우리는 Drs 감사드립니다. Raimond 윈, 엘리엇 McVeigh, 그리고 전 생체 데이터 세트 online.This 연구를 제공 존스 홉킨스 대학의 패트릭 투구는 건강 교부금의 국립 연구소 R01-HL082729, 그리고 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 기금 CBET-0933029에 의해 지원되었다.

1. 섬유 오리엔테이션 추정 <ol><li> 1mm 3의 해상도, 심장 확장의 정상적인 성인 인간의 마음의 구조 MRI와 DTMRI 이미지를 취득. ImageJ 사용하여, 각각의 짧은 축 슬라이스를 들어, 피팅하여지도 책 구조적 이미지에서 심실 심근의 압축을 풉니 다 슬라이스의 epicardial 및 endocardial 경계 (그림 2A와 그림 2B)를 따라 배치 랜드 마크 점의 집합을 통해 스플라인을 감았 다. 이미지의 모든 10 일 슬라이스 수동으로 랜드 마크 지점의 위치를 수행합니다. 선형 DTMRI 이미지 (그림 2C)에서 DTS의 기본 고유 벡터를 계산하여지도 책 심장의 섬유 방향을 MATLAB.Reconstruct 사용하여 수동으로 식별 포인트를 보간하여 남아있는 슬라이스에 대한 랜드 마크 포인트를 얻습니다. </li><li> 생체 심장 중부 표준시 또는 MRI에 사용 심장 확장의 환자 심장의 형상의 이미지를 취득. 정찰 임무마찬가지로지도 책은 (그림 3A 및 그림 3B) 건설 방식으로 이미지에서 환자 심장 구조를 구조체. 환자 이미지가 인 비행기 해상도가 1mm 2 것을 앞서 재건을 다시보실 수 있습니다. 마찬가지로, 랜드 마크를 수동으로 선택됩니다되는 슬라이스, 그리고 밖에서 비행기 보간의 간격의 수는 세그먼트 환자의 심장 이미지는 1 mm의 슬라이스 두께가되도록 조정해야합니다. </li><li> 변형은 아틀라스 심실 이미지는 두 단계에있는 환자 형상 이미지를 일치합니다. 첫 번째 단계에서, 13 랜드 마크 지점의 집합에 따라 아핀 변환 수행 왼쪽 심실 (LV) 꼭대기,베이스에서 오른쪽으로 두 심실 (RV) 삽입 포인트를, 기지와 꼭대기 사이에 두 개의 RV 삽입 포인트 중간, 두 고르게 기지에서 RV와 LV epicardial 윤곽을 나누어 점, 기지와 꼭대기의 중간 4 세트 (그림 4A 및 <strong&gt; 그림 4B). 두 번째 단계에서는 변형 아핀 - 변화 아틀라스는 큰 변형 diffeomorphic 메트릭 매핑 (LDDMM) (그림 4C)를 사용하여, 환자 구조를 일치시킬 더 심실이 수축하지. </li><li> Morph 아핀 일치의 변환 매트릭스와 LDDMM 변화의 변형 필드에 따라 이미지 voxels하고 다시 orientating DTS의 재 위치로지도 책의 DTMRI 이미지입니다. 주요 경로 (PPD) 메소드의 보존을 사용하여 DTS의 재 방향을 수행합니다. </li><li> (그림 5) DTS의 기본 고유 벡터를 계산하여 변형지도 책 DTMRI 이미지에서 환자 섬유 방향의 예상을 가져옵니다. </li></ol> 2. 추정 오류의 측정 <ol><li> 예 생체 구조 MR 여섯 정상적인 세 실패한 개 마음 DTMR 이미지를 수집, 312.5의 해상도 × 312.5 × 800 μm 3. 여기, 심장 파이미끼는 분 -1 210에서 tachypacing 3 주 뒤에 꾸러미 지점 왼쪽의 radiofrequency 박리를 통해 송곳니으로 생성해야합니다. </li><li> 마찬가지로 인간의 아틀라스 마음뿐 § 1.1에 설명 된 송곳니 마음에서 분류 심실합니다. 