Diese Arbeit wurde zum Teil durch Grant Number 0953652 von der National Science Foundation und zum Teil von der George Mason University Bibliotheken Open Access-Fonds unterstützt. Wir möchten Dr. John Robert Cressman Jr. für den Zugang zum Hochgeschwindigkeitskamera zu danken.

1. Instrumentierung Vektor-TDI wird zur Abschätzung der resultierende Geschwindigkeitsvektor von Doppler-Geschwindigkeitsmessungen von zwei oder mehr unabhängigen Richtungen gemacht wurden. Ultraschallsystem mit einem Forschungs Schnittstelle wurde für die Entwicklung VTDI verwendet. Das Forschungs Schnittstelle erlaubt geringe Strahlformung und Pulssequenzsteuerung mit Hilfe eines Software-Development-Kit (SDK). A 5-14 MHz-Linearschallkopf, bestehend aus 128 Wandlerelementen und mit 38 mm Sichtfeld verwendet. Die Forschung Schnittstelle wurde verwendet, um den Array-Wandler in zwei Sende-und Empfangsöffnungen aufgeteilt und die Empfangsstrahlen zu lenken um 15 ° gegenüber der Normal. Der Sendestrahl wurde in der Region von Interesse (z. B. Muskelbauch) fokussiert. Sende-und Empfangsöffnungen wurden auf 32 Elemente. Acht Probanden, 4 Männer und 4 Frauen (29,7 ± 6,5 Jahre) wurden in die Studie rekrutiert. Kinematic Maßnahmen von den Themen derrechten unteren Extremitäten wurden mit einem Acht-Kamera Motion-Capture-System mit High-Speed-Fähigkeit und einer Abtastrate von 200 Hz erfasst. Bodenreaktionskraft-Daten während des Experiments wurden durch zwei Kraftmessplatten Abtastung mit 2.000 Hz erreicht. Ein High-Speed-Kamera auf einem Stativ montiert ist und bei 2 m vom Motiv platziert, wurde verwendet, um die Drop Landung auf 500 Bilder / sec zu erfassen. 2. Betreff Vorbereitung <ol><li> Fragen Sie die Themen, die ein Paar Shorts, Sport-BH oder einem kurzen T-Shirt und Laufschuhe tragen. </li><li> Weisen Sie die Themen, um eine 10 min selbstgesteuerten Warm-up und Stretching vor der Datensammlung durchzuführen. Dies ist, um eine abnormale Muskelkontraktionen zu vermeiden und den Umfang etwaiger Muskelkrämpfe reduzieren. </li><li> Nach dem Warm-up, legen reflektierenden Markierungen auf bestimmte Landmarken auf den Körper. Insbesondere Ort Kalibrierungsmarkierungen auf den Trochanter major, bilateralen medialen und lateralen und medialen Knie und lateral Knöchel. Zeigen Tracking-Markierungen auf der hinteren und vorderen oberen Darmbeinkämme und Ort Cluster an den Oberschenkeln und Schäfte und fünf Markierungen auf jedem Fuß 19-20. </li><li> Richten Sie die Themen an den Stand in der Mitte der Fokusbereich der 3D-Kameras, um eine statische Studie zu erhalten. Die Teilnehmer müssen sich auf die Kraftmessplatten, die Arme über ihre Schultern stehen, um statische 3D-Motion-Capture-Daten zu erhalten. </li><li> Legen Sie dann die Ultraschallwandler in einem Wandler Halter und sorgen für eine gute Apparat, um Herausziehen der Ultraschallwandler von der Wandlerhalter zu vermeiden. Der Wandler Halter wurde mit Hilfe Lexen Polycarbonat und formbaren Kunststoff. </li><li> Um einen guten Kontakt mit der Haut und Ultraschallwandler zu gewährleisten, gelten großzügige Menge Gel Ultraschallübertragung auf den Wandler. </li><li> Setzen Sie den Ultraschallwandler zusammen mit dem Wandlerhalter auf den Oberschenkel des zu Bild der Rectus femoris in Längs Axtist. Der Wandler muss auf halbem Weg zwischen der vorderen Darmbeinstachel und der seitlichen epicondoyle für Bild in der Bauch des Rectus femoris platziert werden. Bevor die Ultraschallwandler und der Wandler Halter, um das Bein zu erhalten, eine axiale Scheibe der Quadrizeps-Muskel-Gruppe. Mit dieser als einer Führung, stellen Sie sicher, dass der Ultraschallwandler wird nun die Abbildung der Rectus femoris und bewegt sich nicht mehr lateral oder medial, um zu vermeiden, die Abbildung der Vasti Muskelgruppe. </li><li> Verwenden Sie nun eine zusammenhängende selbstklebenden Verband, den Wandler Halter auf der Person Oberschenkel zu sichern. Machen Sie diesen Verfahrensschritt nicht verdecken oder blockieren reflektierenden Markierungen. Die selbstklebenden Verband darf nicht lax oder übermäßig dicht sein. Lax Verbands riskieren der Ultraschallwandler zu fallen während der Dropdown-Landung Aufgabe und eine zu enge Verbandunbehagen verursachen, oberflächliche Blutfluss stören und möglicherweise Tropfen Landung Dynamik verändern. </li><li> Zeigen ter Hochgeschwindigkeitskamera mindestens 2 m entfernt von dem Thema in der Sagittalebene, um Videos mit einer 500 Frames / sec zu sammeln. Fokus der Kameralinse, um sicherzustellen, dass der gesamte Rückgang Landesequenz des Subjekts erfasst wurde. </li></ol> 3. Experiment Protokoll <ol><li> Sobald alle Markierungen und der Ultraschallwandler sind sicher, fragen Sie die Themen, die auf einer Plattform von Höhe 30 cm Platz bei 50 cm von den Kraftmessplatten stehen. Stellen Sie sicher, dass der Bereich rund um die Plattform (ca. 2,5 m) ist klar von jeglichen