A new approach to depict bone surfaces in finger imaging using photoacoustic tomography

Imaging the vasculature close around the finger joints is of interest in the field of rheumatology. Locally increased vasculature in the synovial membrane of these joints can be a marker for rheumatoid arthritis. In previous work we showed that part of the photoacoustically induced ultrasound from the epidermis reflects on the bone surface within the finger. These reflected signals could be wrongly interpreted as new photoacoustic sources. In this work we show that a conventional ultrasound reconstruction algorithm, that considers the skin as a collection of ultrasound transmitters and the PA tomography probe as the detector array, can be used to delineate bone surfaces of a finger. This can in the future assist in the localization of the joint gaps. This can provide us with a landmark to localize the region of the inflamed synovial membrane. We test the approach on finger mimicking phantoms.

Photoacoustic tomography of the human finger: towards the assessment of inflammatory joint diseases

Inflammatory arthritis is often manifested in finger joints. The growth of new or withdrawal of old blood vessels can be a sensitive marker for these diseases. Photoacoustic (PA) imaging has great potential in this respect since it allows the sensitive and highly resolved visualization of blood. We systematically investigated PA imaging of finger vasculature in healthy volunteers using a newly developed PA tomographic system. We present the PA results which show excellent detail of the vasculature. Vessels with diameters ranging between 100 mu m and 1.5 mm are visible along with details of the skin, including the epidermis and the subpapillary plexus. The focus of all the studies is at the proximal and distal interphalangeal joints, and in the context of ultimately visualizing the inflamed synovial membrane in patients. This work is important in laying the foundation for detailed research into PA imaging of the phalangeal vasculature in patients suffering from rheumatoid arthritis.

Pulse transit time differential measurement by fiber Bragg grating pulse recorder

The present study reports a noninvasive technique for the measurement of the pulse transit time differential (PTTD) from the pulse pressure waveforms obtained at the carotid artery and radial artery using fiber Bragg grating pulse recorders (FBGPR). PTTD is defined as the time difference between the arrivals of a pulse pressure waveform at the carotid and radial arterial sites. The PTTD is investigated as an indicator of variation in the systolic blood pressure. The results are validated against blood pressure variation obtained from a Mindray Patient Monitor. Furthermore, the pulse wave velocity computed from the obtained PTTD is compared with the pulse wave velocity obtained from the color Doppler ultrasound system and is found to be in good agreement. The major advantage of the PTTD measurement via FBGPRs is that the data acquisition system employed can simultaneously acquire pulse pressure waveforms from both FBGPRs placed at carotid and radial arterial sites with a single time scale, which eliminates time synchronization complexity. (C) 2015 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE)

A Method for Delineation of Bone Surfaces in Photoacoustic Computed Tomography of the Finger

Photoacoustic (PA) imaging of interphalangeal peripheral joints is of interest in the context of using the synovial membrane as a surrogate marker of rheumatoid arthritis. Previous work has shown that ultrasound (US) produced by absorption of light at the epidermis reflects on the bone surfaces within the finger. When the reflected signals are backprojected in the region of interest, artifacts are produced, confounding interpretation of the images. In this work, we present an approach where the PA signals known to originate from the epidermis are treated as virtual US transmitters, and a separate reconstruction is performed as in US reflection imaging. This allows us to identify the bone surfaces. Furthermore, the identification of the joint space is important as this provides a landmark to localize a region-of-interest in seeking the inflamed synovial membrane. The ability to delineate bone surfaces allows us to identify not only the artifacts but also the interphalangeal joint space without recourse to new US hardware or a new measurement. We test the approach on phantoms and on a healthy human finger.

A new method for the acquisition of ultrasonic strain image volumes.

