Strain-Ultraschallelastografie der Muskulatur bei muskelgesunden Kindern und Erwachsenen

Zusammenfassung

Ziele Standardisierte Anwendung und Auswertung der Strain-Ultraschallelastografie (USE) anhand von Farbskala- und Deformationsquotienten-(Strain-Ratio)-Analyse. Ermittlung von Elastizitätsunterschieden der Muskulatur bei muskelgesunden Kindern und Erwachsenen.

Material und Methoden Es wurden 22 Erwachsene (20–30 Jahre) und 21 Kinder (2–12 Jahre) beidseits an den Mm. biceps brachii, Mm. recti femoris sowie Mm. gastrocnemii nach einer Ruhephase elastografisch untersucht. Bei Erwachsenen erfolgten zudem Messungen nach standardisierter muskulärer Beanspruchung.

Ergebnisse Es fanden sich Unterschiede zwischen den Ruhewerten der Arm- und Beinmuskulatur sowie zwischen den Geschlechtern. Farbskala- und Deformationsanalyse zeigten ähnliche Tendenzen. Bei Erwachsenen fand sich eine höhere Elastizität nach muskulärer Beanspruchung. Die muskelgesunden Kinder wiesen in Ruhe signifikant niedrigere Muskelelastizitäten auf als Erwachsene.

Schlussfolgerung Die Strain-Elastografie ist eine einfache, kostengünstige, nichtinvasive Methode zur Beurteilung der elastischen Eigenschaften der Muskulatur, wenn die Voraussetzungen für standardisierte Messungen und Auswertungen gegeben sind.

Kernaussagen: 

• Die Strain-Elastografie kann standardisiert bei muskelgesunden Erwachsenen und Kindern eingesetzt werden.

• Sowohl die Farbskala-Analyse als auch die Strain-Ratio-Analyse erwiesen sich als probate Auswertungsmethoden.

• Mittels Strain-Elastografie-Messung wird die Muskulatur bei Erwachsenen nach Beanspruchung als elastischer beurteilt.

• Mittels Strain-Elastografie-Messung weist die Muskulatur von Erwachsenen eine höhere Elastizität im Vergleich zu Kindern auf.

Zitierweise

• Wenz H, Dieckmann A, Lehmann T et al. Strain Ultrasound Elastography of Muscles in Healthy Children and Healthy Adults. Fortschr Röntgenstr 2019; 191: 1091 – 1098

Key words

muscle elasticity - strain elastography - ultrasound elastography - children

Einleitung

Die Ultraschallelastografie (USE) basiert auf der fundamentalen Sonografie und stellt eine innovative, nichtinvasive diagnostische Methode dar, um die elastischen Eigenschaften von Geweben zu beurteilen. Die Strain-Elastografie wird bisher vor allem in der Onkologie in der Beurteilung der Steifigkeit bzw. Elastizität von Herdbefunden angewandt [1].

Bei der Strain-Elastografie/Realtime-USE wird durch den Untersucher über den Ultraschallkopf eine Gewebedeformation (engl.: strain) provoziert. Hartes Gewebe lässt sich weniger deformieren als weiches, elastisches Gewebe [1] [2] [3]. Die Strain-Elastografie-Analyse vergleicht die interne Ultraschallausbreitung vor und nach erfolgter moderater Druckausübung (engl.: stress) sowie die relative Gewebedeformation eines Gebietes zu seiner Umgebung. Es entsteht ein auf das B-Mode-Ultraschallbild projiziertes „Elastogramm“, welches die Elastizitäten in Echtzeit (engl.: realtime) durch Farbunterschiede anzeigt [4].

Häufig wird rot für weicheres Gewebe und blau für härteres Gewebe gewählt. Die Elastizität kann durch die Bewertung der Farbverteilung rein qualitativ oder semiquantitativ durch die Vergabe von Punktwerten entsprechend der Farbverteilung beurteilt werden (z. B. 1 = rot = weich bis 5 = blau = hart). Es besteht bei einigen Geräten die Möglichkeit, einen Deformationsquotienten (engl.: strain-ratio) als Zahlenwert zu berechnen. Dies erfolgt durch die Ermittlung der Gewebedeformation eines Referenzbereichs geteilt durch die Gewebedeformation eines anderen zu untersuchenden Bereichs (engl.: Region of Interest (ROI)) [1] [2] [4].

