출처: 조셉 C. 머스킷, 비탈리 엘 레이즈, 크레이그 J. 괴르겐, 웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
이 비디오의 목적은 환자 또는 동물별 혈관을 기반으로 한 전산 유체 동적(CFD) 시뮬레이션의 최근 발전을 설명하는 것입니다. 여기서, 주체 기반 선박 세분화가 만들어졌고, 오픈 소스및 상용 공구의 조합을 사용하여, 고해상도 수치 솔루션은 유량 모델 내에서 결정되었다. 수많은 연구는 혈관 내의 혈역학적 조건이 동맥 경화증, 동맥류 및 기타 말초 동맥 질환의 발달 과 진행에 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 수반되 게도, 직루압, 벽전단 응력(WSS) 및 입자 거주 시간(PRT)의 직접 측정은 생체 내에서획득하기 어렵다.
CFD를 사용하면 이러한 변수를 비침습적으로 평가할 수 있습니다. 또한 CFD는 수술 후 흐름 조건에 관한 의사에게 더 나은 선견지명을 제공하는 수술 기술을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 자기 공명 영상(MRI), 자기 공명 혈관 조영술(MRA) 중 비행 시간(TOF-MRA) 또는 대조적으로 향상된 MRA(CE-MRA) 및 위상 대비(PC-MRI)의 두 가지 방법을 통해 각각 선박 기하학 및 시간 해결 된 3D 속도 필드를 얻을 수 있습니다. TOF-MRA는 영상 부피에 적용되는 반복된 RF 펄스에 의해 정적 조직에서 신호의 억제를 기반으로 합니다. 신호는 흐르는 혈액으로 부피로 이동하는 불포화 스핀에서 얻어진다. CE-MRA는 가돌리늄과 같은 조영제를 사용하여 신호를 증가시키기 때문에 복잡한 재순환 흐름을 가진 혈관을 이미징하는 더 나은 기술입니다.
이와 는 별도로 PC-MRI는 양극성 그라데이션을 사용하여 유체의 속도에 비례하는 위상 시프트를 생성하므로 시간 해결 속도 분포를 제공합니다. PC-MRI는 혈류 속도를 제공할 수 있지만, 이 방법의 정확도는 제한된 실조 적 해상도 및 속도 역학 범위에 의해 영향을 받습니다. CFD는 우수한 해상도를 제공하며 고속 제트기에서 병들인 혈관에서 관찰되는 배회 소용돌이를 늦추는 속도의 범위를 평가할 수 있습니다. 따라서 CFD의 신뢰성은 모델링 가정에 따라 다르지만 진단 및 치료를 안내할 수 있는 환자 별 흐름 필드의 고품질 포괄적 인 묘사 가능성을 열어줍니다.
Biomedical Engineering
출처: 한나 엘 세불1,아르빈 에이치 소프리야트나1,존 J. 보일2, 크레이그 J. 괴르겐1
1 웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
2 기계 공학 및 재료 과학, 세인트 루이스워싱턴 대학, 세인트 루이스, 미주리
혈관, 피부, 힘줄 및 기타 장기와 같은 연조직의 기계적 행동은 탄성과 강도를 제공하는 엘라스틴과 콜라겐의 구성에 의해 강하게 영향을 받습니다. 이 단백질의 섬유 방향은 연조직의 유형에 따라 다르며 병들게 된 조직에서 변경될 수 있는 단일 바람직한 방향에서 복잡한 메쉬 네트워크에 이르기까지 다양합니다. 따라서 연조직은 세포 및 장기 수준에서 비상적으로 행동하여 3차원 특성화의 필요성을 만듭니다. 복잡한 생물학적 조직 또는 구조 내에서 변형 필드를 안정적으로 추정하는 방법을 개발하는 것은 질병을 기계적으로 특성화하고 이해하는 데 중요합니다. 스트레인은 연조직이 시간이 지남에 따라 상대적으로 변형되는 방법을 나타내며 다양한 추정을 통해 수학적으로 설명될 수 있습니다.
시간이 지남에 따라 이미지 데이터를 수집하면 변형과 변형을 추정할 수 있습니다. 그러나, 모든 의료 영상 양식은 생체 내 변형에서 정확하게 추정하는 어려움을 증가 소음의 일부 양을 포함. 여기에 설명된 기술은 직접 변형 추정(DDE) 방법을 사용하여 볼륨 이미지 데이터에서 공간적으로 다양한 3D 스트레인 필드를 계산하여 이러한 문제를 성공적으로 극복합니다.
