Ultrasound method applied to characterize healthy femoral diaphysis of Wistar rats in vivo

A simple experimental protocol applying a quantitative ultrasound (QUS) pulse-echo technique was used to measure the acoustic parameters of healthy femoral diaphyses of Wistar rats in vivo. Five quantitative parameters [apparent integrated backscatter (AIB), frequency slope of apparent backscatter (FSAB), time slope of apparent backscatter (TSAB), integrated reflection coefficient (IRC), and frequency slope of integrated reflection (FSIR)] were calculated using the echoes from cortical and trabecular bone in the femurs of 14 Wistar rats. Signal acquisition was performed three times in each rat, with the ultrasound signal acquired along the femur's central region from three positions 1 mm apart from each other. The parameters estimated for the three positions were averaged to represent the femur diaphysis. The results showed that AIB, FSAB, TSAB, and IRC values were statistically similar, but the FSIR values from Experiments 1 and 3 were different. Furthermore, Pearson's correlation coefficient showed, in general, strong correlations among the parameters. The proposed protocol and calculated parameters demonstrated the potential to characterize the femur diaphysis of rats in vivo. The results are relevant because rats have a bone structure very similar to humans, and thus are an important step toward preclinical trials and subsequent application of QUS in humans.

Software didático para modelagem do padrão de aquecimento dos tecidos irradiados por ultra-som fisioterapêutico / Didactic software for modeling heating patterns in tissues irradiated by therapeutic ultrasound

INTRODUÇÃO: O ultra-som é um recurso bastante utilizado em Fisioterapia. Entretanto, a aplicação inadequada pode promover aquecimento insuficiente ou causar danos aos tecidos biológicos. Por isso, é importante que se conheçam os parâmetros ótimos para atingir a temperatura adequada, dentro dos limites seguros. A geração de calor é função dos parâmetros do equipamento e das propriedades físicas dos tecidos. Este trabalho apresentou um software que simula a variação da energia e da temperatura nos tecidos ao longo do tempo, permitindo ao usuário visualizar o padrão de aquecimento nos tecidos em função dos parâmetros. MATERIAIS E MÉTODOS: O software foi implementado com base na equação biotérmica, supondo quatro camadas (pele, gordura, músculo e osso), das quais o usuário pode alterar espessura e propriedades acústicas e térmicas. Pode-se também escolher intensidade, freqüência e tempo de aplicação. São apresentados gráficos com o percentual de energia absorvida ao longo da profundidade e a respectiva variação de temperatura por cada milímetro de tecido. RESULTADOS: Foram realizadas simulações exemplificando situações de interesse para a terapia, variando tempo de aplicação, espessura e freqüência do ultra-som. Podem ser observadas as diferenças do padrão de aquecimento, em especial nas fronteiras das interfaces. CONCLUSÕES: O software permitiu o estudo do aquecimento de tecidos biológicos por ultra-som e pode ser usado tanto para fins didáticos como para planejamento de doses de aquecimento, para ondas contínuas. Numa próxima etapa, pretende-se adequá-lo para estimar qual dose deve ser regulada no aparelho, para manter a temperatura desejada pelo tempo escolhido. Software disponível em: http://www.peb.ufrj.br/lus.htm.

INTRODUCTION: Ultrasound is a resource commonly used in Physical Therapy. However, its inadequate application may produce insufficient heating or cause damage to biological tissues. Therefore, the knowledge on the optimum parameters for achieving the appropriate temperature, within safe limits, is necessary. Heat generation depends on equipment parameters and the physical properties of tissues. This study presented a software that simulates the energy and temperature variation in tissues over time, thus allowing users to view the heating patterns in tissues as a function of these parameters. METHODS: The software was implemented based on the bioheat transfer equation for four layers (skin, fat, muscle and bone), in which the user can change the thickness and thermal or acoustic properties of these tissues. The intensity, frequency and time of application can also be chosen. Graphs showing the percentage energy absorption in relation to depth and the respective temperature variation per millimeter of tissue are presented. RESULTS: Simulations were produced to give examples of situations of interest for therapy, by varying the time of application, thickness and ultrasound frequency. Differences in heating patterns are seen, especially at the interfaces. CONCLUSIONS: The software made it possible to study the heating of biological tissues by ultrasound and can be used both for teaching purposes and for planning heating doses for continuous waves. In the future, the software will be adapted, in order to estimate which dose should be regulated in the apparatus to maintain the desired temperature for the time chosen. Software available in: http://www.peb.ufrj.br/lus.htm.

