Craig J. Goergen

Tomografía fotoacústica para obtener imágenes de sangre y lípidos de la Aorta Infrarrenal

JoVE 10395

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

La tomografía fotoacústica (PAT) es una modalidad emergente de imágenes biomédicas que utiliza ondas acústicas generadas por luz para obtener información compositiva del tejido. PAT se puede utilizar para tomar imágenes de componentes de sangre y lípidos, lo que es útil para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo imágenes cardiovasculares y tumorales. Las técnicas de imagen utilizadas actualmente tienen limitaciones inherentes que restringen su uso con investigadores y médicos. Por ejemplo, los largos tiempos de adquisición, los altos costos, el uso de contrastes nocivos y la mínima y alta invasividad son factores que limitan el uso de diversas modalidades en el laboratorio y la clínica. Actualmente, las únicas técnicas de imagen comparables a PAT son las técnicas ópticas emergentes. Pero estos también tienen desventajas, como la limitada profundidad de penetración y la necesidad de agentes de contraste exógenos. PAT proporciona información significativa de manera rápida, no invasiva y sin etiquetas. Cuando se combina con ultrasonido, PAT se puede utilizar para obtener información estructural, hemodinámica y compositiva de tejido, complementando así las técnicas de imagen utilizadas actualmente. Las ventajas de PAT ilustran sus capacidades para tener un impacto tanto en el entorno preclínico como clínico.

Imágenes combinadas de SPECT y TC para visualizar la funcionalidad cardíaca

JoVE 10396

Fuente: Alycia G. Berman, James A. Schaber, y Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Universidad Purdue, West Lafayette, Indiana

Aquí demostraremos los fundamentos de la tomografía computarizada de emisión de un solo fotón/tomografía computarizada (SPECT/CT) utilizando ratones. La técnica consiste en inyectar un radionúclido en un ratón, tomar imágenes del animal después de que se distribuye por todo el cuerpo y, a continuación, reconstruir las imágenes producidas para crear un conjunto de datos volumétrico. Esto puede proporcionar información sobre anatomía, fisiología y metabolismo para mejorar el diagnóstico de la enfermedad y monitorear su progresión.

En cuanto a los datos recopilados, SPECT/CT proporciona información similar a la tomografía por emisión de positrones (PET)/CT. Sin embargo, los principios subyacentes de estas dos técnicas son fundamentalmente diferentes, ya que el PET requiere la detección de dos fotones gamma, que se emiten en direcciones opuestas. Por el contrario, las imágenes SPECT miden directamente la radiación a través de una cámara gamma. Como resultado, las imágenes SPECT tienen una resolución espacial menor que el PET. Sin embargo, también es menos costoso porque los isótopos radiactivos SPECT están más fácilmente disponibles. La imagen SPECT/CT proporciona información metabólica y anatómica no invasiva que puede ser útil para una amplia variedad de aplicaciones.

Imágenes por ultrasonido de alta frecuencia de la aorta abdominal

JoVE 10397

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

Los sistemas de ultrasonido de alta frecuencia se utilizan para adquirir imágenes de alta resolución. Aquí, se demostrará el uso de un sistema de última generación para imaginar la morfología y la hemodinámica de pequeñas arterias pulsátils y venas que se encuentran en ratones y ratas. El ultrasonido es un método relativamente barato, portátil y versátil para la evaluación no invasiva de vasos en seres humanos, así como animales grandes y pequeños. Estas son varias ventajas clave que ofrece ultraound en comparación con otras técnicas, como la tomografía computarizada (TC), la resonancia magnética (RM) y la tomografía por fluorescencia infrarroja cercana (NIRF). La tomografía computarizada requiere radiación ionizante y la RMN puede ser prohibitivamente costosa e incluso poco práctica en algunos escenarios. El NIRF, por otro lado, está limitado por la profundidad de penetración de la luz necesaria para excitar los agentes de contraste fluorescentes.

El ultrasonido tiene limitaciones en términos de profundidad de imagen; sin embargo, esto puede ser superado sacrificando la resolución y usando un transductor de frecuencia más baja. El gas abdominal y el exceso de peso corporal pueden disminuir gravemente la calidad de la imagen. En el primer caso, la propagación de ondas sonoras es limitada, mientras que en el último caso, se atenúan por tejidos que se encuentran en exceso, como la grasa y el tejido conectivo. Como resultado, no se puede observar ningún contraste o contraste débil. Por último, el ultrasonido es una técnica altamente dependiente del usuario, que requiere que el ecografista esté familiarizado con la anatomía y que pueda solucionar problemas, como la aparición de artefactos de imagen o interferencia acústica.

