资料来源：古尔内特·桑加和克雷格·戈尔根，韦尔登生物医学工程学院，普渡大学，西拉斐特，印第安纳州
光声断层扫描（PAT）是一种新兴的生物医学成像模式，它利用光产生的声波从组织获取组成信息。PAT 可用于成像血液和脂质成分，可用于各种应用，包括心血管和肿瘤成像。目前使用的成像技术有固有的限制，限制他们使用研究人员和医生。例如，采集时间长、成本高、使用有害对比度和极小到高侵入性都是限制实验室和诊所使用各种模式的因素。目前，唯一与PAT相媲美的成像技术是新兴的光学技术。但这些也有缺点，如渗透深度有限和需要外生造影剂。PAT 以快速、无创、无标签的方式提供有意义的信息。当与超声波结合时，PAT可用于从组织获得结构、血液动力学和成分信息，从而补充目前使用的成像技术。PAT 的优点说明了它在临床前和临床环境中产生影响的能力。
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资料来源：阿莉西亚·伯曼、詹姆斯·沙伯和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州
在这里，我们将演示使用小鼠的单光子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描 （SPECT/CT） 成像的基本原理。该技术包括将放射性核素注入鼠标，在动物分布在全身后成像，然后重建生成的图像以创建体积数据集。这可以提供有关解剖学、生理学和新陈代谢的信息，以改善疾病诊断并监测其进展。
在收集的数据方面，SPECT/CT 提供与正电子发射断层扫描 （PET）/CT 类似的信息。然而，这两种技术的基本原理根本不同，因为PET需要检测两个伽马光子，它们以相反的方向发射。相比之下，SPECT成像通过伽马相机直接测量辐射。因此，SPECT 成像的空间分辨率低于 PET。然而，它的成本也较低，因为SPECT放射性同位素更容易获得。SPECT/CT 成像提供非侵入性代谢和解剖信息，可用于各种应用。
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资料来源：阿米莉亚·阿德尔斯珀格、埃文·菲利普斯和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州
高频超声系统用于获取高分辨率图像。在这里，将展示最先进的系统的使用，以成像在小鼠和大鼠中发现的小脉动动脉和静脉的形态和血液动力学。超声波是一种相对便宜、便携和通用的方法，用于对人类以及大型和小型动物的血管进行非侵入性评估。与其他技术（如计算机断层扫描 （CT）、磁共振成像 （MRI） 和近红外荧光断层扫描 （NIRF））相比，这些优势是超常提供的几种关键优势。CT 需要电离辐射，在某些情况下，MRI 可能非常昂贵，甚至不切实际。另一方面，NIRF 受到激发荧光造影剂所需的穿透深度的限制。
超声在成像深度方面有局限性;然而，这可以通过牺牲分辨率和使用低频传感器来克服。腹部气体和超重会严重降低图像质量。在第一种情况下，声波的传播是有限的，而在后一种情况下，它们被覆盖的组织，如脂肪和结缔组织衰减。因此，无法观察到对比度或微弱的对比度。最后，超声波是一种高度依赖用户的技术，要求超声学家熟悉解剖学，并能够处理诸如成像伪像的外观或声学干扰等问题。
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资料来源：哈姆娜·库雷希和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州
在这里，我们将强调人类和啮齿动物之间非侵入性血压测量技术的主要相似性和差异，并研究控制血压的工程原理。还将讨论控制当前袖口技术以获得收缩和舒张压力的原理。
与移动设备连接的商用袖口通常结构紧凑且便携，因此几乎可以在任何地方进行测量。非侵入性便携式血压袖口对于高血压和其他心血管问题患者特别有用，需要仔细监测和及早发现血压的任何变化。