9 마음 7 (그림 6)로 견 (犬) 마음을 실패에서 6까지 마음을 1로 일반 개과의 동물 마음의 분할, 이러한 세그먼트 심실을 나타냅니다. </li><li> 아틀라스 (그림 7)로 6 마음이 각을 사용하여 심장 1 심실 섬유 방향의 다섯 가지 추정치를 얻을 수 있습니다. </li><li> 지도 책 (그림 8)로 마음이 1을 사용 실패한 심실의 각 섬유 방향을 추정. </li><li> θ C-θ | |, 어디 θ C와 θ가의 경사 각도는 추정 예상 섬유 방향의 각 세트에서 Foreach 데이터 포인트와 같은 추정 오류를 계산d는 각각 그 시점에서 섬유 방향을 취득하였습니다. </li><li> 예상 섬유 방향의 각 세트의 각 데이터 포인트에 대해 thevector 내적에 의해 세 차원 (3D)에 betweenestimated 및 섬유 방향을 획득 급성 각도를 계산합니다. </li></ol> 3. 시뮬레이션에 대한 추정 오류의 효과 측정 <ol><li> 심장 1 일부터, 심장 1 (모델 1로 함), 그리고 다섯 예상 섬유 방향의 데이터 세트 (모델 2-6)과 다섯 DTMRI - 획득 섬유 방향과 하나 중 6 모델을 구성합니다. 세 실패한 심장의 각각에 대해 형상은, DTMRI - 획득 섬유 방향 및 예상 섬유 방향과 다른과 하나가 두 개의 심실 모델을 구성합니다. 다음은 meshes의 평균 가장자리 길이의 관점에서 계산 모델의 공간 해상도는 600 μm에 대해해야합니다. 모델 9-7로 DTMRI - 획득 섬유로 심장 마비 모델을 표시하고, estimat있는 사람모델 10 12.In 모델로 에드 섬유가 적용되는 방정식으로, 심장 조직을 설명하기 위해 monodomain 표현을 사용합니다 : </li></ol><img src="/files/ftp_upload/50125/50125eq1.jpg" alt="수식 1" fo:content-width="2.18in" fo:src="/files/ftp_upload/50125/50125eq1highres.jpg" /> V m은 transmembrane 잠재력이며, C m은 막 특정 용량이며 어디에서 B는 Potse 외 30 일까지 설명 된대로 bidomain 전도성 tensors에서 계산 대량 전도성 텐서이다 σ 내가 이온은, 현재 transmembrane의 밀도입니다 결과적으로 V m과 membrane.For C m에 걸쳐 이온 fluxes의 역학을 설명하는 상태 변수 μ의 집합에 의존하는, 1 μ F / cm 2의 값을 사용합니다. 일반 개 심장 모델에 i를 σ를 들어, longitudi를 사용0.34 S / m 각각 0.06 S / m의 NAL 및 횡 방향의 전도성 값. 개 심실 myocyte의 Greenstein - 윈 이온 모델에 의해 난 경도를 나타냅니다. 30% (그림 9)에 의해 개 심장 마비의 심실 모델의 전기 conductivities을 줄입니다. <ol start="2"><li> 소프트웨어 패키지 CARP (CardioSolv, LLC), 모든 모델과 시뮬레이션의 부비동 리듬을 사용합니다. S1-S2 간격 프로토콜을 사용하여 여섯 실패한 모델에 들어가는 심실 빈맥 (VT)을 유도. S1과 S2 납품 후 2 초에 지속 VT 활동을 얻을 S2 사이의 타이밍을 선택합니다. VT 어떤 S1-S2 타이밍에 유도되어 있지 않은 경우 VT는 (그림 10) 유도 될 때까지, 최대 70 %까지 conductivities를 줄이십시오. </li><li> 각 시뮬레이션은 마음을 주변 등방성 목욕탕에서 두 지점 간의 세포 전위의 차이를 활용하여 의사 ECGs을 계산합니다. 분리 심장의 기지 근처에 두 점을 놓고그림 10에 도시로를 연결하는 선이 중격의 기본 - 첨단 평면에 수직 인 그러한 18cm,로. 예상 섬유 배향 각 시뮬레이션은 MAD 통계로를 계산 </li></ol><img src="/files/ftp_upload/50125/50125eq2.jpg" alt="수식이" fo:content-width="2.77in" fo:src="/files/ftp_upload/50125/50125eq2highres.jpg" /> X는 예상 섬유 방향과 시뮬레이션의 ECG 파형입니다, Y가 인수 섬유 방향으로 시뮬레이션을 thecorresponding의 ECG 파형이고, X는 X의 평균 값이며, Y는 Y의 평균 값이며, n은 X의 길이입니다 와 Y.