Gegenständen, die den Fall Landung Aufgabe behindern oder verletzen könnte das Thema. Dies umfasst die Ultraschallwandler Kabel. </li><li> Weisen Sie die Patienten, ihre Hände auf ihre Hüften vor Beginn der Lande Drop Aufgabe und während der gesamten Landesequenz Drop platzieren. </li><li> Starten Sie die Datensammlung für Ultraschall, 3D-Motion-Capture-, Kraftmessplatten und den Hochgeschwindigkeitskamera vor der Tropfenlande Aufgabe zu starten. Die Synchronisation zwischen den verschiedenen Instrumenten erreichen könnend durch Verwendung einer einzigen Taste drücken, um alle Datenerfassung zu starten. Ein Drucksensor an der Tastatur befestigt werden verwendet, um ein Synchronisierungsauslösesignals, wenn eine bestimmte Taste gedrückt wird, zu erzeugen. </li><li> Richten Sie das Motiv in die Drop-Aufgabe aus der Landeplattform und Land mit beiden Beinen gleichzeitig durchführen. Stellen Sie sicher, dass die Themen Drop aus Feld statt Springen von ihm. Keine speziellen Hinweise sind in Bezug auf Landetechnik zur Verfügung gestellt. </li><li> Stoppen Sie die Datenerfassung einmal das Thema vollständig stabilisiert und beendet das Drop Landesequenz. </li><li> Wiederholen Sie diesen Protokoll fünf Mal pro Thema. </li></ol> 4. Ultraschall-Datenanalyse <ol><li> Export und die Rohdaten von dem Ultraschallsystem zu speichern, um einen Computer. </li><li> Die rohen Radiofrequenz (RF)-Ultraschalldaten von jedem Empfangsstrahl wird bei 40 MHz digitalisiert. Verarbeiten Sie die Daten mit Hilfe von MATLAB. </li><li> Führen Quadraturdemodulation auf den RF-Daten, die Trägerfrequenz zu entfernen. Entfernen stationary und Niederfrequenz-Unordnung durch Filtern der Quadratur-Daten von jedem der Empfangsbalken und für jede Tiefe mit einer 20-Hz-Hochpassfilter. </li><li> Schätzen die Geschwindigkeiten entlang der beiden Empfangsstrahlen unter Verwendung der herkömmlichen Autokorrelationsschätzer Geschwindigkeit 21. </li><li> Kombinieren der einzelnen Geschwindigkeitswellenformen lateral erhalten (entlang der Transducer) und axial (senkrecht zur Wandler) Geschwindigkeitswellenformen während der Tropfenlandesequenz, wie in Fig. 1 zu sehen. </li><li> Erhalten, die Größe des resultierenden Geschwindigkeitsvektors aus den einzelnen Geschwindigkeitskomponenten unter Verwendung der Gleichung 1 wie oben beschrieben 22: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation1.png" /> wo β der Strahllenkwinkel, f 1 und f 2 sind die beiden empfangenen Frequenzkomponenten f und t die Sendefrequenz. </li><li> Berechnen Sie die laterale und axiale Belastungsrate de / dt mit der räumlichen gradiEltern in der lateralen und axialen Geschwindigkeiten. <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation2.png" /> wobei V 2 und V 1 sind zwei räumlichen Positionen durch einen Abstand L getrennt geschätzten Momentangeschwindigkeiten </li><li> Berechnen der axialen und Querdehnung, E, durch die Integration der axialen und lateralen Verformungsrate auf. <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/50595/50595equation3.png" /></li></ol> 5. 3D Motion Capture Data Analysis <ol><li> Exportieren Sie die 3D-Motion-Capture-Daten auf einen Computer zur weiteren Analyse. </li><li> Verwenden der statischen Stand Versuch, erstellen Sie eine kinematische Modell (Becken, Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß) mit 3D-Motion-Capture-Software mit einem Least-Squares-Optimierung 23. </li><li> Verwenden Sie diese kinematische Modell, um die Bewegung an der Hüfte, Knie und Sprunggelenke zu quantifizieren. </li><li> Filtern Sie die reflektierende Marker Trajektorien und Bodenreaktionskräfte mit einem 4. Ordnung Tiefpass Butterworth Filter mit einer Grenzfrequenz von 7 Hz und 25 Hz, jeweils mit 3D-Motion-Capture-Software. </li><li> Berechnen Sie 3-D-Gelenkkräfte und Momente aus der kinematischen und Bodenkraftdaten über einen Standard-inverse Dynamikanalyse mit Segment für jeden Teilnehmer geschätzt, nach den Methoden der Dempster Trägheitseigenschaften. Inter-Segment gemeinsamen Momente werden als interne Momente (zB ein Knie interne Neben Moment eine Flexion Last auf die Knie angewendet wider) definiert. </li></ol> 6. High-Speed-Kamera-Daten-Analyse <ol><li> Exportieren Sie die Videos von den High-Speed-Kamera-Daten an einen Computer für die Analyse und den Vergleich mit Ultraschall und 3D-Motion-Capture-kinematische Daten. </li><li> Spielen Sie den Film mit 15 Bildern / s und beachten Sie die Dropdown Landung Dynamik. </li><li> Dann Quantifizierung der Bewegung des Wandlerhalters und die Verlagerung der Ultraschallwandler während der gesamten Tropfenlande Studie durch die Verfolgung der sichtbaren Markierungen auf der anatomischcal Sehenswürdigkeiten mit den High-Speed-Videodaten. Die Beurteilung der Tropfen Landung Dynamik kann auch gleichzeitig durchgeführt, um die verschiedenen Start-und Lande Arten besser zu verstehen. </li></ol>

