränderungen von intramuskulärem Bindegewebe lassen sich nicht-invasiv und kosteneffizient mittels Ultraschall quantifizieren. Jedoch ist die Zuverlässigkeit solcher Messungen bisher kompromittiert, da jene stark von Variablen wie Schallkopfneigung, Geräteeinstellungen, Fiederungswinkel und subkutaner Muskelschicht abhängen. Ultraschallwellen werden von einer Ultraschallsonde emittiert und setzen sich in Bindegewebe und Muskel mit jeweils unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten fort. An jeder Grenzfläche zweier Gewebe wird daher ein Teil der Wellen zur Sonde zurück reflektiert. Ein B-Mode Ultraschallbild besteht aus Pixeln unterschiedlicher Grauwerte in Abhängigkeit von der empfangenen Schallenergie, der sogenannten Echointensität. Die Echointensität von Muskel steigt mit höherem Alter und Immobilisierung an, aber auch im Rahmen neuromuskulärer Krankheiten, wie zum Beispiel bei Muskeldystrophie, was in Muskelfaseratrophie und Verdichtung des intramuskulärem Bindegewebes begründet liegen könnte. Diese Abhängigkeit erlaubt, Aussagen über die Muskelqualität mithilfe von Ultraschall zu treffen und könnte in Zukunft die Früherkennung von Muskelerkrankungen erleichtern. Allerdings muss beachtet werden, dass die Echointensität mit einem zunehmenden Fiederungswinkel aufgrund simpler akustischer Gesetzmäßigkeiten sinkt. Ebenso führt variable Sondenneigung zu unterschiedlichen Echointensitäten, das heißt auch zu einer niedrigen Interrater-Reliabilität. Das Ziel dieser Studie war, eine mathematische Beziehung zwischen Schallwinkel und Echointensität zu etablieren und diese dann in zukünftigen Messungen zu verwenden. Anhand des Reflexionsgesetztes stellten wir die Hypothese auf, (1) dass die höchste Echointensität bei senkrechter Beschallung der Faszikel auftreten würde, das heißt mit einer zu den Faszikeln parallel gehaltenen Sonde. Der mittlere Grauwert (MGV) des Ultraschallbildes bei einem Faszikelsondenwinkel (FPA) von 0° wäre anschließend zwischen verschiedenen Muskeln und ohne den Einfluss der Sondenneigung vergleichbar. Als nächstes stellten wir die Hypothese auf, (2) dass das Verhältnis zwischen MGV und FPA mathematisch zu rekonstruieren sei und (3) dass dies in einer trigonometrischen Funktion resultieren würde. 51 Muskeln von Bos taurus insgesamt 10 verschiedener anatomischer Lokalisationen wurden dafür post-mortem mit fünf verschiedenen Schallwinkeln mittels einer geneigten Vorlaufstrecke mit Ultraschall untersucht. Haut, subkutanes Fettgewebe und die oberflächliche Faszie wurden zuvor entfernt. Die Geräteinstellungen wurden über alle Messungen hinweg unverändert gehalten. Der Fiederungswinkel, der Sondenneigungswinkel und der mittlere Grauwert wurden in longitudinaler Richtung zu den Faszikeln gemessen und anschließend das Verhältnis zwischen FPA und MGV analysiert sowie der Anstieg der linearen Funktion jedes Muskels berechnet (Tilt Echo Gain; TEG). Die Aufzeichnung von MGV über FPA ergab eine sinusoidale Regression, was Hypothese 2 und 3 bestätigt. Für kleinere FPA war es möglich, eine lineare Regression mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten. Zur Vereinfachung in der klinischen Anwendung wurde diese lineare Funktion für die weiteren Berechnungen verwendet. Entsprechend unserer ersten Hypothese konnte der höchste MGV bei einem FPA von 0° (MGV_00) gemessen werden. MGV_00 und TEG zeigten zudem muskel-spezifische Unterschiede. Sie verhielten sich über verschiedene Muskeln hinweg nicht gleichgerichtet, repräsentierten also unterschiedliche Eigenschaften der Muskelbinnenstruktur. Das Alter der Tiere war signifikant für MGV_00 in der Berechnung in gemischten Modellen. Eine Limitierung dieser Studie ist die unklare Bildverarbeitung durch die interne Ultraschallsoftware, über die jedes kommerzielle Ultraschallgerät verfügt. Veränderungen der Echointensität könnten zudem durch die Vorlaufstrecke und damit unterschiedliche Schalltiefen entstanden sein. Es konnten jedoch keine signifikanten muskelspezifischen Effekte für die Tiefe der Messregion festgestellt werden, was eine Beeinflussung der Ergebnisse durch die Schalltiefe nahezu ausschließen lässt. Mit MGV_00 und TEG konnten neue Parameter für die Beschreibung von Echointensität ermittelt werden, jedoch kann nicht beurteilt werden, ob diese mit dem Gehalt an intramuskulärem Bindegewebe korrelieren, was weiterhin Gegenstand der Forschung ist. Schließlich ist die Validität der Aussagen zum Verhältnis von Alter und MGV_00 eingeschränkt, da das Alter nur für einige der Tiere verfügbar war. In dieser Studie wurde eine neue Methode zur quantitativen Messung der Echointensität von Muskeln mittels Sondenneigung, ab hier als Spatial Gain Sonography bezeichnet, etabliert und validiert. MGV_00 und TEG sind objektivere Parameter als Echointensität allein, vor allem in Bezug auf die Sondenneigung, womit sie als neue muskelspezifische Variablen zum Vergleich zwischen Muskeln oder Messzeitpunkten dienen können. Dies führt zukünftig zu besser vergleichbaren Ultraschallstudien des Muskels und ist ein wichtiger Schritt der Standardisierung auf dem Weg zu zuverlässiger Ultraschalldiagnostik muskuloskelettaler Pathologien. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rosahl, Clara Sophie UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-784046
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Kinder- und Jugendmedizin > Klinik und Poliklinik für Kinder- und Jugendmedizin
Subjects:	Technology (Applied sciences) Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language B-mode ultrasound; Echo intensity, Musculoskeletal ultrasonography; Fascia; Intramuscular connective tissue English B-Mode Ultraschall, Echointensität, Muskuloskelettaler Ultraschall, Faszie, Intramuskuläres Bindegewebe German
Date of oral exam:	17 March 2025
Referee:	Name Academic Title Rittweger, Jörn Universitätsprofessor Dr. med. Niehoff, Anja Professorin Dr. Sportwiss.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78404