현재 변형 추정 방법에는 디지털 이미지 상관관계(DIC) 및 디지털 볼륨 상관관계가 포함됩니다. 안타깝게도 DIC는 2D 평면의 변형을 정확하게 추정할 수 있으며 이 방법의 적용을 심각하게 제한할 수 있습니다. 유용하지만 DIC와 같은 2D 메서드는 3D 변형을 겪는 영역에서 균주를 정량화하는 데 어려움을 겪습니다. 이는 평면 외 이동으로 변형 오류가 발생하기 때문입니다. 디지털 볼륨 상관 관계는 초기 볼륨 데이터를 영역으로 나누고 변형된 볼륨의 가장 유사한 영역을 찾아 평면 내 오류를 줄이는 보다 적용 가능한 방법입니다. 그러나 이 방법은 노이즈에 민감하다는 것을 증명하며 재료의 기계적 특성에 대한 가정이 필요합니다.
여기에서 입증된 기술은 DDE 방법을 사용하여 이러한 문제를 제거하므로 의료 이미징 데이터의 분석에 매우 유용합니다. 또한, 높은 또는 국소화 된 변형에 강력합니다. 여기서는 게이트, 체적 4D 초음파 데이터의 수집, 분석 가능한 형식으로의 변환, 3D 변형 및 해당 Green-Lagrange 균주를 추정하기 위한 사용자 지정 Matlab 코드의 사용에 대해 설명합니다. 녹색-Lagrange 스트레인 텐서는 변위의 최소 제곱 핏(LSF)에서 F를 계산할 수 있기 때문에 많은 3D 스트레인 추정 방법으로 구현됩니다. 아래 방정식은 녹색-Lagrange 스트레인 텐서, E를나타내며, 여기서 F와 나는 변형 그라데이션과 두 번째 차순 아이덴티티 텐서를 각각 나타낸다.
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Biomedical Engineering
출처: 프레드릭 W. 다멘과 크레이그 J. 괴르겐,웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
이 비디오에서는 생리적 모니터링을 통해 고장, 소형 보어 자기 공명 영상(MRI)이 뮤린 심혈관 시스템의 게이트 시네 루프를 획득하는 것으로 입증된다. 이 절차는 좌심실 기능을 평가하고, 혈관 네트워크를 시각화하고, 호흡으로 인한 장기의 움직임을 정량화하기 위한 기초를 제공합니다. 비교 가능한 작은 동물 심혈관 화상 진찰 양식에는 고주파 초음파 및 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 포함됩니다. 그러나 각 양식은 고려해야 할 절충안과 관련이 있습니다. 초음파는 높은 공간 및 시간적 해상도를 제공하지만 이미징 유물은 일반적입니다. 예를 들어, 조밀한 조직(즉, 흉골 및 갈비뼈)은 이미징 침투 깊이를 제한할 수 있으며, 가스와 액체(즉, 폐를 둘러싼 흉막) 사이의 인터페이스에서 초반향 신호가 주변 조직에서 대비를 흐리게 할 수 있다. 대조적으로 마이크로 CT는 많은 평면 유물로 고통받지 않지만 시간 적 해상도가 낮고 연조직 대비가 제한적입니다. 더욱이, 마이크로 CT는 엑스레이 방사선을 이용하고 수시로 방사능을 구상하기 위하여 조영제의 사용을 요구합니다, 둘 다 방사선 손상 및 신장 상해를 포함하여 고용량에 부작용을 일으키는 원인이 되기 위하여 알려지는. 심혈관 MRI는 방사선 이온화의 필요성을 부정하고 조영제 없이 이미지할 수 있는 기능을 사용자에게 제공함으로써 이러한 기술 간에 좋은 타협을 제공합니다(조영제는 종종 MRI에 사용됩니다).
이 데이터는 심장 주기및 호흡에 만료 고원에서 R-피크에서 문이 된 빠른 낮은 각도 SHot (FLASH) MRI 서열을 트리거링으로 획득되었다. 이러한 생리적 사건은 복부에 대하여 확보된 피하 전극 및 압력에 민감한 베개를 통해 감시되었습니다. 마우스가 제대로 데워지도록 하기 위해 직장 온도 프로브를 삽입하여 MRI 안전 가열 팬의 출력을 제어하는 데 사용되었습니다. 동물이 MRI 스캐너의 보어에 삽입되고 네비게이션 서열이 실행되면 위치 확인을 위해 게이트 플래시 이미징 평면이 처방되고 데이터를 획득했습니다. 전반적으로, 높은 필드 MRI는 작은 동물 질병 모형의 연구 결과에 대한 연조직 대비를 제공할 수 있는 강력한 연구 도구입니다.
