Os autores são muito gratos ao Adam Shortland e Nicola Fry que compartilharam seus algoritmos para o ultra-som 3-dimensional em 2004, que foram a inspiração para o desenvolvimento do software utilizado neste estudo.

Os autores não têm nada para divulgar.

Uma técnica válida e confiável 3DUS é apresentada que permite uma rápida análise das variáveis morfométricas dos músculos esqueléticos. 3DUS diferentes abordagens para a imagem latente de tecidos moles estão disponíveis para aproximadamente, uma década42,43, porém as abordagens 3DUS ainda não são usadas comumente. Ressonância magnética é um "padrão ouro" para a estimativa dos volumes de músculo na vivo (EG.,16,17,18,19,20de referências). Validade de MRI foi testada e confirmada em estudos comparando ou fantasmas ou órgãos cadavéricos de volume conhecido de volume MRI-com base em estimativas44,45. No entanto, disponibilidade de MRI para pesquisa é limitada e exames são demorados e dispendiosos. Além disso, o assunto experimental posturas são limitadas pelo furo da aproveitar dos scanners MRI. Imagens típicas do senhor geram contraste insuficiente para realizar medições de variáveis da geometria muscular (Fascículo comprimentos e ângulos). No entanto, geometria 3D muscular pode ser avaliada também com MRI usando técnicas adicionais, por exemplo, DTI técnica21. Semelhante a imagem latente de ressonância magnética, US fornece uma distinção adequada nas interfaces entre os diferentes tipos de tecidos (ou seja, visível dentro de nós de imagens), fornecendo uma modalidade válida para tecidos moles volume avaliação1,30 ,44,46,,47,,48,49. Em contraste com MRI, 3DUS imagens possuem contraste suficiente para realizar a análise sobre a geometria tanto o volume e o músculo da mesma medida.
Além disso, a técnica apresentada permite combinar imagens de varreduras múltiplas em uma matriz, para o estudo de músculos maiores. Este novo método 3DUS fornece uma ferramenta potencial para avaliação clínica da morfologia do músculo. Esse método pode ser usado também para estruturas de tecido mole diferente de músculo (por exemplo, tendões, órgãos internos, artérias) de imagem.
Modificações para melhorar o tempo de processamento off-line:
Modificações da abordagem 3DUS foram principalmente destinadas a melhorar o tempo de processamento e medindo os músculos maiores. O tempo de processamento offline de uma imagem de 3DUS depende de configurações de matriz de voxel, frequência de amostragem, tamanho de ROI, duração e velocidade de varredura, número de varreduras e estação de trabalho usada. Anteriormente, um tempo de reconstrução de ≈ h 2 era necessário para reconstruir apenas uma varredura rendendo 750 imagens dos Estados Unidos (30 s a 25 Hz)15,25,30. Com o presente método de 3DUS, a mesma varredura demora só 50 s reconstrução (melhorando o tempo de processamento 'offline' 99%). Esta melhoria pode ser explicada pelo algoritmo de enchimento melhorado que utiliza as operações de grande vetor para preencher a voxels quadro-a-quadro, em vez de pixel por pixel e aumento de acesso aleatório memória (RAM) de estações de trabalho para construir matrizes de voxel maiores. Com a nova abordagem de 3DUS, uma reconstrução típica que representa um comprimento de varredura de 30 cm a uma velocidade de 1 cm/s, com um tamanho de voxel de alvo de 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3 e uma frequência de amostragem de 25 Hz, leva o seguinte tempo de reconstruir :
a. cerca de 10 s para identificar o pulso de sincronização e selecione imagens relevantes dos Estados Unidos. b. aproximadamente 120 s para determinar a matriz de transformação de calibração (PrTIm). c. cerca de 10 s para a fase de enchimento-bin. m. aproximadamente 30 s para executar as etapas de preenchimento de lacunas.