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Keiner der Autoren haben keine finanziellen Angaben oder Interessenkonflikten und die Studie wurde von IRB unserer Institution genehmigt.

Ultraschall-Bildgebung hat die Fähigkeit, direkte Beurteilung der Muskel-Kinematik in dynamischen Studien, die konventionellen Maßnahmen, wie z. B. 3D-Motion-Capture-, Dynamometrie, Elektromyographie und Bodenreaktionskraftmessungen ergänzen können. Dieser Ansatz kann breit anwendbar für die Grundlagenforschung und klinische Biomechanik Evaluierung sein. Es gibt drei Haupt Ansätze zur Schätzung Gewebebewegung mittels Ultraschall: (1) Speckle-Tracking-Methoden, die Kreuzkorrelation für Roh-Radiofrequenz (RF)-Ultraschalldaten oder Umschlag erkannt Graustufen (oder B-Modus) Bilddaten zu verwenden. Diese Techniken sind weit verbreitet sowohl in der Skelett-und Herz 24-25 26 Muskel Motion-Tracking und die Schätzung verwendet, (2) Methoden der Bildverarbeitung, die die Muskelfaserbündel oder Funktionen 27-28 und (3) Gewebe-Doppler-Imaging-Techniken in beiden Herz 29 verwendet verfolgen -30 und Skelett 31 Bewegungsschätzung. Speckle-Tracking auf Basis von räumlichen Quer correlation wurde häufig verwendet, um die Bewegung von Gewebe zu verfolgen und kann Bewegungen mit Sub-Pixel-Auflösung verfolgen. Allerdings dekorrelieren Speckle-Muster schnell bei größeren Bewegungen. Bewegung aus der Bildebene stellt auch eine Herausforderung für Speckle-Tracking. Methoden zur Verfolgung Muskel Faszikel Länge haben bessere Anwendbarkeit, wo die gesamte Faszikel wird in dem Bild während der dynamischen Aufgabe visualisiert. Methoden, die auf Bildverarbeitung Daten verlassen haben geringe zeitliche Auflösung der Bildgebung Bildrate beschränkt und kann daher nicht Bewegung bei hohen Geschwindigkeiten zu verfolgen. Darüber hinaus sind diese Faszikel Tracking-Methoden sind sehr empfindlich auf Bewegung aus der Ebene. So Sonde Bewegung relativ zum Muskel könnte der Verfolgung zu scheitern. Velocity Schätzungen von herkömmlichen Gewebe-Doppler-Imaging (TDI) können höhere zeitliche Auflösung haben, aber auch robuster sind, um kleine Bewegungen Sonde. Doppler-Verfahren können Geschwindigkeiten Komponenten nur entlang des Ultraschallstrahls zu schätzen, so Doppler Schätzungen könnte ungenau du seinE Um die unterschiedlichen Beschallungswinkel mit der Bewegung des Muskels. Unsere vorgeschlagene VTDI Verfahren überwindet dieses Problem durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Ultraschallstrahlen in verschiedenen Winkeln gelenkt wird, damit der Geschwindigkeitsschätzung ist unabhängig von der Beschallungswinkel in der Bildebene. Auch kann die effektive zeitliche Auflösung von etwa 0,1 ms VTDI und daher diese Methode kann die Bewegung der Skelettmuskulatur während der dynamischen Aktivitäten zu verfolgen (zB Dropdown-Landung, Gang und Joggen). Weitere Vorteile des Ansatzes umfassen die Verwendung einer linearen Anordnung Bildwandler auf der Basis einer klinischen Ultraschallsystem zur Durchführung Vektor Gewebe-Doppler-Bildgebung. Wir elektronisch gesteuert die Sende-/ Empfangsstrahllenkung, Maschenweite und Fokus-Standorte für das Scannen eines großen Sichtfeld. Darüber hinaus kann dieser Ansatz erweitert, um Duplex-VTDI mit gleichzeitiger Echtzeit-Bildgebung durchzuführen. Unser System ermöglicht es uns auch, konventionellen B-Bild zu l durchführenocate die Region von Interesse für die Quantifizierung der Gewebedehnung und Kinematik. Da diese Methode wurde auf einem klinischen Scanner implementiert, haben wir in der Lage sein, diese Methode in einem VTDI Ganglabor für Biomechanik Forschung einzusetzen. Einschränkungen dieser Technik muss quittiert werden. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Doppler-Messungen. VTDI basierend Geschwindigkeitsschätzungen in zwei Dimensionen (entlang und über Muskelfasern) erfordert die linearen Array-Wandler in zwei Sende / Empfangs-Subaperturen aufgeteilt werden (32 Elemente breit) und die Strahlen zu lenken um 15 °. Lenkung der Ultraschall-Sende-und Empfangsbalken zu höheren Winkeln könnte Geschwindigkeit Maßnahmen aufgrund von Gitterkeulen beeinflussen. Auch der Bereich der Strahlüberdeckungsbereich in VTDI ändert sich mit unterschiedlichen Strahlfokustiefen 32, die möglicherweise die Geschwindigkeitsschätzungen. Die Varianz des Dopplerschätzungen hängen (1) Beschleunigung und Verzögerung des Gewebes innerhalb des Analyse-Zeitfenster (2) Varianz tAusgabegeschwindigkeit innerhalb des Doppler Range-Gate (3) die unterschiedlichen Doppler-Winkels in der Öffnung für Wideband verwendet spectral der gesendeten und empfangenen Ultraschallstrahlen, die auch als geometrische Erweiterung 33 und (4) die Bandbreite des übertragenen Ultraschallimpulses, da die Doppler-Verschiebung ist proportional zu der Trägerfrequenz 34. Mehrere Verfahren können verwendet werden, um die Varianz zu begrenzen. Phase-Geschwindigkeit Schätzer, wie der Autokorrelation, nutzen typischerweise kleiner Analysezeitfenster im Vergleich zu Spektralschätzer, aber sie schätzen meine Dopplerverschiebung statt der Peak-Verschiebung. Wideband Spektralschätzer wie der 2D-Fourier-Transformation 35 kann die Varianz aufgrund der Impulsbandbreite zu reduzieren. Im Fall von VTDI, die zwei gelenkten Strahlen verwendet Doppler, ist die Varianz der Gewebegeschwindigkeiten in dem Strahlüberschneidungsbereich relativ zum Muskel weiterer zu berücksichtigender Faktor. Der Rectus femoris Muskelkontraktion ist in 3D und der Kontraktion Velocitykeit variiert räumlich entlang des Muskels. Daher ist es wichtig, den Bereich von Interesse sorgfältig auszuwählen. In dieser Studie untersuchten wir die Reproduzierbarkeit der Rectus femoris Muskel Kinematik während einer Dropdown-Landung Aufgabe in acht gesunden Probanden mit VTDI. Auch wenn die Studien waren unabhängig, beobachteten wir stark korrelierten und wiederholbare Spitzenmuskelkontraktion Geschwindigkeiten für Personen zwischen Studien. Wir sind derzeit die Einstellung von mehr Themen in unserer Studie, um dieses Muster weiter zu prüfen. Diese Studie wurde nicht-invasiv vorgesehen und Echtzeit-Messung der Kontraktionsgeschwindigkeit des rectus femoris während Drop-Landung. Die folgenden Muster der Kontraktion Geschwindigkeiten wurden während der verschiedenen Phasen des Tropfenlande Task (Fig. 2) beobachtet: 1. Muskelkontraktion Geschwindigkeiten dominieren in der Querrichtung während der Kniebeugung (Startphase) und Erweiterung gegenüber axialer Richtung (in-the-Air-phase). Dies ist zu erwarten, da der Rectus femoris Muskel erfährt exzentrischen Kontraktion während der Startphase und konzentrischen Kontraktion während in-the-Air-Phase. 2. Low seitlichen Muskelgeschwindigkeiten in der dritten Phase (Zehen den Boden berühren), mit vernachlässigbar geringen axialen Muskelgeschwindigkeiten. Dies entspricht Rectus femoris Muskelkontraktion in dieser Phase 3 senken. Deutlicher Anstieg der axiale und laterale Muskelgeschwindigkeiten direkt nach der Ferse den Boden berührt. Dies ist wahrscheinlich auf die Muskellaufen beide exzentrischen Kontraktion und Formänderung aufgrund der Kompression, Erhöhung der Geschwindigkeiten entlang der Muskelfasern und senkrecht zu den Muskelfasern, jeweils verursacht. Trotz der Tatsache, dass die Tropfenlande Aufgabe ist eine hohe Schlag Aufgabe VTDI gezeigt wiederholbare rectus femoris Geschwindigkeiten. Diese Ultraschalltechnik konnte die klinische Auswirkungen haben, da dieser Muskel ist in erster Linie für den Schutz des Kniegelenks vor übermäßiger Belastung verantwortlich.Deshalb ist eine weitere Beurteilung der Rectus femoris Muskel bei Patienten mit ACL-Rekonstruktion gerechtfertigt, um die Mechanismen, die zu der frühen und beschleunigt Beginn der OA zu verstehen. Obwohl die Teilnehmer dieser Studie waren alle aufgefordert, eine natürliche Dropdown-Landung Aufgabe aus einem 30 cm hohen Plattform, fanden wir Unterschiede in der Höhe des Sprungs oder Einführung. Auch mit den High-Speed-Kamera-Daten wurde festgestellt, dass alle Probanden eine unterschiedliche Tropfenlande Stil hatte. Dies könnte die geringen Unterschiede zwischen den Fächern in der Spitzen resultierenden Geschwindigkeitswerte des Rectus femoris erklären als Folge der möglichen Unterschiede in der Aktivierungsmuster während der Aufgabe. Ein weiterer möglicher Faktor ist der Unterschied in der Querschnittsfläche des rectus femoris, die potentiell auf verschiedenen Ebenen der Muskelkontraktion und Krafterzeugung könnte.

