Gli autori sono molto grati a Adam Shortland e Nicola Fry che hanno condiviso i loro algoritmi per l'ecografia 3-dimensionale nel 2004, che sono stati l'ispirazione per lo sviluppo del software utilizzato in questo studio.

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Una tecnica valida e affidabile 3DUS è presentata che permette l'analisi veloce di variabili morfometriche dei muscoli scheletrici. 3DUS diversi approcci per l'imaging dei tessuti molli sono stati disponibili per circa un decennio42,43, tuttavia gli approcci di 3DUS non sono ancora usati comunemente. MRI è il 'gold standard' per la stima di in vivo volumi muscolari (ad es., fa riferimento a16,17,18,19,20). Validità di MRI è stato testato e confermato in studi di confronto tra fantasmi o organi cadaverici di volume noto al volume basati su MRI stime44,45. Tuttavia, la disponibilità di MRI per la ricerca è limitata e scansioni sono lungo e costoso. Inoltre, soggetto sperimentale posture sono limitate dal foro di impadronirsi degli scanner MRI. Immagini tipiche del signor generano contrasto insufficiente per eseguire misure di variabili della geometria del muscolo (fascicle lunghezze ed angoli). Tuttavia, geometria 3D muscolare può essere valutato anche usando MRI utilizzando tecniche aggiuntive, ad esempio, DTI tecnica21. Simile a imaging MRI, US fornisce adeguata distinzione alle interfacce tra i diversi tipi di tessuti (cioè visibile in noi immagini), fornendo una modalità valida per tessuti molli volume valutazione1,30 ,44,46,47,48,49. In contrasto con MRI, 3DUS immagini hanno un contrasto sufficiente per eseguire l'analisi sulla geometria sia il volume che il muscolo dalla misura stessa.
Inoltre, la tecnica presentata permette la combinazione di immagini di spazza multipli in un'unica matrice, per lo studio dei muscoli più grandi. Questo nuovo metodo 3DUS fornisce un potenziale strumento per la valutazione clinica della morfologia del muscolo. Questo metodo può essere utilizzato anche per l'imaging del morbido-tessuto strutture diverse da muscolo (ad es., tendini, organi interni, arterie).
Modifiche per migliorare il tempo di elaborazione Offline:
Modifiche dell'approccio 3DUS erano principalmente volti a migliorare il tempo di elaborazione e muscoli più grandi di misura. Il tempo di elaborazione offline di un'immagine di 3DUS dipende dalle impostazioni dell'array del voxel, frequenza di campionamento, dimensione di ROI, durata e velocità di sweep, numero di indagini a tappeto e la workstation usata. In precedenza, era necessario per ricostruire solo uno sweep producendo 750 US immagini un tempo di ricostruzione di ≈ 2 h (30 s a 25 Hz)15,25,30. Con il presente metodo di 3DUS, lo stesso sweep prende solo 50 s tempo di ricostruzione (migliorando il tempo di elaborazione 'offline' 99%). Questo miglioramento si spiega con l'algoritmo di riempimento avanzata che utilizza le operazioni vettoriali di grandi dimensioni per riempire i voxel frame-by-frame, invece di pixel per pixel e maggiore accesso casuale memoria (RAM) di workstation per costruire matrici di voxel più grandi. Con il nuovo approccio di 3DUS, una ricostruzione tipica che rappresenta una lunghezza di spazzata di 30 cm ad una velocità di 1 cm/s, con una dimensione del voxel di destinazione di 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3 e una frequenza di campionamento di 25 Hz, prende il seguente tempo di ricostruire :
a. circa 10 s per identificare l'impulso di sincronizzazione e selezionare immagini pertinenti di US. b. circa 120 s per determinare la matrice di trasformazione di calibrazione (PrTIm). c. circa 10 s per la fase di riempimento bin. Circa 30 s. d. per l'esecuzione la procedura di riempimento.
In totale, prendendo nota s. 170, passaggio b ha solo bisogno di essere eseguito una volta, supponendo che un collegamento rigido dei marcatori MoCap alla sonda, lasciando 50 s per la ricostruzione di una singola spazzata. Combinando due sweep unico ricostruito voxel matrici prende circa 10 s.