This article presents a new method for acquiring three-dimensional (3-D) volumes of ultrasonic axial strain data. The method uses a mechanically-swept probe to sweep out a single volume while applying a continuously varying axial compression. Acquisition of a volume takes 15-20 s. A strain volume is then calculated by comparing frame pairs throughout the sequence. The method uses strain quality estimates to automatically pick out high quality frame pairs, and so does not require careful control of the axial compression. In a series of in vitro and in vivo experiments, we quantify the image quality of the new method and also assess its ease of use. Results are compared with those for the current best alternative, which calculates strain between two complete volumes. The volume pair approach can produce high quality data, but skillful scanning is required to acquire two volumes with appropriate relative strain. In the new method, the automatic quality-weighted selection of image pairs overcomes this difficulty and the method produces superior quality images with a relatively relaxed scanning technique.

Deep tissue fluorescence imaging with time-reversed light

Advances in optical techniques have enabled many breakthroughs in biology and medicine. However, light scattering by biological tissues remains a great obstacle, restricting the use of optical methods to thin ex vivo sections or superficial layers in vivo. In this thesis, we present two related methods that overcome the optical depth limit—digital time reversal of ultrasound encoded light (digital TRUE) and time reversal of variance-encoded light (TROVE). These two techniques share the same principle of using acousto-optic beacons for time reversal optical focusing within highly scattering media, like biological tissues. Ultrasound, unlike light, is not significantly scattered in soft biological tissues, allowing for ultrasound focusing. In addition, a fraction of the scattered optical wavefront that passes through the ultrasound focus gets frequency-shifted via the acousto-optic effect, essentially creating a virtual source of frequency-shifted light within the tissue. The scattered ultrasound-tagged wavefront can be selectively measured outside the tissue and time-reversed to converge at the location of the ultrasound focus, enabling optical focusing within deep tissues. In digital TRUE, we time reverse ultrasound-tagged light with an optoelectronic time reversal device (the digital optical phase conjugate mirror, DOPC). The use of the DOPC enables high optical gain, allowing for high intensity optical focusing and focal fluorescence imaging in thick tissues at a lateral resolution of 36 µm by 52 µm. The resolution of the TRUE approach is fundamentally limited to that of the wavelength of ultrasound. The ultrasound focus (~ tens of microns wide) usually contains hundreds to thousands of optical modes, such that the scattered wavefront measured is a linear combination of the contributions of all these optical modes. In TROVE, we make use of our ability to digitally record, analyze and manipulate the scattered wavefront to demix the contributions of these spatial modes using variance encoding. In essence, we encode each spatial mode inside the scattering sample with a unique variance, allowing us to computationally derive the time reversal wavefront that corresponds to a single optical mode. In doing so, we uncouple the system resolution from the size of the ultrasound focus, demonstrating optical focusing and imaging between highly diffusing samples at an unprecedented, speckle-scale lateral resolution of ~ 5 µm. Our methods open up the possibility of fully exploiting the prowess and versatility of biomedical optics in deep tissues.

Aizkorriko haitzuloetako saguzarren identifikazioa ultrasoinu-detektoreen bidez

Saguzarrak orden dibertsoa osatzen eta funtzio ekologiko garrantzitsua betetzen duten arren, hauetako asko galtzeko arriskuan daude. Animalia hauek ondo babestu ahal izateko, garrantzitsua da erabili ohi dituzten babeslekuak ezagutzea. Hau horrela, Aizkorri-Aratz Parke Naturaleko haitzuloetako saguzar dibertsitatea aztertu da denbora errealeko ultrasoinu detektoreen bidez, ager daitezkeen saguzar espezieak, koloniak eta babeslekuak identifikatzen saiatzeko. 18 haitzulotan ilunabarreko emergentziatan egindako laginketaren ondoren, lan honetan zazpi genero eta zazpi espezie identifikatu dira parkean, eta hauetako sei haitzuloetako espezieak dira. Saguzar-aktibitatea ikusi den arren, ez da inguru honetan saguzar-kolonia berri adierazgarririk aurkitu.