Biomedical Engineering
출처: 아르빈 H. 소에프리아나1,켈시 에이 불렌스2, 크레이그 J. 괴르겐1
1 웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
2 인디애나 주 웨스트 라파예트 퍼듀 대학교 생화학학과
근적외선 형광(NIRF) 이미징은 형광 프로브를 활용하여 조직에 복잡한 생체 분자 어셈블리를 시각화하는 흥미로운 광학 기술입니다. NIRF 화상 진찰은 질병의 비침습적인 화상 진찰을 위한 전통적인 화상 진찰 방법 위에 많은 이점이 있습니다. 단일 광자 방출 컴퓨팅 단층 촬영(SPECT) 및 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 달리 NIRF 이미징은 신속하고 높은 처리량이며 이온화 방사선을 포함하지 않습니다. 또한, 엔지니어링 표적 특이적 및 활성형 형광 프로브의 최근 개발은 NIRF에 높은 특이성과 민감성을 제공하여 암과 심혈관 질환을 연구하는 데 매력적인 양상을 제공합니다. 제시된 절차는 NIRF 화상 진찰의 뒤에 원리 및 다양한 질병을 공부하기 위하여 작은 동물에 있는 생체 내 및 전 생체 실험에서 행동하는 방법을 보여주기 위하여 디자인되었습니다. 여기에 표시된 특정 예는 매트릭스 메탈로프로틴아제-2(MMP2)를 위한 활성형 형광 프로브를 사용하여 복부 대동맥류(AAA)의 두 가지 설치류 모델에서 의기양생을 연구한다.
Biomedical Engineering
출처: 거니트 S. 상하와 크레이그 J. 괴르겐,생명 의학 공학의 용접 학교, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
광음향 단층 촬영(PAT)은 조직에서 조성 정보를 얻기 위해 빛 생성 음향 파를 활용하는 새로운 생체 의학 이미징 양식입니다. PAT는 혈액 및 지질 성분을 이미지화하는 데 사용할 수 있으며, 이는 심혈관 및 종양 이미징을 포함한 다양한 응용 분야에 유용합니다. 현재 사용되는 이미징 기술은 연구원 및 의사와의 사용을 제한하는 내재된 한계가 있습니다. 예를 들어, 긴 취득 시간, 높은 비용, 유해한 대비사용, 높은 침습성까지 최소화하는 것은 실험실과 클리닉에서 다양한 양식의 사용을 제한하는 모든 요인입니다. 현재 PAT에 대한 유일한 유사한 이미징 기술은 새로운 광학 기술입니다. 그러나 이들은 또한 침투의 제한된 깊이 및 외인성 조영제에 대한 필요성과 같은 단점이 있습니다. PAT는 신속하고 비침습적이며 라벨이 없는 방식으로 의미 있는 정보를 제공합니다. 초음파와 결합하면 PAT를 사용하여 조직에서 구조, 혈역학 및 조성 정보를 얻을 수 있어 현재 사용되는 이미징 기술을 보완할 수 있습니다. PAT의 장점은 전임상 및 임상 환경 모두에 영향을 미칠 수있는 능력을 보여줍니다.
Biomedical Engineering
출처: Alycia G. Berman, 제임스 A. 샤버, 크레이그 J. 괴르겐,웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
여기에서 우리는 마우스를 사용하여 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영 / 컴퓨터 단층 촬영 (SPECT/ CT) 이미징의 기초를 보여줍니다. 이 기술은 마우스에 방사성 핵종을 주입하고, 신체 전체에 분포된 후 동물을 이미징한 다음, 생성된 이미지를 재구성하여 체적 데이터 집합을 만드는 것을 포함합니다. 이 해부학에 대 한 정보를 제공할 수 있습니다., 생리학, 그리고 질병 진단을 개선 하 고 그것의 진행을 모니터링 하는 물질 대사.
수집된 데이터의 관점에서 SPECT/CT는 양전자 방출 단층 촬영(PET)/CT와 유사한 정보를 제공합니다. 그러나 PET는 반대 방향으로 방출되는 두 개의 감마 광자를 감지해야 하기 때문에 이 두 기술의 기본 원칙은 근본적으로 다릅니다. 대조적으로 SPECT 이미징은 감마 카메라를 통해 방사선을 직접 측정합니다. 그 결과 SPECT 이미징은 PET보다 공간 해상도가 낮습니다. 그러나 SPECT 방사성 동위원소를 더 쉽게 사용할 수 있기 때문에 비용이 적게 듭니다. SPECT/CT 이미징은 다양한 응용 분야에 유용할 수 있는 비침습적 대사 및 해부학 적 정보를 모두 제공합니다.
