The role of quantitative ultrasonography of the musculoskeletal system in the study of sarcopenia

Abstract

Introduction and Background. Sarcopenia has been characterised as a syndrome, associated with a significant functional decline, an increased rate of falls, a higher incidence of hospitalization, a higher mortality rate, impaired ability to perform activities of daily living, and a high economic burden when untreated. Sarcopenia was recognised as a disease in 2016, receiving an ICD-10-CM code (M62.84). Sarcopenia has been included as a health condition in the “Packages for Rehabilitation Interventions” by the World Health Organization. The prevalence of sarcopenia has been reported to range between 4.3% and 73.3%. The prevalence depends on the screening tools, the criteria used to establish the diagnosis, and the study population. The prompt diagnosis and management considering the ageing population are of paramount importance for sarcopenia. The diagnosis of sarcopenia is based on the assessment of muscle strength, muscle mass and physical performance. However, there is no universal consensus on the assessment methods in clinical practice, and it is technically challenging to measure muscle mass and muscle quality accurately. The quantitative assessment of muscle mass can be performed by magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT), which are considered as the gold-standards. However, these tools are not commonly used in daily clinical practice, mainly due to high cost, lack of portability and, in the case of CT, exposure to ionising radiation. Dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) is a more widely available method to determine full-body muscle mass. A significant disadvantage of DXA is that equipment is not portable, limiting its use as a screening or diagnostic tool in the community. The ultrasonographic measurement of muscle thickness has been proposed as a useful tool for early detection and monitoring of sarcopenia. Ultrasound is a reliable & valid method for determining muscle size in older adults according to published studies. Commonly used parameters include muscle thickness, cross-sectional area, fascicle length, pennation angle, and echo-intensity. Measuring muscle thickness may give an estimate of the decrease in lean body mass. Thickness and fascicle length values of medial gastrocnemius muscle have been advocated as alternative measurements for diagnosing/quantifying sarcopenia. Muscle mass prediction equations based on multiple ultrasonographic measurements of muscle thickness have been reported in the literature. The Reliability Study for US Muscle Thickness Measurements. The reliability of ultrasonography for the assessment of muscle size across a number of limb sites in healthy populations of children and adults is supported by low-level evidence. In addition, there is limited evidence on the reliability of ultrasonographically acquired muscle size measurements in clinical populations. A recent systematic review showed that ultrasound is a reliable and valid instrument for muscle size assessment in older adults. However, most published studies have either used transverse or longitudinal muscle scans without adequate scientific evidence to support their preference. In addition, studies on quantitative ultrasound muscle measurements have not considered factors that fluctuate throughout the day and may potentially affect muscle thickness, such as the hydration status and physical activity prior to ultrasound evaluation. Another concern is the comparative reliability of measurements of muscle thickness between the dominant and non-dominant sides. Aims •To assess the reliability of repetitive muscle thickness measurements on ultrasound scans acquired: at different times of the day (morning and afternoon) and at the same time of the day, within two consecutive days. •To compare the reliability of repetitive muscle thickness measurements between the dominant and non-dominant sides. •To evaluate the reliability of muscle thickness measured ultrasonographically, on transverse versus longitudinal scans. Methods. Ultrasound Scans were performed on muscles involved in activities of daily living: geniohyoid, masseter, anterior arm muscles, rectus femoris, vastus intermedius, tibialis anterior and gastrocnemius. Measurements of the muscle thickness were performed and repeated after 1, 6 and 24 hours, on both dominant and non-dominant side, using both transverse and longitudinal scans. Results. Thirteen healthy volunteers (8 males & 5 females, mean age = 24 years, SD = 2.86, range = 19 – 29) were included. The Intraclass Correlation Coefficient (ICC) was calculated between the baseline and the 1-, 6- and 24 - hour interval, using a two-way mixed model of absolute agreement. The ICC ranged from 0.295 for the longitudinal scan of the left masseter muscle in the 6-hour interval, to 0.991 for the longitudinal scan of the non-dominant anterior arm muscles in the 24-hour interval. Conclusions. According to the results of this study, the reliability of the ultrasonographically measured thickness of head and limb