Zur sonografischen Bestimmung der Muskelelastizität gibt es erste Studien, die jedoch aufgrund der Heterogenität der jeweiligen Studiendesigns (z. B. differente Sonografie-Geräte, Erfahrung des Untersuchers, unterschiedliche Fallzahl und Alter der Probanden), aber auch durch die bisher unzureichend standardisierte Anwendung der Strain-Elastografie und differente Auswertung der Elastogramme schwierig miteinander zu vergleichen sind [4] [5] [6] [7] [8].

So kamen bspw. Yanagisawa et al., welche die Strain-USE vor und nach muskulärer Belastung bei Erwachsenen anwendeten, und eine Studie von Berko et al., welche die Muskelelastizität bei Kindern vor und nach standardisierten Übungen elastografisch bestimmten, zu widersprüchlichen Ergebnissen. Während Yanagisawa et al. bei Erwachsenen nach Belastung eine erniedrigte Elastizität nachwiesen, zeigte die USE bei Berko et al. bei Kindern eine höhere Muskelelastizität nach Belastung [5] [8].

Ziel der vorliegenden prospektiven Studie war es, die Methode der Strain-Elastografie zur Beurteilung elastischer Eigenschaften der Muskulatur bei muskelgesunden jungen Erwachsenen zu evaluieren und Einflussfaktoren auf die Ergebnisse zu untersuchen sowie das Verfahren an einem Kollektiv von muskelgesunden Kindern zu erproben. Neben der subjektiven Farbskala-Analyse kam die Deformationsquotienten-Analyse aus Fett- zu Muskeldeformierung zur qualitativen Auswertung der Elastogramme zum Einsatz.

Material und Methodik

Untersuchungskollektiv

Anamnestische Angaben (Alter, Geschlecht, Größe, Gewicht, Händigkeit, Füßigkeit, Sporteinheiten (mindestens 1 Stunde pro Woche), Verletzungen, Schmerzanamnese, Operationen) wurden je nach Studiengruppe per Fragebogen erfasst. Es wurden mündliche sowie schriftliche Einwilligungserklärungen eingeholt.

Muskelgesunde Kinder

25 muskelgesunde Kinder (9 Mädchen, 12 Knaben) wurden prospektiv untersucht. Das Alter lag im Durchschnitt bei 6,4 ± 2,4 Jahren, der BMI bei 17,3 ± 3,5 kg/m². 15 Kinder wiesen einen dominanten rechten Arm auf, 3 einen dominant linken Arm und bei 3 Kindern konnte dazu keine Aussage getroffen werden. 12 der Kinder gaben an, den rechten Fuß dominant zu gebrauchen, 1 Kind benutze dominant das linke Bein und 8 Kinder konnten sich nicht eindeutig festlegen.

Aufgrund mangelnder Compliance konnten nur die Untersuchungsergebnisse von 21 Kindern für die statistische Auswertung berücksichtigt werden, da Bewegungsartefakte die Aufnahmen beeinflussten.

Muskelgesunde Erwachsene

22 muskelgesunde Erwachsene (11 Frauen und 11 Männer) wurden elastografisch untersucht. Die Probanden waren im Durchschnitt 24,4 ± 2,8 Jahre alt und wiesen einen BMI von 21,8 ± 1,9 kg/m² auf. 19 Probanden waren nach eigenen Angaben Rechtshänder, 4 Linkshänder. 18 Probanden gaben an, dominant den rechten Fuß zu benutzen, 4 den linken Fuß. Im Durchschnitt machten die Probanden 2,8 ± 1,4-mal die Woche > 1 Stunde Sport. Alle elastografischen Aufnahmen konnten in der statistischen Auswertung berücksichtigt werden.

Ein-/Ausschlusskriterien

Ausgeschlossen wurden Probanden mit Erkrankungen oder Auffälligkeiten des Bewegungsapparates wie Muskelschmerzen, Faszikulationen, entzündlichen Hautveränderungen an den Untersuchungslokalisationen oder Operationen in den letzten 6 Monaten an den Extremitäten. Es wurden erwachsene Probanden ausgeschlossen, deren BMI > 25 lag. Es ist bekannt, dass bei adipösen Patienten keine ausreichende Deformierung in tieferen Muskelgewebsschichten möglich ist [3]. In der statistischen Analyse wurden nur die Aufnahmen ausgewertet, welche standardisiert durchgeführt worden waren.

