저자는 매우 아담 트랜드와 2004 년,이 연구에 사용 된 소프트웨어의 개발에 대 한 영감을 했다 3 차원 초음파에 대 한 그들의 알고리즘을 공유 니콜라 프라이에 감사.

저자는 공개 없다.

유효 하 고 신뢰할 수 있는 3DUS 기술은 골격 근육의 형태학 변수 빠른 분석에 대 한 수 있도록 제공 됩니다. 그러나 3DUS 접근은 아직 사용 하지 일반적으로 부드러운 조직 이미징에 대 한 다른 3DUS 접근 약 10 년42,43, 사용할 수 있다. MRI는 vivo에서 근육 볼륨의 추정에 대 한 ' 금 표준 ' (예.,16,17,18,,1920참조). MRI 유효성 테스트 되었고 유령 또는 MRI 기반 볼륨 견적44,45알려진된 볼륨의 시체 장기 비교 연구에서 확인. 그러나, 연구에 대 한 MRI 가용성 제한 되며 검사는 시간과 비용이 많이 드는. 또한, 자세는 보어에 의해 제한 된다 실험 주제 MRI 스캐너의 점유. 전형적인 미스터 이미지 생성 부족 대비 근육 형상 (잘라냅니다 길이 및 각도)의 변수 측정을 수행 합니다. 그러나, 3D 근육 형상 또한 MRI를 사용 하 여 추가 기술, 예를 들면, DTI 기술21을 사용 하 여 평가 될 수 있습니다. MRI, 미국 이미지와 마찬가지로 적절 한 구분 인터페이스에서 다른 유형의 조직 (즉 우리 안에 보이는 이미지), 부드러운 조직 볼륨 평가1,30 는 유효한 형식을 제공 제공 44,,4647,,4849. MRI, 달리 3DUS 이미지는 동일한 측정에서 볼륨 및 근육 형상에 분석을 수행 하기 위해 충분 한 대비를 있다.
또한, 발표 기법 큰 근육의 연구에 대 한 하나의 배열로 여러 스윕의 이미지를 결합 수 있습니다. 이 새로운 3DUS 방법 근육 형태학의 임상 평가 대 한 잠재적인 도구를 제공합니다. 이 방법은 근육 (예를 들어, 힘 줄, 내부 장기, 동맥) 이외의 소프트-조직 구조 이미징에 대 한 또한 사용할 수 있습니다.
오프 라인 처리 시간에 대 한 수정:
3DUS 접근의 수정 처리 시간을 개선 하 고 더 큰 근육을 측정 목표로 주로 했다. 3DUS 이미지의 오프 라인 처리 시간 복 배열 설정, 샘플링 주파수, 투자 수익, 기간 및 스윕, 스윕의 수 및 사용된 워크스테이션의 속도의 크기에 따라 달라 집니다. 이전, 재구성 시간 ≈ 2 h의 750 미국 이미지를 생성 한 스윕 재구성을 위해 필요 했다 (30 25 Hz에서 s)15,,2530. 현재 3DUS 방법으로 동일한 청소 시간이 50 s 재건 (99% '오프 라인' 처리 시간을 향상). 이 개선 복 프레임-의해-프레임 채우기, 픽셀 픽셀 및 증가 랜덤 액세스 메모리 (RAM) 큰 복 어레이 구성 하는 워크스테이션의 대신에 큰 벡터 작업을 활용 하 여 향상 된 충전 알고리즘에 의해 설명 될 수 있다. 새로운 3DUS 방식으로 1 cm/s의 속도로 30 cm의 청소 길이 나타내는 일반적인 개조 대상 복 크기 0.2 x 0.2 x 0.2 m m의3 및 25 Hz의 샘플링 주파수 다음 시간이 걸립니다 재구성 하 :
a. 약 10의 동기화 펄스를 식별 하 고 관련 미국 이미지를 선택 하. b. 약 120의 보정 변환 매트릭스 (홍보T임)을 확인 하. c. 약 10의 빈 작성 단계에 대 한. 4. 약 30의 갭 채우기 단계를 실행 하기 위한.
총 170 s. 참고, 단계 b 유일한 요구는 프로브에 MoCap 마커의 엄밀한 연결을 가정 하 고 한 번 수행할 수 복용 떠나는 50 단일 스위프의 재건에 대 한 s. 두 개의 단일 스위프 결합 복 배열 소요 약 10 s 재건.