muscles varies. The reliability is influenced by the type of section and side of the body. Further research and an international consensus are needed to determine a universally accepted examination protocol for musculoskeletal ultrasound measurement. Evidence-based guidelines are required for standardised image acquisition and measurement techniques. The Ultrasonographic Measurement of Muscle Thickness in SarcopeniaUltrasound is a cost-effective, fast, non-invasive and widely available imaging method that does not expose the person to ionising radiation, whereas minimal staff training is needed to obtain images for basic measurements such as muscle thickness. Besides the extremity muscles, the tongue, the masseter and the diaphragm can also be conveniently evaluated with ultrasound. In addition, due to high image resolution and features such as dynamic imaging and simultaneous comparability, ultrasound is considered superior to other imaging modalities for many musculoskeletal system pathologies. The utility of quantitative ultrasonography for the assessment of muscle mass loss and identification of structural abnormalities is still under study. AimsThis study aims to investigate which muscles of the head, neck, upper and lower limbs present ultrasonographically detectable thickness changes in sarcopenic patients. More precisely, the objectives were to define which side (dominant versus non-dominant) and ultrasound section (transverse versus longitudinal) presented the most significant thickness changes in each of the studied muscle groups of the sarcopenic patients and to evaluate the muscle thickness measurement, as a potential predictory tool in sarcopenia. Methods. The participants were assessed according to the EWGSOP2 criteria for the diagnosis of sarcopenia. The handgrip strength was measured by a hand-held dynamometer and the appendicular skeletal muscle mass by DXA. The muscle thickness was measured utilising transverse and longitudinal ultrasound scans bilaterally. ResultsNinety-four individuals (27 men and 67 women) with a mean age of 75.6 years (SD=6.6), referred for sarcopenia screening to the Outpatient Sarcopenia Clinic of the Rehabilitation Department of the University Hospital of Patras, participated in this study. The geniohyoid and medial head of gastrocnemius thickness in all ultrasound sections, and the thickness of the rectus femoris and vastus intermedius, in specific sections, was significantly decreased in sarcopenic patients (p<0.05). The ROC analysis of the ultrasound muscle thickness measurements resulted in a significant association with sarcopenia. Conclusions. The results of this study have shown that the ultrasonographically measured thickness of the neck and lower limb muscles can be used for predicting sarcopenia with high sensitivity and specificity. Further research, based on larger-scale studies, is required to thoroughly investigate the role of ultrasonography as a diagnostic tool for sarcopenia and to validate cut-off values in the assessment of muscle mass quantity and quality. Multicentre studies will be needed to standardise the measuring methodology and investigate in which extend it can be used in different ethnic groups, specific population subgroups and on various types of equipment. Final Remarks and Future Perspectives. According to previous studies, ultrasonography is a valid and reliable method in the assessment of muscle mass. The muscle thickness measured ultrasonographically seems to be an easy, fast and reliable method for the estimation of muscle mass loss in sarcopenia with a potential role in the evaluation of the effectiveness of preventive and therapeutic interventions. Specifically, the geniohyoid and rectus femoris (transverse section – non-dominant side) seems to be the most advantageous ones. To the best of our knowledge, there is no consensus or guidelines concerning which side of the body should be preferred for the assessment of sarcopenia using ultrasound muscle measurements. The results of this study indicate statistically significant differences in muscle thickness between the dominant versus non-dominant sides, for specific muscles and sections. Moreover, the type of section (transverse versus longitudinal) seems to influence the measurements in some muscles. Further research is required to define which muscle or combination of muscles, type of scan and body side should be used preferentially, in terms of accuracy, utilised for the assessment of muscle mass loss in sarcopenia. The integration of machine learning techniques in musculoskeletal ultrasonography is challenging but promising field. Computer-aided diagnostic systems could help in reducing examination time; while increasing the accuracy of the measurements significantly. Moreover, computer-aided diagnostic systems could be used to objectivate the measurements, allowing for a cost-efficient and large-scale screening of the population. The early detection of sarcopenia in the elderly, particularly in the most vulnerable groups, is of paramount importance. Artificial intelligence could become extremely helpful in this regard.