Técnicas no invasivas para medir la presión arterial

JoVE 10478

Fuente: Hamna J. Qureshi y Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Universidad Purdue, West Lafayette, Indiana

Aquí destacaremos las similitudes y diferencias clave de las técnicas no invasivas de medición de la presión arterial entre humanos y roedores y examinaremos los principios de ingeniería que rigen la presión arterial. También se discutirán los principios que rigen la tecnología actual del manguito para adquirir presiones sistólicas y diastólicas.

Los manguitos disponibles comercialmente que se conectan con dispositivos móviles suelen ser compactos y portátiles, lo que permite realizar mediciones prácticamente en cualquier lugar. Los manguitos de presión arterial portátiles no invasivos son especialmente útiles para pacientes con hipertensión y otros problemas cardiovasculares que requieren un control cuidadoso y la detección temprana de cualquier cambio en la presión arterial.

Del mismo modo, los sistemas de medición de la presión arterial no invasiva también están disponibles para los roedores. Esta tecnología se utiliza en entornos de laboratorio y es útil para el seguimiento de la salud animal a lo largo de un estudio. Si bien la radiotelemetría es el estándar de oro de medición de la presión arterial para roedores, esta técnica es invasiva y puede conducir a la mortalidad animal si se hace incorrectamente. Los métodos no invasivos, por lo tanto, son convenientes para tomar medidas en animales, ya que pueden proporcionar datos valiosos sin necesidad de implantación de dispositivos. Se utilizará un sistema disponible comercialmente para demostrar cómo se puede medir la presión arterial en seres humanos fuera de un entorno clínico. Esta técnica permite a los pacientes controlar su propia presión arterial periódicamente sin tener que visitar una clínica cada vez que desean que se tomen estas mediciones.

Los métodos descritos aquí aprovechan el flujo sanguíneo a través de la cola del roedor mediante el uso de sensores de presión y manguitos de oclusión. Tanto los manguitos móviles de presión arterial para humanos como los métodos no invasivos de manguito de cola para roedores aprovechan principios hemodinámicos similares para adquirir mediciones de la presión arterial que pueden proporcionar datos útiles para los usuarios, incluidos los médicos, los investigadores y Pacientes.

Simulaciones de dinámica de fluidos computacionales del flujo sanguíneo en un aneurisma cerebral

JoVE 10479

Fuente: Joseph C. Muskat, Vitaliy L. Rayz, y Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Universidad Purdue, West Lafayette, Indiana

El objetivo de este video es describir los avances recientes de las simulaciones dinámicas de fluidos computacionales (CFD) basadas en la vasculatura específica del paciente o animal. Aquí, se crearon segmentaciones de buques basadas en temas y, utilizando una combinación de herramientas comerciales y de código abierto, se determinó una solución numérica de alta resolución dentro de un modelo de flujo. Numerosos estudios han demostrado que las condiciones hemodinámicas dentro de la vasculatura afectan el desarrollo y progresión de la aterosclerosis, aneurismas, y otras enfermedades arteriales periféricas; concomitantemente, las mediciones directas de la presión intraluminal, la tensión de cizallamiento de la pared (WSS) y el tiempo de residencia de partículas (PRT) son difíciles de adquirir in vivo.

CFD permite que estas variables sean evaluadas de manera no invasiva. Además, CFD se utiliza para simular técnicas quirúrgicas, que proporciona a los médicos una mejor previsión con respecto a las condiciones de flujo postoperatorio. Dos métodos en imágenes por resonancia magnética (RM), angiografía por resonancia magnética (MRA) con tiempo de vuelo (TOF-MRA) o MRA con contraste mejorado (CE-MRA) y contraste de fase (PC-MRI), nos permiten obtener geometrías de recipientes y campos de velocidad 3D resueltos en el tiempo Respectivamente. TOF-MRA se basa en la supresión de la señal del tejido estático por pulsos de RF repetidos que se aplican al volumen de imagen. Se obtiene una señal a partir de giros insaturados moviéndose en el volumen con la sangre que fluye. CE-MRA es una mejor técnica para la toma de imágenes de recipientes con flujos de recirculación complejos, ya que utiliza un agente de contraste, como el gadolinio, para aumentar la señal.