Redução de carga orgânica recalcitrante de efluente de indústria gráfica por reação de fenton

A Casa da Moeda do Brasil (CMB) é uma empresa nacional, com mais de 300 anos de experiência na produção de valores e impressos de segurança. A produção de cédulas, realizada pelo Departamento de Cédulas (DECED), consiste de três etapas de impressão, off-set, calografia e tipografia, seguida de acabamento e embalagem semi-automatizado. A impressão calcográfica consome solução de limpeza, composta de soda cáustica e óleo sulfonado, para limpeza do cilindro de impressão, gerando um efluente líquido saturado de tinta. Este efluente apresenta baixa biodegradabilidade, apresentando uma relação DBO / DQO de aproximadamente 1:4. Em termos de tratabilidade, as estações de tratamento de efluentes (ETE) apresentam uma configuração convencional, por via biológica, demonstram pouca eficiência na degradação da matéria orgânica deste efluente. Com compostos recalcitrantes, torna-se necessária a inclusão de uma etapa terciária que permita sua degradação por via química, permitindo o descarte do efluente com características menos danosas ao ambiente. Neste trabalho, aplicou-se a reação de Fenton no efluente do DECED por sua capacidade de converter a matéria orgânica em gás carbônico e água ou, caso seja utilizado em pré-tratamentos, torna-os biodegradáveis. Foram estudadas diferentes condições para medir a influência de diferentes parâmetros na eficiência da reação. A reação de Fenton consiste na geração de radicais hidroxil (HO), por diferentes rotas, em quantidades suficientes para a degradação de matéria orgânica. Esses radicais são gerados a partir de peróxido de hidrogênio (H2O2) em reações com diferentes precursores como ozônio (O3), luz UV (ultravioleta), ultra-som e sais de ferro. No presente trabalho restringiu-se às reações com sais de ferro. Dentre os resultados obtidos, verificou-se o tempo mínimo para reação em 10 minutos. A relação entre íons ferro e peróxido de hidrogênio é menor do que a literatura normalmente sugere, 1:2, contra 1:3. Como a solução de sulfato ferroso é muito instável, passando os íons ferrosos a férricos, utilizou-se a adição direta do sal. Em escala industrial, a solução de sulfato ferroso deve ser preparada em poucas quantidades para que tenha baixo tempo de estocagem, a fim de não ser degradada. A temperatura, na faixa estudada (de 20C à 45C), é um parâmetro que tem pouca influência, pois a redução da eficiência da reação foi pequena (de 99,0% para 94,9%). O ferro utilizado na reação não se demonstrou uma nova fonte de transtornos para o ambiente. Nas condições utilizadas, a concentração de ferro residual esteve próxima ao limite permitido pela legislação no efluente tratado, necessitando apenas de alguns ajustes para a correção do problema

Cerebral hemodynamics during graded Valsalva maneuvers

The Valsalva maneuver (VM) produces large and abrupt changes in mean arterial pressure (MAP) that challenge cerebral blood flow and oxygenation. We examined the effect of VM intensity on middle cerebral artery blood velocity (MCAv) and cortical oxygenation responses during (phases I-III) and following (phase IV) a VM. Healthy participants (n = 20 mean +/- SD: 27 +/- 7 years) completed 30 and 90% of their maximal VM mouth pressure for 10 s (order randomized) whilst standing. Beat-to-beat MCAv, cerebral oxygenation (NIRS) and MAP across the different phases of the VM are reported as the difference from standing baseline. There were significant interaction (phase * intensity) effects for MCAv, total oxygenation index (TOI) and MAP (all P < 0.01). MCAv decreased during phases II and III (P < 0.01), with the greatest decrease during phase III (-5 +/- 8 and -19 +/- 15 cm.s(-1) for 30 and 90% VM, respectively). This pattern was also evident in TOI (phase III: -1 +/- 1 and -5 +/- 4%, both P < 0.05). Phase IV increased MCAv (22 +/- 15 and 34 +/- 23 cm.s(-1)), MAP (15 +/- 14 and 24 +/- 17 mm Hg) and TOI (5 +/- 6 and 7 +/- 5%) relative to baseline (all P < 0.05). Cerebral autoregulation, indexed, as the % MCAv/%MAP ratio, showed a phase effect only (P < 0.001), with the least regulation during phase IV (2.4 +/- 3.0 and 3.2 +/- 2.9). These data illustrate that an intense VM profoundly affects cerebral hemodynamics, with a reactive hyperemia occurring during phase IV following modest ischemia during phases II and III.