Ethikvotum

Diese prospektive Studie wurde durch die lokal zuständige Ethikkommission positiv begutachtet.

Untersuchungsmethodik

Die Untersuchungen erfolgten nach Optimierung der Geräteeinstellung mithilfe der Applikationsspezialistin durch eine über 4 Wochen intensiv in der Strain-Elastografie trainierte Untersucherin am iU22-Sonografiegerät der Firma Philips mit einem L12–5 MHz Linearschallkopf. Untersucht wurde beidseits der M. biceps brachii, M. quadriceps femoris und die Mm. gastrocnemii medialis und lateralis. Die Messungen des M. biceps brachii und M. quadriceps femoris wurden in entspannter Rückenlage vollzogen, während der M. gastrocnemius in Bauchlage mit über der Liege hängenden Füßen untersucht wurde. Die zu untersuchenden Muskeln wurden entsprechend des Faserverlaufs im Längsschnitt zunächst im B-Mode-Verfahren eingestellt. Um standardisierte Messungen durchführen zu können, wurde jeweils die Mitte zwischen Ansatz und Ursprung des Muskels als Messlokalisation ausgewählt. Der Schallkopf wurde im 90° Winkel auf die zu untersuchende Körperoberfläche mit moderatem Druck (ablesbar am realtime-compression-feedback-Balken des Monitors) ausgerichtet. Sowohl das B-Mode-Bild als auch das Elastogramm wurden im Zweibildmodus angezeigt, um möglichst standardisiert reproduzierbare Cine-Clips von ca. 5–10 Sekunden zu generieren. Die ROI-Box wurde auf die maximale Größe des Bildes angepasst.

Während bei Kindern die Strain-USE-Messungen nur in Ruhe erfolgten, wurden die Messungen bei den Erwachsenen nach einer Ruhephase sowie nach muskulärer Belastung durchgeführt. In Anlehnung an Berko et al. wurden für den M. biceps brachii Kurzhanteln mit Gewichten zwischen 2 kg und 5 kg verwendet bei einer Wiederholungsanzahl von 20–50 Streck- und Beugebewegungen bis zur individuellen muskulären Ermüdung [8]. Der M. quadriceps femoris wurde durch Anspannung beim Wandsitzen (Oberschenkel im 90° Winkel) belastet (zwischen 30–60 Sekunden). Der M. gastrocnemius wurde beim Zehenspitzenstand durch Auf- und Abwippen beansprucht (zwischen 60–100 Sekunden).

Auswertungsverfahren

Farbskala-Analyse

In Anlehnung an Berko et al. erfolgte die Auswertung der Cine-Clips anhand einer 5-Punkte-Farbskala [8] im Konsens durch 2 in der Strain-Elastografie erfahrene Kinderradiologen. Die dominierende Farbe innerhalb des Muskels wurde bestimmt und anhand der Farbskala ([Abb. 1]) zugeordnet und interpretiert. Für diese Strain-Elastografie-Studie wurde rot als hohe Elastizität (weiches Gewebe) und blau als geringe Elastizität (steifes Gewebe) festgelegt. Ein Score von 1 wurde als höchste Elastizität, ein Score von 5 als niedrigste Elastizität festgelegt (siehe [Abb. 1]) [8].

Abb. 1 5-Punkte-Farbskala zur Auswertung der strain-elastografischen Messungen. Rot (a = 1) beschreibt die höchste Elastizität, blau (e = 5) beschreibt steifes Gewebe [8].

Strain-Ratio-Analyse

Die Cine-Clips wurden mittels der Quantifizierungssoftware QLAB (Philips) semiquantitativ ausgewertet. Hierzu wurde der Deformationsquotient (Strain-Ratio) aus berechnet. 30 Bilder innerhalb der Cine-Clips wurden ausgewählt, bei welchen der Untersucherdruck am konstantesten war. Eine Region of Interest (ROI) wurde in den Bereich des Fettgewebes gelegt, eine weitere ROI von gleicher Größe in das Muskelgewebe. Die Quantifizierungssoftware QLAB ermittelte prozentuale Werte für die Deformierung im Fett- (1) und im Muskelgewebe (2) und kalkulierte den Deformationsquotienten aus Median 1/Median 2 (siehe [Abb. 2]).