No total, tomando nota s. 170, etapa b só precisa ser executada uma vez, assumindo uma conexão rígida dos marcadores de MoCap da sonda, deixando 50 s para a reconstrução de uma única varredura. Combinar dois varredura única reconstruída voxel matrizes leva cerca de 10 s.
Limitações e passos críticos:
Há vários aspectos de geração de imagens de 3DUS que devem ser tomados em conta:
i. a qualidade de imagem dos EUA: maior resolução espacial de imagens 2D dos EUA fornecem mais pixels para ser colocado dentro da matriz de voxel. Isso permitiria que as dimensões de voxel diminuir, levando a maior densidade de voxel. Várias máquinas de ultra-som disponíveis atualmente usam composição espacial para reduzir a textura granular barulhenta, permitindo a livre de artefato melhor distinção das interfaces dos tecidos. Outra opção para reduzir o speckle é realce de borda. No entanto, deve notar-se que esta abordagem não é desejável, já que isso deforma a imagem em uma tentativa de criar interfaces distintas, distorcendo a verdadeira posição anatômica das interfaces.
II. MoCap precisão: Pixels só podem ser com precisão colocados em um voxel, se o sensor de posição com precisão quantifica as coordenadas da sonda. Com um aumento na resolução de imagem, precisão de MoCap torna-se mais importante. O 3DUS apresentado instalação funciona melhor com uma dimensão de voxel de 0.2 x 0.2 x 0.2 mm3, usando um sistema de MoCap com uma precisão de 0,1 mm, que proporciona ampla precisão para reconstruir a matriz de voxel de 3DUS.
III. amostra frequência: a menor resolução temporal de imagens dos Estados Unidos ou no fluxo de dados de MoCap determina a frequência de amostra. Isso afeta o tempo de varredura ou as configurações de matriz de voxel. Por exemplo, dobrar a frequência de amostra de 25 a 50 Hz permite uma varredura a ser realizado na metade do tempo. Como alternativa, não alterando a velocidade de varredura, fornece imagens mais para preencher a matriz de voxel, deixando menos lacunas a serem preenchidas e, assim, potencialmente aumentando a resolução de matriz de voxel. No entanto, aumentar a resolução de matriz de voxel, sem aumentar a frequência de amostragem, requer uma varredura mais lenta, o que aumentará o potencial de artefatos de movimento.
IV. tempo de reconstrução de imagem: rápidas reconstruções exigem uma poderosa estação de trabalho com a memória RAM suficiente disponível. Além disso, o tempo de reconstrução varia em grande parte com base no volume de matriz de voxel e complexidade do processo de preenchimento de lacunas.
v. protocolo Experimental: padronização do protocolo experimental, como exemplificado no presente estudo para o VL e GM, é essencial para a comparação das medições morfológicas (por exemplo, comprimento fascicle, ângulo fascicle, ventre muscular comprimento, comprimento do tendão, aponeurose comprimento) entre indivíduos e monitoramento dentro de disciplinas em estudos longitudinais. No entanto, observe que a morfologia avaliada em repouso pode alterar durante a ativação muscular. Por exemplo, para o experimento de VL, a morfologia de extensor do joelho durante a contração máxima pode demonstrar um ângulo pennation alta e fascículos mais curtos em flexão do joelho de 60°, em comparação com morfologia no resto50. Em determinadas condições (por exemplo., espasticidade), eletromiografia (EMG) pode ser usada para verificar os níveis de atividade muscular descanso durante o exame.
