Craig J. Goergen

Numerische Strömungsmechaniksimulationen des Blutflusses in einem zerebralen Aneurysma

JoVE 10479

Quelle: Joseph C. Muskat, Vitaliy L. Rayz, und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Das Ziel dieses Videos ist es, die jüngsten Fortschritte von Computational Fluid Dynamic (CFD) Simulationen basierend auf patienten- oder tierspezifischen Vaskulaturen zu beschreiben. Hier wurden themenbasierte Gefäßsegmentierungen geschaffen und mit einer Kombination aus Open-Source- und kommerziellen Werkzeugen eine hochauflösende numerische Lösung innerhalb eines Strömungsmodells ermittelt. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die hämodynamischen Bedingungen innerhalb der Vaskulatur die Entwicklung und das Fortschreiten von Arteriosklerose, Aneurysmen und anderen peripheren Arterienerkrankungen beeinflussen; gleichzeitig sind direkte Messungen des Intraluminaldrucks, der Wandscherspannung (WSS) und der Partikelverweilzeit (PRT) in vivoschwer zu erfassen.

CFD ermöglichen es, solche Variablen nicht-invasiv zu bewerten. Darüber hinaus wird CFD verwendet, um chirurgische Techniken zu simulieren, was Ärzten eine bessere Voraussicht in Bezug auf postoperative Strömungsbedingungen bietet. Zwei Methoden der Magnetresonanztomographie (MRT), die Magnetresonanzangiographie (MRA) mit Flugzeit (TOF-MRA) oder kontrastverstärktem MRA (CE-MRA) und Phasenkontrast (PC-MRT), ermöglichen es uns, Gefäßgeometrien und zeitaufgelöste 3D-Geschwindigkeitsfelder zu erhalten Bzw. TOF-MRA basiert auf der Unterdrückung des Signals aus statischem Gewebe durch wiederholte HF-Impulse, die auf das abgebildete Volumen aufgebracht werden. Ein Signal wird von ungesättigten Spins erhalten, die sich mit dem fließenden Blut in das Volumen bewegen. CE-MRA ist eine bessere Technik für bildgebende Gefäße mit komplexen Umwälzströmen, da es ein Kontrastmittel wie Gadolinium verwendet, um das Signal zu erhöhen.

Unabhängig davon verwendet PC-MRI bipolare Gradienten, um Phasenverschiebungen zu erzeugen, die proportional zur Geschwindigkeit einer Flüssigkeit sind, wodurch zeitaufgelöste Geschwindigkeitsverteilungen zur Verfügung gestellt werden. Während PC-MRI in der Lage ist, Blutflussgeschwindigkeiten bereitzustellen, wird die Genauigkeit dieser Methode durch begrenzte raumzeitliche Auflösung und Geschwindigkeitsdynamikbereich beeinflusst. CFD bietet eine überlegene Auflösung und kann den Bereich der Geschwindigkeiten von Hochgeschwindigkeitsjets bis hin zu langsamen Rezirkulationswirbeln, die in erkrankten Blutgefäßen beobachtet werden, bewerten. Auch wenn die Zuverlässigkeit von CFD von den Modellierungsannahmen abhängt, eröffnet sie die Möglichkeit einer qualitativ hochwertigen, umfassenden Darstellung patientenspezifischer Strömungsfelder, die Diagnose und Behandlung leiten können.

Abbildung der Dehnungsbelastung eines Bauchaortenaneurysmas

JoVE 10480

Quelle: Hannah L. Cebull¹, Arvin H. Soepriatna¹, John J. Boyle² und Craig J. Goergen¹

¹ Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

² Mechanical Engineering & Materials Science, Washington University in St. Louis, St Louis, Missouri