제한 사항 및 중요 한 단계:
여러 3DUS 이미징 측면을 고려 수 있습니다.
i. 미국 이미지 품질: 복 배열 내에서 배치 될 더 많은 픽셀을 제공 하는 2D 미국 이미지의 높은 해상도. 이 더 높은 복 밀도로 이어지는 복 크기 감소를 허락할 것 이다. 몇몇 현재 사용할 수 있는 초음파 기계 조직 인터페이스의 더 나은 유물 없는 구별에 대 한 수 있도록 시끄러운 세부적인 질감을 줄이기 위해 공간 다중을 사용 합니다. 가장자리 향상 얼룩을 줄일 수 있다입니다. 그러나,는이 방법은 바람직하지 않다, 때문에 그것은 독특한 인터페이스, 인터페이스의 진정한 해 부 위치를 왜곡 함으로써 만들려는 시도에서 이미지를 변형 주목 한다.
ii. MoCap 정확도: 픽셀 수만 정확 하 게 배치를 복으로 위치 센서는 정확 하 게 조사의 좌표를 수량화 하는 경우. 이미지 해상도의 증가와 MoCap 정확도 더 중요 해 집니다. 제시 3DUS 0.2 x 0.2 x 0.2 m m3, 3DUS 복 어레이 재구성 하기 위해 충분 한 정확도 제공 하는 0.1 m m의 정확도로 MoCap 시스템을 사용 하 여의 복 치수와 함께 최고의 작품을 설치.
iii. 샘플링 주파수: 미국 이미지 또는 데이터 스트림 MoCap 최저 시간적 해상도 샘플 주파수를 결정 합니다. 이 청소 시간 또는 복 배열 설정을 영향을 줍니다. 예를 들어, 50 Hz로 25에서 샘플 주파수를 두 배로 청소를 시간을 반으로 수행할 수 있습니다. 또는, 스윕 속도 변경 하지 복 배열, 적은 간격 채워질 것을 떠나와 그로 인하여 잠재적으로 복 배열 해상도 증가 채우기 위해 더 많은 이미지를 제공 합니다. 그러나, 샘플링 주파수를 증가 없이 복 배열 해상도 증가 운동 유물의 잠재력을 증가할 것 이다 느린 검사 필요.
iv. 재건 시간 이미지: 빠른 복원 필요 충분 한 사용 가능한 RAM과 강력한 워크스테이션. 또한, 재구성 시간 크게 복 배열 볼륨 및 갭 채우기 프로세스의 복잡성에 따라 다릅니다.
v. 실험 프로토콜: 실험 프로토콜의 표준화 VL 및 GM, 현재 연구에서 exemplified 형태학 측정 (예:잘라냅니다 길이, 잘라냅니다 각도, 아랫 배 근육의 비교를 위해 필수적 이다 길이, 힘 줄 길이, aponeurosis 길이) 과목 및 경도 연구 과목 내 모니터링 사이. 그러나, note 근육을 활성화 하는 동안 나머지에서 평가 하는 형태를 변경할 수 있습니다. 예를 들어 VL 실험에 대 한 최대한 수축 하는 동안 무릎 신 근 형태 높은 pennation 각도 60 ° 무릎 굴곡, 나머지50형태에 비해 짧은 성숙기 보여줄 수 있습니다. 특정 조건에서 (예., spasticity), 전도 (EMG) 검사 하는 동안 휴식 근육 활동 레벨을 확인 하는 데 사용할 수 있습니다.
6. 프로브 압력 및 조직 변형: ROI에 충분 한 초음파 젤을 적용 하는 경우 프로브와 피부 사이 전체 접촉 대 한 유지 하는 압력의 양을 제한 됩니다. 지침 서는 투자 수익을 스캔을 느끼게 한다 피부, 유혹과 압력 유지 젤 접촉 및 그로 인하여 피부에만 적용 해야 하는 것이 좋습니다. 그러나, 약간의 조직 변형 초음파 젤의 관대 한 금액으로도 피할 수 없을 수도 있습니다. 프로브 크기와 곡선된 ROI 압력 또는 사용 하는 젤의 필요한 금액을 영향을 줍니다. 