Muskel-Skelett-Erkrankungen sind im Erwachsenenalter ein weit verbreitet. Sie sind eine führende chronische Erkrankung in den USA 2 und wird berichtet, dass 25% der Menschen weltweit 3 beeinflussen. Muskel-Skelett-Erkrankungen sind mit verminderter Funktion in Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL), funktionelle Einschränkungen und geringere Lebensqualität 4 zugeordnet. Die wirtschaftliche Belastung ist wegen der Produktivitätsverlust und hohe Kosten für das Gesundheitswesen 4 signifikant. Die Pathophysiologie von mehreren dieser Störungen bleibt unzureichend verstanden. Zum Beispiel hat die Pathogenese der Osteoarthritis (OA) 4 folgende Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes (ACL) Verletzungen zu Änderungen der Quadrizeps-Muskelkraft und Funktion 5 in Verbindung gebracht worden, aber die zugrunde liegenden Mechanismen sind unklar. Die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären, ist es notwendig, um dynamische Muskelfunktion besser zu verstehen. Die funktionaleBewertung der einzelnen Muskeln, während der Aufführung eines teilweisen oder eine gesamte Aufgabe, ADL und aktiven Lebensstil (zB Sport) bezogen können weitere Erkenntnisse über Muskelfunktion und ihre mögliche Rolle in der Pathogenese und Pathophysiologie dieser Erkrankungen bieten. Weiterhin ist die Quantifizierung der Verbesserung der Muskelfunktion während der Rehabilitation kann als Ergebnis Maßnahme verwendet werden. Herkömmliche Verfahren zur Messung der Muskel-und Gelenkfunktion in der Klinik umfassen körperliche Untersuchung, wie Beweglichkeit, Muskelkraft und / oder Muskelgruppe Ausdauer. Derzeit in der Klinik, Elektromyographie (EMG) wird verwendet, um Muskelaktivierung / Co-Aktivierung, die Frequenz und Amplitude der Muskelaktivität zu beurteilen. Jedoch ist ein Maß für EMG elektrische Aktivierung in den Muskel und stellt notwendigerweise nicht über die Muskelkraft, Kontraktionsfähigkeit und andere funktionelle Faktoren des Muskels. Weitere anspruchsvolle biomechanischen Assessments, wie 3D-Motion-Capture-System foder Joint-Kinetik und Kinematik und Kraftmessplatten für die Bodenreaktionskraft in einem Ganglabors 9.6 durchgeführt werden. Die Messungen von diesen Techniken sind auf dem Gemeinschaftsebene und nicht notwendigerweise einen direkten Verständnis der einzelnen Muskelfunktion während eines dynamischen oder funktionelle Aktivität. Die Fähigkeit zur Bildgebung der Muskulatur gleichzeitig durchzuführen, während eine dynamische Aktivität könnte möglicherweise zu einer besseren und realistischen Funktionsbewertung auf den Muskel-Ebene führen. Die meisten Studien haben sich auf die Muskelfunktion in statischen Bauchlage konzentriert, und diese Methode kann neue Wege eröffnen, um unser Verständnis der Muskel Verhalten während der Echtzeit-Situationen weiter zu verbessern. Diagnose-Ultraschall kann direkte Abbildung von Muskeln und Sehnen in Echtzeit ermöglichen, und deshalb ist eine attraktive Alternative zur Messung von Muskel-Skelett-Dynamik und Funktion während der ADL. Ultraschall-basierte quantitative Maßnahmen derMuskel Morphologie und Architektur, wie Muskel Dicke, Länge, Breite, Querschnittsfläche (CSA), Faserwinkel und Fiederungswinkel Faszikel Länge sind weit verbreitet 10-12. In den letzten Jahren wurden Bildverarbeitungsverfahren eingesetzt, um während der dynamischen Aufgaben 13-14 Bewertung und Quantifizierung dieser quantitativen Messungen. Diese Fortschritte haben einen neuen methodischen Ansatz, um das Verständnis in vivo Muskelfunktion aktiviert ist. Jedoch haben diese Verfahren in erster Linie zur Verwendung von herkömmlichen Graustufenbild (oder B-Modus) Ultraschallbildgebungs verlassen und daher nicht vollständig ausgenutzt, die Möglichkeiten der Ultraschall-Gewebegeschwindigkeiten, Dehnung und Dehnungsrate unter Verwendung von Doppler-Grundlagen, die gezeigt haben, wertvoll messen bei der Beurteilung der Herzmuskelfunktion 15-16. Wir haben eine Vektor-Gewebe-Doppler-Bildgebung (VTDI) Technik, die Kontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit hoher zeitlicher Auflösung (sub MILLI messen kann, entwickeltd) bei der dynamischen Aktivitäten 17-18. Insbesondere kann die Technik VTDI Messungen der Muskeln und Sehnen bei hochdynamischen Aufgaben (zB Dropdown-Landung, Gang, etc.) bei hohen Frameraten zu machen. Die VTDI Technik ist eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Doppler-Ultraschall, der nur die Komponente der Geschwindigkeit entlang des Ultraschallstrahls schätzt, und ist daher abhängig von der Beschallungswinkel. VTDI schätzt die Geschwindigkeit der Muskeln und Sehnen mit zwei verschiedenen Ultraschallstrahlen in verschiedenen Winkeln gelenkt wird, und ist deshalb unabhängig von der Beschallungswinkel in der Bildebene. Da Muskelkontraktion geschieht in 3D, ist die Winkelstellung der Bildebene immer noch wichtig. Wir haben dieses Verfahren auf einer handelsüblichen Ultraschallsystem mit einem Forschungs-Schnittstelle, so dass diese Messungen in einem klinischen Umfeld durchgeführt werden. Um die Wiederholbarkeit und potentielle Anwendbarkeit des VTDI syst untersuchenem bei der Messung der Rectus femoris Muskelgeschwindigkeiten bei einem dynamischen Aufgabe, führten wir eine erste Studie an gesunden, erwachsenen Freiwilligen. Dieses Papier zeigt die Methodik und Versuchsaufbau für die Schätzung Kontraktionsgeschwindigkeiten, Dehnung und Dehnungsgeschwindigkeit von Rectus femoris mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung während einer Dropdown-Landung Aufgabe.