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관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

이 연구는 DTMRI의 부재에서, 정상과 실패 심실의 심근 섬유 방향이 심장 전기 생리학의 시뮬레이션에 사용하기 위해 자신의 형상의 인 생체 이미지에서 추정 할 수있는 정량적으로 보여줍니다. 제안 된 방법론은 생체 중부 표준시 데이터에로 증명하지만, 직접 환자의 섬유 방향을 취득 할 수있는 능력의 부족을 해결, 심실 형태의 생체 MR 영상에서에 동일하게 적?...

<html> 계산 방법은 건강과 질병에 심장의 기능에 대한 이해의 발전에 중심이되고 있습니다. 전기 생리학 및 electromechanics의 최첨단의 전체 심장 모델은 현재 같은 일반적인 심실 전파, 부정맥, defibrillation, 전기 커플 링, 그리고 심장 재 동기화 1로 현상의 다양한 범위를 공부하는 데 사용하고 있습니다. 그러나, 임상 환경에서 직접 적용 할 수있는 계산 방식에 대해,이 모델은 환자 별, 모델이 특정 건축과 환자의 병에 걸린 마음의 electrophysiological 또는 전기 특성에 따라해야합니다 즉 것이 중요합니다. 이러한 모델 시뮬레이션함으로써 극적으로 심장 건강 2-4 향상 electrophysiological 개입뿐만 아니라 예방을위한 고도의 개인화 된 의사 결정에 ​​도달하는 의사 도움이됩니다. 내용은 &quot;현실적인 심장 모델&gt; 창조 섬유 방향이 마음에 전기 전파와 변형 분포의 방향을 결정한다. 환자 심장의 구조와 섬유 구조의 획득을 필요로하고, 따라서이를 취득하는 것은 심장 모델링 5, 6 필수적입니다.로 의료 영상의 최근 발전, 이제 자기 공명 영상 (MRI)와 계산 된 단층 촬영 (중부 표준시) 기술을 사용하여 고해상도로 생체에서 환자 심장, 등 경색 등의 includingstructural 개조의 형상을 얻을 가능한 않습니다. 그러나 더이 생체에서 환자의 마음 섬유 구조를 습득을위한 실용적인 방법입니다. 확산 텐서 (DT) MRI 7, 8, 그대로 마음의 섬유 방향을 취득 할 수있는 유일한 기술은, 9 특정 제한으로 인해 생체 내 널리 사용할 수 없습니다. 간단한 설명 임상 설정 DTMRI를 번역 할 수있는 이전의 노력은 elsewh를 찾을 수 있습니다의오히려 2. 이러한 섬유 방향의 규칙 기반 과제 등 방법은 DTMRI에 대한 대안을 제공하지만,이 방법은 특정 심각한 제한이 10 있습니다. 따라서 생체의 심장 섬유 구조를 얻는 데 어려움이 현재 임상 설정에서 electrophysiological 및 전기 심장 시뮬레이션의 응용 프로그램을 방해. 본 연구의 목적은 바로 이러한 요구를 해결하는 것이 었습니다. 