Craig J. Goergen

Imaging a risonanza magnetica cardiaca

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

In questo video, viene dimostrata la risonanza magnetica (MRI) ad alto campo e di piccolo diametro con monitoraggio fisiologico per acquisire circuiti cine gated del sistema cardiovascolare murino. Questa procedura fornisce una base per valutare la funzione ventricolare sinistra, visualizzare le reti vascolari e quantificare il movimento degli organi dovuto alla respirazione. Le modalità di imaging cardiovascolare di piccoli animali comparabili includono ultrasuoni ad alta frequenza e tomografia micro-computerizzata (TC); tuttavia, ogni modalità è associata a compromessi che dovrebbero essere considerati. Mentre gli ultrasuoni forniscono un'elevata risoluzione spaziale e temporale, gli artefatti di imaging sono comuni. Ad esempio, il tessuto denso (cioè lo sterno e le costole) può limitare la profondità di penetrazione dell'imaging e il segnale iperecoico all'interfaccia tra gas e liquido (cioè la pleura che circonda i polmoni) può offuscare il contrasto nel tessuto vicino. La micro-TC al contrario non soffre di tanti artefatti nel piano, ma ha una risoluzione temporale inferiore e un contrasto limitato dei tessuti molli. Inoltre, la micro-TC utilizza radiazioni a raggi X e spesso richiede l'uso di agenti di contrasto per visualizzare la vascolarizzazione, entrambi noti per causare effetti collaterali a dosi elevate, tra cui danni da radiazioni e lesioni renali. La risonanza magnetica cardiovascolare fornisce un buon compromesso tra queste tecniche negando la necessità di radiazioni ionizzanti e fornendo all'utente la possibilità di visualizzare senza agenti di contrasto (sebbene gli agenti di contrasto siano spesso utilizzati per la risonanza magnetica).

Questi dati sono stati acquisiti con una sequenza di risonanza magnetica Fast Low Angle SHot (FLASH) che è stata gated dai picchi R nel ciclo cardiaco e dai plateau espiratori nella respirazione. Questi eventi fisiologici sono stati monitorati attraverso elettrodi sottocutanei e un cuscino sensibile alla pressione che è stato fissato contro l'addome. Per garantire che il mouse fosse adeguatamente riscaldato, è stata inserita una sonda di temperatura rettale che è stata utilizzata per controllare l'uscita di una ventola di riscaldamento a prova di risonanza magnetica. Una volta che l'animale è stato inserito nel foro dello scanner MRI e sono state eseguite sequenze di navigazione per confermare il posizionamento, sono stati prescritti i piani di imaging FLASH gated e sono stati acquisiti i dati. Nel complesso, la risonanza magnetica ad alto campo è un potente strumento di ricerca in grado di fornire contrasto dei tessuti molli per lo studio di modelli di malattie di piccoli animali.

Imaging a fluorescenza nel vicino-infrarosso di aneurismi dell'aorta addominale

JoVE 10394

Fonte: Arvin H. Soepriatna¹, Kelsey A. Bullens²e Craig J. Goergen¹

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

² Dipartimento di Biochimica, Purdue University, West Lafayette, Indiana

L'imaging a fluorescenza nel vicino infrarosso (NIRF) è un'entusiasmante tecnica ottica che utilizza sonde fluorescenti per visualizzare complessi assemblaggi biomolecolari nei tessuti. L'imaging NIRF presenta molti vantaggi rispetto ai metodi di imaging convenzionali per l'imaging non invasivo delle malattie. A differenza della tomografia computerizzata a emissione di singolo fotone (SPECT) e della tomografia ad emissione di positroni (PET), l'imaging NIRF è rapido, ad alto rendimento e non comporta radiazioni ionizzanti. Inoltre, i recenti sviluppi nell'ingegneria delle sonde fluorescenti target-specific e attivabili forniscono al NIRF un'elevata specificità e sensibilità, rendendolo una modalità interessante nello studio del cancro e delle malattie cardiovascolari. La procedura presentata è progettata per dimostrare i principi alla base dell'imaging NIRF e come condurre esperimenti in vivo ed ex vivo su piccoli animali per studiare una varietà di malattie. L'esempio specifico mostrato qui impiega una sonda fluorescente attivabile per la metalloproteinasi-2 della matrice (MMP2) per studiarne l'assorbimento in due diversi modelli di roditori di aneurismi dell'aorta addominale (AAA).