Temperature models of a homogeneous medium under therapeutic ultrasound

A modelagem da temperatura em tecidos humanos, quando os mesmos são sujeitos a ultra-som de terapia, é um aspecto essencial para um correto controle e calibração da instrumentação de terapia. A existência de modelos precisos possibilitaria um uso mais seguro e eficiente das terapias térmicas. O objetivo principal deste trabalho é a comparação entre a performance de um modelo linear e de um modelo não linear, na estimação pontual da temperatura num meio homogêneo. O objetivo final do trabalho é a construção de modelos para estimação in-vivo da temperatura. Os modelos lineares aplicados foram "autoregressive models with exogenous inputs" (ARX), enquanto que os modelos não-lineares aplicados foram "radial basis functions neural networks" (RBFNN). As melhores estruturas para as RBFNN foram selecionadas usando o "multi-objective genetic algoritm" (MOGA). A melhor estrutura RBFNN apresentou um erro máximo absoluto de 0,2ºC, que é inferior em uma ordem de grandeza ao erro cometido pelo melhor modelo ARX.

Simulação computacional de estratégias de manutenção de equipamentos de mamografia / Computer simulation of maintenance strategies of mammography equipment

The elaboration of a maintenance strategy is a main concern for hospital administrators. The strategies can be optimized through computational simulation of discrete events. The objective of this work is to present a model of a standard mammography clinic and to analyze the impact of different mammograph maintenance strategies on the clinic routine...

Estimativas de periodicidade em osso trabecular humano via autocorrelação espectral em sinais ultr-sônicos / Estimates of periodicity in human trabecular bone via autocorrelation spectral ultrasonic signals

Mean scatterer spacing (MSS) is a parameter that can be used to characterize the periodicity of biological tissues from ultrassound (US) signals. The present in vitro study uses the spectral autocorrelation function (SAC) to estimate the MSS of the human cancellous bone...

Análise de desempenho do fluxo de atendimento hospitalar com auxílio da simulação computacional / Performance analysis of the flow of patient care with the aid of computer simulation

Healthcare management is a dificult enterprise, which can be helped by modern computacional approaches such as the use of models based on computer simulation. The objective of this studt is to present an application of this tool to the analysis of the performance of a hospital clinic (an ophthalmologic clinic in a large hospital)...

Ultrassom de terapia / Ultrasound therapy

Temperature modeling of human tissue subjected to ultrasound for therapeutic use is essential for an accurate instrumental assessment and calibration. Prior studies with a homogeneous medium are hereby reported. Nonlinear punctual temperature modeling is proposed by means of Radial Basis Functions Neural Network (RBFNN) structures...

Phantom para Medição da Faixa Dinâmica de Equipamentos de Ultra-som Biomédicos / Phantom to Measure Displayed Dynamic Range at Biomedical Ultrasound Equipments

O controle de qualidade da imagem em equipamentos ultra-sônicos de diagnósticos é baseado em parâmetros determinados por norma (IEC, 1996). Todos os parâmetros citados nesta norma, com exceção da Largura de Banda, podem ser avaliados utilizando-se de phantoms de tecidos biológicos. Baseado em normas e procedimentos internacionais, confeccionou-se um phantom para medição do parâmetro Faixa Dinâmica Exibida. Como material mimetizados de tecido, utilizou-se a solução matriz (agar, glicerina e água) adicionada de pó de grafite, apresentando coeficiente de atenuação (alfa 0) e velocidade da onda ultrasônica (c) compatíveis com a norma (alfa 0 = 0,7 dB.cm elevado a menos 1.MHz elevado a -0,83 e v = 1540 m.s elevado a menos 1). Adicionaram-se como conservantes, os antibióticos: clorafenicol, tetraciclina, penicilina G e os antifúngicos nistativa e anfotericina B. Foi também desenvolvido um protocolo detalhado para aplicação do phantom. Este protocolo foi testado em um aparelho comercial novo e os resultados iniciais apresentaram-se satisfatórios sugerindo sua adequação (tanto do phantom como do protocolo) numa aplicação rotineira em aparelhos comerciais