Por separado, PC-MRI utiliza gradientes bipolares para generar cambios de fase que son proporcionales a la velocidad de un fluido, proporcionando así distribuciones de velocidad resueltas en el tiempo. Mientras que PC-MRI es capaz de proporcionar velocidades de flujo sanguíneo, la precisión de este método se ve afectada por la resolución espaciotemporal limitada y el rango dinámico de velocidad. CFD proporciona una resolución superior y puede evaluar el rango de velocidades de jets de alta velocidad a vórtices de recirculación lenta observados en vasos sanguíneos enfermos. Por lo tanto, aunque la fiabilidad de CFD depende de los supuestos de modelado, abre la posibilidad de una representación completa y de alta calidad de los campos de flujo específicos del paciente, que pueden guiar el diagnóstico y el tratamiento.

Mapeo cuantitativo de la deformación de un aneurisma de la aorta abdominal

JoVE 10480

Fuente: Hannah L. Cebull¹, Arvin H. Soepriatna¹, John J. Boyle² y Craig J. Goergen¹

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

² Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales, Universidad de Washington en St. Louis, St Louis, Missouri

El comportamiento mecánico de los tejidos blandos, como los vasos sanguíneos, la piel, los tendones y otros órganos, está fuertemente influenciado por su composición de elastina y colágeno, que proporcionan elasticidad y fuerza. La orientación de la fibra de estas proteínas depende del tipo de tejido blando y puede variar desde una sola dirección preferida hasta intrincadas redes malladas, que pueden alterarse en el tejido enfermo. Por lo tanto, los tejidos blandos a menudo se comportan anisotrópicamente a nivel celular y de órganos, creando una necesidad de caracterización tridimensional. Desarrollar un método para estimar de forma fiable los campos de deformación unitaria dentro de tejidos o estructuras biológicas complejas es importante para caracterizar y comprender mecánicamente la enfermedad. La tensión representa cómo el tejido blando se deforma relativamente con el tiempo, y se puede describir matemáticamente a través de varias estimaciones.

La adquisición de datos de imagen a lo largo del tiempo permite estimar la deformación y la tensión. Sin embargo, todas las modalidades de imágenes médicas contienen cierta cantidad de ruido, lo que aumenta la dificultad de estimar con precisión la tensión in vivo. La técnica descrita aquí supera con éxito estos problemas mediante el uso de un método de estimación de deformación directa (DDE) para calcular campos de deformación unitaria 3D que varían espacialmente a partir de datos de imagen volumétrica.

Los métodos actuales de estimación de deformación unitaria incluyen correlación de imágenes digitales (DIC) y correlación de volumen digital. Desafortunadamente, DIC sólo puede estimar con precisión la tensión de un plano 2D, limitando severamente la aplicación de este método. Si bien son útiles, los métodos 2D como DIC tienen dificultadpara cuantificar la tensión en regiones que se someten a deformación 3D. Esto se debe a que el movimiento fuera del plano crea errores de deformación. La correlación de volumen digital es un método más aplicable que divide los datos de volumen inicialen regiones y encuentra la región más similar del volumen deformado, lo que reduce el error fuera del plano. Sin embargo, este método demuestra ser sensible al ruido y requiere suposiciones sobre las propiedades mecánicas del material.

La técnica que se muestra aquí elimina estos problemas mediante el uso de un método DDE, por lo que es muy útil en el análisis de datos de imágenes médicas. Además, es robusta a cepa alta o localizada. Aquí describimos la adquisición de datos de ultrasonido 4D cerrados y volumétricos, su conversión en un formato analizable y el uso de un código Matlab personalizado para estimar la deformación 3D y las cepas de Green-Lagrange correspondientes, un parámetro que describe mejor las grandes deformaciones. El tensor de cepa Green-Lagrange se implementa en muchos métodos de estimación de deformación unitaria 3D porque permite calcular F a partir de un ajuste de mínimos cuadrados (LSF) de los desplazamientos. La ecuación siguiente representa el tensor de cepa Green-Lagrange, E, donde F y I representan el gradiente de deformación y el tensor de identidad de segundo orden, respectivamente.