Tomografia fotoacustica per l'immagine di sangue e lipidi nell'aorta infrarenale

JoVE 10395

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

La tomografia fotoacustica (PAT) è una modalità di imaging biomedico emergente che utilizza onde acustiche generate dalla luce per ottenere informazioni compositivi dai tessuti. Pat può essere utilizzato per l'immagine di componenti del sangue e dei lipidi, che è utile per un'ampia varietà di applicazioni, tra cui l'imaging cardiovascolare e tumorale. Le tecniche di imaging attualmente utilizzate hanno limitazioni intrinseche che ne limitano l'uso con ricercatori e medici. Ad esempio, lunghi tempi di acquisizione, costi elevati, uso di contrasti dannosi e invasività da minima a elevata sono tutti fattori che limitano l'uso di varie modalità in laboratorio e in clinica. Attualmente, le uniche tecniche di imaging paragonabili alla PAT sono le tecniche ottiche emergenti. Ma questi hanno anche degli svantaggi, come la limitata profondità di penetrazione e la necessità di mezzi di contrasto esogeni. PAT fornisce informazioni significative in modo rapido, non invasivo e privo di etichette. Se accoppiato con gli ultrasuoni, il PAT può essere utilizzato per ottenere informazioni strutturali, emodinamiche e compositive dal tessuto, integrando così le tecniche di imaging attualmente utilizzate. I vantaggi del PAT illustrano le sue capacità di avere un impatto sia in ambito preclinico che clinico.

Imaging combinato SPECT e CT per la visualizzazione della funzionalità cardiaca

JoVE 10396

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

Qui dimostreremo i fondamenti della tomografia computerizzata a emissione di singolo fotone / tomografia computerizzata (SPECT / CT) utilizzando topi. La tecnica prevede l'iniezione di un radionuclide in un topo, l'imaging dell'animale dopo che è stato distribuito in tutto il corpo e quindi la ricostruzione delle immagini prodotte per creare un set di dati volumetrico. Questo può fornire informazioni sull'anatomia, la fisiologia e il metabolismo per migliorare la diagnosi della malattia e monitorarne la progressione.

In termini di dati raccolti, SPECT / CT fornisce informazioni simili alla tomografia ad emissione di positroni (PET) / CT. Tuttavia, i principi alla base di queste due tecniche sono fondamentalmente diversi poiché il PET richiede il rilevamento di due fotoni gamma, che vengono emessi in direzioni opposte. Al contrario, l'imaging SPECT misura direttamente la radiazione tramite una gamma camera. Di conseguenza, l'imaging SPECT ha una risoluzione spaziale inferiore rispetto alla PET. Tuttavia, è anche meno costoso perché gli isotopi radioattivi SPECT sono più facilmente disponibili. L'imaging SPECT/CT fornisce informazioni metaboliche e anatomiche non invasive che possono essere utili per un'ampia varietà di applicazioni.

Imaging a ultrasuoni ad alta frequenza dell'aorta addominale

JoVE 10397

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

I sistemi a ultrasuoni ad alta frequenza vengono utilizzati per acquisire immagini ad alta risoluzione. Qui, verrà dimostrato l'uso di un sistema all'avanguardia per immaginare la morfologia e l'emodinamica di piccole arterie e vene pulsatili presenti in topi e ratti. Gli ultrasuoni sono un metodo relativamente economico, portatile e versatile per la valutazione non invasiva dei vasi negli esseri umani e negli animali grandi e piccoli. Questi sono diversi vantaggi chiave che l'ultraound offre rispetto ad altre tecniche, come la tomografia computerizzata (CT), la risonanza magnetica (MRI) e la tomografia a fluorescenza nel vicino infrarosso (NIRF). La TC richiede radiazioni ionizzanti e la risonanza magnetica può essere proibitivamente costosa e persino poco pratica in alcuni scenari. NirF, d'altra parte, è limitato dalla profondità di penetrazione della luce necessaria per eccitare gli agenti di contrasto fluorescenti.