큰 프로브 크기와 더 많은 곡선된 투자 수익 더 많은 압력을 필요로 하거나 비슷한 함께 작은 프로브 보다 더 많은 젤 투자 수익 곡선. 또 다른 가능한 해결책 미국 이미지의 반향 (즉, 비-피부-접촉) 영역을 삭제 하는 것입니다. 또한, 조직 변형 피부와 피하 지방 조직 층 첫 번째 조직 계층에서 발생할 가능성이 가장입니다. Note 아무 피하 지방 조직에 거의 주제는 따라서 압력의 부작용에 더 수 그리 다. 또한, 조직 개 악은 일반적으로 다른 청소와 오버랩의 지역 조사의 센터에서 대부분 발생 합니다.
7. 이미징 및 해 부 지식: 어떤 이미징 양식 적임을 사용 하 여 또 다른 중요 한 고려 사항은 이다 해부학 및 이미징 모달의 지식 의미 있는 해석의 얻을 것이 필수적입니다. 주제와 이미지 유물 사이 해 부 변화 인식 하 고 해 부 구조의 식별 과정에서 고려 될 필요가 있다. 한 근육의 다른 구성 요소 또는 근육 그룹51차별화 해 부 지식을 요구 하기 때문에 건강 한 그리고/또한 잘 발달 된 근육으로도 명확한 id는 어려운 수 있습니다. 그러나, 위축된 근육 (즉, 노인, 병 리, 또는 한 시신), 명확한 식별은 더 작은 크기 때문에 훨씬 더 복잡 한 이미지 대비를 감소 및 따라서 덜 뚜렷한 조직 인터페이스 (그림 4 ). 우리가 믿을 이전 해 부 지식 없이 우리 3DUS 이렇게 설계 및 3DUS 측정에서 올바른 판단을 만들기에서 제한 되어. 예를 들어 GM 실험에 대 한 다른 footplate 각도 발생 하지 않습니다 반드시 예상된 변화 근육에 힘 줄 복잡 한 길이, 발7변형 때문. 또한 원심 aponeurosis의 곡률에 대 한 자세한 해부학 정보 모든 과목38중반 경도 비행기의 적절 한 선택이 필수적 이었다.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55943/55943fig4.jpg"> 그림 4: 변화와 품질의 허벅지를 따라 중간 quadriceps 근육의 해 부 단면 3DUS 이미지 재건. (A) 남성 인간의 시체의 예제 위축 상태의 이미지 죽음 (죽음 나이: 81 년). 허벅지 근육 근육의 개별 머리의 경계 식별은 어렵습니다. 앉아 있는 남성 (세 30 년)의 (B) 예. 남자 선수 노 젓는 사람 (세 30 년)의 (C) 예. 규모에 대 한 흰색 사각형 대표 1 cm × 1 cm. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55943/55943fig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
미래의 응용 프로그램:
3DUS 방법은 다양 한 목적 및 스포츠 클리닉에서 설정을 사용할 수 있는 이미징 도구를 제공 합니다. 임상 내정간섭에서 효과 체력 레벨52관련이 있습니다. 3DUS를 사용 하 여 근육을 잃는의 위험에 환자를 모니터링 하기 위한 중요 한 (예를 들어, 참조53,54,55)은 질량과 잠재적으로 치료의 조정에 대 한 수 있습니다. 3DUS의 다른 잠재적인 응용 프로그램 모니터링 개입 (훈련) 및 부상에 대 한 응답에서 근육의 형태학 상 적응에 있다.
이 프로토콜 자유 3DUS 스윕 기반 인체의 부드러운 조직 구조를 측정 하는 비용 및 시간 효과적인 방법 설명. 또한, m. vastus lateralis m. gastrocnemius medialis 의 의미 있는 형태소 매개 변수 평가 유효 하 고 신뢰할 수 있는 것으로 판명.

