Die Autoren sind sehr dankbar, dass Adam Shortland und Nicola Fry teilten ihre Algorithmen für die 3-dimensionalen Ultraschall im Jahr 2004, die die Inspiration für die Entwicklung der Software, die in dieser Studie verwendet wurden.

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Eine valide und zuverlässige 3DUS Technik präsentiert, die für die schnelle Analyse von morphometrische Variablen der Skelettmuskulatur ermöglicht. Verschiedene 3DUS Ansätze für die Weichgewebe Bildgebung wurden für ungefähr ein Jahrzehnt42,43, aber die 3DUS Ansätze noch nicht häufig verwendet werden. MRT ist ein "Goldstandard" für die Schätzung der in Vivo Muskel-Volumen (zB., verweist auf16,17,18,19,20). MRI Gültigkeit wurde getestet und in Studien zum Vergleich Phantome oder cadaveric Organe des bekannten Volumens auf MRT-basierte Volumen Schätzungen44,45bestätigt. Doch, MRI-Verfügbarkeit für die Forschung ist begrenzt und Scans sind Zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus nutzen Sie Versuchsperson, die Körperhaltungen durch die Bohrung begrenzt sind der MRI Scanner. Typische MRT-Bilder erzeugen nicht genügend Kontrast zur Durchführung von Messungen der Variablen von Muskel-Geometrie (Faszikel Längen und Winkel). 3D Muskel Geometrie kann jedoch auch mittels MRI mit zusätzlichen Techniken, z.B., DTI Technik21beurteilt werden. Ähnlich wie bei MRI, US-Bildgebung bietet ausreichende Unterscheidung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Arten von Gewebe (d.h. sichtbar in uns Bilder), die eine gültige Modalität für weiche Gewebe Volumen Bewertung1,30 ,44,46,47,48,49. Im Gegensatz zu MRI haben 3DUS Bilder ausreichenden Kontrast zur Analyse auf Volumen und Muskel Geometrie aus der gleichen Messung durchführen.
Darüber hinaus ermöglicht die Technik präsentiert Bilder von mehreren fegt in ein Array für die Untersuchung von größeren Muskeln kombiniert. Diese neue 3DUS-Methode stellt ein mögliches Instrument zur klinischen Beurteilung der Muskel Morphologie. Diese Methode kann auch verwendet werden, für imaging Weichgewebe Strukturen als Muskel (z.B., Sehnen, Organe, Arterien).
Änderungen an der Offline Verarbeitungszeit zu verbessern:
Modifikationen des 3DUS Ansatzes wurden hauptsächlich zur Verbesserung der Bearbeitungszeit und Messung von größeren Muskeln. Die offline Bearbeitungszeit eines 3DUS Bildes hängt Voxel-Array-Einstellungen, Sampling-Frequenz, Größe des ROI, Dauer und Geschwindigkeit der Sweep, Anzahl der Sweeps und der verwendeten Arbeitsstation. Zuvor war eine Wiederaufbau-Zeit von ≈ 2 h notwendig zur Rekonstruktion nur einen Streich nachgeben 750 US-Bilder (30 s bei 25 Hz)15,25,30. Mit dem vorliegenden 3DUS Verfahren dauert der gleiche Schwung nur 50 s Rekonstruktion (Verbesserung der 'offline' Bearbeitungszeit um 99 %). Diese Verbesserung kann durch den verstärkten Füllung Algorithmus erklärt werden, die große Vektoroperationen um die Voxel Frame-by-Frame, anstatt Pixel pro Pixel und erhöhte Arbeitsspeicher (RAM) von Workstations, größere Voxel-Arrays zu konstruieren füllen nutzt. Mit dem neuen 3DUS-Ansatz nimmt eine typische Rekonstruktion repräsentieren eine Sweep-Länge von 30 cm mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s, mit einer Voxel Zielgröße von 0.2 x 0.2 x 0,2 mm3 und einer Sampling-Frequenz von 25 Hz die folgende Zeit zu rekonstruieren :
A. ca. 10 s zu identifizieren die Synchronisation Puls und relevante US Bilder auszuwählen. B. etwa 120 s zu bestimmen, die Kalibrierung Transformationsmatrix (PrTIm). c. ca. 10 s für die bin-Füllung-Bühne. d. ca. 30 s für die Ausführung der Schritte spaltfüllenden.
Insgesamt, nehmend 170 S., Schritt b muss nur durchgeführt werden, sobald eine starre Verbindung die MoCap-Markierungen, um die Sonde unter der Annahme verlassen 50 s für den Wiederaufbau von einem einzigen Durchlauf. Kombination von zwei einzigen Durchlauf rekonstruiert Voxel Arrays dauert ca. 10 s.
Einschränkungen und wichtige Schritte:
Es gibt mehrere 3DUS imaging Aspekte, die berücksichtigt werden sollten:
i. US-Bildqualität: höherer räumlicher Auflösung der USA 2D-Bilder bieten mehr Pixel innerhalb der Voxel-Array platziert werden. Dies würde erlauben, die Voxel-Maße zu verringern, führt zu höheren Voxel-Dichte. Einige derzeit verfügbaren Ultraschallgeräte verwenden räumliche Compoundierung um laute körnige Textur, zulassend besser artefaktfrei Unterscheidung der Schnittstellen von Geweben zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit, Speckle zu reduzieren ist Edge-Enhancement. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass dieser Ansatz nicht wünschenswert, da es verformt sich das Bild in einem Versuch, verschiedene Schnittstellen, damit verzerren die wahre anatomischen Position der Schnittstellen zu schaffen.
II. MoCap-Genauigkeit: Pixel nur genau platziert werden in einem Voxel, wenn der Lagesensor genau die Koordinaten der Sonde quantifiziert. Mit einem Anstieg der Bildauflösung wird MoCap Genauigkeit immer wichtiger. Präsentiert 3DUS setup funktioniert am besten mit einem Voxel Maß von 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3, mit einem MoCap-System mit einer Genauigkeit von 0,1 mm, mit reichlich Genauigkeit um das 3DUS Voxel-Array zu rekonstruieren.
III. Sample-Frequenz: die niedrigste Zeitauflösung von der US-Bilder oder MoCap-Datenstrom bestimmt die Samplefrequenz. Dies betrifft die Sweep-Zeit oder die Voxel-Array-Einstellungen. Beispielsweise ermöglicht die Verdoppelung der Abtastfrequenz von 25 bis 50 Hz einen Sweep in der halben Zeit durchgeführt werden. Alternativ bietet keine Veränderung der Laufgeschwindigkeit, mehr Bilder, um die Voxel-Reihe, so dass weniger Lücken gefüllt werden und dadurch potenziell Erhöhung der Voxel-Array-Auflösung füllen. Erhöhung der Voxel-Array-Auflösung, ohne Erhöhung der Abtastfrequenz, erfordert jedoch einen langsameren Scan, der das Potenzial von Bewegungsartefakten zunehmen wird.