Limitazioni e fasi critiche:
Ci sono diversi aspetti di imaging 3DUS che dovrebbero essere presi in considerazione:
i. qualità dell'immagine US: maggiore risoluzione spaziale delle immagini 2D US fornire più pixel per essere collocato all'interno della matrice di voxel. In questo modo le dimensioni del voxel diminuire, portando a maggiore densità di voxel. Diverse macchine ad ultrasuoni attualmente disponibili utilizzano compounding spaziale per ridurre la struttura granulare rumorosa, permettendo per meglio priva di artefatti distinzione delle interfacce dei tessuti. Un'altra opzione per ridurre la macchiolina è aumento del bordo. Tuttavia, dovrebbe essere notato che questo approccio non è desiderabile, poiché si deforma l'immagine nel tentativo di creare interfacce distinte, distorcendo così la vera posizione anatomica delle interfacce.
II. MoCap precisione: pixel può essere accuratamente inserito in un voxel, se il sensore di posizione quantifica con precisione le coordinate della sonda. Con un aumento di risoluzione dell'immagine, MoCap precisione diventa più importante. Il 3DUS presentato installazione funziona meglio con una dimensione del voxel di 0,2 x 0,2 x 0,2 mm3, utilizzando un sistema di Motion Capture con una precisione di 0,1 mm, fornendo un ampio precisione per ricostruire la matrice di voxel 3DUS.
III. frequenza di esempio: la più bassa risoluzione temporale del US immagini o del flusso di dati di Motion Capture determina la frequenza di campionamento. Questo problema riguarda il tempo di sweep o le impostazioni di matrice di voxel. Per esempio, raddoppiando la frequenza di campione da 25 a 50 Hz permette una spazzata da eseguirsi in metà del tempo. In alternativa, non cambiando la velocità di scansione, fornisce più immagini per riempire la matrice di voxel, lasciando meno lacune da colmare e quindi potenzialmente aumentare la risoluzione di matrice di voxel. Tuttavia, aumentare la risoluzione di matrice di voxel, senza aumentare la frequenza di campionamento, richiede una scansione più lenta, che consentirà di aumentare il potenziale di artefatti di movimento.
IV. tempo di ricostruzione di immagine: veloce ricostruzioni richiedono una potente workstation con sufficiente memoria RAM disponibile. Inoltre, il tempo di ricostruzione varia in gran parte basato sul volume di matrice voxel e complessità del processo di riempimento.
v. protocollo sperimentale: standardizzazione del protocollo sperimentale, come esemplificato nello studio presente per il VL e GM, è essenziale per il confronto delle misurazioni morfologiche (ad es., fascicle lunghezza, angolo di fascio, pancia del muscolo lunghezza, lunghezza del tendine, aponeurosi lunghezza) tra i soggetti e monitoraggio all'interno negli studi longitudinali. Si noti tuttavia che la morfologia valutata a riposo può alterare durante l'attivazione muscolare. Ad esempio, per l'esperimento di VL, la morfologia dell'estensore del ginocchio durante la contrazione massima può dimostrare un angolo di alta pennation e più brevi fasci in flessione del ginocchio di 60°, in confronto con morfologia a riposo50. In determinate condizioni (ad es., spasticità), elettromiografia (EMG) può essere utilizzato per verificare i livelli di attività del muscolo che riposa durante l'esame.