同样，非侵入性血压测量系统也可用于啮齿动物。该技术用于实验室设置，并可用于在整个研究中监测动物健康。虽然放射性遥测是啮齿动物血压测量的黄金标准，但这种技术具有侵入性，如果操作不当，可能导致动物死亡。因此，非侵入性方法便于在动物身上进行测量，因为它们可以提供有价值的数据，而无需植入设备。一个商用系统将被用来演示如何在临床环境以外的人身上测量血压。这种技术允许患者定期监测自己的血压，而不必每次需要进行这些测量时访问诊所。
此处描述的方法利用压力传感器和遮挡袖口利用流经啮齿动物尾部的血流。无论是人类移动血压袖口还是啮齿动物非侵入性尾袖口方法，都利用类似的血液动力学原理获取血压测量，为包括临床医生、研究人员和患者。
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资料来源：约瑟夫·穆斯凯特、维塔利·雷兹和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州
本视频的目的是描述基于患者或动物特异性血管的计算流体动态 （CFD） 模拟的最新进展。在这里，创建了基于主题的容器分割，并使用开源和商业工具的组合，在流程模型中确定了高分辨率数值解决方案。大量研究表明，血管内的血管内血液动力学条件影响动脉粥样硬化、动脉瘤和其他周围动脉疾病的发展和进展;同时，在体内很难直接测量宫内压力、壁剪切应力（WSS）和粒子停留时间（PRT）。
差价合约允许非侵入性评估此类变量。此外，CFD还用于模拟手术技术，为医生提供术后流动状况的更好预见性。磁共振成像 （MRI） 中的两种方法，即具有飞行时间 （TOF-MRA） 或对比度增强 MRA （CE-MRA） 和相位对比 （PC-MRI） 的磁共振血管造影 （MRA）， 使我们能够获得容器几何和时间解析的三维速度场分别。TOF-MRA 基于通过应用于成像体积的重复 RF 脉冲抑制来自静态组织的信号。信号来自不饱和旋转，随流动血液进入体积。CE-MRA 是一种更好的技术，用于成像具有复杂循环流的容器，因为它使用造影剂（如高岭土）来增加信号。
另外，PC-MRI 利用双极梯度生成与流体速度成正比的相移，从而提供时间解析的速度分布。虽然 PC-MRI 能够提供血流速度，但此方法的准确性受有限的时空分辨率和速度动态范围的影响。CFD 提供卓越的分辨率，并可以评估从高速喷射到在病变血管中观察到的缓慢循环涡流的速度范围。因此，即使CFD的可靠性取决于建模假设，它为高质量、全面地描述患者特定的流动场提供了可能，从而可以指导诊断和治疗。
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资料来源：汉娜·塞布尔1， 阿尔文·苏普里阿特纳1， 约翰·博伊尔2和克雷格·戈尔根1
1韦尔登生物医学工程学院，普渡大学，拉斐特，印第安纳州
2密苏里州圣路易斯华盛顿大学机械工程与材料科学
软组织（如血管、皮肤、肌腱和其他器官）的机械行为受到弹性蛋白和胶原蛋白组成的强烈影响，后者提供弹性和强度。这些蛋白质的纤维方向取决于软组织的类型，范围从单一的首选方向到复杂的网状网络，在病变组织中可能发生变化。因此，软组织在细胞和器官水平上经常具有同一性，因此需要三维表征。开发一种可靠地估计复杂生物组织或结构中的应变场的方法，对于机械地描述和理解疾病非常重要。应变表示软组织如何随时间相对变形，并且可以通过各种估计进行数学描述。
随着时间的推移获取图像数据，可以估计变形和应变。然而，所有医学成像方式都含有一定量的噪音，这增加了准确估计体内应变的难度。此处描述的技术通过使用直接变形估计 （DDE） 方法从体积图像数据中计算空间变化的 3D 应变场，从而成功地克服了这些问题。