Abb. 2 Positionierung der Region of Interest (ROI) im Fett- (gelbe Markierung) und im Muskelgewebe (grüne Markierung). Die Deformation im Muskelgewebe (0,084 %) ist größer als im Fettgewebe (0,010 %), sodass der hohe Deformationswert des Muskels im Nenner einen kleinen Deformationsquotienten-Wert ergibt.

Statistik

Für die statistische Analyse wurden SPSS, Version 23 und Microsoft Excel genutzt. Das Signifikanzniveau wurde mit p < 0,05 gewählt. Nach eingehender statistischer Beratung wurden die arithmetischen Mittelwerte, die Standardabweichungen und Variationskoeffizienten () analog zu früheren Studien analysiert [9] [10]. Zum Vergleich der Elastizitätsänderungen vor sowie nach Belastung bei muskelgesunden Probanden kam der Wilcoxon-Test für verbundene Stichproben zur Anwendung. Die Korrelation zu Alter, BMI, Händigkeit, Füßigkeit usw. wurde für jede Gruppe mittels nichtparametrischem Test nach Spearman jeweils für die Ruhewerte und unter Belastung durchgeführt. Für unabhängige Stichproben, wie dem Vergleich zwischen den einzelnen Studiengruppen oder Unterschieden zwischen den Geschlechtern, wurde der Mann-Whitney-U-Test verwendet.

Ergebnisse

Muskelgesunde Erwachsene

Sowohl die Farbskala-Analyse als auch die Strain-Ratio-Analyse zeigten, dass es nach Belastung in der Muskulatur gesunder Erwachsener eine Tendenz zu höherer Elastizität gibt. In den Elastogrammen ([Abb. 3]) stellt sich dies als Zunahme des roten Farbanteils im Vergleich zur Ruhekarte dar.

Abb. 3 Elastogramme des M. rectus femoris bei einem 25-jährigen muskelgesunden Erwachsenen vor (Ruhe, links) und nach muskulärer Beanspruchung (Belastung, rechts). Nach Belastung ist eine Zunahme der Elastizität (rote Farbanteile) im Vergleich zur Ruhe erkennbar.

Farbskala-Analyse

Im Vergleich zwischen den einzelnen Muskelgruppen ergab sich bei Messung nach der Ruhephase für den M. biceps brachii ein Durchschnittswert von 2,75. Dieser Wert unterscheidet sich deutlich von den Werten der Beinmuskulatur. Diese wies im Durchschnitt Ruhewerte von 1,78 Punkten auf der Farbskala auf. Für alle Muskelgruppen konnte die Tendenz zu größerer Elastizität nach muskulärer Belastung festgestellt werden. Beim M. biceps brachii links (p = 0,003) wurde ein signifikanter Unterschied nachgewiesen. Die Standardabweichung (SD) bewegte sich zwischen ± 0,45 bis ± 0,69, die Variationskoeffizienten zwischen 0,19–0,39. [Tab. 1] fasst die Ergebnisse der Farbskala-Analyse zusammen.

Tab. 1 Parameter der Farbskala-Analyse bei muskelgesunden Erwachsenen vor und nach Belastung (Median u. Standardabweichung).

	vor Belastung (n = 22)	nach Belastung (n = 22)	Differenz	p-Wert
Biceps rechts	2,68 ± 0,50	2,52 ± 0,63	+ 0,16	0,172
Biceps links	2,82 ± 0,61	2,41 ± 0,57	+ 0,41	0,003
Quadriceps rechts	1,70 ± 0,68	1,66 ± 0,64	+ 0,04	0,681
Quadriceps links	1,73 ± 0,57	1,68 ± 0,52	+ 0,05	0,917
Gastrocnemius rechts	1,73 ± 0,53	1,84 ± 0,45	– 0,11	0,160
Gastrocnemius links	1,95 ± 0,69	1,93 ± 0,60	+ 0,02	0,808

Strain-Ratio-Analyse

Sowohl für den M. biceps brachii (rechts p = 0,013 und links p = 0,028) als auch für den M. quadriceps femoris (rechts p = 0,009 und links p = 0,015) waren die Unterschiede zwischen den Messungen in Ruhe und Belastung signifikant different. Die SD schwankte im Durchschnitt um ± 0,18 um die Mittelwerte. Die Variationskoeffizienten lagen im Durchschnitt bei 0,62. [Tab. 2] fasst die Ergebnisse der Strain-Ratio-Analyse zusammen.