IV. Image-Wiederaufbau-Zeit: schnelle Umbauten erfordern eine leistungsstarke Workstation mit ausreichend RAM zur Verfügung. Darüber hinaus ist Wiederaufbau Zeit weitgehend abhängig von der Voxel Array Umfangs und der Komplexität des Prozesses spaltfüllenden.
v. experimentelles Protokoll: Standardisierung des experimentellen Protokolls, beispielhaft in der vorliegenden Studie für die VL und GM, ist wichtig für den Vergleich der morphologischen Messungen (z.B., Faszikel Länge, Faszikel Winkel, Bauch Muskel Länge, Länge der Sehne, Aponeurose Länge) zwischen Subjekten und Überwachung in Fächer in Langzeitstudien. Beachten Sie jedoch, dass die Morphologie bewertet in Ruhe während der Muskelaktivierung verändern kann. Beispielsweise kann die Knie Beinstrecker Morphologie während maximale Kontraktion für das VL-Experiment, eine hohe Pennation-Winkel und kürzere Faszikeln in 60° Knie Beugung, im Vergleich zu Morphologie bei Rest50demonstrieren. Unter bestimmten Bedingungen (z. B.., Spastik), Elektromyographie (EMG) kann verwendet werden, um die ruhenden Muskel-Aktivität während der Untersuchung zu überprüfen.
VI. Sonde Druck und Gewebe Verformung: wenn reichlich Ultraschallgel auf den ROI angewendet wird, beschränkt sich die Menge des Drucks für Vollkontakt zwischen Sonde und der Haut bleiben. Als Richtschnur empfehlen wir, einen ROI Scannen sollten Lust schwebt über der Haut, und Druck nur angewendet werden, sollte um in Kontakt mit dem Gel und dabei die Haut zu halten. Jedoch möglicherweise leichte Gewebe Verformung unvermeidbar, sogar mit einem großzügigen Betrag von Ultraschallgel. Sonde Größe und einen gekrümmten ROI beeinflussen die erforderliche Menge an Druck oder Gel verwendet. Sonde größer und stärker gekrümmt ROI erfordern mehr Druck und/oder mehr Gel, als kleinere Sonden mit einem ähnlichen gebogen ROI. Eine andere mögliche Lösung ist die Nachhall (d.h. nicht-Haut-Kontakt) Region der USA Bilder verwerfen. Darüber hinaus ist Gewebe Verformung am wahrscheinlichsten in den ersten Gewebeschichten wie Haut und subkutanem Fettgewebe Schichten auftreten. Beachten Sie, dass Probanden mit wenig bis keine Subkutane Fettgewebe daher anfälliger für Nebenwirkungen von Druck sind. Darüber hinaus tritt die Verformung des Gewebes sehr wahrscheinlich in der Mitte der Sonde, die in der Regel nicht der Region Überschneidungen mit anderen fegt.
VII. bildgebende und anatomische Kenntnisse: ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Verwendung bildgebende Modalität ist, dass das Wissen über die Anatomie und die bildgebende Modalität für sinnvolle Interpretation zu erhalten. Anatomische Unterschiede zwischen den einzelnen Themen und Bildartefakte muss erkannt und in den Identifikationsprozess anatomischer Strukturen berücksichtigt werden. Auch bei gesunden und/oder gut entwickelte Muskeln kann eindeutige Identifizierung schwierig sein, weil es anatomische Kenntnisse zu differenzieren zwischen verschiedenen Komponenten eines Muskels oder Muskel Gruppen51erfordert. Jedoch in atrophierten Muskulatur (z. B. ältere Menschen, bei Pathologie oder einem Kadaver), die eindeutige Identifizierung ist noch komplizierter, weil eine kleinere Größe und Kontrast verringert, und daher weniger ausgeprägt Gewebe Schnittstellen (Abbildung 4 ). Wir glauben, dass ohne anatomische Vorkenntnisse, wir wurden beschränkt werden würde, in richtige Urteilsfindung bei der Gestaltung dieser 3DUS Ansatz und in der 3DUS Messungen. Z. B. für GM Experimente verursachen verschiedene Fußplatte Winkel nicht unbedingt zu erwartenden Veränderungen im Muskel Sehne komplexe Längen, durch Verformung innerhalb der Fuß7. Anatomische Informationen über Krümmung des distalen Aponeurose war auch Voraussetzung für eine angemessene Auswahl von der Mitte-Längsebene in alle Themen-38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Abbildung 4: Variation und die Qualität der rekonstruierten anatomischen Querschnitt 3DUS Bilder von der Quadrizeps-Muskel bis zur Mitte des Oberschenkels. (A) Beispiel für einen männlichen menschlichen Kadaver zeigt ein Bild von einem verkümmerten Zustand bei Tod (Tod Alter: 81 Jahre). Ermittlung der Grenzen der einzelnen Köpfe des Quadrizeps-Muskel ist schwierig. (B) Beispiel für einen sitzenden Mann (30 Jahre). (C) Beispiel für einen männlichen Athleten Ruderer (im Alter von 30 Jahren). Repräsentieren die weißen Quadrate für Maßstab 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Zukünftige Anwendungen:
Das 3DUS-Konzept bietet eine imaging-Tools, die für verschiedene Zwecke und Einstellungen im Sport- und Kliniken verwendet werden kann. In klinischer Interventionen bezieht sich auf die körperliche Fitness Level52Wirksamkeit. Mit 3DUS für die Überwachung der Patienten mit Risiko des Verlustes von Muskel Masse ist wichtig (z.B.Referenzen53,54,55) und potenziell ermöglicht die Anpassung der Behandlung. Eine weitere mögliche Anwendung der 3DUS liegt bei der Überwachung der morphologischen Anpassungdes des Muskels als Reaktion auf Intervention (Training) und/oder Verletzungen.
Dieses Protokoll beschrieben eine Zeit und kosteneffektive Methode zur Messung der Weichgewebe Struktur des menschlichen Körpers basierend auf Freihand 3DUS fegt. Darüber hinaus erwies sich als Bewertung der sinnvollen morphologische Parameter der M. Vastus Lateralis und M. Gastrocnemius Medialis valide und reliable.