Das mechanische Verhalten von Weichgeweben wie Blutgefäßen, Haut, Sehnen und anderen Organen wird stark durch ihre Zusammensetzung von Elastin und Kollagen beeinflusst, die Elastizität und Festigkeit bieten. Die Faserausrichtung dieser Proteine hängt von der Art des Weichgewebes ab und kann von einer einzigen bevorzugten Richtung bis hin zu komplizierten netzgebundenen Netzwerken reichen, die sich in krankem Gewebe verändern können. Daher verhalten sich Weichgewebe oft anisotrop auf Zell- und Organebene, was eine notwendigkeit dreidimensionale Charakterisierung erzeugt. Die Entwicklung einer Methode zur zuverlässigen Abschätzung von Dehnungsfeldern innerhalb komplexer biologischer Gewebe oder Strukturen ist wichtig, um Krankheiten mechanisch zu charakterisieren und zu verstehen. Dehnung stellt dar, wie Sichweich im Laufe der Zeit relativ verformt, und kann mathematisch durch verschiedene Schätzungen beschrieben werden.

Durch das Erfassen von Bilddaten im Laufe der Zeit können Verformungen und Dehnungen geschätzt werden. Alle medizinischen Bildgebungsmodalitäten enthalten jedoch eine gewisse Menge an Rauschen, was die Schwierigkeit erhöht, die in vivo-Stämme genau zu schätzen. Die hier beschriebene Technik bewindet diese Probleme erfolgreich, indem eine DDE-Methode (Direct Deformation Estimation) verwendet wird, um räumlich variierende 3D-Dehnungsfelder aus volumetrischen Bilddaten zu berechnen.

Zu den aktuellen Methoden zur Dehnungsschätzung gehören die digitale Bildkorrelation (DIC) und die digitale Volumenkorrelation. Leider kann DIC die Belastung von einer 2D-Ebene nur genau abschätzen, was die Anwendung dieser Methode stark einschränkt. Obwohl sie nützlich sind, haben 2D-Methoden wie DIC Schwierigkeiten, Dehnungen in Regionen zu quantifizieren, die einer 3D-Verformung unterzogen werden. Dies liegt daran, dass a-of-plane Bewegung Verformungsfehler erzeugt. Die digitale Volumenkorrelation ist eine anwendbarere Methode, die die anfänglichen Volumendaten in Regionen unterteilt und den ähnlichsten Bereich des verformten Volumens findet, wodurch Fehler a-of-plane reduziert werden. Diese Methode erweist sich jedoch als geräuschempfindlich und erfordert Annahmen über die mechanischen Eigenschaften des Materials.

Die hier gezeigte Technik beseitigt diese Probleme mit einer DDE-Methode und macht sie somit sehr nützlich bei der Analyse medizinischer Bildgebungsdaten. Darüber hinaus ist es robust bis hoch oder lokalisiert. Hier beschreiben wir die Erfassung von gated, volumetrischen 4D-Ultraschalldaten, deren Umwandlung in ein analyzierbares Format und die Verwendung eines benutzerdefinierten Matlab-Codes zur Abschätzung von 3D-Verformungen und entsprechenden Green-Lagrange-Stämmen, ein Parameter, der große Verformungen besser beschreibt. Der Green-Lagrange Dehnungstensor wird in vielen 3D-Dehnungsschätzungsmethoden implementiert, da er es ermöglicht, F aus einem Least Squares Fit (LSF) der Verschiebungen zu berechnen. Die folgende Gleichung stellt den Grün-Lagrange-Dehnungstensor Edar, wobei F und I den Verformungsgradienten bzw. den Identitätstensor zweiter Ordnung darstellen.

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Kardiale Magnetresonanztomographie

JoVE 10393

Quelle: Frederick W. Damen und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