Εισαγωγή. Η σαρκοπενία έχει χαρακτηριστεί ως ένα σύνδρομο, που συνοδεύεται από σημαντική λειτουργική έκπτωση, υψηλότερο ποσοστό πτώσεων, μειωμένη ικανότητα εκτέλεσης δραστηριοτήτων καθημερινής ζωής, υψηλότερη συχνότητα νοσηλείας, υψηλότερο ποσοστό θνησιμότητας και υψηλή οικονομική επιβάρυνση. Το 2016 η σαρκοπενία αναγνωρίσθηκε ως ασθένεια, με κωδικό M62.84 στο ICD-10-CM και πρόσφατα συμπεριλήφθηκε στα «Πακέτα Παρεμβάσεων Αποκατάστασης» του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας. Ο επιπολασμός της σαρκοπενίας κυμαίνεται μεταξύ 4,3% και 73,3%. Η διακύμανση αυτή οφείλεται στα διαγνωστικά κριτήρια και τις μεθόδους που ακολουθούνται, καθώς και τον πληθυσμό της κάθε μελέτης. Η έγκαιρη διάγνωση κι αντιμετώπιση, λαμβάνοντας υπόψιν τη γήρανση του πληθυσμού, είναι υψίστης σημασίας για τη σαρκοπενία. Η διάγνωση της σαρκοπενίας βασίζεται στον προσδιορισμό της μυϊκής ισχύος, της μυϊκής μάζας και της σωματικής απόδοσης. Εντούτοις, δεν υπάρχει καθολική συναίνεση στις μεθόδους αξιολόγησης στην κλινική πράξη, ενώ είναι τεχνικά δύσκολη η ακριβής μέτρηση της μυϊκής μάζας και ο προσδιορισμός των ποιοτικών χαρακτηριστικών των μυών. Η ποσοτική εκτίμηση της μυϊκής μάζας μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω μαγνητικής τομογραφίας (MRI) και υπολογιστικής τομογραφίας (CT), οι οποίες θεωρούνται μέθοδοι αναφοράς. Ωστόσο, αυτά τα εργαλεία δε χρησιμοποιούνται συνήθως στην καθημερινή κλινική πρακτική, κυρίως λόγω του υψηλού κόστους, της έλλειψης φορητότητας καθώς και της ιονίζουσας ακτινοβολίας, στην περίπτωση της υπολογιστικής τομογραφίας. Η απορροφησιομετρία ακτίνων X διπλής ενέργειας (DXA) είναι μια ευρύτερα διαθέσιμη μέθοδος για τον προσδιορισμό της μυϊκής μάζας σώματος. Ένα σημαντικό μειονέκτημα της DXA είναι ότι ο εξοπλισμός δεν είναι φορητός, περιορίζοντας τη χρήση της ως διαγνωστικό εργαλείο στην κοινότητα. Η υπερηχογραφική μέτρηση του μυϊκού πάχους έχει προταθεί ως μια χρήσιμη μέθοδος για την πρώιμη ανίχνευση και παρακολούθηση της σαρκοπενίας. Σύμφωνα με δημοσιευμένες μελέτες, ο υπέρηχος είναι μια αξιόπιστη μέθοδος για τον προσδιορισμό του μεγέθους μυών σε μεγαλύτερης ηλικίας ενήλικες. Οι συνήθεις χρησιμοποιούμενες παράμετροι περιλαμβάνουν το πάχος μυός, το εμβαδόν εγκάρσιας διατομής, το μήκος μυϊκής ίνας, τη γωνία πτερύγωσης και την ηχογένεια. Η μέτρηση του πάχους μυός μπορεί να δώσει μια εκτίμηση της μείωσης της άλιπης μάζας σώματος. Το πάχος και το μήκος μυϊκής ίνας του έσω γαστροκνήμιου μυός έχουν προταθεί ως εναλλακτικές μετρήσεις για τη διάγνωση/ποσοτικοποίηση της σαρκοπενίας. Εξισώσεις πρόβλεψης της μυϊκής μάζας βασισμένες σε πολλαπλές υπερηχογραφικές μετρήσεις του πάχους μυών έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Μελέτη Αξιοπιστίας Υπερηχογραφικών Μετρήσεων Πάχους Μυός. Η αξιοπιστία του