Biomedical Engineering
출처: 아멜리아 R. 아델스퍼거, 에반 H. 필립스, 크레이그 J. 괴르겐,용접대학교 생물의학 공학, 퍼듀 대학교, 웨스트 라파예트, 인디애나
고주파 초음파 시스템은 고해상도 이미지를 획득하는 데 사용됩니다. 여기서, 최첨단 시스템의 사용은 생쥐와 쥐에서 발견되는 작은 맥동 동맥과 정맥의 형태와 혈역학을 이미지화하기 위해 입증될 것이다. 초음파는 크고 작은 동물뿐만 아니라 인간의 혈관의 비 침습적 평가를위한 비교적 저렴하고 휴대가 편리하며 다재 다능한 방법입니다. 이들은 ultraound가 컴퓨터 단층 촬영 (CT), 자기 공명 화상 진찰 (MRI), 근적외선 형광 단층 촬영 (NIRF)와 같은 그밖 기술에 비교된 몇몇 중요한 이점입니다. CT는 방사선을 이온화해야 하며 MRI는 일부 시나리오에서 엄청나게 비싸고 비현실적일 수 있습니다. NIRF는, 한편으로, 형광 조영제에 흥분시키는 데 필요한 빛의 침투 깊이에 의해 제한됩니다.
초음파는 이미징 깊이의 측면에서 한계가 있습니다. 그러나 해상도를 희생하고 더 낮은 주파수 변환기를 사용하여 이를 극복할 수 있습니다. 복부 가스와 과도한 체중은 이미지 품질을 심각하게 감소시킬 수 있습니다. 첫 번째 경우, 음파의 전파는 제한되어 있으며, 후자의 경우 지방 및 결합 조직과 같은 과측 조직에 의해 감쇠됩니다. 그 결과, 대조적이거나 희미한 대조가 관찰되지 않을 수 있다. 마지막으로 초음파는 초음파가 해부학에 익숙하고 이미징 아티팩트의 출현이나 음향 간섭과 같은 문제를 해결할 수 있어야하므로 사용자 의존성이 높은 기술입니다.
Biomedical Engineering
출처: 함나 J. 쿠레시와 크레이그 J. 괴르겐,웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
여기에서 우리는 인간과 설치류 사이 비침습적인 혈압 측정 기술의 중요한 유사점 그리고 다름을 강조하고 혈압을 통제하는 공학 원리를 검토할 것입니다. 수축기 및 확장기 압력을 얻기 위해 현재 의 커프 기술을 제어하는 원칙도 논의 될 것입니다.
모바일 장치와 연결하는 상용 커프스는 일반적으로 컴팩트하고 휴대성이 뛰어나 거의 모든 곳에서 측정할 수 있습니다. 비침습적, 휴대용 혈압 소맷은 고혈압 및 혈압의 변화에 대한 신중한 모니터링 및 조기 발견이 필요한 다른 심혈관 문제를 가진 환자에게 특히 유용합니다.
마찬가지로, 비침습적 혈압 측정 시스템은 설치류에도 사용할 수 있습니다. 이 기술은 실험실 설정에서 사용되며 연구 전반에 걸쳐 동물의 건강을 모니터링하는 데 유용합니다. 방사선 원격 측정은 설치류에 대한 혈압 측정의 금 본위제이지만,이 기술은 침략적이며 잘못 수행하면 동물 사망률로 이어질 수 있습니다. 따라서 비침습적 방법은 장치 이식 없이 귀중한 데이터를 제공할 수 있으므로 동물의 측정을 하는 데 편리합니다. 시판되는 시스템은 임상 환경 이외의 인간에서 혈압을 측정할 수 있는 방법을 시연하는 데 사용될 것입니다. 이 기술은 환자가 이 측정을 취할 때마다 진료소를 방문할 필요 없이 주기적으로 그들의 자신의 혈압을 감시할 수 있습니다.
여기에 설명된 방법은 압력 센서 및 폐색 소맷을 사용하여 설치류의 꼬리를 통과하는 혈류를 활용합니다. 인간을 위한 이동식 혈압 커프와 설치류를 위한 비침습적인 꼬리 커프 방법 둘 다 임상의, 연구원 및 환자를 포함하여 사용자에게 유용한 데이터를 제공할 수 있는 혈압 측정을 얻기 위하여 유사한 혈역학 원리를 이용합니다.
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