In diesem Video wird gezeigt, dass hochfeldige, kleinbohrige Magnetresonanztomographie (MRT) mit physiologischer Überwachung gated cine Loops des murinen Herz-Kreislauf-Systems erfasst. Dieses Verfahren bietet eine Grundlage für die Beurteilung der linksventrikulären Funktion, die Visualisierung von Gefäßnetzwerken und die Quantifizierung der Bewegung von Organen durch Atmung. Vergleichbare kardiovaskuläre Bildgebungsmodalitäten für Kleintiere umfassen Hochfrequenz-Ultraschall und Mikrocomputertomographie (CT); Jede Modalität ist jedoch mit Kompromissen verbunden, die in Betracht gezogen werden sollten. Während Ultraschall eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bietet, sind bildgebende Artefakte häufig. Beispielsweise kann dichtes Gewebe (d. h. das Brustbein und die Rippen) die Bildtiefe der Bilddaten einschränken, und hyperechoisches Signal an der Schnittstelle zwischen Gas und Flüssigkeit (d. h. Pleura, die die Lunge umgibt) kann den Kontrast im nahegelegenen Gewebe verwischen. Micro-CT dagegen leidet nicht unter so vielen in-ebenen Artefakten, aber hat eine geringere zeitliche Auflösung und einen begrenzten Weichgewebekontrast. Darüber hinaus verwendet micro-CT Röntgenstrahlung und erfordert häufig die Verwendung von Kontrastmitteln, um die Vaskulatur zu visualisieren, von denen beide bekanntermaßen Nebenwirkungen bei hohen Dosen verursachen, einschließlich Strahlenschäden und Nierenverletzungen. Herz-Kreislauf-MRT bietet einen netten Kompromiss zwischen diesen Techniken, indem die Notwendigkeit von ionisierender Strahlung negiert und dem Benutzer die Möglichkeit gegeben wird, ohne Kontrastmittel abzubilden (obwohl Kontrastmittel häufig für MRT verwendet werden).

Diese Daten wurden mit einer auslösenden Fast Low Angle SHot (FLASH) MRT-Sequenz erfasst, die von den R-Spitzen im Herzzyklus und expiratorischen Plateaus in der Atmung abgegrenzt wurde. Diese physiologischen Ereignisse wurden durch subkutane Elektroden und ein druckempfindliches Kissen überwacht, das gegen den Bauch gesichert war. Um sicherzustellen, dass die Maus richtig erwärmt wurde, wurde eine rektale Temperatursonde eingesetzt, mit der der Ausgang eines MRT-sicheren Heizlüfters gesteuert wurde. Sobald das Tier in die Bohrung des MRT-Scanners eingeführt wurde und Navigationssequenzen ausgeführt wurden, um die Positionierung zu bestätigen, wurden die abgesperrten FLASH-Bildebenen vorgeschrieben und Daten erfasst. Insgesamt ist die High-Field-MRT ein leistungsfähiges Forschungswerkzeug, das Weichteilkontrast für die Untersuchung von Modellen für kleine Tierseuchen liefern kann.

Nahinfrarot-Fluoreszenz-Bildgebung von Abdominalaortenaneurysmen

JoVE 10394

Quelle: Arvin H. Soepriatna¹, Kelsey A. Bullens², und Craig J. Goergen¹

¹ Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

² Institut für Biochemie, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Die Nahinfrarotfluoreszenz-Bildgebung (NIRF) ist eine aufregende optische Technik, bei der fluoreszierende Sonden komplexe biomolekulare Baugruppen in Geweben visualisiert werden. NIRF-Bildgebung hat gegenüber herkömmlichen bildgebenden Verfahren zur nichtinvasiven Bildgebung von Krankheiten viele Vorteile. Im Gegensatz zur Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) und Positronen-Emissionstomographie (PET) ist die NIRF-Bildgebung schnell, mit hohem Durchsatz und beinhaltet keine ionisierende Strahlung. Darüber hinaus bieten die jüngsten Entwicklungen in der Entwicklung zielspezifischer und aktivierbarer Fluoreszenzsonden NIRF eine hohe Spezifität und Empfindlichkeit und machen es zu einer attraktiven Modalität bei der Untersuchung von Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Das vorgestellte Verfahren soll die Prinzipien der NIRF-Bildgebung aufzeigen und zeigen, wie in vivo- und ex vivo-Experimente an Kleintieren durchgeführt werden, um eine Vielzahl von Krankheiten zu untersuchen. Das hier gezeigte spezifische Beispiel verwendet eine aktivierbare fluoreszierende Sonde für Matrix-Metalloproteinase-2 (MMP2), um seine Aufnahme in zwei verschiedenen Nagetiermodellen von Abdominalaortenaneurysmen (AAAs) zu untersuchen.