Gli ultrasuoni hanno limitazioni in termini di profondità di imaging; tuttavia, questo può essere superato sacrificando la risoluzione e utilizzando un trasduttore a bassa frequenza. Il gas addominale e l'eccesso di peso corporeo possono ridurre gravemente la qualità dell'immagine. Nel primo caso, la propagazione delle onde sonore è limitata, mentre nel secondo caso, sono attenuate da tessuti sovrastante, come grasso e tessuto connettivo. Di conseguenza, non si può osservare alcun contrasto o debole contrasto. Infine, l'ecografia è una tecnica altamente dipendente dall'utente, che richiede all'ecografista di avere familiarità con l'anatomia e di essere in grado di aggirare problemi, come la comparsa di artefatti di imaging o interferenze acustiche.

Tecniche non invasive di misurazione della pressione sanguigna

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

Qui evidenzieremo le principali somiglianze e differenze delle tecniche di misurazione della pressione sanguigna non invasiva tra esseri umani e roditori ed esamineremo i principi ingegneristici che governano la pressione sanguigna. Verranno inoltre discussi i principi che governano l'attuale tecnologia dei polsini per acquisire pressioni sistoliche e diastoliche.

I polsini disponibili in commercio che si collegano ai dispositivi mobili sono in genere compatti e portatili, consentendo così di effettuare misurazioni praticamente ovunque. I polsini per la pressione sanguigna portatili non invasivi sono particolarmente utili per i pazienti con ipertensione e altri problemi cardiovascolari che richiedono un attento monitoraggio e una diagnosi precoce di eventuali cambiamenti nella pressione sanguigna.

Allo stesso modo, i sistemi di misurazione della pressione sanguigna non invasivi sono disponibili anche per i roditori. Questa tecnologia viene utilizzata in ambienti di laboratorio ed è utile per monitorare la salute degli animali durante uno studio. Mentre la radiotelemetria è il gold standard della misurazione della pressione sanguigna per i roditori, questa tecnica è invasiva e può portare alla mortalità animale se eseguita in modo errato. I metodi non invasivi, quindi, sono convenienti per prendere misure negli animali in quanto possono fornire dati preziosi senza la necessità di impiantare il dispositivo. Un sistema disponibile in commercio sarà utilizzato per dimostrare come la pressione sanguigna può essere misurata negli esseri umani al di fuori di un ambiente clinico. Questa tecnica consente ai pazienti di monitorare periodicamente la propria pressione sanguigna senza dover visitare una clinica ogni volta che vogliono che vengano effettuate queste misurazioni.

I metodi qui descritti sfruttano il flusso sanguigno attraverso la coda del roditore utilizzando sensori di pressione e polsini di occlusione. Sia i polsini mobili per la pressione sanguigna per gli esseri umani che i metodi non invasivi per i roditori sfruttano principi emodinamici simili per acquisire misurazioni della pressione sanguigna che possono fornire dati utili per gli utenti, inclusi medici, ricercatori e pazienti.

Simulazioni fluidodinamiche computazionali del flusso sanguigno in un aneurisma cerebrale

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

L'obiettivo di questo video è descrivere i recenti progressi delle simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) basate sulla vascolarizzazione specifica del paziente o dell'animale. Qui sono state create segmentazioni delle navi basate su argomenti e, utilizzando una combinazione di strumenti open source e commerciali, è stata determinata una soluzione numerica ad alta risoluzione all'interno di un modello di flusso. Numerosi studi hanno dimostrato che le condizioni emodinamiche all'interno della vascolarizzazione influenzano lo sviluppo e la progressione dell'aterosclerosi, degli aneurismi e di altre malattie delle arterie periferiche; allo stesso tempo, le misurazioni dirette della pressione intraluminale, dello sforzo di taglio della parete (WSS) e del tempo di residenza delle particelle (PRT) sono difficili da acquisire in vivo.

La CFD consente di valutare tali variabili in modo non invasivo. Inoltre, la CFD viene utilizzata per simulare le tecniche chirurgiche, il che fornisce ai medici una migliore lungimiranza per quanto riguarda le condizioni di flusso post-operatorio. Due metodi di risonanza magnetica (MRI), angiografia a risonanza magnetica (MRA) con tempo di volo (TOF-MRA) o MRA con contrasto potenziato (CE-MRA) e contrasto di fase (PC-MRI), ci consentono di ottenere geometrie dei vasi e campi di velocità 3D risolti nel tempo, rispettivamente. TOF-MRA si basa sulla soppressione del segnale dal tessuto statico mediante impulsi RF ripetuti che vengono applicati al volume dell'immagine. Un segnale è ottenuto da spin insaturi che si muovono nel volume con il sangue che scorre. CE-MRA è una tecnica migliore per l'imaging di vasi con flussi di ricircolo complessi, in quanto utilizza un agente di contrasto, come il gadolinio, per aumentare il segnale.