Tab. 2 Deformationsquotienten-Analyse bei muskelgesunden Erwachsenen (Median u. Standardabweichung).

	vor Belastung (n = 22)	nach Belastung (n = 22)	Differenz	p-Werte
Biceps rechts	0,22 ± 0,11	0,17 ± 0,10	0,05	0,013
Biceps links	0,24 ± 0,13	0,17 ± 0,55	0,07	0,028
Quadriceps rechts	0,27 ± 0,20	0,20 ± 0,12	0,07	0,009
Quadriceps links	0,32 ± 0,31	0,20 ± 0,14	0,12	0,015
Gastrocnemius rechts	0,20 ± 0,10	0,16 ± 0,06	0,04	0,245
Gastrocnemius links	0,20 ± 0,12	0,20 ± 0,19	0,00	0,650

Korrelationen der Muskelelastizitäten

Die nichtparametrische Korrelationsanalyse nach Spearman ergab, dass die Änderungen der Elastizitätswerte (vor zu nach Belastung) von muskelgesunden Erwachsenen nicht signifikant mit den Variablen Alter, BMI, dominante Händigkeit, Füßigkeit oder sportliche Aktivität korrelierten.

Es fanden sich jedoch signifikant unterschiedliche Tendenzen zwischen den Geschlechtern bei den Ruhewerten des M. biceps rechts (p = 0,002; Durchschnittswert Frauen 2,36; Männer 3,00), dem M. quadriceps rechts (p = 0,01; Durchschnittswert Frauen 1,32; Männer 2,10) sowie den Mm. gastrocnemii beidseits (rechts p = 0,001; Durchschnittswert Frauen 1,32; Männer 2,14; links p = 0,003; Durchschnittswert Frauen 1,6; Männer 2,32) bei der Auswertung der Elastogramme mittels Farbskala-Analyse. Die Männer zeigten stets höhere Werte auf der Farbskala. Auch die Ruhewerte der Deformationsquotienten-Analyse zeigten signifikant unterschiedliche zentrale Tendenzen zwischen den Geschlechtern beim M. quadriceps femoris beidseits (rechts p = 0,016; Durchschnittswert Frauen 0,36; Männer 0,17; links p = 0,000; Durchschnittswert Frauen 0,47; Männer 0,17). Frauen wiesen die höheren Werte in der Deformationsquotienten-Analyse auf.

Zudem ließ sich mittels Deformationsquotienten-Analyse bei muskelgesunden weiblichen Probanden eine Tendenz zu einer größeren Streuung der Werte feststellen.

Muskelgesunde Kinder

Auch zwischen unterschiedlichen Probandengruppen (Erwachsenen und Kindern) konnten in der Farbskala-Analyse und in der Strain-Ratio-Analyse signifikante Elastizitätsunterschiede der Skelettmuskulatur nachgewiesen werden.

Farbskala-Analyse

Für den M. quadriceps femoris beidseits (p = 0,001) und für den M. gastrocnemius lateralis rechts (p = 0,050) wurden statistisch signifikante Unterschiede erhoben. Die Muskulatur von Erwachsenen wies eine höhere Elastizität auf als die Muskulatur von Kindern (siehe [Tab. 3]).

Tab. 3 Ruhe-Werte der Farbskala-Analyse bei muskelgesunden Erwachsenen und Kindern (Median und Standardabweichung).

	gesunde Erwachsene (n = 22)	gesunde Kinder (n = 21)	Differenz	p-Wert
Biceps rechts	2,68 ± 0,50	2,85 ± 0,75	– 0,17	0,519
Biceps links	2,82 ± 0,60	3,15 ± 0,50	– 0,33	0,067
Quadriceps rechts	1,70 ± 0,68	2,85 ± 0,67	– 1,15	0,001
Quadriceps links	1,73 ± 0,57	2,95 ± 0,76	– 1,22	0,001
Gastrocnemius rechts	1,73 ± 0,53	2,15 ± 0,58	– 0,42	0,050
Gastrocnemius links	1,95 ± 0,69	2,00 ± 0,60	– 0,06	0,958

Strain-Ratio-Analyse

Signifikante Unterschiede (p < 0,05) wurden für alle Muskelgruppen zwischen Kindern und Erwachsenen festgestellt (siehe [Tab. 4]).

Tab. 4 Ruhe-Werte der Deformationsquotienten-Analyse bei muskelgesunden Erwachsenen und Kindern (Median und Standardabweichung.