目前的应变估计方法包括数字图像相关（DIC）和数字体积相关性。不幸的是，DIC只能准确地估计来自二维平面的应变，严重限制了该方法的应用。虽然有用，但 DIC 等 2D 方法很难在经历 3D 变形的区域量化应变。这是因为平面外运动会产生变形误差。数字体积相关性是一种更适用的方法，将初始体积数据划分为多个区域，并找到变形体积的最相似区域，从而减少平面外误差。然而，这种方法证明对噪声很敏感，需要对材料的机械性能进行假设。
此处演示的技术通过使用 DDE 方法消除了这些问题，从而在医学成像数据分析中非常有用。此外，它对于高应变或局部应变是健壮的。在这里，我们描述了门控、体积4D超声数据的采集、其转换为可分析格式，以及使用自定义 Matlab 代码来估计 3D 变形和相应的 Green-Lagrange 应变，该参数能够更好地描述大变形。绿拉格朗日应变张量在许多三维应变估计方法中实现，因为它允许从位移的最小平方拟合 （LSF） 计算F。下面的方程表示绿-拉格朗日应变张数，E，其中F和I分别表示变形梯度和二阶标识张子。
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资料来源：弗雷德里克·达门和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州
在本视频中，通过生理监测，演示了高场、小孔磁共振成像（MRI），以获取鼠心血管系统的门控膜环。此过程为评估左心室功能、可视化血管网络和量化因呼吸引起的器官运动提供了基础。类似的小型动物心血管成像模式包括高频超声和微计算机断层扫描（CT）;但是，每种模式都与应考虑的权衡相关。虽然超声波确实提供高空间和时间分辨率，但成像伪像很常见。例如，密集组织（即胸骨和肋骨）可以限制成像穿透深度，而气体和液体（即肺周围的胸膜）之间的超呼信号可以模糊附近组织的对比度。相比之下，微CT不会遭受尽可能多的平面内伪影，但具有较低的时间分辨率和有限的软组织对比度。此外，微型CT使用X射线辐射，并经常要求使用造影剂来可视化血管，这两种物质已知在高剂量下造成副作用，包括辐射损伤和肾损伤。心血管MRI通过否定电离辐射的需要和为用户提供无反光剂成像的能力（尽管造影剂常用于MRI），在这些技术之间提供了很好的折衷。
这些数据是通过触发快速低角度热（FLASH）MRI序列获得的，该序列在心脏周期的R峰和呼吸中的呼气中呼退的高原上被封闭。这些生理事件通过皮下电极和固定在腹部的压力敏感枕头进行监测。为确保鼠标正确加热，插入了直肠温度探头，用于控制 MRI 安全加热风扇的输出。一旦动物入 MRI 扫描仪的孔和导航序列运行以确认定位，门控 FLASH 成像平面被规定和获取数据。总体而言，高场核磁共振成像是一种强大的研究工具，可以为研究小动物疾病模型提供软组织对比。
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资料来源：阿尔文·苏普里阿特纳1号、凯尔西·布林斯2号、克雷格·戈尔根1号
1韦尔登生物医学工程学院，普渡大学，拉斐特，印第安纳州
2普渡大学生物化学系，拉斐特，印第安纳州
近红外荧光 （NIRF） 成像是一种令人兴奋的光学技术，它利用荧光探针来可视化组织中的复杂生物分子组件。与传统的非侵入性成像方法相比，NIRF成像具有许多优点。与单光子发射计算机断层扫描 （SPECT） 和正电子发射断层扫描 （PET） 不同，NIRF 成像是快速、高通量的，并且不涉及电离辐射。此外，工程靶特和可激活荧光探针的最新发展为NIRF提供了高特异性和灵敏度，使其成为研究癌症和心血管疾病的一种有吸引力的方式。提出的程序旨在演示NIRF成像背后的原理，以及如何在小型动物体内进行体内和体外实验，以研究各种疾病。此处显示的特定示例采用基质金属蛋白酶-2 （MMP2） 的可激活荧光探针，以研究其在腹部主动脉瘤 （AAA） 的两种不同啮齿动物模型中的接受率。
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