건강 관리, 스포츠, 근육의 형태에 대 한 정보에서는 진단 및 후속 평가에 매우 중요 한 치료 또는 훈련1후입니다. 초음파 (미국) 상상 하는 근육 질환2, 중요 한 질병3,4, 심혈 관 질환5, 신경 장애6, 부드러운 조직 구조의 시각화를 위한 일반적으로 사용 되는 도구 7,8및 신체 훈련6,,910의 효과. 미국 영상 정량화를 근육 크기, 잘라냅니다 길이, 및 pennation의 각도 수 있습니다. 이러한 형태학 변수는 중요 한 결정 요인의 근육 힘 및 길이 범위의 강제 노력11,12,13,,1415.
현재, 미국 이미징 측정 주로 2D 이미지, 그 선택에서 수행 되는 아마도, 적당 한 방향 및 위치는 초음파의 조사. 이러한 2D 방법 관심의 매개 변수는이 비행기 내에서 존재 하지 않을 수 있습니다 하는 동안 하나의 이미지 평면 형태 측정을 제한 합니다. 형태소 분석에는 비행기 밖으로 측정 3D 참조 포인트를 사용 하 여 3D 접근이 필요 합니다. 부드러운 조직의 이러한 3D 형태 표현 자기 공명 영상 (MRI)16,17,18,,1920에 의해 제공 알려져 있다. 그러나 MRI는 비싸고 항상 사용할 수 없습니다. 또한, 근육 섬유의 시각화 확산 텐서 영상 (DTI)21등 특수 MRI 시퀀스를 필요합니다. MRI에 대 한 비용 효율적인 대안 3D 초음파 (3DUS) 영상입니다. 3DUS 접근 MRI 기술, 예를 들어에 비해 몇 가지 장점이, 그것은 주제를 검사 하는 동안 위치 지정을 위해 적은 공간 한계를 부과. 3DUS 이미징 순차적으로 2D (B 모드 미국) 이미지를 캡처하고 볼륨 요소 (복) 배열22,,2324에 위치 하는 기술 이다. 3DUS 이미지 재건의 과정의 5 단계 구성: (1) 캡처 일련의 자유 2D 미국 이미지; (2) 모션 캡쳐 (MoCap) 시스템;를 사용 하 여 미국 탐사선의 위치를 추적 (3) 동기화 MoCap 위치와 미국 이미지; (4) 위치와 방향을 참조;의 보정된 시스템을 사용 하 여 복 배열 내에서 초음파 이미지의 계산 그리고 (5)이 복 배열에 이러한 이미지를 삽입.
3DUS 접근은 골격 근육15,25,26,27,,2829의 형태학의 평가 대 한 성공적으로 적용 되었다. 그러나, 이전 접근7,15,,2530 입증 했습니다, 많은 시간이 소요 복잡 하 고 기술적으로 제한 하 고, 큰 근육의 작은 세그먼트를 개축 될 수 있는 대로.
3DUS 접근을 개선 하기 위해 새로운 3DUS 프로토콜은 시간의 짧은 기간 내에 완벽 한 근육의 재건 수 있도록 개발 되었습니다. 이 프로토콜 문서 이미징 m. vastus lateralis (VL) 및 m. gastrocnemius medialis (GM)의 morphometry를 위한 3DUS의 사용을 설명 합니다.

