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.