vi. sonda pressione e tessuto deformazione: se viene applicato gel ultrasuoni ampio sul ROI, la quantità di pressione rimanga per pieno contatto tra la sonda e la pelle è limitata. Come guida, consigliamo un ROI di scansione dovrebbe sentire come si libra sopra la pelle, e di pressione deve essere applicata solo per mantenere in contatto con il gel e quindi la pelle. Tuttavia, la deformazione del tessuto leggero può essere inevitabile, anche con una generosa quantità di gel per ultrasuoni. Dimensioni sonda e un ROI curvo influenzano la quantità necessaria di pressione o gel utilizzato. Dimensioni sonda e un ROI più curvo richiedono più pressione e/o gel di più, di più piccole sonde con una simile curvo ROI. Un'altra possibile soluzione è di disfarsi della regione di riverbero (cioè senza pelle-contatto) delle immagini US. Inoltre, la deformazione del tessuto è più probabile che si verificano nei primi strati del tessuto, come ad esempio la cute e gli strati di tessuto adiposo sottocutaneo. Si noti che soggetti con poco o nessun tessuto adiposo sottocutaneo sono quindi più inclini agli effetti negativi della pressione. Inoltre, la deformazione del tessuto si verifica molto probabilmente al centro della sonda, che non è in genere la regione di sovrapposizione con altri spazza.
VII. conoscenza anatomica e Imaging: un'altra considerazione importante utilizzando qualsiasi modalità di formazione immagine è che la conoscenza sia l'anatomia e la modalità di formazione immagine è essenziale per ottenere l'interpretazione significativa. Variazione anatomica fra gli oggetti e artefatti dell'immagine ha bisogno di essere riconosciuti e presi in considerazione nel processo di identificazione delle strutture anatomiche. Anche con i muscoli ben sviluppati e/o sani, chiara identificazione può essere difficile perché richiede conoscenza anatomica per distinguere tra le varie componenti di un muscolo o tra gruppi di muscolo51. Tuttavia, nel muscolo atrofizzato (cioè anziani, nel caso di patologia, o un cadavere), l'individuazione chiara è ancora più complicato a causa di una dimensione più piccola e diminuito il contrasto dell'immagine, e quindi meno distinto tessuto interfacce (Figura 4 ). Noi crediamo che senza una preventiva conoscenza anatomica, ci sarebbe sono stati limitati a dare giudizi corretti nella progettazione di questo approccio di 3DUS e nell'eseguire le misure di 3DUS. Ad esempio, per gli esperimenti di GM, angoli pedana diversi non necessariamente causano cambiamenti attesi nel muscolo lunghezze complesso tendine, dovuto alla deformazione all'interno i piedi7. Inoltre dettagliate informazioni anatomiche sulla curvatura del aponeurosis distale erano essenziale per un'adeguata selezione del piano metà longitudinale in tutti i soggetti38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Figura 4: variazione e qualità di ricostruite immagini anatomiche 3DUS a sezione trasversale del muscolo quadricipite a metà strada lungo la coscia. (A) esempio di un cadavere umano maschio Mostra l'immagine di uno stato atrofizzato alla morte (età di morte: 81 anni). È difficile identificare i confini dei singoli capi del muscolo quadricipite. (B) esempio di un uomo sedentario (30 anni). (C) esempio di un vogatore di atleti di sesso maschile (età compresa tra 30 anni). I quadratini bianchi per scala rappresentano 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Future applicazioni:
L'approccio di 3DUS fornisce uno strumento di formazione immagine che può essere utilizzato per vari scopi e impostazioni negli sport e nelle cliniche. In interventi clinici efficacia è legata al livello di forma fisica52. Utilizzando 3DUS per il monitoraggio di pazienti a rischio di perdere muscolo massa è importante (ad esempio, riferimenti53,54,55) e potenzialmente permette la regolazione del trattamento. Un'altra potenziale applicazione di 3DUS si trova nel monitorare l'adattamento morfologico del muscolo in risposta all'intervento (formazione) e/o lesioni.
Questo protocollo descrive un metodo di costo e tempo efficace della struttura dei tessuti molli del corpo umano basato su freehand 3DUS spazza di misura. Inoltre, valutazione dei parametri morfologici significativi di lateralis vastus m. e m. gastrocnemio mediale ha dimostrato di essere valido e affidabile.