<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

3D 초음파 이미징 (3DUS)의 발달 목표를 인간의 근육의 3 차원 형태소 초음파 분석을 수행 하는 형식입니다. 3DUS 이미지 보정된 자유형 2D B 모드 초음파 이미지, 복 배열에 배치 되는에서 건설 한다. 초음파 (미국) 이미징 근육 크기, 잘라냅니다 길이, 및 pennation의 각도의 정량화를 허용 한다. 이러한 형태학 변수는 힘 분 발의 근육 힘 및 길이 범위의 중요 한 결정 요인입니다. 제시 프로토콜 m. vastus lateralis m. gastrocnemius medialis의 볼륨과 잘라냅니다 길이 결정 하는 방법을 설명 합니다. 3DUS 3D 해 부 참조를 사용 하 여 표준화를 촉진 한다. 이 방법은 골격 근육에서 3D 형태 측정을 위한 신속 하 고 비용 효율적인 접근을 제공 합니다. 건강 및 스포츠, 근육의는 morphometry에 정보는 치료 또는 훈련 후 진단 및 후속 평가에 매우 유용한.

설명된 3DUS 기술은 4 명의 남성 인간의 시신에서 GM과 VL의 형태학 상 데이터를 수집, 살에 죽음 76.8 ± 7.9 (평균 ± SD) 사용 되었다. 시신 부의 해부학 및 신경 과학 Vrije 대학교 의료 센터 (VUmc), 암스테르담, 네덜란드의 기부 프로그램을 통해 획득 했다. 시체 방부 방법 조직39의 형태학 적 특징을 유지 하기 위한 보존 되었다.
해 부, 이전 3DUS 이미지 GM과 VL의 설명 된 방법론에 따라 만들어졌습니다. 해 부, 동안 피부, 피하 조직, 그리고 GM과 VL overlaying fasciae 제거 되었습니다. 계정에 원심 aponeurosis의 방향을 복용 중간 경도 섹션 삭감 되었다. 캘리퍼스를 사용 하 여 잘라냅니다 길이 측정, 기원과 근육 배꼽의 원심 끝에 중간 이었다. 그 후, tenotomy, 후 근육 배 해 부 되었고 보정된 물 열에 빠져들. ImageJ를 사용 하 여 볼륨, 근육 배 없이 물 란의 사진에 측정 되었다 그리고 근육 볼륨 차이40에서 계산 했다. 잘라냅니다 길이 볼륨 세 번 측정 하 고 평균 및 표준 편차 값을 계산 했다. 3DUS 메서드 및 해 부 측정 사이 기준 유효 평균 잘라냅니다 길이 근육 볼륨 Pearson의 상관 관계를 사용 하 여 테스트를 했다. 파생된 잘라냅니다 길이 볼륨 측정을 사용 하 여 양방향 모델 내부 클래스 상관 계수 (ICC3, 3)41, 혼합 계량은 3DUS 메서드는 데이터의 로그 변환 후 내 평가자 신뢰도 편차 (CV)의 계수 계산 했다. 잘라냅니다 길이 근육 볼륨 측정의 타당성은 중요 하 고 높은 상관 관계에 의해 확인 되었다 (r = 0.998, p < 0.01와 r = 0.985, p < 0.01, 각각). 3DUS 메서드의 내부 평가자 신뢰성 파생 잘라냅니다 길이 측정 및 볼륨 높았다 (ICC3, 3 0.983, 이력서 7.3%, 및 ICC3, 3 0.998, 이력서 5.4%, 각각). 그것은 3DUS 접근 제시 VL 인간과 GM (표 1)의 볼륨과 잘라냅니다 길이 평가 대 한 유효 하 고 신뢰할 수 있는 도구는 결론을 내렸다.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/55943/55943table1.jpg"> 표 1: 시신 유효성 검사 데이터. C#은 시신 수, GM은 m. gastrocnemius medialis, VL는 m. vastus lateralis. "해 부" 표시 결과 시신 해 부를 하 고 "3DUS"는 시신을 3DUS 이미지 분석에서 결과 보여줍니다.

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

3 차원 초음파 영상: 골격 조직의 신속 하 고 비용 효율적인 Morphometry

3D 초음파 (3DUS) 이미징 골격 조직의 신속 하 고 비용 효율적인 morphometry 수 있습니다. 우리는 3DUS를 사용 하 여 근육 볼륨 및 잘라냅니다 길이 측정 하는 프로토콜을 제시.

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Medicine

22.9K 조회수.  Amsterdam Movement Sciences. 3D 초음파 (3DUS) 이미징 골격 조직의 신속 하 고 비용 효율적인 morphometry 수 있습니다. 우리는 3DUS를 사용 하 여 근육 볼륨 및 잘라냅니다 길이 측정 하는 프로토콜을 제시.

비디오: 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 Echocardiography 및 초음파 이미징

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

연구

의학

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.

근골격계 초음파 이미징의 소설 응용 프로그램

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.

마우스 다이어프램 기능의 진단 초음파 이미징

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.

마우스 경부 림프절의 고주파 초음파 이미징

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.

마우스 녹내장에 공 촛점 안저 이미징 및 세포 형태 계측 : 신경 퇴행 중 망막 미세 아교 활성화의 생체 역학

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 전체 심장 심근 조직 분석

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.

질병 모델링에 대 한 인간의 3D 폐 조직 문화 (3D-Ltc)의 생성

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.

마우스 신장의 생체 내 분석을 위한 3D 로봇 초음파 사용

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.

안지오텐신 II의 마우스 모델에서 중앙 정맥 카테터에 의한 약물 치료 유도 복부 대동맥류 및 3D 초음파에 의한 모니터링

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.

밝기 모드 초음파를 사용하여 시각적 바이오피드백 제공 골프 스윙 중

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