生物医学工程

来源：Peiman Shahbeigi-Roodposhti 和 Sina Shahbazmohamadi，康涅狄格大学生物医学工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯 光学显微镜已有数百年历史，尽管其分辨率在几十年前已达到理论极限，但新型设备和技术（如共聚焦显微镜和数字图像处理）为光学成像领域开辟了新的应用空间。在理想条件下，最先进的光学显微镜分辨率通常可达200 nm。然而，由于光波衍射的限制，其分辨率受到可见光波长（约500 nm）的影响。尽管光学显微镜的分辨率无法达到电子显微镜的水平，但它们在生物大分子结构成像方面仍是最有价值的工具，是任何生物实验室的必备设备。 在传统的光学显微镜中，成像物体产生的信号来自样品的整个厚度，这使得观察者无法使大部分样品同时处于焦点上。这会导致图像出现"离焦模糊"。而共聚焦显微镜通过针孔照射样品，因此能够滤除物体焦点平面上方和下方的离焦光。 本演示介绍了使用光学显微镜和共聚焦显微镜进行图像采集的基本方法。实验中将研究一段小鼠脑组织切片。...

来源：Peiman Shahbeigi-Roodposhti 和 Sina Shahbazmohamadi，康涅狄格大学生物医学工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯 扫描电子显微镜（SEM）是一种利用电子束在真空条件下对导电材料进行无损成像和表征的仪器。类比而言，电子束之于扫描电子显微镜，正如光之于光学显微镜。不同之处在于，电子显微镜能够提供分辨率和放大倍数高得多的图像。最佳的光学显微镜分辨率通常可达200 nm，而扫描电子显微镜的分辨率通常可达0.5 nm。这主要是因为光学显微镜受限于光波的衍射效应，而衍射程度取决于波长，可见光的波长约为500 nm。相反，扫描电子显微镜使用高能电子束，其波长仅为1 nm。这一特性使扫描电子显微镜成为研究纳米和微米结构的可靠工具。电子显微镜还能够用于研究特征尺寸过小而无法通过光学显微镜观察的生物样品。

来源： Peiman Shahbeigi-Roodposhti 和 Sina Shahbazmohamadi，康涅狄格大学生物医学工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯 纳米颗粒在靶向药物递送和可控药物释放的研究中正被越来越多地使用。尽管由于生物相容性良好，大多数此类颗粒通常被开发为聚合物或脂质体颗粒，但当前研究趋势正转向金属和磁性纳米颗粒的应用。这些金属纳米颗粒最初被用作成像中的对比剂，但近年来的研究进展表明，它们在药物和基因递送以及治疗领域具有重要意义。金、银和顺磁性纳米颗粒在相关研究中占据主导地位。研究表明，它们具有良好的生物相容性，且某些类型的磁性纳米颗粒已被开发并作为靶向治疗药物投入应用。

来源： Amelia R. Adelsperger，Evan H. Phillips，以及Craig J. Goergen，普渡大学比阿德医学工程沃尔顿学院，西拉法叶，印第安纳州 高频超声系统可用于获取高分辨率图像。本文将演示如何使用先进的系统对小鼠和大鼠体内微小搏动性动脉和静脉的形态学及血流动力学进行成像。超声是一种相对经济、便携且多功能的技术，可无创评估人类以及大、小型动物的血管状况。相较于其他成像技术，如计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和近红外荧光断层成像（NIRF），超声具有多项关键优势。CT需要使用电离辐射，而MRI可能成本过高，且在某些情况下难以实施。另一方面，NIRF受限于激发荧光对比剂所需的光穿透深度。

来源：Hannah L. Cebull1，Arvin H. Soepriatna1，John J. Boyle2 和 Craig J. Goergen1 1普渡大学生物医学工程韦尔登学院，西拉法叶，印第安纳州 2机械工程与材料科学系，圣路易斯华盛顿大学，美国密苏里州圣路易斯 软组织（如血管、皮肤、肌腱及其他器官）的力学行为在很大程度上受其弹性蛋白和胶原蛋白组成的影响，这些成分提供了弹性和强度。这些蛋白质的纤维取向取决于软组织的类型，可从单一优势方向到复杂的网状结构不等，并且在病变组织中可能发生改变。因此，软组织在细胞和器官水平上通常表现出各向异性，这就需要进行三维表征。开发一种可靠估算复杂生物组织或结构内部应变场的方法，对于力学表征和理解疾病具有重要意义。应变表示软组织随时间发生的相对形变，可通过多种数学方法进行描述。 随时间获取图像数据可用来估算形变和应变。然而，所有医学成像方式均含有一定程度的噪声，这会增加准确估算的难度 体内 应变。本文所述技术通过采用直接形变估计（DDE）方法，从体积图像数据中计算空间变化的三维应变场，成功解决了上述问题。