vi. sonda pressão e tecido deformação: se ultra-som amplo gel é aplicado sobre o ROI, a quantidade de pressão para permanecer por completo contato entre a sonda e a pele é limitada. Como orientação, aconselha-se que um ROI de digitalização deve sentir como pairando sobre a pele, e a pressão só deve ser aplicado para manter contato com o gel e, assim, a pele. No entanto, deformação do tecido ligeiro pode ser inevitável, mesmo com uma generosa quantidade de gel de ultra-som. Tamanho de sonda e um ROI curvo afetam a quantidade necessária de pressão ou gel usado. Maior tamanho de sonda e um ROI mais curvado exigem mais pressão e/ou mais gel, que sondas menores com um similar curvo ROI. Outra solução possível é para descartar a região de reverberação (ou seja, sem pele-contato) das imagens dos Estados Unidos. Além disso, a deformação do tecido é mais provável de ocorrer nas camadas de tecido primeiro, tais como pele e camadas de tecido adiposo subcutâneo. Note-se que indivíduos com pouco ou nenhum tecido adiposo subcutâneo, portanto, são mais propensos aos efeitos adversos da pressão. Além disso, a deformação do tecido ocorre, provavelmente, no centro da sonda, que normalmente não é a região de sobreposição com outras varreduras.
VII. conhecimento anatômico e imagem: outra consideração importante no uso de qualquer modalidade de imagem é que o conhecimento da anatomia e a modalidade de imagem é essencial para obter interpretação significativa. Variação anatômica entre indivíduos e artefatos de imagem precisa ser reconhecido e tidos em conta no processo de identificação de estruturas anatômicas. Mesmo com os músculos saudáveis e/ou bem desenvolvidos, identificação clara pode ser difícil, porque requer conhecimento anatômico para diferenciar entre diferentes componentes de um músculo ou de grupos musculares51. No entanto, no músculo atrofiado (ou seja, pessoas idosas, em caso de patologia, ou um cadáver), a identificação clara é ainda mais complicada por causa de um tamanho menor e diminuir o contraste da imagem, e, por conseguinte, o tecido menos distinto interfaces (Figura 4 ). Nós acreditamos que sem prévio conhecimento anatômico, que teria sido limitados na tomada de decisões corretas na concepção desta abordagem de 3DUS e na realização das medições 3DUS. Por exemplo, para experimentos de GM, ângulos diferentes estribo não necessariamente causam mudanças esperadas no músculo complexo comprimentos de tendão, devido a deformação dentro do pé7. Também informações anatômicas detalhadas na curvatura da aponeurose distal foi essenciais para uma seleção adequada do plano médio longitudinal em todos os assuntos38.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> Figura 4: variação e qualidade de imagens anatômicas 3DUS transversal do músculo quadríceps da coxa no meio de reconstruída. (A) exemplo de um cadáver humano masculino mostra uma imagem de um estado atrofiado na morte (idade de morte: 81 anos). Identificação dos limites das cabeças individuais do músculo quadríceps é difícil. (B) exemplo de um macho sedentário (30 anos). (C) exemplo de um remador de atleta do sexo masculino (30 anos). Representam os quadrados brancos para a escala 1 cm x 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Aplicações futuras:
A abordagem de 3DUS fornece uma ferramenta de imagem que pode ser usada para diversos fins e configurações em esportes e clínicas. Em intervenções clínicas eficácia está relacionada com o nível de aptidão física52. Usando 3DUS para monitoramento de pacientes que estão em risco de perder músculo massa é importante (por exemplo, referências53,54,55) e potencialmente permite o ajuste do tratamento. Outra aplicação potencial da 3DUS situa-se na monitorização da adaptação morfológica do músculo em resposta à intervenção (formação) e/ou lesões.
Este protocolo descrito um método de custo e tempo-eficaz de medir a estrutura de tecidos moles do corpo humano com base em varreduras de 3DUS à mão livre. Além disso, a avaliação dos parâmetros morfológicos significativos do m. vastus lateralis e m. gastrocnêmio medial provou para ser válida e confiável.