	Gesunde Erwachsene (n = 22)	Gesunde Kinder (n = 21)	Differenz	p-Werte
Biceps rechts	0,22 ± 0,11	0,62 ± 0,45	– 0,40	0,000
Biceps links	0,24 ± 0,13	0,59 ± 0,55	– 0,35	0,009
Quadriceps rechts	0,27 ± 0,20	0,62 ± 0,49	– 0,35	0,001
Quadriceps links	0,32 ± 0,31	0,70 ± 0,51	– 0,38	0,001
Gastrocnemius rechts	0,20 ± 0,10	0,48 ± 0,48	– 0,28	0,021
Gastrocnemius links	0,20 ± 0,12	0,42 ± 0,40	– 0,22	0,005

Diskussion

Ultraschallelastografie

Vor allem für die Anwendung bei Kindern stellt die Elastografie eine zukunftsorientierte und vielversprechende diagnostische Methode für die Beurteilung der Steifigkeit von Organen und Weichgeweben dar, da sie nichtinvasiv, risikoarm, kostengünstig und gut in den klinischen Alltag integrierbar ist [1] [8]. Die bisher veröffentlichten Publikationen zur Elastizitätsmessung des Skelettmuskels mittels USE weisen allerdings eine große Heterogenität in ihren Studiendesigns auf [5] [6] [8] [12] [13] [14].

Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Strain-USE zur Elastizitätsbestimmung der Skelettmuskulatur an verschiedenen Muskelgruppen Erwachsener standardisiert anzuwenden, um Fehlerquellen aufzudecken und die Methode zu etablieren. Zukünftige Studien könnten sich an der detaillierten Beschreibung der bei uns verwendeten Untersuchungstechnik orientieren (siehe Abschnitt Material und Methodik) [15]. Eine standardisierte, bequeme Position und gute Compliance des zu Untersuchenden sowie die standardisierte Anwendung der Technik durch den erfahrenen Untersucher sind Voraussetzung, um gut reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten [15] [16].

Der realtime-compression-feedback-Balken in der Strain-Elastografie-Anzeige erwies sich als sehr hilfreich bei der Abschätzung der standardisierten manuellen Druckausübung. Bei ungleichmäßiger Druckeinwirkung können Artefakte im Elastogramm entstehen (siehe [Abb. 4]) [4] [17], die zu fehlerhaften Einschätzungen führen können.

Abb. 4 Elastogramm mit Pfeilen zur Markierung von Artefakten am Bildrand durch ungleichmäßige Druckausübung.

Problematisch ist, dass mehr als 5 cm in der Tiefe liegendes Gewebe nicht suffizient verformt wird und es zur Abschwächung der Ultraschallwellen kommen kann [1] [18]. Drakonaki et al. zeigen, dass bisher keine Einigkeit über die Größe der ROI-Box besteht [4]. In dieser Studie wurde die ROI-Box konstant auf maximale Größe angepasst, sodass alle beeinflussenden Strukturen miteinbezogen wurden.

De Zordo et al. konnten an der Sehne des M. gastrocnemius zeigen, dass die Strain-Ultraschallelastografie hoch sensitiv und spezifisch in Bezug auf klinische Befunderhebungen (z. B. Krepitation, Schmerz, Ödeme) und zur B-Bild-Sonografie ist [4] [12] [19]. Die Korrelation zum fundamentalen Ultraschall betrug 0,89 [20]. Chino et al. untersuchten 2012 die Möglichkeit, die Strain-Elastografie zur Untersuchung der Muskelarchitektur und -elastizität einzusetzen und kamen zu einem positiven Ergebnis bezüglich der Reliabilität und Validität der Methode [7]. Andere Elastografie-Techniken fanden zur Beurteilung der Muskelelastizitäten bisher wenig Anwendung, da die Besonderheiten der muskulären Architektur, wie bspw. das nichtlineare Spannungs-Dehnungsverhalten, die Viskoelastizität sowie die Anisotropie der Muskulatur, die Werte der Scherwellengeschwindigkeit verfälschen können (ARFI-Elastografie, transiente Elastografie). Hervorzuheben ist dabei bspw., dass bei unterschiedlichem Verlauf der Muskelfaserausrichtungen richtungsabhängige Elastizitätsunterschiede gemessen werden und es zu Verfälschungen der Elastizitätsmessung kommen kann, da sich die Scherwellen mit höherer Geschwindigkeit ausbreiten, wenn sie sich parallel und nicht senkrecht zu anatomischen Strukturen bewegen [1] [4] [21].