Photoakustische Tomographie zur Darstellung von Blut und Lipiden in der infrarenalen Aorta

JoVE 10395

Quelle: Gurneet S. Sangha und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Die Photoakustische Tomographie (PAT) ist eine aufkommende biomedizinische Bildgebungsmodalität, die lichterzeugte akustische Wellen nutzt, um kompositorische Informationen aus Geweben zu erhalten. PAT kann verwendet werden, um Blut- und Lipidkomponenten abzubilden, was für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich ist, einschließlich Kardiovaskulär- und Tumorbildgebung. Derzeit verwendete bildgebende Verfahren haben inhärente Einschränkungen, die ihre Verwendung mit Forschern und Ärzten einschränken. Zum Beispiel sind lange Anschaffungszeiten, hohe Kosten, die Verwendung von schädlichem Kontrast und minimale bis hohe Invasivität faktoren, die den Einsatz verschiedener Modalitäten im Labor und in der Klinik einschränken. Derzeit sind die einzigen vergleichbaren bildgebenden Verfahren mit PAT aufkommende optische Techniken. Diese haben aber auch Nachteile, wie z. B. die begrenzte Durchdringungstiefe und die Notwendigkeit exogener Kontrastmittel. PAT liefert aussagekräftige Informationen in einer schnellen, nichtinvasiven, etikettenfreien Weise. In Verbindung mit Ultraschall kann PAT verwendet werden, um strukturelle, hämodynamische und kompositorische Informationen aus Geweben zu erhalten und so die derzeit verwendeten bildgebenden Verfahren zu ergänzen. Die Vorteile von PAT veranschaulichen seine Fähigkeit, sowohl im präklinischen als auch im klinischen Umfeld Einfluss zu nehmen.

Kombinierte SPECT- und CT-Bildgebung zur Visualisierung der Herzfunktionalität

JoVE 10396

Quelle: Alycia G. Berman, James A. Schaber und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Hier zeigen wir die Grundlagen der Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie/Computertomographie (SPECT/CT)-Bildgebung mit Mäusen. Die Technik besteht darin, ein Radionuklid in eine Maus zu injizieren, das Tier zu bebildern, nachdem es im ganzen Körper verteilt wurde, und dann die produzierten Bilder zu rekonstruieren, um einen volumetrischen Datensatz zu erstellen. Dies kann Informationen über Anatomie, Physiologie und Stoffwechsel liefern, um die Krankheitsdiagnose zu verbessern und deren Fortschreiten zu überwachen.

In Bezug auf die gesammelten Daten liefert SPECT/CT ähnliche Informationen wie die Positronenemissionstomographie (PET)/CT. Die Grundprinzipien dieser beiden Techniken unterscheiden sich jedoch grundlegend, da PET den Nachweis von zwei Gammaphotonen erfordert, die in entgegengesetzte Richtungen emittiert werden. Im Gegensatz dazu misst die SPECT-Bildgebung die Strahlung direkt über eine Gammakamera. Infolgedessen hat SPECT Imaging eine geringere räumliche Auflösung als PET. Es ist jedoch auch billiger, weil die SPECT radioaktiven Isotope leichter verfügbar sind. SPECT/CT-Bildgebung liefert sowohl nichtinvasive metabolische als auch anatomische Informationen, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sein können.