来源：Gurneet S. Sangha 和 Craig J. Goergen，普渡大学韦尔登生物医学工程学院，西拉法叶，印第安纳州 光声断层成像（PAT）是一种新兴的生物医学成像模式，利用光激发产生的声波来获取组织的成分信息。PAT 可用于成像血液和脂质成分，适用于多种应用场景，包括心血管和肿瘤成像。目前常用的成像技术存在固有局限性，限制了其在研究人员和临床医生中的广泛应用。例如，成像过程耗时较长、成本较高、需使用有害的对比剂，以及不同程度的侵入性，这些因素均限制了各类成像模式在实验室和临床环境中的应用。目前，唯一可与 PAT 相媲美的成像技术是新兴的光学成像方法，但这些技术也存在缺点，例如穿透深度有限以及需要外源性对比剂。PAT 能够以快速、无创、无需标记的方式提供有意义的信息。当与超声成像结合使用时，PAT 可获取组织的结构、血流动力学和成分信息，从而弥补当前常用成像技术的不足。PAT...

来源：Frederick W. Damen 和 Craig J. Goergen，普渡大学韦尔登生物医学工程学院，西拉法叶，印第安纳州 在本视频中，通过结合生理监测的高磁场小孔径磁共振成像（MRI）技术，获取小鼠心血管系统的门控电影图像序列。该方法为评估左心室功能、可视化血管网络以及量化呼吸引起的器官运动提供了基础。类似的小动物心血管成像技术包括高频超声和微型计算机断层扫描（micro-CT）；然而，每种技术均存在权衡因素，需加以考虑。尽管超声具有较高的空间和时间分辨率，但成像伪影较为常见。例如，致密组织（如胸骨和肋骨）可能限制成像穿透深度，而气体与液体界面（如肺部周围的胸膜）处的强回声信号可能导致邻近组织的对比度模糊。相比之下，micro-CT 的平面内伪影较少，但其时间分辨率较低，且软组织对比度有限。此外，micro-CT 使用 X 射线辐射，通常需要使用造影剂来显示血管结构，而高剂量下这两种因素均可能引起副作用，包括辐射损伤 和肾损伤。心血管 MRI 在这些技术之间提供了一个良好的折中方案：无需使用电离辐射，同时允许用户在无需造影剂的情况下进行成像（尽管 MRI...

来源： Joseph C. Muskat，Vitaliy L. Rayz，和 Craig J. Goergen，普渡大学韦尔登生物医学工程学院，美国印第安纳州西拉法叶 本视频的目的是介绍基于患者或动物特异性血管系统的计算流体动力学（CFD）模拟的最新进展。在此，研究人员构建了基于个体的血管分割模型，并结合使用开源与商业软件工具，在流动模型内获得了高分辨率的数值解。大量研究表明，血管系统内的血流动力学条件会影响动脉粥样硬化、动脉瘤及其他外周动脉疾病的形成与发展；然而，管腔内压力、血管壁剪切应力（WSS）和粒子停留时间（PRT）的直接测量在活体（in vivo）条件下难以实现。 计算流体动力学（CFD）可实现对这些变量的无创评估。此外，CFD 还可用于模拟外科手术技术，使医生能够更准确地预测术后血流状况。磁共振成像（MRI）中的两种方法——磁共振血管成像（MRA），包括时间飞跃法（TOF-MRA）或对比增强 MRA（CE-MRA），以及相位对比法（PC-MRI），可分别用于获取血管几何结构和时间分辨的三维速度场。TOF-MRA...

来源：Arvin H. Soepriatna1、Kelsey A. Bullens2 和 Craig J. Goergen1 1 普渡大学韦尔登生物医学工程学院，印第安纳州西拉法叶 2 普渡大学生物化学系，西拉法叶，印第安纳州 近红外荧光（NIRF）成像是一种前沿的光学技术，利用荧光探针可视化组织中复杂的生物分子结构。相较于传统的成像方法，NIRF成像在无创性疾病成像方面具有诸多优势。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成像速度快、通量高，且不涉及电离辐射。此外，近年来在靶向特异性及可激活荧光探针工程方面的进展，使NIRF具备了高特异性和高灵敏度，成为研究癌症和心血管疾病的一种极具吸引力的成像方式。本文所述实验流程旨在展示NIRF成像的基本原理，以及如何在小型动物中开展in vivo和ex...