Auswerteverfahren

Neben verschiedenen Untersuchungstechniken wurden in dieser Studie unterschiedliche Auswerteverfahren der Elastogramme verwendet.

Die Analyse von Cine-Loops (kurzen Videosequenzen) anstelle einzelner Bilder ergibt einen umfassenderen Einblick zur Elastizitätsverteilung [4]. Die Farbskala-Analyse erwies sich als einfaches und probates Mittel, um die Videosequenzen auszuwerten. Die Variationskoeffizienten der Farbskala-Auswertung schwankten insgesamt zwischen 0,16 und 0,39, während die Variationskoeffizienten der Deformationsquotienten-(Strain-Ratio)-Analyse (Werte zwischen 0,38 und 1,26) deutlich höher waren.

Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Betrachtung eines relativ großen Muskelausschnitts (Farbskala) weniger störanfällig gegenüber einer geringeren Compliance ist, als die Analyse mittels Deformationsquotienten (sehr kleiner untersuchter Ausschnitt), auch wenn letztere ein statistisch höheres Skalenniveau aufweist. Da die Farbskala von Berko et al. lediglich ordinalskaliert ist und sich somit weniger mathematische Aussagen treffen lassen als bspw. bei einer Intervall- oder Verhältnisskala, sollte die Farbskala überarbeitet werden, um sie auf ein höheres Skalenniveau zu heben. Eine Objektivierung der Auswertung der Farbkarten durch die Anwendung von Farbpixel-Histogrammen könnte perspektivisch eine gute Möglichkeit darstellen, um die Subjektivität dieser Analyseform zu reduzieren.

Bei der Strain-Ratio-Analyse kann es infolge der manuellen Platzierung der ROI zu untersucherabhängig unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Als Referenz wurde das subkutane Fettgewebe gewählt, da sich dieses bereits bei der Auswertung der Strain-Elastografie bei Sehnen des M. gastrocnemius bewährt hatte [4].

Ergebnisse der muskelgesunden Erwachsenen

In der vorliegenden Studie wurden Elastizitätsunterschiede zwischen der Arm- und Beinmuskulatur beobachtet [8]. Eine Erklärung könnte in der unterschiedlichen Funktion liegen: Während der M. biceps brachii zur Bewegungsmuskulatur gezählt wird, zählt der M. rectus femoris zu den Haltemuskeln des Körpers. Sie weisen Unterschiede im Anteil an Typ 1 (langsame) und Typ 2 (schnelle) Muskelfasern, in Größe der motorischen Einheiten und Kapillarisierung auf [22]. Berko et al. diskutieren die Unterschiede in der unterschiedlichen Entwicklung von Muskelmasse, Kraft und täglicher Beübung [8]. Warum die unterschiedlichen Elastizitäten zwischen oberer und unterer Extremität bei guter Compliance der Erwachsenen mittels Deformationsquotienten-Analyse nicht nachgewiesen werden konnten, bleibt ungeklärt.

Der in unserer Studie mittels Strain-Ratio-Analyse beobachtete signifikante Einfluss einer muskulären Belastung auf die Elastizität von M. biceps brachii und M. rectus femoris könnte durch einen erhöhten Blutfluss infolge der Vasodilatation innerhalb des Muskels erklärt werden [23]. Inami et al. [13] und Berko et al. [8] beschreiben in ihren Studien ebenfalls nach Belastung eine höhere Elastizität. Inami et al. beobachteten zudem bei Messung im kontrahierten Zustand eine Verhärtung der Muskulatur [13]. Die Strain-Elastografie kann demzufolge nicht nur Unterschiede in der Muskelarchitektur detektieren, sondern auch Tonuserhöhung oder eventuell Veränderungen in der Durchblutung. Um weitere Erkenntnisse zu den Hintergründen der Elastizitätsveränderung nach muskulärer Kontraktion zu erhalten, würden weitere Studien zur Bestimmung der Muskelperfusion hilfreich sein.

Bezogen auf die dominante Seite konnte durch den hohen Anteil von Rechtshändern in der vorliegenden Studie eine Tendenz zur höheren Elastizität der jeweils rechten Extremität nachgewiesen werden. Signifikante Unterschiede, wie in der Studie von Berko et al., konnten nicht nachgewiesen werden [8].