우리는 마음의 심​​실 섬유 방향이 정확하게 마음과지도 책은 기하학과 섬유 배향 사용할 수 있습니다 마음 아틀라스의 형상 주어진 예측 될 수 있다는 가설. 따라서, 우리는 생체 내 심장 섬유 방향의 추정을위한 방법론을 개발하는 예술 기술의 상태를 사용하고, 정상과 개 심실 2를 실패 가설을 테스트. 우리 섬유 추정 방법론의 중심 아이디어는 similaritie을 이용​​하는 것입니다순서 만 형상 정보를 사용할 수있는 (타겟) 마음의 대략적인 섬유 구조 다른 마음 사이의 구조에 상대적으로 섬유 방향,에 s입니다. 우리의 추정 방법론의 중심에 큰 변형 diffeomorphic 메트릭 매핑 (LDDMM) 11, 교장 부품 (PPD) 2, 12의 보존을 사용하여 아틀라스 섬유 방향의 변형을 사용하여 대상 기하학과지도 책 기하학의 등록입니다. diffeomorphicproperty은 고리 뼈가 변형 중에 없습니다 &quot;foldover&quot;자체,이를 integrityof 해부학 적 구조를 보존하지 않습니다. 그림 1은 우리의 방법론의 처리 파이프 라인을 보여줍니다 것이 LDDMM 보장의. 프로토콜 텍스트 섹션 § 1 견적은 예를 들어 환자에 대해 수행 할 수있는 방법을 시연하여 파이프 라인의 다양한 구성 요소에 대해 설명합니다. 그림 1에 블록의 일부 내부 번호는 해당 참조섹션 아래 하위 섹션 § 프로토콜 텍스트의 1. 우리는 계산 현지 전기 활성지도뿐만 아니라 의사 electrocardiograms (가상 ECGs)를 시뮬레이션하여 추정 오류를 정량화하고, 심장 전기 생리학의 오류 onsimulations의 효과를 측정하여 제안 된 방법의 성능을 평가했다. 인간의 마음 수 없다로 인해 성능 평가는 13-15 이전 연구에서 사용할 수 송곳니 마음을 사용하여 검색을 수행했습니다. 추정 오류는 경사 각도 16 각도 측정 epicardialsurface에 평행 절단 performedon 조직 섹션 아르 조직학의 followingthe 전통의 방법으로 계산되었다. anglebetween 섬유 방향과 epicardial 탄젠트 비행기가 generallysmall 17, 18,이기 때문에 완전히 자사의 경사 각도를 사용하여 fiberdirection을 설명하는 정보 손실이 미미한 것입니다. comput에 대한모델 이전에 19, 20, 그리고 심장 조직이 설립 수학적 기법과 실험 데이터 21-25에 따라 표현 된보고 된 ational 시뮬레이션, 이미지 기반의 모델이 건설되었다. 부비동 리듬은 S1-S2 간격 프로토콜 27 일까지 Purkinje 네트워크 26과 심실 빈맥에서 발생하는 복제 활성화로 시뮬레이션했다. 의사 ECGs는 28으로 계산하고 평균 절대 편차 (MAD) 측정 항목 29를 사용하여 비교했다.