Nel settore sanitario e sportivo, informazioni sulla morfologia dei muscoli sono molto utile nella diagnostica e/o valutazioni di seguito dopo il trattamento o formazione1. Ecografia (US) è uno strumento comunemente utilizzato per la visualizzazione delle strutture dei tessuti molli nel muscolo malattie2, malattie critiche3,4, malattie cardiovascolari5, disturbi neurologici6, 7,8e gli effetti di allenamento fisico6,9,10. Imaging US consente la quantificazione della massa muscolare, fascicle lunghezza e angolo di pennation. Queste variabili morfologiche sono importanti determinanti della gamma di lunghezza e forza muscolare di forzare lo sforzo11,12,13,14,15.
Attualmente, misure imaging US sono principalmente realizzate in immagini 2D, con la scelta di esaminatore un presumibilmente, orientamento adatto e la posizione degli ultrasuoni sonda. Tali metodi 2D limitano misurazioni morfologiche al piano una sola immagine, mentre il parametro di interesse non può essere presente all'interno di questo piano. Analisi morfologica richiede un approccio 3D, fornendo misurazioni fuori-di-piano utilizzando punti di riferimento 3D. Una rappresentazione 3D morfologica dei tessuti molli è noto per essere fornito da formazione immagine a risonanza magnetica (MRI)16,17,18,19,20. Tuttavia, MRI è costoso e non sempre disponibile. Inoltre, la visualizzazione delle fibre muscolari richiede speciali sequenze di MRI, quali diffusion tensor imaging (DTI)21. Un'alternativa conveniente a MRI è formazione immagine di ultrasuono 3D (3DUS). L'approccio di 3DUS fornisce diversi vantaggi rispetto alle tecniche di MRI, per esempio, essa impone meno limitazioni di spazio per il posizionamento del soggetto durante l'esame. 3DUS imaging è una tecnica in modo sequenziale catturando immagini 2D (US B-mode) e posizionandoli in un volume (voxel) elemento matrice22,23,24. Il processo di ricostruzione dell'immagine 3DUS è costituito da cinque passaggi: (1) l'acquisizione di una serie di immagini 2D a mano libera di US; (2) tracciamento della posizione della sonda US, utilizzando un sistema di Motion Capture (MoCap); (3) la sincronizzazione la posizione di Motion Capture e immagini US; (4) calcolo della posizione e dell'orientamento delle immagini ad ultrasuoni all'interno della matrice di voxel utilizzando un sistema calibrato di riferimento; e (5) inserimento di queste immagini in questa matrice di voxel.
L'approccio di 3DUS è stato applicato con successo per la valutazione della morfologia del muscolo scheletrico15,25,26,27,28,29. Tuttavia, precedenti approcci7,15,25,30 rivelano ingombrante, richiede tempo e tecnicamente limitato, come potrebbero essere ricostruite solo piccoli segmenti di grandi muscoli.
Per migliorare l'approccio di 3DUS, un nuovo protocollo di 3DUS è stato sviluppato che consente la ricostruzione dei muscoli completi entro un breve periodo di tempo. Protocollo viene descritto l'utilizzo di 3DUS di imaging per la morfometria del m. lateralis vastus (VL) e m. gastrocnemio mediale (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