Frauen zeigten in der Strain-Ratio tendenziell eine höhere Streuung der Elastizitätswerte, was sich durch eine höhere Variabilität von Muskelfasertypen und -größen im Vergleich zu Männern erklären lässt [24]. Bei den Ruhewerten unterschieden sich die Geschlechter ebenso in den Elastizitäten, was auf den unterschiedlichen Fettgehalt und die Komprimierung des Muskels zurückgeführt werden könnte.

Ergebnisse der muskelgesunden Kinder

4 Kinder wurden aufgrund mangelnder Compliance von der Studie ausgeschlossen. Die Tatsache, dass bei Kindern in der Strain-Ratio-Analyse größere Standardabweichungen (Kinder ± 0,48, Erwachsene ± 0,16) zu finden waren, unterstreicht die Notwendigkeit einer guten Mitarbeit bei der Durchführung und zeigt ihre Grenzen auf.

Mittels Farbskala-Analyse und Strain-Ratio-Analyse konnten signifikante Unterschiede zwischen muskelgesunden Kindern und Erwachsenen aufgezeigt werden. Erwachsene wiesen bei der Farbskala-Analyse eine um 12,4 % und bei der Strain-Ratio-Analyse eine um 55,6 % elastischere Muskulatur auf als die muskelgesunden Kinder. Die Werte von Kindern zeigten ähnliche Elastizitätswerte auf der Farbskala wie bei den muskelgesunden Kindern der Studie von Berko und Kollegen. Sie lagen im Durchschnitt bei 2,7 Punkten (Berko 2,9 Punkte). Begründungen für die altersabhängigen Elastizitätsunterschiede könnten in dem altersabhängigen Anteil der unterschiedlichen Muskelfasern, Muskelmasse, Kollagengehalt im Muskel und der unterschiedlichen Fettverteilung liegen [25].

Limitationen der Studie

Unsere Studie weist einige Limitationen auf, welche in nachfolgenden Studien beachtet werden sollten. Da es zum Zeitpunkt der Untersuchungen keine ausreichend belegte Literatur gab, um Annahmen, z. B. über erwartete Mittelwerte, zu treffen (bisherige Studien widersprechen sich), wurde nach statistischer Beratung auf eine Fallzahlberechnung mittels G-Power verzichtet. Es konnte lediglich eine kleine Fallzahl an Probanden untersucht werden, sodass die statistische Aussagekraft limitiert ist. Nachfolgende Studien sollten möglichst mit größeren Fallzahlen konzipiert werden, denkbar wären Multicenterstudien. Ebenso wurden trotz ordinalskalierter Werte der semi-quantitativen Farbskala-Analyse die arithmetischen Mittelwerte anstelle der Mediane gewählt, um die Ergebnisse besser mit anderen Studien vergleichbar zu machen. Zwar werden dadurch realistischere Ergebnisse dargestellt, jedoch auch Ausreißer gleichermaßen miteingerechnet. Zudem wäre für weitere Studien eine Intra- und Interobserver-Validierung wünschenswert, da sich unsere Studie lediglich auf vorausgegangene Studien stützt [4] [5] [6] [7] [8] [12] [20].

Schlussfolgerungen

Aufgrund der Heterogenität des Designs vorliegender Publikationen zur Elastografie ist ein Vergleich der Ergebnisse schwierig. In dieser Studie stand daher die Standardisierung der Durchführung und Auswertung von Muskel-Elastogrammen im Vordergrund. Fehlerquellen wurden aufgedeckt, Lösungsvorschläge angeboten und detailliert eine optimierte Untersuchungstechnik beschrieben.

Die Farbskala- und die Strain-Ratio-Analyse erwiesen sich bei Erwachsenen und Kindern als probate Techniken zur Analyse der Elastizität verschiedener Muskelgruppen. Die Strain-Elastografie ist ein prinzipiell einfaches, kostengünstiges und rasches diagnostisches Verfahren ohne ionisierende Strahlung, um die Muskelelastizität zu beurteilen, wenn die Voraussetzungen für standardisierte Messungen gegeben sind. Für eine Etablierung der Methode sollten jedoch eine Fallzahlplanung vorausgehen und größer angelegte Studien folgen.

Conflict of Interest

The authors declare that they have no conflict of interest.

• References

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