<table border="1">
		<tbody>
		 <tr>
			<td>Name of Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Model Name</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Ultrasound System</td>
			<td>Ultrasonix</td>
			<td>Sonix RP</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>3D Motion Capture System</td>
			<td>Vicon Motion Systems</td>
			<td>Vicon T-20</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Force Plates</td>
			<td>Bertec Corporation</td>
			<td>Bertec 4060-10</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>High Speed Camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>Photron 512 PCI 32K</td>
			<td></td>
		 </tr>
		</tbody>
</table>

a novel application of musculoskeletal ultrasound imaging

Ultraschall ist eine attraktive Modalität für die Bildgebung Muskel-und Sehnenbewegung während der dynamischen Aufgaben und kann eine ergänzende methodische Ansatz für biomechanische Studien in einer klinischen oder Laborumgebung zu schaffen. Zu diesem Ziel, Methoden zur Quantifizierung von Muskel Kinematik von Ultraschallbildern entwickelt werden, basierend auf Bildverarbeitung. Die zeitliche Auflösung dieser Verfahren ist in der Regel nicht ausreichend, für hochdynamische Aufgaben wie Drop Landung. Wir schlagen einen neuen Ansatz, der eine Doppler-Verfahren zur Quantifizierung von Muskel Kinematik nutzt. Wir haben eine neue Vektor-Gewebe-Doppler-Bildgebung (VTDI) Technik, die verwendet werden können, um Muskel-Skelett-Kontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung bei der dynamischen Aktivitäten mit Ultraschall zu messen. Das Ziel dieser Vorstudie war es, die Reproduzierbarkeit und mögliche Anwendbarkeit der VTDI Technik bei der Messung des Bewegungsapparates Geschwin untersuchenkeiten während eines Dropdown-Landung Aufgabe, bei gesunden Probanden. Die VTDI Messungen können gleichzeitig mit anderen biomechanischen Techniken wie 3D-Motion-Capture für gemeinsame Kinematik und Kinetik, Elektromyographie für Timing der Muskelaktivierung und Kraftmessplatten für die Bodenreaktionskraft durchgeführt werden. Integration dieser komplementären Techniken könnten zu einem besseren Verständnis der dynamischen Muskelfunktion und Dysfunktion der Pathogenese und Pathophysiologie von Erkrankungen des Bewegungsapparates zugrunde liegenden führen.

Repräsentative Ergebnisse aus früheren Arbeiten zeigen die Verfahren sind unten dargestellt. Während die in unserer aktuellen Forschung verwendeten Verfahren integrieren Imaging-und Motion-Capture, die im Folgenden dargestellt sind repräsentative Ergebnisse aus Studien, in denen diese Messungen wurden getrennt durchgeführt. I. Ultraschall (VTDI) Mit den Daten aus der 3D-Motion-Capture-und dem High-Speed-Kamera, dem Muster der Person springen, wurden Lande-und Stabilisierungsphasen für jeden Versuch untersucht. Die axiale und laterale Rectus femoris Geschwindigkeiten von VTDI wurden, um Daten von 3D-Motion-Capture-und High-Speed-Kamera gesammelt, verglichen. Mit Hilfe dieser Daten wurden die zeitlichen Eigenschaften der axiale und laterale Rectus femoris Muskelgeschwindigkeiten in der gesamten Drop Landesequenz untersucht. Positive Seitengeschwindigkeiten entsprechen exzentrischen Kontraktion des Rectus femoris Muskel während der Kniebeugung,während negative laterale Geschwindigkeiten entsprechen konzentrischen Kontraktion des Muskels während der Knieextension. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Das gesamte Drop-Landesequenz für alle Fächer dauerte etwa 1,45 ± 0,27 Sekunden. Für jeden Probanden zeigten die axiale und laterale Muskelgeschwindigkeiten eine starke Wiederholbarkeit zwischen Studien mit einer Steigung von 0,99 und R2 = 0,75 (Abbildung 3). Velocity-Werte für sechs von acht Probanden waren in einem ähnlichen Bereich von 48 bis 62 cm / sec, während zwei Patienten (Männer) hatten höhere Geschwindigkeiten. Männer (72,96 cm / s) vorgestellt deutlich höhere Muskel Geschwindigkeit als Frauen (48,71 cm / s), p = 0,029, bei der Einstellung für individuelle Gewicht und Muskelstärke jedes Thema. Die Position des Ultraschallwandlers wurde verfolgt, dachte der Dropdown-Landesequenz unter Verwendung der High-Speed-Kamera. Der Winkel zwischen der Strecke zwischen dem Trochanter und der Manschette (grüne Strich gemachted Liniensegment) und die Strecke zwischen der Mitte des Oberschenkels und der Manschette (violett gestrichelte Linie Segment) berechnet. Insgesamt 16 Studien mit 2-Studien pro Fach (Versuch 1 und 2 beziehen sich auf ein zu unterwerfen und so weiter) sind in Abbildung 4 beobachtet. Minimale Winkeländerung (0,91 ° ± 0,54 °) der Wandlerhalterung relativ zu den anatomischen Markierungen während der Landung wurde über alle 16 Studien beobachtet. Der Ultraschallwandler Winkeländerung präsentierte eine hohe Wiederholgenauigkeit sowie (ICC 2,1 = 0,90, p &lt;0,05). Dies zeigt, dass der Wandler Bewegung bei der Landung Studie war minimal und die Geschwindigkeitsmessungen wurden nicht wegen einer Wandlerbewegung betroffen. II. 3D-Motion-Kamera und Kraftmessplatten Wir vor allem auf Knie und Hüfte gebeugt Winkel-, Knie-valgus-Winkel und Knie valgus Moment konzentriert. Wir fanden, dass bei der ersten Verbindung mit dem Boden, hatten Probanden die folgenden kinematischen Muster: hip flexion 41 ° ± 13 °, 23 ° Kniebeugung ± 9 Grad und Knie valgus 0,03 ° ± 6 Grad. Als sie während der Landephase die Fortschritte, waren die maximale Winkel erreicht: Hüftbeugung 58 ° ± 19 °, 54 ° Kniebeugung ± 24 Grad und Knie valgus -4 ° ± 8 Grad (Abbildung 5). Knie Valgusmoments präsentiert einen Rückgang von 0,03 ± 0,03 bis 0,1 ± 0,1 Nm / km von der ersten Bodenkontakt zu ihrer maximalen während der Landephase (Abbildung 6). <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig1.jpg" /> Fig. 1 ist. Vertretung der VTDI Geschwindigkeitsmessung des Rectus femoris. Die graue Balken repräsentieren die beiden einzelnen Sende-und Empfangsbalken und die rote Linie stellt die seitliche Geschwindigkeitskomponente (zusammen proximal-distaler Richtung des Knies) und die blaue Linie stellt die axiale Geschwindigkeit Komponente (entlang der Muskeldicke). &lt;p class = &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig2.jpg" /> 2. Axiale und laterale Geschwindigkeiten während Abfall Landung auf der Sequenz von Videorahmen (oberes Feld) verglichen. Die untere Platte ist die axiale und laterale Geschwindigkeiten, wobei A entspricht der Ausgangskniebeugung entspricht b der Knieextension, C entspricht dem Zehen den Boden fällt, entspricht D an der Ferse den Boden fällt, entspricht E, um die Kniebeugung nach der Landung und F entspricht der Kniestreckung und Stabilisierung. <img alt="Fig. 3" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig3.jpg" /> 3. Wiederholbarkeit der Größe des resultierenden Geschwindigkeitsvektor für alle 8 Themen (2 Versuchen pro Thema). Männer sind in roten Diamanten und Frauen in blauen Kreisen bezeichnet. <img alt="Fig. 4" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig4.jpg" /> 4. Panel A. Der Fehlerder Winkel zwischen der Strecke von Ultraschallwandler Halter gemacht und der Marker auf der Mitte des Oberschenkels (violett gestrichelte Linie Segment) und dem Liniensegment durch die Ultraschallwandler gemacht und der Marker auf dem Trochanter (grün gestrichelte Linie Segment). Panel B. Der absolute Fehler in dem Winkel zwischen dem Liniensegment von Ultraschallwandlerhalter und der Markierung auf der Mitte des Oberschenkels und des Liniensegments von dem Ultraschallwandler und dem Marker auf dem Trochanter gemacht. <img alt="Figur 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig5.jpg" /> 5. Abbildung zeigt die 3D-Motion-Capture während der Landung Drop Aufgabe. A entspricht der ersten Kniebeugung für den Start von der Plattform entspricht B bis zu den Zehen den Boden fällt, C entspricht der Ferse auf den Boden fällt, entspricht D Kniebeugung nach der Landung und E entspricht der KNEe-Erweiterung und Stabilisierung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50595/50595fig5hires.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen.</a> <img alt="Fig. 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50595/50595fig6.jpg" /> 6. Abbildung zeigt repräsentative Knie valgus Moment ändert sich während der Standphase des Dropdown-Sprung. Knie Valgusmoments präsentiert einen Anstieg von 0,03 ± 0,03 bis 0,1 ± 0,1 Nm / km von der ersten Bodenkontakt zu ihrer maximalen während der Landephase. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50595/50595fig6hires.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um zu vergrößern Figur.</a>