Em cuidados de saúde e esportes, informações sobre a morfologia dos músculos é muito valiosas no diagnóstico e/ou avaliações de seguimento após tratamento ou treinamento1. Ultra-sonografia (US) é uma ferramenta comumente usada para visualização de estruturas de tecidos moles no músculo doenças2, doenças críticas3,4, doenças cardiovasculares5, distúrbios neurológicos,6, 7,8e efeitos do treinamento físico6,9,10. Imagem dos EUA permite a quantificação do tamanho do músculo, fascicle comprimento e ângulo de pennation. Essas variáveis morfológicas são importantes determinantes da gama de comprimento e força muscular de força esforço11,12,13,14,15.
Atualmente, medições de imagem dos EUA na maior parte são executadas em imagens 2D, com o examinador escolhendo um presumivelmente, orientação adequada e localização do ultra-som sonda. Tais métodos 2D restringem medições morfológicas a imagem de um avião, enquanto o parâmetro de interesse pode não estar presente dentro deste avião. Análise morfológica requer uma abordagem 3D, proporcionando medições fora-de-avião usando pontos de referência 3D. Tal uma representação 3D morfológica dos tecidos moles é conhecida a ser fornecido pela ressonância magnética (MRI)16,17,18,19,20. No entanto, a ressonância magnética é caro e não está sempre disponível. Também, visualização das fibras musculares requer sequências especiais de MRI, tais como difusão tensor imaging (DTI)21. Uma alternativa econômica para MRI é uma imagem de ultra-som 3D (3DUS). A abordagem de 3DUS fornece várias vantagens sobre as técnicas de MRI, por exemplo, impõe menos limitações de espaço para posicionar o assunto durante um exame. Imagem de 3DUS é uma técnica sequencialmente capturando imagens 2D (US modo-B) e posicionando-os em um volume (voxel) de elemento matriz22,23,24. O processo de reconstrução de imagem 3DUS consiste em cinco etapas: (1) capturar uma série de imagens de US 2D à mão livre; (2) rastreamento da posição da sonda dos EUA, usando um sistema de captura de movimento (MoCap); (3) sincronizando o MoCap posição e imagens dos EUA; (4) calcular a localização e a orientação das imagens ultra-som dentro da matriz de voxel usando um sistema calibrado de referência; e (5), colocando essas imagens para essa matriz de voxel.
A abordagem 3DUS tem sido aplicada com sucesso para avaliação da morfologia do músculo esquelético15,25,26,,27,28,29. No entanto, abordagens anteriores7,15,25,30 provaram complicado, demorado e tecnicamente limitada, como poderiam ser reconstruídos apenas pequenos segmentos de músculos grandes.
Para melhorar a abordagem 3DUS, foi desenvolvido um novo protocolo de 3DUS que permite a reconstrução dos músculos completas dentro de um curto período de tempo. Este artigo de protocolo descreve o uso de 3DUS de imagem para morfometria do m. vasto lateral (VL) e m. gastrocnêmio medial (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