<table border="1"><tbody><tr><td> LDDMM </td><td> 존스 홉킨스 대학 </td><td></td><td> <a href="http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php" target="_blank">http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php</a> </td></tr><tr><td> MATLAB </td><td> Mathworks 주식회사 </td><td> R2011b </td><td> <a href="http://www.mathworks.com/products/matlab/" target="_blank">http://www.mathworks.com/products/matlab/</a> </td></tr><tr><td> ImageJ </td><td> 건강의 국립 연구소 </td><td></td><td> <a href="http://rsbweb.nih.gov/ij/" target="_blank">http://rsbweb.nih.gov/ij/</a> </td></tr><tr><td> 타란툴라 거미 </td><td> CAE 소프트웨어 솔루션 </td><td></td><td> <a href="http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html" target="_blank">http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html</a> </td></tr><tr><td> CARP </td><td> CardioSolv</td><td></td><td> <a href="http://cardiosolv.com/" target="_blank">http://cardiosolv.com/</a> </td></tr><tr><td> 송곳니 이미지 </td><td> 존스 홉킨스 대학 </td><td></td><td> <a href="http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php" target="_blank">http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php</a> </td></tr></tbody></table>

patient-specific modeling of the heart: estimation of ventricular fiber orientations

심장 치료를 맞춤하기위한 마음 (dys) 함수의 환자 별 시뮬레이션은 임상 적으로 심근 섬유 방향을 획득을위한 생체 이미징 기술의 부재에 의해 방해되어 있습니다. 이 프로젝트의 목적은 환자의 심장 구조의 생체 영상에서 심장 섬유 방향을 추정 할 수있는 방법론을 개발하는 것이 었습니다. 심실 기하학과 섬유 방향의 정확한 표현은 고해상도 예 생체 자기 공명 구조 (MR)과 아틀라스라고 일반 사람의 마음의 확산 텐서 (DT) MR 이미지에서 각각 재건되었다. 환자의 마음 심실 구조는 생체 계산 단층 촬영 (중부 표준시) 이미지에서 반자동 세분화를 통해 추출되었다. 이미지 변환 알고리즘을 사용하여 아틀라스 심실 형상은 환자의 일치하는 변형되었습니다. 마지막으로, 변형 필드가지도 책 섬유 orientat에 적용이온 환자의 섬유 방향의 추정치를 얻을 수 있습니다. 섬유 견적의 정확성 6 정상적인 세 개 실패의 마음을 사용하여 평가되었다. 인수 및 예상 섬유 방향의 경사 각도 사이의 평균 절대 차이는 15.4 °이었다. 부비동 리듬과 심실 빈맥에서 심실 활성화지도 및 의사 ECGs의 전산 시뮬레이션의 개발을위한 길을 열어 것입니다 프로젝트에서 얻은 임상 관찰 level.The 새로운 통찰력의 예상과 인수 섬유 방향 사이에 큰 차이가없는 것으로 표시 electrophysiological 개입에 대한 개인화 된 진단에서 의사와 의사 결정을 지원할 수 있습니다 마음의 환자 별 모델.

그림 11는, AC 정상과 실패의 마음뿐만 아니라 추정 DTMRI 파생 섬유 방향의 간소화 시각화를 표시합니다. 질적 시험 예상 섬유 방향이 DTMRI 파생들과 잘 정렬을 보여줍니다. 패널 D는 심장 1의 구조에 중첩, 설명, 일반 하트 &#39;경사 각도의 오류의 분포는, 다섯 추정에 걸쳐 평균 한 값입니다. 패널 E는 심장 1의 구조에 중첩 마음 &#39;경사 각도를, 실패의 오류의 평균 분포를 보여줍니다. ?...

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Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

개인 모델링에 대한 환자의 심장 구조의 생체 영상에서 심실 섬유 방향을 예측할 수 방법론이 설명되어 있습니다. 방법의 유효성을 검사는 정상 사용하고 견 (犬) 마음이 입증 실패 수행 한 임상 관찰 수준의 예상과 인수 섬유 방향 사이에 큰 차이가 없다는 겁니다.

심장의 환자 별 모델링 : 심실 섬유 오리엔테이션의 추정

Patient-specific  simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered  by the absence of in vivo imaging technology for ...

patient-specific-modeling-heart-estimation-ventricular-fiber

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.6K 조회수.  Johns Hopkins University. 개인 모델링에 대한 환자의 심장 구조의 생체 영상에서 심실 섬유 방향을 예측할 수 방법론이 설명되어 있습니다. 방법의 유효성을 검사는 정상 사용하고 견 (犬) 마음이 입증 실패 수행 한 임상 관찰 수준의 예상과 인수 섬유 방향 사이에 큰 차이가 없다는 겁니다.

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High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution. Traditionally, multiple experiments are run in parallel, with individual samples removed from the study at sequential time points for evaluation by light microscopy. Several intravital techniques have been developed, with confocal, multiphoton, and second harmonic microscopy all demonstrating their ability to be used for imaging in situ 1. With these systems, however, the required infrastructure is complex and expensive, involving scanning laser systems and complex light sources. Here we present a protocol for the design and assembly of a high-resolution microendoscope which can be built in a day using off-the-shelf components for under US$5,000. The platform offers flexibility in terms of image resolution, field-of-view, and operating wavelength, and we describe how these parameters can be easily modified to meet the specific needs of the end user.
We and others have explored the use of the high-resolution microendoscope (HRME) in in vitro cell culture 2-5, in excised 6 and living animal tissues 2,5, and in human tissues in vivo 2,7. Users have reported the use of several different fluorescent contrast agents, including proflavine 2-4, benzoporphyrin-derivative monoacid ring A (BPD-MA) 5, and fluoroscein 6,7, all of which have received full, or investigational approval from the FDA for use in human subjects. High-resolution microendoscopy, in the form described here, may appeal to a wide range of researchers working in the basic and clinical sciences. The technique offers an effective and economical approach which complements traditional benchtop microscopy, by enabling the user to perform high-resolution, longitudinal imaging in situ.

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

In many biological and clinical situations it is advantageous to study cellular processes as they evolve in their native microenvironment. Here we describe the assembly and use of a low-cost fiber-optic microscope which can provide real time imaging in cell culture, animal studies, and clinical patient studies.

고해상도 광섬유 Microendoscopy에 대한 현장에서 세포 이미징

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution.  ...

연구

생체공학

Multiparametric Optical Mapping of the Langendorff-perfused Rabbit Heart

Optical imaging and fluorescent probes have significantly advanced research methodology in the field of cardiac electrophysiology in ways that could not have been accomplished by other approaches1. With the use of the calcium- and voltage-sensitive dyes, optical mapping allows measurement of transmembrane action potentials and calcium transients with high spatial resolution without the physical contact with the tissue. This makes measurements of the cardiac electrical activity possible under many conditions where the use of electrodes is inconvenient or impossible1. For example, optical recordings provide accurate morphological changes of membrane potential during and immediately after stimulation and defibrillation, while conventional electrode techniques suffer from stimulus-induced artifacts during and after stimuli due to electrode polarization1. 
The Langendorff-perfused rabbit heart is one of the most studied models of human heart physiology and pathophysiology. Many types of arrhythmias observed clinically could be recapitulated in the rabbit heart model. It was shown that wave patterns in the rabbit heart during ventricular arrhythmias, determined by effective size of the heart and the wavelength of reentry, are very similar to that in the human heart2. It was also shown that critical aspects of excitation-contraction (EC) coupling in rabbit myocardium, such as the relative contribution of sarcoplasmic reticulum (SR), is very similar to human EC coupling3. Here we present the basic procedures of optical mapping experiments in Langendorff-perfused rabbit hearts, including the Langendorff perfusion system setup, the optical mapping systems setup, the isolation and cannulation of the heart, perfusion and dye-staining of the heart, excitation-contraction uncoupling, and collection of optical signals. These methods could be also applied to the heart from species other than rabbit with adjustments to flow rates, optics, solutions, etc.
Two optical mapping systems are described. The panoramic mapping system is used to map the entire epicardium of the rabbit heart4-7. This system provides a global view of the evolution of reentrant circuits during arrhythmogenesis and defibrillation, and has been used to study the mechanisms of arrhythmias and antiarrhythmia therapy8,9. The dual mapping system is used to map the action potential (AP) and calcium transient (CaT) simultaneously from the same field of view10-13. This approach has enhanced our understanding of the important role of calcium in the electrical alternans and the induction of arrhythmia14-16.

This article describes the basic procedures for conducting optical mapping experiments in the Langendorff-perfused rabbit heart using the panoramic imaging system, and the dual (voltage and calcium) imaging modality.

Langendorff - perfused 토끼 하트의 Multiparametric 광 매핑

Optical imaging and fluorescent probes have significantly advanced research methodology in the field of cardiac electrophysiology in ways that could not ...

Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for movement disorders and is being applied to a growing number of disorders. Computational modeling has been successfully used to predict the clinical effects of DBS; however, there is a need for novel modeling techniques to keep pace with the growing complexity of DBS devices. These models also need to generate predictions quickly and accurately. The goal of this project is to develop an image processing pipeline to incorporate structural magnetic resonance imaging (MRI) and diffusion weighted imaging (DWI) into an interactive, patient specific model to simulate the effects of DBS. A virtual DBS lead can be placed inside of the patient model, along with active contacts and stimulation settings, where changes in lead position or orientation generate a new finite element mesh and solution of the bioelectric field problem in near real-time, a timespan of approximately 10 seconds. This system also enables the simulation of multiple leads in close proximity to allow for current steering by varying anodes and cathodes on different leads. The techniques presented in this paper reduce the burden of generating and using computational models while providing meaningful feedback about the effects of electrode position, electrode design, and stimulation configurations to researchers or clinicians who may not be modeling experts.