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A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

Wir beschreiben eine neue Ultraschall-basierten Vektor-Gewebe-Doppler-Imaging-Technik, um die Muskelkontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung bei der dynamischen Aktivitäten zu messen. Dieser Ansatz bietet ergänzende Messungen der dynamischen Muskelfunktion und könnte zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die Muskel-Skelett-Erkrankungen führen.

A Novel Anwendung von Muskel-Skelett-Ultraschall-Bildgebung

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

a-novel-application-of-musculoskeletal-ultrasound-imaging

Research

JoVE Journal

Medicine

23.3K Aufrufe.  George Mason University.  Wir beschreiben eine neue Ultraschall-basierten Vektor-Gewebe-Doppler-Imaging-Technik, um die Muskelkontraktionsgeschwindigkeit, Strain und Strain Rate mit Sub-Millisekunden-Zeitauflösung bei der dynamischen Aktivitäten zu messen. Dieser Ansatz bietet ergänzende Messungen der dynamischen Muskelfunktion und könnte zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die Muskel-Skelett-Erkrankungen führen. 

Serie: A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

Murine Echocardiography and Ultrasound Imaging

Rodent models of cardiac pathophysiology represent a valuable research tool to investigate mechanism of disease as well as test new therapeutics.1 Echocardiography provides a powerful, non-invasive tool to serially assess cardiac morphometry and function in a living animal.2 However, using this technique on mice poses unique challenges owing to the small size and rapid heart rate of these animals.3 Until recently, few ultrasound systems were capable of performing quality echocardiography on mice, and those generally lacked the image resolution and frame rate necessary to obtain truly quantitative measurements. Newly released systems such as the VisualSonics Vevo2100 provide new tools for researchers to carefully and non-invasively investigate cardiac function in mice. This system generates high resolution images and provides analysis capabilities similar to those used with human patients. Although color Doppler has been available for over 30 years in humans, this valuable technology has only recently been possible in rodent ultrasound.4,5 Color Doppler has broad applications for echocardiography, including the ability to quickly assess flow directionality in vessels and through valves, and to rapidly identify valve regurgitation. Strain analysis is a critical advance that is utilized to quantitatively measure regional myocardial function.6 This technique has the potential to detect changes in pathology, or resolution of pathology, earlier than conventional techniques. Coupled with the addition of three-dimensional image reconstruction, volumetric assessment of whole-organs is possible, including visualization and assessment of cardiac and vascular structures. Murine-compatible contrast imaging can also allow for volumetric measurements and tissue perfusion assessment.

This video demonstrates use of a rail-mounted high-frequency ultrasound probe to perform echocardiography on an anesthetized mouse. The methods describe both conventional two-dimensional and M-mode measurements of cardiac function in addition to newer, more powerful tools such as color Doppler, strain analysis, as well as general and targeted contrast imaging.

Murine Echokardiographie und Ultraschall-Bildgebung

Rodent models of cardiac pathophysiology represent a valuable research tool to investigate mechanism of disease as well as test new therapeutics.1  ...

Forschung

Medizin

Accurate and Simple Measurement of the Pro-inflammatory Cytokine IL-1&beta; using a Whole Blood Stimulation Assay

Inflammatory processes resulting from the secretion of soluble mediators by immune cells, lead to various manifestations in skin, joints and other tissues as well as altered cytokine homeostasis. The innate immune system plays a crucial role in recognizing pathogens and other endogenous danger stimuli. One of the major cytokines released by innate immune cells is Interleukin (IL)-1. Therefore, we utilize a whole blood stimulation assay in order to measure the secretion of inflammatory cytokines and specifically of the pro-inflammatory cytokine IL-1&beta; 1, 2, 3.
Patients with genetic dysfunctions of the innate immune system causing autoinflammatory syndromes show an exaggerated release of mature IL-1&beta; upon stimulation with LPS alone. In order to evaluate the innate immune component of patients who present with inflammatory-associated pathologies, we use a specific immunoassay to detect cellular immune responses to pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), such as the gram-negative bacterial endotoxin, lipopolysaccharide (LPS). These PAMPs are recognized by pathogen recognition receptors (PRRs), which are found on the cells of the innate immune system 4, 5, 6, 7. A primary signal, LPS, in conjunction with a secondary signal, ATP, is necessary for the activation of the inflammasome, a multiprotein complex that processes pro-IL-1&beta; to its mature, bioactive form 4, 5, 6, 8, 9, 10.
The whole blood assay requires minimal sample manipulation to assess cytokine production when compared to other methods that require labor intensive isolation and culturing of specific cell populations. This method differs from other whole blood stimulation assays; rather than diluting samples with a ratio of RPMI media, we perform a white blood cell count directly from diluted whole blood and therefore, stimulate a known number of white blood cells in culture 2. The results of this particular whole blood assay demonstrate a novel technique useful in elucidating patient cohorts presenting with autoinflammatory pathophysiologies.