Hochfrequenz-Ultraschall-Bildgebung der Bauchaorta

JoVE 10397

Quelle: Amelia R. Adelsperger, Evan H. Phillips und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Hochfrequente Ultraschallsysteme werden verwendet, um hochauflösende Bilder zu erfassen. Hier wird der Einsatz eines hochmodernen Systems demonstriert, um die Morphologie und Hämodynamik kleiner pulsatiler Arterien und Venen, die bei Mäusen und Ratten vorkommen, abzubilden. Ultraschall ist eine relativ kostengünstige, tragbare und vielseitige Methode zur nichtinvasiven Beurteilung von Gefäßen beim Menschen sowie bei großen und kleinen Tieren. Dies sind mehrere wichtige Vorteile, die Ultraound im Vergleich zu anderen Techniken bietet, wie Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Nahinfrarot-Fluoreszenztomographie (NIRF). CT erfordert ionisierende Strahlung und MRT kann in einigen Szenarien unerschwinglich teuer und sogar unpraktisch sein. NIRF hingegen wird durch die Eindringtiefe des Lichts begrenzt, die erforderlich ist, um die fluoreszierenden Kontrastmittel zu anregen.

Ultraschall hat Einschränkungen in Bezug auf die Bildtiefe; Dies kann jedoch durch das Opfern von Auflösung und die Verwendung eines Niederfrequenzwandlers überwunden werden. Bauchgas und überschüssiges Körpergewicht können die Bildqualität stark beeinträchtigen. Im ersten Fall ist die Ausbreitung von Schallwellen begrenzt, während sie im letzteren Fall durch darüber liegende Gewebe wie Fett und Bindegewebe abgeschwächt werden. Infolgedessen kann kein Kontrast oder schwacher Kontrast beobachtet werden. Schließlich ist Ultraschall eine stark benutzerabhängige Technik, die es dem Sonographen ermöglicht, sich mit der Anatomie vertraut zu machen und Probleme wie das Auftreten von bildgebenden Artefakten oder akustische Störungen zu umgehen.

Nichtinvasive Blutdruckmesstechniken

JoVE 10478

Quelle: Hamna J. Qureshi und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Hier werden die wichtigsten Ähnlichkeiten und Unterschiede der nichtinvasiven Blutdruckmesstechniken zwischen Menschen und Nagetieren aufgezeigt und die technischen Prinzipien untersucht, die den Blutdruck bestimmen. Diskutiert werden auch die Prinzipien, die die aktuelle Manschettentechnologie regeln, um systolische und diastolische Drücke zu erwerben.

Kommerziell erhältliche Manschetten, die sich mit mobilen Geräten verbinden, sind in der Regel kompakt und tragbar, so dass Messungen praktisch überall durchgeführt werden können. Nichtinvasive, tragbare Blutdruckmanschetten sind besonders nützlich für Patienten mit Bluthochdruck und anderen Herz-Kreislauf-Problemen, die eine sorgfältige Überwachung und Früherkennung von Blutdruckänderungen erfordern.

Ebenso stehen nichtinvasive Blutdruckmesssysteme auch für Nagetiere zur Verfügung. Diese Technologie wird im Labor eingesetzt und ist für die Überwachung der Tiergesundheit während einer gesamten Studie nützlich. Während Radiotelemetrie der Goldstandard der Blutdruckmessung für Nagetiere ist, ist diese Technik invasiv und kann zu einer Tiersterblichkeit führen, wenn sie falsch durchgeführt wird. Nichtinvasive Methoden eignen sich daher für Messungen bei Tieren, da sie wertvolle Daten liefern können, ohne dass eine Geräteimplantation erforderlich ist. Ein kommerziell erhältliches System wird verwendet, um zu zeigen, wie blutdruckgemessen am Menschen außerhalb eines klinischen Umfelds gemessen werden kann. Diese Technik ermöglicht es Patienten, ihren eigenen Blutdruck regelmäßig zu überwachen, ohne jedes Mal eine Klinik aufsuchen zu müssen, wenn sie diese Messungen durchführen möchten.

Die hier beschriebenen Methoden nutzen den Blutfluss durch den Schwanz des Nagetiers mit Hilfe von Drucksensoren und Okklusionsmanschetten. Sowohl mobile Blutdruckmanschetten für Den Menschen als auch nichtinvasive Schwanzmanschettenmethoden für Nagetiere nutzen ähnliche hämodynamische Prinzipien, um Blutdruckmessungen zu erfassen, die nützliche Daten für Benutzer liefern können, einschließlich Kliniker, Forscher, und Patienten.