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Resonancia Magnética Cardíaca

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

En este video, se demuestra que la resonancia magnética de campo alto y pequeño diámetro (RM) con monitoreo fisiológico adquiere bucles cine cerrados del sistema cardiovascular murino. Este procedimiento proporciona una base para evaluar la función ventricular izquierda, visualizar las redes vasculares y cuantificar el movimiento de los órganos debido a la respiración. Las modalidades de imágenes cardiovasculares de animales pequeños comparables incluyen ultrasonido de alta frecuencia y tomografía microcomputada (TC); sin embargo, cada modalidad está asociada con compensaciones que deben considerarse. Mientras que el ultrasonido proporciona una alta resolución espacial y temporal, los artefactos de imagen son comunes. Por ejemplo, el tejido denso (es decir, el esternón y las costillas) puede limitar la profundidad de penetración de imágenes, y la señal hiperecoica en la interfaz entre el gas y el líquido (es decir, la pleura que rodea los pulmones) puede desenfocar el contraste en el tejido cercano. Micro-CT en contraste no sufre de tantos artefactos en el plano, pero tiene menor resolución temporal y contraste limitado de tejido blando. Además, micro-CT utiliza radiación de rayos X y a menudo requiere el uso de agentes de contraste para visualizar la vasculatura, ambos de los cuales se sabe que causan efectos secundarios a dosis altas, incluyendo daño por radiación y lesión renal. La RMN cardiovascular proporciona un buen compromiso entre estas técnicas al negar la necesidad de radiación ionizante y proporcionar al usuario la capacidad de crear imágenes sin agentes de contraste (aunque los agentes de contraste se utilizan a menudo para la RMN).

Estos datos se adquirieron con una secuencia de resonancia magnética Fast Low Angle SHot (FLASH) que fue cerrada fuera de los picos R en el ciclo cardíaco y mesetas espiratorias en la respiración. Estos eventos fisiológicos fueron monitoreados a través de electrodos subcutáneos y una almohada sensible a la presión que estaba asegurada contra el abdomen. Para garantizar que el ratón se calentó correctamente, se insertó una sonda de temperatura rectal que se utilizó para controlar la salida de un ventilador de calefacción seguro para RMN. Una vez que el animal fue insertado en el orificio del escáner de RMN y se ejecutaron secuencias de navegación para confirmar el posicionamiento, se prescribieron los planos de imágenes FLASH cerrados y se adquirieron los datos. En general, la RMN de campo alto es una poderosa herramienta de investigación que puede proporcionar contraste de tejido blando para el estudio de modelos de enfermedades animales pequeñas.

Imágenes de fluorescencia infrarroja de aneurismas aórticos abdominales

JoVE 10394

Fuente: Arvin H. Soepriatna¹, Kelsey A. Bullens², y Craig J. Goergen¹

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

² Departamento de Bioquímica, Universidad Purdue, West Lafayette, Indiana

La fluorescencia infrarroja cercana (NIRF) es una técnica óptica emocionante que utiliza sondas fluorescentes para visualizar conjuntos biomoleculares complejos en tejidos. Las imágenes NIRF tienen muchas ventajas sobre los métodos de diagnóstico por imágenes convencionales para la toma de imágenes no invasivas de enfermedades. A diferencia de la tomografía computarizada por emisión de fotones (SPECT) y la tomografía por emisión de positrones (PET), las imágenes NIRF son rápidas y de alto rendimiento y no implican radiación ionizante. Además, los recientes avances en la ingeniería de sondas fluorescentes específicas y activables proporcionan a NIRF una alta especificidad y sensibilidad, lo que la convierte en una modalidad atractiva en el estudio del cáncer y las enfermedades cardiovasculares. El procedimiento presentado está diseñado para demostrar los principios detrás de las imágenes NIRF y cómo llevar a cabo experimentos in vivo y ex vivo en animales pequeños para estudiar una variedad de enfermedades. El ejemplo específico que se muestra aquí emplea una sonda fluorescente activa para matriz metaloproteinasa-2 (MMP2) para estudiar su absorción en dos modelos diferentes de roedores de aneurismas de la aorta abdominal (AAA).