Accurate and Simple Measurement of the Pro-inflammatory Cytokine IL-1&#946; using a Whole Blood Stimulation Assay

We describe a simple immunoassay to measure the production of pro-inflammatory cytokines, such as IL-1 beta production, in patients presenting with autoinflammatory phenotypes. By activating cells in whole blood cultures with pathogen-associated molecular patterns, specifically with lipopolysaccharide, cytokine secretion can be conveniently evaluated in whole blood supernatants.

Genaue und einfache Messung der pro-inflammatorischen Zytokins IL-1β mit einem Vollblut Stimulation Assay

Inflammatory processes resulting from the secretion of soluble mediators by immune cells, lead to various manifestations in skin, joints and other tissues ...

Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade. While the use of TMS has expanded to the study of many systems and processes during this time, the original application and perhaps one of the most common uses of TMS involves studying the physiology, plasticity and function of the human neuromuscular system. Single pulse TMS applied to the motor cortex excites pyramidal neurons transsynaptically 2 (Figure 1) and results in a measurable electromyographic response that can be used to study and evaluate the integrity and excitability of the corticospinal tract in humans 3. Additionally, recent advances in magnetic stimulation now allows for partitioning of cortical versus spinal excitability 4,5. For example, paired-pulse TMS can be used to assess intracortical facilitatory and inhibitory properties by combining a conditioning stimulus and a test stimulus at different interstimulus intervals 3,4,6-8. In this video article we will demonstrate the methodological and technical aspects of these techniques. Specifically, we will demonstrate single-pulse and paired-pulse TMS techniques as applied to the flexor carpi radialis (FCR) muscle as well as the erector spinae (ES) musculature. Our laboratory studies the FCR muscle as it is of interest to our research on the effects of wrist-hand cast immobilization on reduced muscle performance6,9, and we study the ES muscles due to these muscles clinical relevance as it relates to low back pain8. With this stated, we should note that TMS has been used to study many muscles of the hand, arm and legs, and should iterate that our demonstrations in the FCR and ES muscle groups are only selected examples of TMS being used to study the human neuromuscular system.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool to gain insight on the physiology and function of the human nervous system. Here, we present our TMS techniques to study cortical excitability of the upper limb and lumbar musculature.

Mit Hilfe Transkranielle Magnetstimulation auf die menschliche neuromuskuläre System zu studieren

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade.  While ...

MRI-guided Disruption of the Blood-brain Barrier using Transcranial Focused Ultrasound in a Rat Model

Focused ultrasound (FUS) disruption of the blood-brain barrier (BBB) is an increasingly investigated technique for circumventing the BBB1-5. The BBB is a significant obstacle to pharmaceutical treatments of brain disorders as it limits the passage of molecules from the vasculature into the brain tissue to molecules less than approximately 500 Da in size6. FUS induced BBB disruption (BBBD) is temporary and reversible4 and has an advantage over chemical means of inducing BBBD by being highly localized. FUS induced BBBD provides a means for investigating the effects of a wide range of therapeutic agents on the brain, which would not otherwise be deliverable to the tissue in sufficient concentration. While a wide range of ultrasound parameters have proven successful at disrupting the BBB2,5,7, there are several critical steps in the experimental procedure to ensure successful disruption with accurate targeting. This protocol outlines how to achieve MRI-guided FUS induced BBBD in a rat model, with a focus on the critical animal preparation and microbubble handling steps of the experiment.

Microbubble-mediated focused ultrasound disruption of the blood-brain barrier (BBB) is a promising technique for non-invasive targeted drug delivery in the brain1-3. This protocol outlines the experimental procedure for MRI-guided transcranial BBB disruption in a rat model.

MRI-geführten Störung der Blut-Hirn-Schranke mit Hilfe der transkraniellen fokussiertem Ultraschall in einem Rattenmodell

Focused ultrasound (FUS) disruption of the blood-brain barrier (BBB) is an increasingly investigated technique for circumventing the BBB1-5. The BBB is a ...

The Use of Pharmacological-challenge fMRI in Pre-clinical Research: Application to the 5-HT System

Pharmacological MRI (phMRI) is a new and promising method to study the effects of substances on brain function that can ultimately be used to unravel underlying neurobiological mechanisms behind drug action and neurotransmitter-related disorders, such as depression and ADHD. Like most of the imaging methods (PET, SPECT, CT) it represents a progress in the investigation of brain disorders and the related function of neurotransmitter pathways in a non-invasive way with respect of the overall neuronal connectivity. Moreover it also provides the ideal tool for translation to clinical investigations. MRI, while still behind in molecular imaging strategies compared to PET and SPECT, has the great advantage to have a high spatial resolution and no need for the injection of a contrast-agent or radio-labeled molecules, thereby avoiding the repetitive exposure to ionizing radiations. Functional MRI (fMRI) is extensively used in research and clinical setting, where it is generally combined with a psycho-motor task. phMRI is an adaptation of fMRI enabling the investigation of a specific neurotransmitter system, such as serotonin (5-HT), under physiological or pathological conditions following activation via administration of a specific challenging drug.
The aim of the method described here is to assess brain 5-HT function in free-breathing animals. By challenging the 5-HT system while simultaneously acquiring functional MR images over time, the response of the brain to this challenge can be visualized. Several studies in animals have already demonstrated that drug-induced increases in extracellular levels of e.g. 5-HT (releasing agents, selective re-uptake blockers, etc) evoke region-specific changes in blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI signals (signal due to a change of the oxygenated/deoxygenated hemoglobin levels occurring during brain activation through an increase of the blood supply to supply the oxygen and glucose to the demanding neurons) providing an index of neurotransmitter function. It has also been shown that these effects can be reversed by treatments that decrease 5-HT availability16,13,18,7. In adult rats, BOLD signal changes following acute SSRI administration have been described in several 5-HT related brain regions, i.e. cortical areas, hippocampus, hypothalamus and thalamus9,16,15. Stimulation of the 5-HT system and its response to this challenge can be thus used as a measure of its function in both animals and humans2,11.

The goal of this technique is to assess serotonin (5-HT) neurotransmitter function in the live and free-breathing animal with pharmacological magnetic resonance imaging (phMRI) and an intravenous challenge with a selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI), fluoxetine.

Die Verwendung von pharmakologischen fMRT-Herausforderung in der präklinischen Forschung: Anwendung auf die 5-HT-System

Pharmacological MRI (phMRI) is a new and promising method to study the effects of substances on brain function that can ultimately be used to unravel ...