υπερηχογραφήματος για τον ποσοτικό προσδιορισμό της μυϊκής μάζας σε τομές από άκρα υγειών παιδιών και ενηλίκων υποστηρίζεται από χαμηλού βαθμού επιστημονική τεκμηρίωση. Επιπλέον, υπάρχουν περιορισμένα στοιχεία σχετικά με την αξιοπιστία των υπερηχογραφικών μετρήσεων μυϊκής μάζας σε κλινικούς πληθυσμούς. Μια πρόσφατη συστηματική ανασκόπηση έδειξε ότι ο υπέρηχος είναι ένα αξιόπιστο και έγκυρο μέσο για την αξιολόγηση του μεγέθους μυών σε ενήλικες μεγαλύτερης ηλικίας. Ωστόσο, οι περισσότερες δημοσιευμένες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει είτε εγκάρσιες είτε επιμήκεις τομές μυών, χωρίς επαρκή επιστημονικά στοιχεία που να υποστηρίζουν την προτίμησή τους. Επιπλέον, μελέτες σχετικά με υπερηχογραφικές ποσοτικές μετρήσεις μυών δεν έχουν εξετάσει παράγοντες που παρουσιάζουν διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια της ημέρας και μπορούν δυνητικά να επηρεάσουν το πάχος μυών, όπως η κατάσταση ενυδάτωσης και η σωματική δραστηριότητα προ της υπερηχογραφικής αξιολόγησης. Ένας άλλος προβληματισμός που εξακολουθεί να υφίσταται είναι η σύγκριση της αξιοπιστίας των μετρήσεων του πάχους μυών μεταξύ της επικρατούσας και μη επικρατούσας πλευράς. Στόχοι •Να αξιολογηθεί η αξιοπιστία επαναλαμβανομένων μετρήσεων πάχους μυών σε υπερηχογραφικές τομές, οι οποίες έχουν ληφθεί: σε διαφορετικές ώρες της ημέρας (πρωί κι απόγευμα) και την ίδια ώρα της ημέρας, εντός δύο διαδοχικών ημερών. •Να συγκριθεί η αξιοπιστία επαναλαμβανομένων μετρήσεων πάχους μυός μεταξύ της επικρατούσας και μη επικρατούσας πλευράς. •Να αξιολογηθεί η αξιοπιστία υπερηχογραφικών μετρήσεων πάχους μυών σε εγκάρσιες κι επιμήκεις τομές. ΜέθοδοιΥπερηχογραφικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε μυς που εμπλέκονται σε δραστηριότητες της καθημερινής ζωής: γενειοειδής, μασητήρες, μυς πρόσθιας επιφανείας βραχίονα, ορθός μηριαίος, ενδιάμεσος πλατύς, πρόσθιος κνημιαίος και γαστροκνήμιος. Οι μετρήσεις του πάχους των μυών επαναλήφθηκαν μετά από 1, 6 και 24 ώρες, τόσο στην επικρατούσα όσο και στη μη επικρατούσα πλευρά, χρησιμοποιώντας τόσο εγκάρσιες όσο και επιμήκεις τομές. Αποτελέσματα. Συμμετείχαν δεκατρείς υγιείς εθελοντές (8 άνδρες & 5 γυναίκες, μέση ηλικία = 24 έτη, SD = 2,86, εύρος = 19 – 29). Ο συντελεστής συσχέτισης (ICC) υπολογίστηκε μεταξύ της αρχικής μέτρησης και του διαστήματος 1, 6 και 24 ωρών, χρησιμοποιώντας ένα αμφίδρομο μεικτό μοντέλο απόλυτης συμφωνίας. Ο ICC κυμαινόταν από 0,295 για την επιμήκη τομή του αριστερού μασητήρα στο διάστημα 6 ωρών, έως 0,991 για την επιμήκη τομή των μυών της πρόσθιας επιφανείας του βραχίονα στη μη επικρατούσα πλευρά στο διάστημα 24 ωρών. Συμπεράσματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης, η αξιοπιστία των υπερηχογραφικών μετρήσεων του πάχους των μυών της κεφαλής και των άκρων ποικίλλει, αναλόγως όχι μόνο