Im Gesundheitswesen und Sport wird Informationen über die Morphologie der Muskeln sehr wertvoll bei der Diagnostik und/oder Follow-up-Auswertungen nach Behandlung oder Ausbildung1. Ultraschall (US) ist allgemein ein Werkzeug zur Visualisierung von Weichteilstrukturen im Muskel Erkrankungen2, schwere Erkrankungen3,4, Herz-Kreislauf-Krankheiten5, neurologische Störungen6, 7,8und Wirkungen von körperlichem Training6,9,10. US-Bildgebung ermöglicht die Quantifizierung der Muskelgröße, Faszikel Länge und Winkel des Pennation. Diese morphologischen Variablen sind wichtige Determinanten der Muskel Kraft und Länge Auswahl an Anstrengung11,12,13,14,15zwingen.
Derzeit US-imaging Messung erfolgt meist in 2D Bilder, bei der Auswahl der Prüfer eine geeignete Ausrichtung und Position des Ultraschalls vermutlich Sonde. 2D Methoden beschränken morphologische Messungen auf einer Bildebene, während der Parameter von Interesse möglicherweise nicht innerhalb dieser Ebene vorhanden. Morphologische Analyse erfordert einen 3D Ansatz, Bereitstellung von Out-of-Plane Messungen mittels 3D Bezugspunkte. Solche 3D morphologische Darstellung der Weichteile ist bekanntermaßen von Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)16,17,18,19,20zur Verfügung gestellt werden. MRI ist jedoch teuer und nicht immer verfügbar. Visualisierung der Muskelfasern erfordert auch spezielle MRT-Sequenzen, wie Diffusion Tensor imaging (DTI)21. Eine kostengünstige Alternative zum MRI ist 3D Ultraschall (3DUS). Das 3DUS-Konzept bietet mehrere Vorteile gegenüber MRT-Verfahren, z. B., es gelten weniger Raum Einschränkungen für die Positionierung zum Themas während einer Prüfung. 3DUS Imaging ist eine Technik, die sequenziell 2D (B-Mode-US) Aufnahmen und positionieren sie in ein Volumen-Element (Voxel) Array22,23,24. Der Prozess der 3DUS Bildrekonstruktion besteht aus fünf Schritten: (1) Erfassung einer Reihe von Freihand US 2D-Bilder; (2) Verfolgung der Position der US-Sonde, mit einem Motion Capture (MoCap) System; (3) synchronisieren die MoCap-Position und US-Bilder; (4) berechnet die Position und Ausrichtung von Ultraschallbildern innerhalb der Voxel-Arrays mit einem kalibrierten System der Referenz; und (5) diese Bilder in diesem Voxel-Array.
Der 3DUS Ansatz wurde zur Beurteilung der Morphologie der Skelettmuskulatur15,25,26,27,28,29erfolgreich angewendet. Jedoch erwiesen frühere Ansätze7,15,25,30 umständlich, zeitaufwendig und technisch begrenzt, da nur kleine Teile der großen Muskeln rekonstruiert werden konnte.
Verbesserung den 3DUS Ansatz, ein neues 3DUS-Protokoll entwickelt wurde, die Rekonstruktion der vollständigen Muskeln innerhalb kurzer Zeit ermöglicht. Dieses Protokoll-Artikel beschreibt die Verwendung von 3DUS imaging für Morphometrie des M. Vastus Lateralis (VL) und M. Gastrocnemius Medialis (GM).

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ultrasound device (Technos MPX)</td>
			<td>Esaote, Italy</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear array probe (12.5 Mhz, 5 cm)</td>
			<td>Esaote, Italy</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Workstation (HP Z440)</td>
			<td>HP, USA</td>
			<td>http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Framegrabber (Canopus, ADVC 300)</td>
			<td>Canopus, Japan</td>
			<td>ADVC 300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motion Capture System (Certus)</td>
			<td>NDI, Canada</td>
			<td>http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synchronisation device</td>
			<td>VU, NL</td>
			<td>Contact corresponding author</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration frame</td>
			<td>VU, NL</td>
			<td>Contact corresponding author</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermometer</td>
			<td>Greisinger, Germarny</td>
			<td>GTH 175/PT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Examination table</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>Any examination table</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inclinometer</td>
			<td>Lafayette instrument, USA</td>
			<td>ACU001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable Footplate</td>
			<td>VU, NL</td>
			<td>Contact corresponding author</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Torque wrench</td>
			<td>VU, NL</td>
			<td>Contact corresponding author</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Extendable rod</td>
			<td>VU, NL</td>
			<td>Contact corresponding author</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goniometer (Gollehon)</td>
			<td>Lafayette instrument, USA</td>
			<td>1135</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triangular shaped beam</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>Made out a piece of stiff foam</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lashing straps</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>Any lashing strap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical skin marker</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>Any surgical skin marker</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound transmission gel</td>
			<td>Servoson</td>
			<td>NA</td>
			<td>A sticky gel type is recommended</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d ultrasound imaging: fast and cost-effective morphometry of musculoskeletal tissue

Das Entwicklungsziel der 3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ist eine Modalität um 3D Ultraschall morphologische Analyse der menschlichen Muskeln führen zu konstruieren. 3DUS Bilder entstehen aus kalibrierten Freihand 2D B-Mode-Ultraschall-Bildern, die in einem Voxel-Array angeordnet sind. Ultraschall (US) ermöglicht die Quantifizierung der Muskelgröße, Faszikel Länge und Winkel des Pennation. Diese morphologischen Variablen sind wichtige Determinanten der Muskel Kraft und Länge Auswahl an Kraft Anstrengung. Die vorgestellte Protokoll beschreibt einen Ansatz um Volumen und Faszikel Länge der M. Vastus Lateralis und M. Gastrocnemius Medialiszu bestimmen. 3DUS erleichtert die Standardisierung 3D anatomische Referenzen verwenden. Dieser Ansatz ermöglicht einen schnellen und kostengünstigen Ansatz zur Quantifizierung der 3D Morphologie in der Skelettmuskulatur. Im Gesundheitswesen und Sport gibt Informationen über die Morphometrie der Muskeln sehr wertvoll bei der Diagnostik und/oder Follow-up-Auswertungen nach Behandlung oder Training.

Die beschriebenen 3DUS-Technik wurde verwendet, um morphologische Daten von GM und VL in vier männlichen menschlichen Leichen sammeln, Alter bei Tod 76,8 ± 7,9 Jahre (Mittelwert ± SD). Die Leichen wurden über das Spendenprogramm des Institut für Anatomie und Neurowissenschaften an der Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Niederlande. Die Leichen blieben mit einer Einbalsamierung Methode zur Erhaltung der morphologischen Eigenschaften der Gewebe39.
Vor der Präparation eine 3DUS Bild der GM und VL nach der Methodik beschrieben wurde. Während der Dissektion wurden entfernt, Haut, Unterhaut und Faszien, die Überlagerung der GM und VL. Eine Mitte-Längsschnitt wurde geschnitten, wobei die Ausrichtung der distalen Aponeurose zu berücksichtigen. Mit einem Bremssattel war die Faszikel Länge gemessen, auf halbem Weg zwischen dem Ursprung und dem distalen Ende des Muskels Bauch. Anschließend war der Bauch Muskel nach der Tenotomie, seziert und untergetaucht in einer kalibrierten Wassersäule. Verwendung von ImageJ, die Bände wurden auf Fotografien der Wassersäule mit und ohne den Bauch Muskel gemessen und Muskelvolumen wurde aus den Unterschied-40berechnen. Faszikel Länge und Volumen wurden drei Mal gemessen und der Mittelwert und Standardabweichung berechnet wurden. Kriterium Gültigkeit zwischen den 3DUS Methode und Dissektion Messungen wurde getestet mit einem Pearson-Korrelation für durchschnittliche Faszikel Länge und Muskel-Volumen. Intra-Rater Zuverlässigkeit der 3DUS Methode abgeleitete Faszikel Länge und Volumen Messungen wurde quantifiziert mit ein zwei-Wege-Modell Intra-Klasse Korrelationskoeffizient (ICC3,3)41gemischt und nach der logarithmischen Transformation der Daten, die Variationskoeffizienten (CV) wurde berechnet. Die Gültigkeit der Faszikel Länge und Muskel-Volumen-Messungen wurden durch signifikante und hohe Korrelationen bestätigt (R = 0.998, p < 0,01 und R = 0.985, p < 0,01, beziehungsweise). Intra-Rater Zuverlässigkeit der 3DUS-Methode abgeleitet Messungen Faszikel Länge und Volumen war hoch (ICC3,3 0.983, 7,3 % und ICC3,3 0.998, CV CV 5,4 %, beziehungsweise). Es wird festgestellt, dass der 3DUS Ansatz präsentiert ein valides und reliables Instrument für Volumen und Faszikel Länge Bewertung menschlichen VL und GM (Tabelle 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabelle 1: Kadaver Validierungsdaten. C# ist Kadaver Zahl, GM ist M. Gastrocnemius Medialis, VL M. Vastus Lateralis. "Dissektion" zeigt Ergebnisse aus dem Kadaver Dissektion, und "3DUS" zeigt die Ergebnisse aus der 3DUS-Bildanalyse von den Leichen.

Watch this Scientific Journal Video about 3D Ultrasound Imaging: Fast and Cost-effective Morphometry of Musculoskeletal Tissue at JoVE.com

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

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

3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ermöglicht die schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll zur Messung der Muskellänge Volumen und Faszikel mit 3DUS.

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

3d-ultrasound-imaging-fast-cost-effective-morphometry-musculoskeletal

Research

JoVE Journal

Medicine

22.9K Aufrufe.  Amsterdam Movement Sciences. 3D Ultraschall-Bildgebung (3DUS) ermöglicht die schnelle und kostengünstige Morphometrie des Muskel-Skelett-Gewebe. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll zur Messung der Muskellänge Volumen und Faszikel mit 3DUS.

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

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

A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

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

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

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 ...

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 ...

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 ...

In Vivo Dynamics of Retinal Microglial Activation During Neurodegeneration: Confocal Ophthalmoscopic Imaging and Cell Morphometry in Mouse Glaucoma

Microglia, which are CNS-resident neuroimmune cells, transform their morphology and size in response to CNS damage, switching to an activated state with distinct functions and gene expression profiles. The roles of microglial activation in health, injury and disease remain incompletely understood due to their dynamic and complex regulation in response to changes in their microenvironment. Thus, it is critical to non-invasively monitor and analyze changes in microglial activation over time in the intact organism. In vivo studies of microglial activation have been delayed by technical limitations to tracking microglial behavior without altering the CNS environment. This has been particularly challenging during chronic neurodegeneration, where long-term changes must be tracked. The retina, a CNS organ amenable to non-invasive live imaging, offers a powerful system to visualize and characterize the dynamics of microglia activation during chronic disorders.
This protocol outlines methods for long-term, in vivo imaging of retinal microglia, using confocal ophthalmoscopy (cSLO) and CX3CR1GFP/+ reporter mice, to visualize microglia with cellular resolution. Also, we describe methods to quantify monthly changes in cell activation and density in large cell subsets (200-300 cells per retina). We confirm the use of somal area as a useful metric for live tracking of microglial activation in the retina by applying automated threshold-based morphometric analysis of in vivo images. We use these live image acquisition and analyses strategies to monitor the dynamic changes in microglial activation and microgliosis during early stages of retinal neurodegeneration in a mouse model of chronic glaucoma. This approach should be useful to investigate the contributions of microglia to neuronal and axonal decline in chronic CNS disorders that affect the retina and optic nerve.

In Vivo Dynamics of Retinal Microglial Activation During Neurodegeneration: Confocal Ophthalmoscopic Imaging and Cell Morphometry in Mouse Glaucoma

Microglia activation and microgliosis are key responses to chronic neurodegeneration. Here, we present methods for in vivo, long-term visualization of retinal CX3CR1-GFP+ microglial cells by confocal ophthalmoscopy, and for threshold and morphometric analyses to identify and quantify their activation. We monitor microglial changes during early stages of age-related glaucoma.

In Vivo Dynamics of Retinal Mikrogliaaktivierung Während Neurodegeneration: Confocal Ophthalmoskopische Imaging and Cell Morphometrie in Maus Glaucoma

Microglia, which are CNS-resident neuroimmune cells, transform their morphology and size in response to CNS damage, switching to an activated state with ...

3D Whole-heart Myocardial Tissue Analysis

Cardiac regenerative therapies aim to protect and repair the injured heart in patients with ischemic heart disease. By injecting stem cells or other biologicals that enhance angio- or vasculogenesis into the infarct border zone (IBZ), tissue perfusion is improved, and the myocardium can be protected from further damage. For maximum therapeutic effect, it is hypothesized that the regenerative substance is best delivered to the IBZ. This requires accurate injections and has led to the development of new injection techniques. To validate these new techniques, we have designed a validation protocol based on myocardial tissue analysis. This protocol includes whole-heart myocardial tissue processing that enables detailed two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) analysis of the cardiac anatomy and intramyocardial injections. In a pig, myocardial infarction was created by a 90-min occlusion of the left anterior descending coronary artery. Four weeks later, a mixture of a hydrogel with superparamagnetic iron oxide particles (SPIOs) and fluorescent beads was injected in the IBZ using a minimally-invasive endocardial approach. 1 h after the injection procedure, the pig was euthanized, and the heart was excised and embedded in agarose (agar). After the solidification of the agar, magnetic resonance imaging (MRI), slicing of the heart, and fluorescence imaging were performed. After image post-processing, 3D analysis was performed to assess the IBZ targeting accuracy. This protocol provides a structured and reproducible method for the assessment of the targeting accuracy of intramyocardial injections into the IBZ. The protocol can be easily used when the processing of scar tissue and/or validation of the injection accuracy of the whole heart is desired.

This protocol describes a novel method for the 3D comparison of whole-heart myocardial tissue with MRI. This is designed for the accurate assessment of intramyocardial injections in the infarct border zone of a chronic porcine model of myocardial infarction.

3D Whole-Herz Myocardial Gewebeanalyse

Cardiac regenerative therapies aim to protect and repair the injured heart in patients with ischemic heart disease. By injecting stem cells or other ...

Generation of Human 3D Lung Tissue Cultures (3D-LTCs) for Disease Modeling

Translation of novel discoveries to human disease is limited by the availability of human tissue-based models of disease. Precision-cut lung slices (PCLS) used as 3D lung tissue cultures (3D-LTCs) represent an elegant and biologically highly relevant 3D cell culture model, which highly resemble in situ tissue due to their complexity, biomechanics and molecular composition. Tissue slicing is widely applied in various animal models. 3D-LTCs derived from human PCLS can be used to analyze responses to novel drugs, which might further help to better understand the mechanisms and functional effects of drugs in human tissue. The preparation of PCLS from surgically resected lung tissue samples of patients, who experienced lung lobectomy, increases the accessibility of diseased and peritumoral tissue. Here, we describe a detailed protocol for the generation of human PCLS from surgically resected soft-elastic patient lung tissue. Agarose was introduced into the bronchoalveolar space of the resectates, thus preserving lung structure and increasing the tissue&#39;s stiffness, which is crucial for subsequent slicing. 500 &#181;m thick slices were prepared from the tissue block with a vibratome. Biopsy punches taken from PCLS ensure comparable tissue sample sizes and further increase the amount of tissue samples. The generated lung tissue cultures can be applied in a variety of studies in human lung biology, including the pathophysiology and mechanisms of different diseases, such as fibrotic processes at its best at (sub-)cellular levels. The highest benefit of the 3D-LTC ex vivo model is its close representation of the in situ human lung in respect of 3D tissue architecture, cell type diversity and lung anatomy as well as the potential for assessment of tissue from individual patients, which is relevant to further develop novel strategies for precision medicine.

Generation of Human 3D Lung Tissue Cultures 3D-LTCs for Disease Modeling

Here, we present a protocol for the preparation of agarose-filled human precision-cut lung slices from resected patient tissue that are suitable for generating 3D lung tissue cultures to model human lung diseases in biological and biomedical studies.

Generation von menschlichen 3D Lungengewebe Kulturen (3D-LTCs) für Krankheit Modellierung

Translation of novel discoveries to human disease is limited by the availability of human tissue-based models of disease. Precision-cut lung slices (PCLS) ...

Use of 3D Robotic Ultrasound for In Vivo Analysis of Mouse Kidneys

Common modalities for in vivo imaging of rodents include positron emission tomography (PET), computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), and ultrasound (US). Each method has limitations and advantages, including availability, ease of use, cost, size, and the use of ionizing radiation or magnetic fields. This protocol describes the use of 3D robotic US for in vivo imaging of rodent kidneys and heart, subsequent data analysis, and possible research applications. Practical applications of robotic US are the quantification of total kidney volume (TKV), as well as the measurement of cysts, tumors, and vasculature. Although the resolution is not as high as other modalities, robotic US allows for more practical high throughput data collection. Furthermore, using US M-mode imaging, cardiac function may be quantified. Since the kidneys receive 20%-25% of the cardiac output, assessing cardiac function is critical to the understanding of kidney physiology and pathophysiology.

Use of 3D Robotic Ultrasound for In Vivo Analysis of Mouse Kidneys

This protocol demonstrates robotic ultrasound (US) as a practical, cost-effective, and quick alternative to traditional non-invasive image modalities.

Verwendung von 3D-Roboterultraschall für die In-vivo-Analyse von Mausnieren

Common modalities for in vivo imaging of rodents include positron emission tomography (PET), computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), ...

Drug Treatment by Central Venous Catheter in a Mouse Model of Angiotensin II Induced Abdominal Aortic Aneurysm and Monitoring by 3D Ultrasound

Since pharmaceutical treatment options are lacking in the clinical management of abdominal aortic aneurysm (AAA), animal models, in particular mouse models, are applied to advance the understanding of the disease pathogenesis and to identify potential therapeutic targets. Testing novel drug candidates to block AAA growth in these models generally requires repeated drug administration during the time course of the experiment. Here, we describe a compiled protocol for AAA induction, insertion of an intravenous catheter to facilitate prolonged therapy, and serial AAA monitoring by 3D ultrasound. Aneurysms are induced in apolipoprotein E (ApoE) deficient mice by angiotensin II release over 28 days from osmotic mini-pumps implanted subcutaneously into the mouse back. Subsequently, the surgical procedure for external jugular vein catheterization is conducted to allow for daily intravenous drug treatment or repeated blood sampling via a subcutaneous vascular access button. Despite the two dorsal implants, the monitoring of AAA development is readily facilitated by sequential semi-automated 3D ultrasound analysis, which yields comprehensive information on the expansion of aortic diameter and volume and on aneurysm morphology, as illustrated by experimental examples.

This protocol describes the consecutive implantation of an osmotic pump to induce abdominal aortic aneurysm by angiotensin II release in apolipoprotein E (ApoE) deficient mice and of a vascular access port with a jugular vein catheter for repeated drug treatment. Monitoring of aneurysm development by 3D ultrasound is effectively conducted despite dorsal implants.

Medikamentöse Behandlung mittels zentralvenösem Katheter in einem Mausmodell des Angiotensin-II-induzierten Bauchaortenaneurysmas und Überwachung mittels 3D-Ultraschall

Since pharmaceutical treatment options are lacking in the clinical management of abdominal aortic aneurysm (AAA), animal models, in particular mouse ...

Providing Visual Biofeedback Using Brightness Mode Ultrasound During a Golf Swing

Using ultrasound biofeedback in conjunction with verbal cueing can increase muscle thickness more than verbal cueing alone and may augment traditional rehabilitation techniques in an athletic, physically active population. Brightness mode (B-mode) ultrasound can be applied using frame-by-frame analysis synchronized with video to understand muscle thickness changes during these dynamic tasks. Visual biofeedback with ultrasound has been established in static positions for the muscles of the lateral abdominal wall. However, by securing the transducer to the abdomen using an elastic belt and foam block, biofeedback can be applied during more specific tasks prevalent in lifetime sports, such as golf. To analyze muscle activity during a golf swing, muscle thickness changes can be compared. The thickness must increase throughout the task, indicating that the muscle is more active. This methodology allows clinicians to immediately replay ultrasound videos for patients as a visual tool to instruct proper activity of the muscles of interest. For example, ultrasound can be used to target the external and internal obliques, which play an important role in swinging a golf club or any other rotational sport or activity. This methodology aims to increase oblique muscle thickness during the golf swing. Additionally, the timing of muscle contraction can be targeted by instructing the patient to contract the abdominal muscles at specific time points, such as the beginning of the downswing, with the goal of improving muscle firing patterns during tasks.

Brightness mode ultrasound can be used to provide visual biofeedback of the muscles of the lateral abdominal wall during a golf swing. Post-swing visual and verbal instruction can increase the muscle activation and timing of the external and internal obliques.

Bereitstellung von visuellem Biofeedback mit Helligkeitsmodus-Ultraschall während eines Golfschwungs

Using ultrasound biofeedback in conjunction with verbal cueing can increase muscle thickness more than verbal cueing alone and may augment traditional ...