L'obiettivo dello sviluppo di ecografia 3D imaging (3DUS) è quello di progettare una modalità per eseguire analisi 3D ecografia morfologica dei muscoli umani. Immagini di 3DUS sono costruiti da calibrato a mano libera B-modalità ultrasuoni immagini 2D, che è posizionato in una matrice di voxel. Imaging ad ultrasuoni (US) permette la quantificazione della massa muscolare, fascicle lunghezza e angolo di pennation. Queste variabili morfologiche sono importanti determinanti della gamma di sforzo di forza forza e lunghezza del muscolo. Il protocollo presentato descrive un metodo per determinare la lunghezza di volume e fascicolo di lateralis vastus m. e m. gastrocnemio mediale. 3DUS facilita la standardizzazione utilizzando riferimenti anatomici 3D. Questo approccio fornisce un approccio veloce e conveniente per quantificare la morfologia 3D nei muscoli scheletrici. Nel settore sanitario e sportivo, informazioni sulla morfometria dei muscoli sono molto utile nella diagnostica e/o valutazioni di seguito dopo il trattamento o formazione.

La tecnica descritta 3DUS è stata utilizzata per raccogliere dati morfologici del GM e VL in quattro cadaveri umani maschii, età alla morte 76,8 ± 7,9 anni (media ± DS). I cadaveri sono stati ottenuti tramite il programma di donazione del dipartimento di anatomia e neuroscienze della Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amsterdam, Paesi Bassi. I corpi sono stati conservati utilizzando un metodo di imbalsamazione finalizzato a mantenere le caratteristiche morfologiche del tessuto39.
Prima della dissezione, un'immagine di 3DUS è stata fatta del GM e VL secondo la metodologia descritta. Durante la dissezione, pelle, tessuto sottocutaneo e delle fasce sovrapponendo il GM e VL sono stati rimossi. Una sezione metà longitudinale è stata tagliata, prendendo l'orientamento del aponeurosis distale in considerazione. Utilizzando una pinza, la lunghezza di fascicle è stato misurato, a metà strada tra l'origine e l'estremità distale del ventre muscolare. Successivamente, dopo tenotomy, il ventre muscolare è stato dissecato e sommerso in una colonna d'acqua calibrato. Usando ImageJ, i volumi sono stati misurati sulle fotografie della colonna d'acqua con e senza il ventre muscolare e volume muscolare era calcolare dalla differenza40. Volume e lunghezza del fascicolo sono stati misurati tre volte e sono stati calcolati i valori di media e deviazione standard. Validità di criterio tra le misurazioni di dissezione e metodo di 3DUS è stato testato utilizzando la correlazione di Pearson, una per fascicle media lunghezza e il volume muscolare. Affidabilità intra-rater del metodo 3DUS misure di lunghezza e volume di fascicle derivata è stato quantificato utilizzando un bidirezionale misto modello intra-classe coefficiente di correlazione (ICC3,3)41e dopo la trasformazione logaritmica dei dati, la è stato calcolato il coefficiente di variazione (CV). La validità delle misurazioni del volume lunghezza e muscolo del fascicolo sono stati confermati da correlazioni significative e alte (r = 0.998, p < 0.01 e r = 0.985, p < 0.01, rispettivamente). Affidabilità intra-rater del metodo 3DUS derivato misurazioni di lunghezza fascicle ed il volume era alta (ICC3,3 0,983, CV CV 7,3% e ICC3,3 0.998, 5,4%, rispettivamente). È concluso che l'approccio di 3DUS presentato è uno strumento valido e affidabile per la valutazione del volume e fascicolo lunghezza di umano VL e GM (tabella 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabella 1: Dati di convalida cadaver. C# è il numero di cadavere, GM è m. gastrocnemio mediale, VL è m. lateralis vastus. "Dissezione" Mostra i risultati dalla dissezione del cadavere, e "3DUS" vengono illustrati i risultati dell'analisi di immagine di 3DUS dei cadaveri.

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

Ecografia 3D: veloce e conveniente morfometria del tessuto muscolo-scheletrico

Ecografia 3D imaging (3DUS) permette rapida e conveniente morfometria dei tessuti muscolo-scheletrici. Vi presentiamo un protocollo per misurare la lunghezza di volume e fascicolo muscolare utilizzando 3DUS.

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

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Research

JoVE Journal

Medicine

22.9K Views.  Amsterdam Movement Sciences. Ecografia 3D imaging (3DUS) permette rapida e conveniente morfometria dei tessuti muscolo-scheletrici. Vi presentiamo un protocollo per misurare la lunghezza di volume e fascicolo muscolare utilizzando 3DUS.

Video: 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.

L&#39;ecocardiografia murini e imaging a ultrasuoni

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

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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.

Una applicazione Novel di muscoloscheletrico Ultrasound Imaging

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.

Diagnostic Ultrasound Imaging di funzione mouse Diaframma

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.

Ad alta frequenza di Ecografia del mouse cervicali Linfonodi

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 microglia attivazione durante neurodegenerazione: confocale oftalmoscopico Imaging e Morfometria cellulare 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 ...

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-cuore Analisi tessuto miocardico

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.

Generazione di colture del tessuto polmonare umano 3D (3D-LTC) per la modellazione di malattia

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.

Uso di ultrasuoni robotici 3D per l'analisi in vivo dei reni di topo

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.

Trattamento farmacologico mediante catetere venoso centrale in un modello murino di aneurisma dell'aorta addominale indotto da angiotensina II e monitoraggio mediante ecografia 3D

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.

Fornire biofeedback visivo utilizzando gli ultrasuoni in modalità luminosità durante uno swing da golf

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