Diagnostic Ultrasound Imaging of Mouse Diaphragm Function

Function analysis of rodent respiratory skeletal muscles, particularly the diaphragm, is commonly performed by isolating muscle strips using invasive surgical procedures. Although this is an effective method of assessing in vitro diaphragm activity, it involves non-survival surgery. The application of non-invasive ultrasound imaging as an in vivo procedure is beneficial since it not only reduces the number of animals sacrificed, but is also suitable for monitoring disease progression in live mice. Thus, our ultrasound imaging method may likely assist in the development of novel therapies that alleviate muscle injury induced by various respiratory diseases. Particularly, in clinical diagnoses of obstructive lung diseases, ultrasound imaging has the potential to be used in conjunction with other standard tests to detect the early onset of diaphragm muscle fatigue. In the current protocol, we describe how to accurately evaluate diaphragm contractility in a mouse model using a diagnostic ultrasound imaging technique.

Diagnostic ultrasound imaging has proven to be effective in diagnosing various respiratory diseases in human and animal subjects. We demonstrate a comprehensive ultrasound protocol utilized by Dr. Zuo's lab to analyze diaphragm kinetics specifically in mouse models. This is also a non-invasive research technique which can provide quantitative information on mouse respiratory muscle function.

Diagnostische Ultraschall-Bildgebung der Maus Membranfunktion

Function analysis of rodent respiratory skeletal muscles, particularly the diaphragm, is commonly performed by isolating muscle strips using invasive ...

A Novel in vivo Gene Transfer Technique and in vitro Cell Based Assays for the Study of Bone Loss in Musculoskeletal Disorders

Differentiation and activation of osteoclasts play a key role in the development of musculoskeletal diseases as these cells are primarily involved in bone resorption. Osteoclasts can be generated in vitro from monocyte/macrophage precursor cells in the presence of certain cytokines, which promote survival and differentiation. Here, both in vivo and in vitro techniques are demonstrated, which allow scientists to study different cytokine contributions towards osteoclast differentiation, signaling, and activation. The minicircle DNA delivery gene transfer system provides an alternative method to establish an osteoporosis-related model is particularly useful to study the efficacy of various pharmacological inhibitors in vivo. Similarly, in vitro culturing protocols for producing osteoclasts from human precursor cells in the presence of specific cytokines enables scientists to study osteoclastogenesis in human cells for translational applications. Combined, these techniques have the potential to accelerate drug discovery efforts for osteoclast-specific targeted therapeutics, which may benefit millions of osteoporosis and arthritis patients worldwide.

A Novel in vivo Gene Transfer Technique and in vitro Cell Based Assays for the Study of Bone Loss in Musculoskeletal Disorders

Differentiation of precursor cells into osteoclasts is regulated by cytokines and growth factors. Here, a novel gene transfer technique for differentiation of osteoclasts in vivo and cell culture protocols for differentiating precursor cells into osteoclasts in vitro as a method to study the effects of cytokines on osteoclastogenesis are described.

A Novel<em&gt; In vivo</em&gt; Gentransfer-Technik und<em&gt; In-vitro-</em&gt; Zellbasierte Assays für das Studium der Knochenverlust in Skeletterkrankungen

Differentiation and activation of osteoclasts play a key role in the development of musculoskeletal diseases as these cells are primarily involved in bone ...

State of the Art Cranial Ultrasound Imaging in Neonates

Cranial ultrasound (CUS) is a reputable tool for brain imaging in critically ill neonates. It is safe, relatively cheap and easy to use, even when a patient is unstable. In addition it is radiation-free and allows serial imaging. CUS possibilities have steadily expanded. However, in many neonatal intensive care units, these possibilities are not optimally used. We present a comprehensive approach for neonatal CUS, focusing on optimal settings, different probes, multiple acoustic windows and Doppler techniques. This approach is suited for both routine clinical practice and research purposes. In a live demonstration, we show how this technique is performed in the neonatal intensive care unit. Using optimal settings and probes allows for better imaging quality and improves the diagnostic value of CUS in experienced hands. Traditionally, images are obtained through the anterior fontanel. Use of supplemental acoustic windows (lambdoid, mastoid, and lateral fontanels) improves detection of brain injury. Adding Doppler studies allows screening of patency of large intracranial arteries and veins. Flow velocities and indices can be obtained. Doppler CUS offers the possibility of detecting cerebral sinovenous thrombosis at an early stage, creating a window for therapeutic intervention prior to thrombosis-induced tissue damage. Equipment, data storage and safety aspects are also addressed.

Cranial ultrasound (CUS) is a valuable tool for brain imaging in critically ill neonates. This video shows a comprehensive approach for neonatal (Doppler) CUS for both clinical and research purposes, including a bedside demonstration of the technique.

State of the Art Hirn Ultraschall-Bildgebung bei Neugeborenen

Cranial ultrasound (CUS) is a reputable tool for brain imaging in critically ill neonates. It is safe, relatively cheap and easy to use, even when a ...

High-frequency Ultrasound Imaging of Mouse Cervical Lymph Nodes

High-frequency ultrasound (HFUS) is widely employed as a non-invasive method for imaging internal anatomic structures in experimental small animal systems. HFUS has the ability to detect structures as small as 30 &#181;m, a property that has been utilized for visualizing superficial lymph nodes in rodents in brightness (B)-mode. Combining power Doppler with B-mode imaging allows for measuring circulatory blood flow within lymph nodes and other organs. While HFUS has been utilized for lymph node imaging in a number of mouse&#160; model systems, a detailed protocol describing HFUS imaging and characterization of the cervical lymph nodes in mice has not been reported. Here, we show that HFUS can be adapted to detect and characterize cervical lymph nodes in mice. Combined B-mode and power Doppler imaging can be used to detect increases in blood flow in immunologically-enlarged cervical nodes. We also describe the use of B-mode imaging to conduct fine needle biopsies of cervical lymph nodes to retrieve lymph tissue for histological&#160; analysis. Finally, software-aided steps are described to calculate changes in lymph node volume and to visualize changes in lymph node morphology following image reconstruction. The ability to visually monitor changes in cervical lymph node biology over time provides a simple and powerful technique for the non-invasive monitoring of cervical lymph node alterations in preclinical mouse models of oral cavity disease.

This protocol describes the application of high-frequency ultrasound (HFUS) for imaging mouse cervical lymph nodes. This technique optimizes visualization and quantification of cervical lymph node morphology, volume and blood flow. Image-guided biopsy of cervical lymph nodes and processing of lymph tissue for histological evaluation is also demonstrated.

Hochfrequenz-Ultraschall-Bildgebung der Maus Halslymphknoten

High-frequency ultrasound (HFUS) is widely employed as a non-invasive method for imaging internal anatomic structures in experimental small animal ...

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.

3D Ultraschall-Bildgebung: schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe

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