του τύπου της τομής αλλά και της πλευράς του σώματος. Χρειάζεται περαιτέρω έρευνα και διεθνής συναίνεση για τον καθορισμό ενός παγκοσμίως αποδεκτού πρωτοκόλλου εξέτασης για την ποσοτικοποίηση των μετρήσεων του υπερηχογράφηματος μυοσκελετικού. Απαιτούνται κατευθυντήριες γραμμές βασισμένες σε επιστημονική τεκμηρίωση για μια τυποποιημένη τεχνική καταγραφής υπερηχογραφικής εικόνας και ποσοτικών μετρήσεων. Η Υπερηχογραφική Μέτρηση του Πάχους Μυών στη ΣαρκοπενίαΟ υπέρηχος είναι μια οικονομική, ταχεία, μη επεμβατική κι ευρέως διαθέσιμη απεικονιστική μέθοδος που δεν εκθέτει το άτομο σε ιονίζουσα ακτινοβολία, ενώ απαιτείται ελάχιστη εκπαίδευση του προσωπικού για την απόκτηση εικόνων για βασικές μετρήσεις, όπως το πάχος μυών. Επιπροσθέτως, οι μύες των άκρων, του τραχήλου, οι μασητήρες και το διάφραγμα μπορούν επίσης να αξιολογηθούν εύκολα με το υπερηχογράφημα. Επιπλέον, ο υπέρηχος θεωρείται ανώτερος από άλλες μεθόδους απεικόνισης για πολλές διαταραχές του μυοσκελετικού συστήματος, λόγω της υψηλότερης ανάλυσης και χαρακτηριστικών όπως η δυναμική απεικόνιση και η ταυτόχρονη συγκρισιμότητα. Η χρησιμότητα της ποσοτικής υπερηχογραφίας για την αξιολόγηση της απώλειας μυϊκής μάζας και τον εντοπισμό των δομικών ανωμαλιών είναι ακόμα υπό μελέτη. Σκοπός. Η μελέτη αυτή έχει ως στόχο να διερευνήσει ποιοι μυς της κεφαλής, του τραχήλου, του άνω και του κάτω άκρου παρουσιάζουν υπερηχογραφικά ανιχνεύσιμες αλλαγές του πάχους τους σε σαρκοπενικούς ασθενείς. Πιο συγκεκριμένα, αντικείμενα της μελέτης ήταν να καθοριστεί ποια πλευρά (επικρατούσα έναντι μη επικρατούσας) και ποια υπερηχογραφική τομή (εγκάρσια έναντι επιμήκους) παρουσιάζει τις πιο σημαντικές αλλαγές πάχους σε κάθε μια από τις υπό μελέτη μυϊκές ομάδες σε σαρκοκοπενικούς ασθενείς και να αξιολογηθεί η μέτρηση του πάχους των μυών, ως πιθανό εργαλείο πρόβλεψης της σαρκοπενίας. Μέθοδοι. Οι συμμετέχοντες αξιολογήθηκαν σύμφωνα με τα κριτήρια του EWGSOP2 για τη διάγνωση της σαρκοπενίας. Η δύναμη δραγμού μετρήθηκε με ένα δυναμόμετρο χειρός και η σκελετική μυϊκή μάζα των άκρων με DXA. Το πάχος των μυών μετρήθηκε αμφοτερόπλευρα με εγκάρσιες κι επιμήκεις υπερηχογραφικές τομές. Αποτελέσματα. Στη μελέτη συμμετείχαν 94 άτομα (27 άνδρες και 67 γυναίκες) με μέση ηλικία 75,6 ετών (SD=6,6), που παραπέμφθηκαν για έλεγχο σαρκοπενίας στα Εξωτερικά Ιατρεία της Κλινικής Σαρκοπενίας του Τμήματος Αποκατάστασης του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Πατρών. Το πάχος του γενειοειδούς και της έσω κεφαλής του γαστροκνημίου μυός σε όλες τις υπερηχογραφικές τομές, καθώς και το πάχος του ορθού μηριαίου και του ενδιάμεσου πλατύ μυός σε συγκεκριμένες τομές, βρέθηκε σημαντικά μειωμένο σε ασθενείς με σαρκοπενία (p<0,05). Η ανάλυση της ROC καμπύλης των υπερηχογραφικών μετρήσεων του πάχους των μυών ανέδειξε σημαντική συσχέτιση με τη σαρκοπενία. Συμπεράσματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης, η υπερηχογραφική μέτρηση του πάχους μυών του τραχήλου και των κάτω άκρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη σαρκοπενίας με υψηλή ευαισθησία και ειδικότητα. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα, με βάση μεγαλύτερης κλίμακας μελέτες, για να διερευνηθεί διεξοδικά ο ρόλος της υπερηχογραφίας ως διαγνωστικό εργαλείο για τη σαρκοπενία και να επικυρωθούν οι τιμές αναφοράς κατά την αξιολόγηση της ποσότητας και των ποιοτικών χαρακτηριστικών της μυϊκής μάζας. Θα χρειαστούν πολυκεντρικές μελέτες για την τυποποίηση της μεθοδολογίας μέτρησης και την εφαρμογή των τεχνικών μέτρησης σε διαφορετικές εθνικές ομάδες, ειδικές υποομάδες πληθυσμού και με χρήση διαφορετικών τύπου εξοπλισμού. Τελικές παρατηρήσεις και μελλοντικές προοπτικές. Σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες, η υπερηχογραφία είναι μια έγκυρη και αξιόπιστη μέθοδος για την αξιολόγηση της μυϊκής μάζας. Το υπερηχογραφικά μετρούμενο πάχος μυός φαίνεται να είναι μια εύκολη, γρήγορη και αξιόπιστη μέθοδος για την εκτίμηση της απώλειας μυϊκής μάζας στη σαρκοπενία με πιθανό ρόλο στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των παρεμβάσεων πρόληψης και θεραπείας. Εξ όσων γνωρίζουμε, δεν υπάρχει συναίνεση ή κατευθυντήριες γραμμές σχετικά με το ποια πλευρά του σώματος θα πρέπει να προτιμάται για την αξιολόγηση της σαρκοπενίας με τη χρήση υπερηχογραφικών μετρήσεων. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στο πάχος μυών μεταξύ της επικρατούσας έναντι της μη επικρατούσας πλευράς, για συγκεκριμένους μυς και τομές. Επιπλέον, ο τύπος της τομής (εγκάρσια έναντι επιμήκους) φαίνεται να επηρεάζει τις μετρήσεις σε ορισμένους μυς. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να καθοριστεί ποιος μυς ή συνδυασμός μυών, τύπος τομής και πλευράς του σώματος θα πρέπει να προτιμάται για την ακριβέστερη αξιολόγηση της απώλειας μυϊκής μάζας στη σαρκοπενία. Η ενσωμάτωση τεχνικών μηχανικής μάθησης στην υπερηχογραφία του μυοσκελετικού συστήματος αποτελεί μία πρόκληση κι έναν πολλά υποσχόμενο τομέα. Τα υπολογιστικά υποβοηθούμενα διαγνωστικά συστήματα θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση του χρόνου εξέτασης, αυξάνοντας σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεων. Επιπλέον, υπολογιστικά βοηθούμενα διαγνωστικά συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αντικειμενοποίηση των μετρήσεων, επιτρέποντας έναν οικονομικό και μεγάλης κλίμακας έλεγχο του πληθυσμού. Η έγκαιρη ανίχνευση της σαρκοπενίας στους ηλικιωμένους, ιδιαίτερα στις περισσότερο ευάλωτες ομάδες, είναι υψίστης σημασίας. Από αυτήν την άποψη η τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε να αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμη.