生体医工学

出典:ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州 光学顕微鏡は何世紀にもわたって行われており、数十年前に解像度の理論的限界に達する一方で、共焦点画像処理やデジタル画像処理などの新しい機器や技術は、光学の分野で新しいニッチを生み出しました。イメージング。最高の光学顕微鏡は、通常、理想的な条件で200 nmまでの分解能を有する。しかしながら、光学顕微鏡は波の回折によって制限され、波長の関数であり、可視光に対しては約500nmである。光学顕微鏡の分解能は電子顕微鏡の分解能には達しないが、生物学的大構造のイメージングにおいて最も貴重なツールであり、あらゆる生物学的実験室の定番である。 従来の光顕微鏡では、画像化された物体から生成される信号は、検体の全厚さからであり、そのほとんどが観察者に焦点を合わせることは許されない。これにより、画像に "フォーカスがぼやけていない"...

出典:ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州 走査型電子顕微鏡(SEM)は、電子線を利用して非破壊画像を作成し、真空中の導電性材料を特徴付ける器具です。たとえ例として、電子ビームは光学顕微鏡に光が当たるようにSEMに対する。違いは、電子顕微鏡がはるかに高い解像度と倍率の画像を生成することです。最良の光学顕微鏡は通常200nmまでの分解能を有し、SEは通常0.5 nmの分解能を主張する。これは、光学顕微鏡が波の回折によって制限されるという事実によるもので、波長の関数であり、可視光に対しては約500nmである。逆に、SEMは1nmの波長として通電電子ビームを使用する。この特性は、ナノおよび微細構造の研究のための非常に信頼できるツールになります。電子顕微鏡はまた光学顕微鏡のために小さすぎる特徴のサイズの生物学的サンプルの研究を可能にする。

出典: ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州 ナノ粒子は、標的薬物送達と制御薬物放出に向けた研究にますます用いられている。これらの粒子のほとんどは、生体適合性のために高分子粒子またはリポソーム粒子として開発されていますが、金属および磁性ナノ粒子の使用に向けた現在の研究の傾向があります。これらの金属ナノ粒子はもともとイメージングの造影剤として使用されていましたが、最近の進歩は、それらが薬物や遺伝子の送達や治療においていかに重要であるかを示しています。金、銀、常磁性ナノ粒子は、研究で最も大きなシェアを占めています。それらは良好な生体適合性を有することが示されており、特定の品種の磁性ナノ粒子はすでに開発され、治療対象薬物として配布されている。

ソース:アメリア・R・アデルスパーガー、エヴァン・H・フィリップス、クレイグ・J・ゲルゲン、インディアナ州パデュー大学、パデュー大学ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング 高周波超音波システムは、高解像度の画像を取得するために使用されます。ここでは、マウスおよびラットに見られる小さな脈動性動脈および静脈の形態および運動力学を画像化するために、最先端のシステムの使用が実証される。超音波は、人間だけでなく、大小動物の血管の非侵襲的な評価のための比較的安価で、ポータブルで、汎用性の高い方法です。これらは、コンピュータ断層撮影(CT)、磁気共鳴画像(MRI)、近赤外蛍光断層撮影(NIRF)などの他の技術と比較してUltraoundが提供するいくつかの重要な利点です。CTは電離放射線を必要とし、MRIは非常に高価であり、一部のシナリオでは実用的でもありません。一方、NIRFは、蛍光造影剤を励起するために必要な光の浸透深さによって制限される。

ソース:ハンナ・L・セブル1, アービン・H・ソエプリアトナ1, ジョン・J・ボイル2 ,クレイグ・J・ゲルゲン1 1インディアナ州パデュー大学、ウェストラファイエット大学ウェルドンバイオメディカルエンジニアリングスクール 2ワシントン大学セントルイス校機械工学・材料科学(ミズーリ州セントルイス) 血管、皮膚、腱、その他の器官などの軟部組織の機械的挙動は、エラスチンとコラーゲンの組成の影響を強く受け、弾力性と強度を提供します。これらのタンパク質の繊維配向は、軟部組織の種類に依存し、単一の好ましい方向から複雑なメッシュネットワークまでさまたえ、疾患組織で変化する可能性があります。したがって、軟部組織は、多くの場合、細胞および器官レベルで異性体的に動作し、三次元特性評価の必要性を作成する。複雑な生体組織または構造内の歪み場を確実に推定する方法を開発することは、疾患を機械的に特徴付け、理解するために重要である。ひずみは、軟部組織が時間の経過とともに相対的に変形する様子を表し、様々な推定を通じて数学的に記述することができる。

出典:ガーニート・S・サンガとクレイグ・J・ガーゲン, ウェルドン生物医工学研究科, パデュー大学, ウェストラファイエット, インディアナ州 光音響断層撮影(PAT)は、光発生音波を利用して組織から組成情報を得る新たな生物医学的イメージングモダリティです。PATは、血液および脂質成分を画像化するために使用することができ、これは、心血管および腫瘍イメージングを含む多種多様な用途に有用である。現在使用されているイメージング技術には、研究者や医師との使用を制限する固有の制限があります。例えば、長い取得時間、高コスト、有害なコントラストの使用、および高侵襲性への最小限の要因はすべて、実験室および診療所における様々なモダリティの使用を制限する要因である。現在、PATに匹敵する唯一のイメージング技術は、新たな光学技術です。しかし、これらはまた、浸透の限られた深さと外因性造影剤の必要性などの欠点を有する。PAT...

出典:フレデリック・W・ダーメンとクレイグ・J・ガーゲン、ウェルドン生物医工学部、パデュー大学、ウェストラファイエット、インディアナ州

ソース:ジョセフ・C・マスカット、ヴィタリー・L・レイズ、クレイグ・J・ゲルゲン、ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング、パデュー大学、ウェスト・ラファイエット、インディアナ州 このビデオの目的は、患者または動物特有の血管系に基づく計算流体動的(CFD)シミュレーションの最近の進歩を記述することです。ここでは、被験者ベースの容器セグメンテーションを作成し、オープンソースと商用ツールを組み合わせて、フローモデル内で高分解能数値解を決定した。多くの研究は、血管内の出血力学的状態がアテローム性動脈硬化症、動脈瘤、および他の末梢動脈疾患の発症および進行に影響を与えることを実証している。それに加えて、ルミナル圧、壁せん断応力(WSS)、および粒子滞留時間(PRT)の直接測定は、生体内で取得することが困難である。

出典:アービン・H・ソエプリアートナ1、ケルシー・A・ブレンス2、クレイグ・J・ゲーゲン1 1インディアナ州パデュー大学、ウェストラファイエット大学ウェルドンバイオメディカルエンジニアリングスクール 2インディアナ州ウェストラファイエット校パデュー大学生化学科 近赤外蛍光(NIRF)イメージングは、蛍光プローブを利用して組織の複雑な生体分子アセンブリを可視化するエキサイティングな光学技術です。NIRFイメージングは、疾患の非侵襲的イメージングのための従来のイメージング方法に対して多くの利点を有する。単一光子放出コンピュータ断層撮影(SPECT)や陽電子放射断層撮影(PET)とは異なり、NIRFイメージングは高速で高スループットであり、電離放射線を伴いません。さらに、工学的標的特異的および活性化可能な蛍光プローブの最近の発展は、NIRFに高い特異性と感度を提供し、癌および心血管疾患の研究において魅力的なモダリティとなっています。提示された手順は、NIRFイメージングの背後にある原理と、様々な疾患を研究するために、小動物の生体内およびex...

ソース:ハムナ・J・クレシとクレイグ・J・ガーゲン,インディアナ州パデュー大学,パデュー大学,ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング ここでは、ヒトとげっ歯類の非侵襲的な血圧測定技術の主な類似点と相違点を取り上げ、血圧を支配する工学原理を検討する。収縮期および拡張期圧を獲得するために現在のカフ技術を支配する原則についても議論する。 モバイルデバイスと接続する市販のカフスは、一般的にコンパクトでポータブルなので、ほぼすべての場所で測定を行うことができる。非侵襲的な、携帯用血圧カフは、高血圧および血圧の変化の注意深い監視および早期発見を必要とする他の心血管の問題を有する患者にとって特に有用である。

出典:ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州 心電計は、心臓活動を実証するために患者の胴体に置かれた電極間で起こる電位変化によって記録されたグラフである。心電図信号は、心臓のリズムと心臓への血流の悪さや構造的な異常など、多くの心臓病を追跡します。心臓壁の収縮によって生じる作用電位は、心臓からの電流を全身に広げる。広がる電流は、皮膚に配置された電極によって感知することができる体内の点で異なる電位を作成します。電極は、金属と塩で作られた生物学的トランスデューサです。実際には、10個の電極が本体上の異なる点に取り付けられています。心電図信号を取得して分析するための標準的な手順があります。健康な個人の典型的な心電図波は次のとおりです。 図 1.心電図波。 「P」波は心房収縮に相当し、心室の収縮に「QRS」複合体を表す。「QRS」複合体は、心房および心室の筋肉量の相対的な発散による「P」波よりもはるかに大きく、心房の弛緩を隠す。心室の弛緩は「T」波の形で見ることができる。 図 2...

出典:ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州 4000年以上にわたり、縫合糸は医学的介入として使用されてきました。最も初期の記録は、リネンが選択の生体材料であったを示しています。現在も使用されているCatgutは、紀元前150年頃に剣闘士を治療するために使用されたと伝えられています。今日では、縫合糸に使用されている材料が数多くあります。縫合糸は、その組成(天然または合成)および吸収(非リバーブルまたは再吸収性)によって分類される。

出典:ペイマン・シャーベイギ・ルードポシュティとシナ・シャーバズモハマディ、バイオメディカル工学部、コネチカット大学、ストールズ、コネチカット州 X線の発見と(不注意な)使用が史上初のノーベル物理学賞を受賞したことは、あまり知られていない事実です。科学界を通じて衝撃波を送った1895年のレントゲン博士の妻の手の有名なX線画像は、現代の2D医療X線画像のように見えます。最新の技術ではありませんが、X線吸収イメージングは不可欠なツールであり、世界トップの研究開発や大学の研究室、病院、空港などで見つけることができます。おそらく、X線吸収イメージングの最も先進的な用途は、2D医療用X線に見られるが、コンピュータ断層撮影(CTまたはマイクロCT)を介して3Dで実現されたような情報を達成することを含む。一連の2D X線投影を行うことで、高度なソフトウェアはデータを再構築して3Dボリュームを形成することができます。3D...

ソース:リンジー・K・レプリー1,2, スティーブン・M・デイビ1, ティモシー・A・バターフィールド3,4とシナ・シャーバズモハマディ5, 1コネチカット大学キネシオロジー学科、ストールス、CT;2コネチカット大学ヘルスセンター、ファーミントン、CT整形外科3ケンタッキー大学リハビリテーション科学科、レキシントン、KY;4ケンタッキー大学生理学科筋生物学センター、レキシントン、KY;5コネチカット大学生物医学工学部、ストールズ、CT 膝の前十字靭帯(ACL)損傷は、約3分の1の個人がACL損傷後の最初の10年以内に放射線PTOAを実証するので、心的外傷後変形性関節症(PTOA)のリスクを劇的に増加させる。ACL再構成(ACLR)は膝関節の安定性を正常に回復しますが、ACLRおよび現在のリハビリテーション技術はPTOAの発症を妨げありません。したがって、ACL損傷は、外傷性関節損傷後のPTOAの発症を研究するのに理想的なモデルを表す。

ソース:アリシア・G・バーマン、ジェームズ・A・シェーバー、クレイグ・J・ガーゲン、インディアナ州パデュー大学、パーデュー大学ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング ここでは、マウスを用いた単光子放出コンピュータ断層撮影/コンピュータ断層撮影(SPECT/CT)イメージングの基礎を示します。この技術では、マウスに放射性核種を注入し、動物が全身に分布した後にイメージングを行い、生成された画像を再構築して体積データセットを作成します。これは、病気の診断を改善し、その進行を監視するために解剖学、生理学、および代謝に関する情報を提供することができます。