Separatamente, PC-MRI utilizza gradienti bipolari per generare sfasazioni proporzionali alla velocità di un fluido, fornendo così distribuzioni di velocità risolte nel tempo. Mentre la PC-MRI è in grado di fornire velocità di flusso sanguigno, l'accuratezza di questo metodo è influenzata dalla limitata risoluzione spaziotemporale e dalla gamma dinamica della velocità. La CFD fornisce una risoluzione superiore e può valutare la gamma di velocità dai getti ad alta velocità ai vortici a ricircolo lento osservati nei vasi sanguigni malati. Pertanto, anche se l'affidabilità della CFD dipende dalle ipotesi di modellazione, apre la possibilità di una rappresentazione completa e di alta qualità dei campi di flusso specifici del paziente, che possono guidare la diagnosi e il trattamento.

Mappatura quantitativa della deformazione di un aneurisma dell'aorta addominale

JoVE 10480

Fonte: Hannah L. Cebull¹, Arvin H. Soepriatna¹, John J. Boyle² e Craig J. Goergen¹

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

² Ingegneria meccanica e scienza dei materiali, Washington University di St. Louis, St Louis, Missouri

Il comportamento meccanico dei tessuti molli, come vasi sanguigni, pelle, tendini e altri organi, è fortemente influenzato dalla loro composizione di elastina e collagene, che forniscono elasticità e forza. L'orientamento delle fibre di queste proteine dipende dal tipo di tessuto molle e può variare da una singola direzione preferita a reti intricate, che possono alterarsi nei tessuti malattiati. Pertanto, i tessuti molli spesso si comportano in modo anisotropico a livello cellulare e di organi, creando la necessità di una caratterizzazione tridimensionale. Lo sviluppo di un metodo per stimare in modo affidabile i campi di deformazione all'interno di tessuti o strutture biologiche complesse è importante per caratterizzare e comprendere meccanicamente la malattia. La deformazione rappresenta il modo in cui i tessuti molli si deformano relativamente nel tempo e può essere descritta matematicamente attraverso varie stime.

L'acquisizione dei dati di immagine nel tempo consente di stimare la deformazione e la deformazione. Tuttavia, tutte le modalità di imaging medico contengono una certa quantità di rumore, il che aumenta la difficoltà di stimare con precisione il ceppo in vivo. La tecnica qui descritta supera con successo questi problemi utilizzando un metodo di stima della deformazione diretta (DDE) per calcolare campi di deformazione 3D che variano spazialmente dai dati dell'immagine volumetrica.

Gli attuali metodi di stima della deformazione includono la correlazione delle immagini digitali (DIC) e la correlazione del volume digitale. Sfortunatamente, DIC può solo stimare con precisione la deformazione da un piano 2D, limitando gravemente l'applicazione di questo metodo. Sebbene utili, i metodi 2D come DIC hanno difficoltà a quantificare la deformazione nelle regioni che subiscono la deformazione 3D. Questo perché il movimento fuori piano crea errori di deformazione. La correlazione digitale del volume è un metodo più applicabile che divide i dati del volume iniziale in regioni e trova la regione più simile del volume deformato, riducendo così l'errore fuori piano. Tuttavia, questo metodo si dimostra sensibile al rumore e richiede ipotesi sulle proprietà meccaniche del materiale.

La tecnica qui dimostrata elimina questi problemi utilizzando un metodo DDE, rendendolo così molto utile nell'analisi dei dati di imaging medico. Inoltre, è robusto a ceppo alto o localizzato. Qui descriviamo l'acquisizione di dati a ultrasuoni 4D volumetrici gated, la sua conversione in un formato analizzabile e l'uso di un codice Matlab personalizzato per stimare la deformazione 3D e le corrispondenti deformazioni Green-Lagrange, un parametro che descrive meglio le grandi deformazioni. Il tensore di deformazione green-lagrange è implementato in molti metodi di stima della deformazione 3D perché consente di calcolare F da un Least Squares Fit (LSF) degli spostamenti. L'equazione seguente rappresenta il tensore di deformazione di Green-Lagrange, E, dove F e I rappresentano rispettivamente il gradiente di deformazione e il tensore di identità del secondo ordine.

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