The goal of this project is to develop an interactive, patient-specific modeling pipeline to simulate the effects of deep brain stimulation in near real-time and provide meaningful feedback as to how these devices influence neural activity in the brain.

대화형, 환자 전용 모델을 사용 하 여 깊은 두뇌 자극 치료를 위한 신경 섬유 책자를 대상으로

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

Light-sheet Fluorescence Microscopy for the Study of the Murine Heart

Light-sheet fluorescence microscopy has been widely used for rapid image acquisition with a high axial resolution from micrometer to millimeter scale. Traditional light-sheet techniques involve the use of a single illumination beam directed orthogonally at sample tissue. Images of large samples that are produced using a single illumination beam contain stripes or artifacts and suffer from a reduced resolution due to the scattering and absorption of light by the tissue. This study uses a dual-sided illumination beam and a simplified CLARITY optical clearing technique for the murine heart. These techniques allow for deeper imaging by removing lipids from the heart and produce a large field of imaging, greater than 10 x 10 x 10 mm3. As a result, this strategy enables us to quantify the ventricular dimensions, track the cardiac lineage, and localize the spatial distribution of cardiac-specific proteins and ion-channels from the post-natal to adult mouse hearts with sufficient contrast and resolution.

This study uses a dual-sided illumination light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) technique combined with optical clearing to study the murine heart.

Murine 심장 연구에 대 한 빛-시트 형광 현미경 검사 법

Light-sheet fluorescence microscopy has been widely used for rapid image acquisition with a high axial resolution from micrometer to millimeter scale. ...

Intra-cardiac Side-Firing Light Catheter for Monitoring Cellular Metabolism using Transmural Absorbance Spectroscopy of Perfused Mammalian Hearts

Absorbance spectroscopy of cardiac muscle provides non-destructive assessment of cytosolic and mitochondrial oxygenation via myoglobin and cytochrome absorbance respectively. In addition, numerous aspects of the mitochondrial metabolic status such as membrane potential and substrate entry can also be estimated. To perform cardiac wall transmission optical spectroscopy, a commercially available side-firing optical fiber catheter is placed in the left ventricle of the isolated perfused heart as a light source. Light passing through the heart wall is collected with an external optical fiber to perform optical spectroscopy of the heart in near real- time. The transmission approach avoids numerous surface scattering interference occurring in widely used reflection approaches. Changes in transmural absorbance spectra were deconvolved using a library of chromophore reference spectra, providing quantitative measures of all the known cardiac chromophores simultaneously. This spectral deconvolution approach eliminated intrinsic errors that may result from using common dual wavelength methods applied to overlapping absorbance spectra, as well as provided a quantitative evaluation of the goodness of fit. A custom program was designed for data acquisition and analysis, which permitted the investigator to monitor the metabolic state of the preparation during the experiment. These relatively simple additions to the standard heart perfusion system provide a unique insight into the metabolic state of the heart wall in addition to conventional measures of contraction, perfusion, and substrate/oxygen extraction.

Here we introduce a method for using an intra-ventricle optical catheter in perfused hearts to perform absorbance spectroscopy across the heart wall. The data obtained provides robust information on tissue oxygen tension as well as substrate utilization and membrane potential simultaneously with cardiac performance measures in this ubiquitous preparation.

교란 성 포유류 심장의 경부 흡광도 분광학을 사용하여 세포 대사를 모니터링하기위한 심장 내 측 발사 라이트 카테터

Absorbance spectroscopy of cardiac muscle provides non-destructive assessment of cytosolic and mitochondrial oxygenation via myoglobin and cytochrome ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive models, which provide a mathematical representation of the mechanical function of those structures. This presented biaxial mechanical testing protocol involves (i) tissue acquisition, (ii) the preparation of tissue specimens, (iii) biaxial mechanical testing, and (iv) postprocessing of the acquired data. First, tissue acquisition requires obtaining porcine or ovine hearts from a local Food and Drug Administration-approved abattoir for later dissection to retrieve the valve leaflets. Second, tissue preparation requires using tissue specimen cutters on the leaflet tissue to extract a clear zone for testing. Third, biaxial mechanical testing of the leaflet specimen requires the use of a commercial biaxial mechanical tester, which consists of force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation testing protocols to characterize the leaflet tissue&#39;s mechanical properties. Finally, post-processing requires the use of data image correlation techniques and force and displacement readings to summarize the tissue&#39;s mechanical behaviors in response to external loading. In general, results from biaxial testing demonstrate that the leaflet tissues yield a nonlinear, anisotropic mechanical response. The presented biaxial testing procedure is advantageous to other methods since the method presented here allows for a more comprehensive characterization of the valve leaflet tissue under one unified testing scheme, as opposed to separate testing protocols on different tissue specimens. The proposed testing method has its limitations in that shear stress is potentially present in the tissue sample. However, any potential shear is presumed negligible.