O objetivo do desenvolvimento de ultra-som 3D de imagem (3DUS) é engenheiro de uma modalidade para efectuar a análise morfológica de ultra-som 3D dos músculos humanos. 3DUS imagens são construídas a partir calibrado à mão livre 2D modo-B imagens do ultra-som, que são posicionadas em uma matriz de voxel. Ultra-sonografia (US) permite a quantificação do tamanho do músculo, fascicle comprimento e ângulo de pennation. Essas variáveis morfológicas são importantes determinantes da gama de esforço força muscular força e comprimento. O protocolo apresentado descreve uma abordagem para determinar o comprimento de volume e Fascículo de m. vastus lateralis e m. gastrocnêmio medial. 3DUS facilita a padronização usando 3D referências anatômicas. Essa abordagem fornece uma abordagem rápida e econômica para quantificar a morfologia 3D em músculos esqueléticos. Em cuidados de saúde e esportes, informações sobre a morfometria dos músculos é muito valiosas no diagnóstico e/ou avaliações de seguimento após tratamento ou treinamento.

A técnica descrita 3DUS foi usada para coletar dados morfológicos da GM e VL em quatro cadáveres humanos masculinos, idade a morte 76.8 ± 7,9 anos (média ± DP). Os cadáveres foram obtidos através do programa de doação do departamento de anatomia e neurociência da Vrije Universiteit Medical Center (VUmc), Amesterdão, Países Baixos. Os corpos foram preservados usando um método de embalsamamento, visto manter as características morfológicas do tecido39.
Antes da dissecação, uma imagem de 3DUS foi feita da GM e VL de acordo com a metodologia descrita. Durante a dissecção, pele, tecido subcutâneo e fascias sobrepondo o GM e VL foram removidas. Uma seção de meados-longitudinal foi cortada, tendo a orientação da aponeurose distal em conta. Usando um paquímetro, o comprimento do fascículo foi medido, a meio caminho entre a origem e a extremidade distal do ventre muscular. Posteriormente, após tenotomia, o ventre muscular foi dissecado e submerso em uma coluna de água calibrado. Usando o ImageJ, os volumes foram medidos nas fotografias da coluna de água com e sem o ventre muscular e volume muscular foi calcular a diferença de40. Volume e comprimento do fascículo foram medidos 3 vezes e foram calculados os valores de média e desvio padrão. Validade de critério entre as medições de método e dissecação de 3DUS foi testada usando a correlação de Pearson, um volume de comprimento e músculo Fascículo médio. Confiabilidade intra-avaliador do método 3DUS medições de comprimento e volume do fascículo derivada foi quantificada utilizando um bidirecional misto modelo intraclasse coeficiente de correlação (ICC3,3)41e após a transformação logarítmica dos dados, o calculou-se o coeficiente de variação (CV). A validade das medições de volume de comprimento e músculo Fascículo foram confirmados por correlações significativas e altas (r = 0.998, p < 0,01 e r = 0.985, p < 0,01, respectivamente). Confiabilidade intra-avaliador do método 3DUS derivados de medições do comprimento do fascículo e volume foi alta (ICC3,3 0.983, CV CV de 7,3% e ICC3,3 0.998, 5,4%, respectivamente). Conclui-se que a abordagem de 3DUS apresentada é uma ferramenta válida e confiável para avaliação de volume e Fascículo comprimento de humano VL e GM (tabela 1).
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> Tabela 1: Dados de validação do cadáver. C# é o número de cadáveres, GM é o m. gastrocnêmio medial, VL é o m. vasto lateral. "Dissecação" mostra os resultados a dissecação de cadáveres, e "3DUS" mostra os resultados da análise de imagem de 3DUS dos cadáveres.

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

Imagens de ultra-som 3D: rápida e econômica de morfometria do tecido músculo-esquelético

Ultrasom 3D de imagem (3DUS) permite rápida e econômica de morfometria dos tecidos músculo-esqueléticos. Apresentamos um protocolo para medir o comprimento de volume e Fascículo muscular usando 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 visualizações.  Amsterdam Movement Sciences. Ultrasom 3D de imagem (3DUS) permite rápida e econômica de morfometria dos tecidos músculo-esqueléticos. Apresentamos um protocolo para medir o comprimento de volume e Fascículo muscular usando 3DUS.

Vídeo: 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.

Ecocardiografia murino e ultra-sonografia

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

Medicina

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 Aplicação da novela da Musculoskeletal Ecografia

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.

Diagnóstico Ecografia de função de mouse Diafragma

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.

De alta frequência Ecografia de mouse linfonodos cervicais

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 Dinâmica da Retinal microglia Ativação Durante Neurodegeneration: confocal oftalmoscópico Imagem e morfometria celular no 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.

Análise Tecidos do Miocárdio Whole-coração 3D

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.

Geração de culturas de tecido de pulmão humano de 3D (3D-CTIs) para modelagem de doença

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 de ultrassom robótico 3D para análise in vivo de rins de rato

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.

Tratamento medicamentoso por Cateter Venoso Central em um Modelo de Camundongo de Angiotensin II Aneurisma Abdominal Induzido anótico e monitoramento por ultrassom 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.

Fornecendo Biofeedback Visual Usando Ultrassom de Modo de Brilho Durante um Balanço de Golfe

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