O comportamento clínico e neurofisiológico da neuropatia durante os episódios reacionais da hanseníase

A hanseníase, uma doença conhecida por suas lesões de pele anestésicas, é a principal causa de neuropatia periférica nos países endêmicos. Os episódios reacionais são classicamente conhecidos por promover piora da função nervosa através das chamadas neurites que variam de quadros exuberantes a assintomáticos. Estas características da neuropatia tornam o diagnóstico precoce excepcionalmente desafiador assim como a necessidade de se intervir para se prevenir lesões permanentes nos nervos. Este estudo clínico, prospectivo, foi realizado selecionando-se pacientes com hanseníase, independente da forma clínica, no Ambulatório Souza Araujo, Fiocruz, Rio de Janeiro, que apresentavam episódios reacionais. O objetivo foi estudar o perfil neurológico clínico, eletroneurofisiológico e por imagem do nervo antes e após o tratamento das reações. Foram avaliados vinte e cinco pacientes levando-se em conta: exame neurológico, avaliação fisioterápica, estudo de condução nervosa, avaliação de espessura e ecogenicidade nervosa pelo método ultrassonográfico, fluxometria por laser Doppler e teste quantitativo da sensibilidade durante e um ano após o tratamento da reação. Estes pacientes foram divididos em três grupos: oito pacientes com neurite aguda, nove pacientes com neurite silenciosa e oito pacientes com reação cutânea sem neurite. Nos pacientes com episódios reacionais, observou-se predomínio do sexo masculino (60%), do grupo multibacilar (80%) e da forma clínica borderline-lepromatosa (36%). A neurite isolada foi o tipo de reação mais frequente, seguida de neurite associada à reação do tipo1, seguida da neurite associada à reação do tipo 2. O nervo motor mais acometido por neurite foi o fibular seguido pelo ulnar, enquanto o nervo sensitivo mais acometido foi o sural. O padrão eletroneuromiográfico característico dos episódios reacionais foi a mononeurite múltipla. A ultrassonografia, a fluxometria por laser Doppler e o teste quantitativo de sensibilidade, associados à clínica e ao estudo da condução nervosa, foram tidos como exames úteis para avaliação inicial e para acompanhar o tratamento dos episódios reacionais. Após o tratamento, foi constatada melhora nos parâmetros referentes à função motora, mas o mesmo não ocorreu para sensibilidade. Com esse estudo, observa-se a necessidade de acompanhamento multidiciplinar com exames especializados para os pacientes com hanseníase a fim de diagnóstico de reação e tratamento precoce evitando sequelas neurológicas.

Implementação de um algoritmo numérico para solução da equação de Christoffel generalizada em acustoelasticidade.