Implementação do protocolo para a obtenção de parâmetros do feixe acústico de transdutores ultra-sônicos usados em medicina / Protocol implementation to obtain acoustic beam parameters of medical ultrasonic transducers

Este trabalho apresenta a implementação de um protocolo para a aquisição dos parâmetros do feixe acústico de transdutores ultra-sônicos usados em medicina, baseado em normas nacionais e internacionais. O software ATUS (Avaliação de Transdutores Ultrs-Sônicos) foi desenvolvido em MATLAB (Mathworks, Natick, MA) e se apresenta como uma ferramenta amigável para visualização dos perfis do feixe (paralelo e perpendicular à face do transdutor) e para a obtenção e cálculo dos parâmetros de interesse, como intensidade acústica e características geométricas do feixe (distância focal, comprimento focal e área focal). O protocolo é aplicável ao feixe de transdutores usados tanto em diagnóstico como em fisioterapia. A interpolação de mapeamentos 2D sub-amostrados é apresentada como uma metodologia alternativa ao mapeamento 1D em diversas direções paralelas à face do transdutor, proposto pela Norma ABNT - IEC 1689 (1998)

Algorítmo para detecçäo e delimitaçäo de complexos QRS em tempo-real, utilizando duas derivaçöes de ECG / A real time algorithm for detection-delineation of QRS complexes using two simultaneous ECG leads

Foi implementado num microcomputador desenvolvido pelo Programa de Engenharia Biomédica da COPPE/UFRJ, um detector/delimitador de Complexos QRS em tempo-real que utiliza duas derivaçöes do eletrocardiograma (ECG). Ambas as derivaçöes säo comparadas entre si pelo algorítmo e é gerada uma "detecçäo resultante". A técnica de detecçäo para cada canal de ECG é baseada em compressäo de dados, identificaçäo de morfologias triangulares com cálculo de um "fator de qualidade" para as mesmas e sua conseqüente concatenaçäo para a formaçäo do QRS. A avaliaçäo do algorítmo é feita automaticamente pelo próprio microcomputador, utilizando-se um banco de dados de ECG do MIT-BIH ARRHYTHMIA DATABASE (1980), e permite que se observe tanto o desempenho do "detector resultante" como o de cada um dos outros dois canais. Numa primeira avaliaçäo, o desempenho do algorítmo para a derivaçäo de melhor relaçäo sinal/ruido no DATABASE, foi o seguinte: 0,63% de falsos negativos (FN) e 0,52% de falsos positivos (FP). Esse resultado é comparável ao obtido por outros grupos de pesquisadores para detectores de canal único. Para o "detector resultante" os resultados obtidos säo de 0,27% de falsos negativos e 5,44% de falsos positivos. A percentagem de FN é plenamente satisfatória. A de FP no entanto, ainda é elevada. Säo discutidas as vantagens potenciais de um detector/delimitador baseado em duas derivaçöes, bem como as melhorias que estäo em fase de implementaçäo no algorítmo

Recursos úteis ao desenvolvimento de microcomputadores para processamento de sinais em tempo-real / Useful tools for the development of microcomputers applied to real-time signal processing

A equipe vem há vários anos trabalhando no desenvolvimento de um monitor automático de arritmias cardíacas. Como subprodutos dessa linha de investigaçäo foram desenvolvidos microcomputadores de uso geral adequados ao processamento de sinais em tempo-real, bem como foi criada uma infra-estrutura que possibilita o desenvolvimento de microcomputadores dedicados a funçöes específicas de forma rápida e a baixo-custo. Vários recursos de "hardware" e "spftware" foram implementados com vistas a conferir maior capacidade de processamento a esses sistemas. Este trabalho apresenta alguns dos recursos mais úteis empregados, bem como procura analisar os efeitos da utilizaçäo dos mesmos sobre o desempenho geral dos sistema. Säo abordados os seguintes tópicos: conversores A/D com entrada multiplexada e um dispositivo de amostra e retençäo para cada entrada, técnica de exibiçäo de sinais em tempo-real baseada em memórias de duplo acesso, avaliaçäo de tempo de execuçäo de algoritmos para processamento em tempo-real, armazenadores circulares de amostras e programas monitores para desenvolvimento de sistemas