来源：Hamna J. Qureshi 和 Craig J. Goergen，普渡大学韦尔登生物医学工程学院，西拉法叶，印第安纳州，美国 本文将重点介绍人类与啮齿类动物无创血压测量技术之间的主要相似点与差异，并探讨调控血压的工程学原理。同时还将讨论当前袖带技术获取收缩压和舒张压所依据的基本原理。 市面上可购买到的可连接移动设备的袖带通常体积小巧、便于携带，从而几乎可以在任何地点进行测量。这种无创式便携血压袖带对于高血压及其他需要密切监测血压变化并实现早期预警的心血管疾病患者尤为适用。 同样，也有适用于啮齿类动物的无创血压测量系统。该技术可用于实验室环境，在整个研究过程中对动物健康状况进行监测。尽管遥测血压测量法是啮齿类动物血压测量的金标准，但该技术具有侵入性，若操作不当可能导致动物死亡。因此，无创方法在动物测量中更为便捷，可在无需植入设备的情况下提供有价值的数据。本文将介绍一种 commercially available system，用于演示如何在临床环境之外对人体进行血压测量。该技术使患者能够定期自行监测血压，而无需每次测量时都前往诊所。

来源： Peiman Shahbeigi-Roodposhti 和 Sina Shahbazmohamadi，康涅狄格大学生物医学工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯 心电图是通过放置在患者躯干上的电极记录到的电位变化图形，用于显示心脏活动。心电图信号可追踪心律以及多种心脏疾病，例如心肌供血不足和结构异常。心壁收缩产生的动作电位使电流从心脏传导至全身。这些传导的电流在身体各部位形成不同的电位，可通过皮肤表面的电极检测到。电极是由金属和盐类制成的生物传感器。实际应用中，通常将10个电极连接到身体的不同位置。心电图信号的采集与分析有一套标准操作流程。健康个体的典型心电图波形如下： 图 1. ECG 波形。 “P”波对应心房收缩，而“QRS”波群对应心室收缩。由于心房与心室的肌肉质量存在相对差异，QRS波群的幅度远大于P波，这一差异掩盖了心房的舒张过程。心室的舒张则表现为“T”波。

来源：Peiman Shahbeigi-Roodposhti 和 Sina Shahbazmohamadi，美国康涅狄格州斯托尔斯市康涅狄格大学生物医学工程系 4000 多年来，缝线一直被用作一种医疗干预手段。最早的记录表明，亚麻是当时首选的生物材料。据记载，约公元 150 年，猫肠线曾被用于治疗角斗士，而这种材料至今仍在使用。如今，已有多种材料被用于制作缝线。缝线根据其成分（天然或合成）和吸收性（不可吸收或可吸收）进行分类。 可吸收（或称可吸收性）缝线通过酶降解，或因水与聚合物链中特定基团相互作用引发的程序性降解而在体内逐渐分解。这类缝线通常由合成材料制成，例如聚乙醇酸、聚对二氧环己酮和聚己内酯，或由丝蛋白等天然生物材料制成。它们通常用于某些内部手术，如普通外科手术。可吸收缝线可在足够长的时间内保持伤口闭合以促进愈合，随后逐渐在体内自行分解。另一方面，不可吸收缝线不会降解，必须通过医疗手段取出。它们通常由聚丙烯、尼龙或不锈钢制成，常用于骨科和心脏外科手术，需由医务人员在术后适当时间予以拆除。

来源： Peiman Shahbeigi-Roodposhti 和 Sina Shahbazmohamadi，康涅狄格大学生物医学工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯 鲜为人知的是，X射线的发现与（无意中）应用获得了历史上首个诺贝尔物理学奖。1895年伦琴博士妻子手部的著名X射线影像在科学界引起了巨大轰动，其外观与当今大多数二维医学X射线图像极为相似。尽管X射线吸收成像并非最新技术，但它仍是一种不可或缺的工具，广泛存在于全球顶尖的研究机构中&D 和大学实验室、医院、机场等场所。可以说，X射线吸收成像最先进的应用是获取类似于二维医学X射线图像的信息，但通过计算机断层扫描（CT 或...

来源： Lindsey K. Lepley1,2、Steven M. Davi1、Timothy A. Butterfield3,4 和 Sina Shahbazmohamadi5 1康涅狄格大学运动学系，美国康涅狄格州斯托尔斯；2康涅狄格大学健康中心骨科手术系，美国康涅狄格州法明顿；3肯塔基大学康复科学系，美国肯塔基州列克星敦；4肌肉生物学中心，肯塔基大学生理学系，美国肯塔基州列克星敦；5康涅狄格大学生物医学工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯 膝关节前交叉韧带（ACL）损伤会显著增加创伤后骨关节炎（PTOA）的风险，因为约有三分之一的患者在ACL损伤后的第一个十年内将出现影像学可见的PTOA。尽管前交叉韧带重建术（ACLR）能够成功恢复膝关节的稳定性，但ACLR及当前的康复治疗手段均无法预防PTOA的发生。因此，ACL损伤是研究创伤性关节损伤后PTOA发生发展的理想模型。

来源： Alycia G. Berman、James A. Schaber 和 Craig J. Goergen，普渡大学韦尔登生物医学工程学院，印第安纳州西拉法叶 本文将演示使用小鼠进行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。该技术包括向小鼠体内注射放射性核素，在核素分布至全身后对动物进行成像，随后重建所获得的图像以生成三维体数据集。该方法可提供有关解剖结构、生理功能和代谢活动的信息，有助于提高疾病诊断的准确性并监测疾病的进展。