Extensos estudos realizados nas últimas décadas sobre a propagação de ondas ultrassônicas em sólidos levaram ao desenvolvimento de técnicas não destrutivas para a avaliação da segurança e integridade de estruturas e componentes industriais. O interesse na aplicação de técnicas ultrassônicas para medição de tensões aplicadas e residuais decorre da mudança mensurável da velocidade das ondas ultrassônicas na presença de um campo de tensões, fenômeno conhecido como efeito acustoelástico. Uma teoria de acustoelasticidade fornece um meio atrativo e não destrutivo de medir a tensão média ao longo do caminho percorrido pela onda. O estudo da propagação das ondas ultrassônicas em meios homogêneos anisotrópicos sob tensão conduz a um problema não linear de autovalores dado pela equação de Christoffel generalizada. A característica não linear deste problema decorre da interdependência entre as constantes elásticas efetivas do material e as tensões atuantes. A medição experimental de tensões por técnicas ultrassônicas é um problema inverso da acustoelasticidade. Esta dissertação apresenta a implementação de um algoritmo numérico, baseado no método proposto por Degtyar e Rokhlin, para solução do problema inverso da acustoelasticidade em sólidos ortotrópicos sujeitos a um estado plano de tensões. A solução da equação de Christoffel generalizada apresenta dificuldades de natureza numérica e prática. A estabilidade e a precisão do algoritmo desenvolvido, bem como a influência das incertezas na medição experimental das velocidades das ondas ultrassônicas, foram então investigadas. Dados sintéticos para as velocidades das ondas ultrassônicas de incidência oblíqua em uma placa sujeita a um estado plano de tensões foram gerados pela solução direta da equação de Christoffel generalizada para ilustrar a aplicação do algoritmo desenvolvido. O objetivo maior desta dissertação é a disponibilização de uma nova ferramenta de cálculo para suporte às atividades experimentais de medição de tensões por ultrassom no país.

Avaliação de fatores de risco relacionados com aterosclerose subclínica em mulheres hipertensas

A aterosclerose e suas complicações são a principal causa de morbidade e mortalidade no mundo ocidental. O aumento da espessura da camada médio-intimal da carótida está associado com risco para doenças cardiovasculares, pois representa um marcador de aterosclerose subclínica, podendo ser detectada precocemente em indivíduos assintomáticos. O objetivo desse estudo foi identificar variáveis clínicas e nutricionais associadas com a aterosclerose subclínica em mulheres hipertensas. Estudo transversal envolvendo uma amostra de conveniência composta por 116 mulheres hipertensas entre 40 e 65 anos. Dados clínicos, como pressão arterial (PA) sistólica e diastólica, história de tabagismo, atividade física, uso de medicamentos foram coletados; foi feita a análise do perfil lipídico, glicemia e proteína C reativa (PCR); a avaliação dietética obtida pelo Recordatório de 24 horas e pelo Registro de três dias. A espessura médio-intimal (EMI) de carótidas foi realizada pelo aparelho de ultrassonografia. As pacientes foram divididas em dois grupos, de acordo com os valores da espessura médio-intimal de carótidas: EMI 0,9mm ou EMI > 0,9mm. Houve diferença significativa entre os grupos em relação à idade (50,846,62 vs 53,547,13; p=0,044), PA sistólica (134,5216,54 vs 142,9821,47; p=0,020), pressão de pulso (PP) (49,3611,03 vs 60,15 17,77; p<0,001), HDL (48,988,54 vs 44,057,45; p=0,004) e PCR (2,311,21 vs 3,051,34; p=0,016). Não houve diferença significativa em relação aos parâmetros antropométricos, exceto em relação à reactância (65,199,69 vs 61,447,88; p=0,036), avaliada pela bioimpedância elétrica (BIA). Quanto ao padrão de consumo alimentar, somente o consumo de gordura monoinsaturada foi diferente entre os grupos, sendo o maior consumo no grupo com menor valor de EMI (7,882,09 vs 7,022,06; p=0,031). Não houve diferença em relação à frequência de tabagismo e atividade física. Quando foi feita a análise de correlação da amostra, foi encontrada uma correlação entre a EMI de carótidas e idade (r=0,25; p=0,0067), PAS (r=0,19; p=0,0086); PP (r=0,30; p=0,0009), LDL (r=0,19; p=0,0434), assim como com gordura monoinsaturada (r= -0,25; p=0,0087), PCR (r=0,31; p=0,007) e HDL (r=-0,33; p=0,0004), porém apenas as variáveis HDL, PCRus e pressão de pulso mostraram ser preditoras independentes da EMI de carótida após feita uma análise de regressão linear multivariada. A proteína C reativa, HDL colesterol e pressão de pulso são importantes preditores independentes de aterosclerose subclínica.