This protocol involves characterizations of atrioventricular valve leaflets with force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation biaxial mechanical testing procedures. Results acquired with this protocol can be used for constitutive model development to simulate the mechanical behavior of functioning valves under a finite element simulation framework.

Biaxial 기계 Characterizations 것 심장 밸브의

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...

Optical Imaging of Isolated Murine Ventricular Myocytes

The ability to isolate adult cardiac myocytes has permitted researchers to study a variety of cardiac pathologies at the single cell level. While advances in calcium sensitive dyes have permitted the robust optical recording of single cell calcium dynamics, recording of robust transmembrane optical voltage signals has remained difficult. Arguably, this is because of the low single to noise ratio, phototoxicity, and photobleaching of traditional potentiometric dyes. Therefore, single cell voltage measurements have long been confined to the patch clamp technique which while the gold standard, is technically demanding and low throughput. However, with the development of novel potentiometric dyes, large, fast optical responses to changes in voltage can be obtained with little to no phototoxicity and photobleaching. This protocol describes in detail how to isolate adult murine myocytes which can be used for cellular shortening, calcium, and optical voltage measurements. Specifically, the protocol describes how to use a ratiometric calcium dye, a single-excitation calcium dye, and a single excitation voltage dye. This approach can be used to assess the cardiotoxicity and arrhythmogenicity of various chemical agents. While phototoxicity is still an issue at the single cell level, methodology is discussed on how to reduce it.

We present the methodology for the isolation of murine myocytes and how to obtain voltage or calcium traces simultaneously with sarcomere shortening traces using fluorescence photometry with simultaneous digital cell geometry measurements.

고립 된 뮤린 심실 근세포의 광학 이미징

The ability to isolate adult cardiac myocytes has permitted researchers to study a variety of cardiac pathologies at the single cell level. While advances ...

Evaluation of Left Ventricular Structure and Function using 3D Echocardiography

Three-dimensional (3D) quantification of the left ventricle (LV) provides significant added value in terms of diagnostic accuracy and precise risk stratification in various cardiac disorders. Recently, 3D echocardiography became available in routine cardiology practice; however, high-quality image acquisition and subsequent analysis have a steep learning curve. The present article aims to guide the reader through a detailed 3D protocol by presenting tips and tricks and also by highlighting the potential pitfalls to facilitate the widespread but technically sound use of this important technique concerning the LV. First and foremost, we show the acquisition of a high-quality 3D dataset with optimal spatial and temporal resolution. Then, we present the analytical steps toward a detailed quantification of the LV by using one of the most widely applied built-in software. We will quantify LV volumes, sphericity, mass and also systolic function by measuring ejection fraction and myocardial deformation (longitudinal and circumferential strain). We will discuss and provide clinical examples about the essential scenarios where the transition from a conventional echocardiographic approach to a 3D-based quantification is highly recommended.

In this article, we provide a step-by-step acquisition and analysis protocol for the volumetric assessment and speckle-tracking analysis of the left ventricle by 3D echocardiography, particularly focusing on practical aspects that maximize the feasibility of this technique.

3D 에코카르디그래피를 사용하여 좌심실 구조 및 기능 평가

Three-dimensional (3D) quantification of the left ventricle (LV) provides significant added value in terms of diagnostic accuracy and precise risk ...

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create anatomically accurate head phantoms with realistic brain imaging properties because standard fabrication methods are not optimized to replicate any patient-specific anatomical detail and 3D printing materials are not optimized for imaging properties. In order to test and validate a novel navigation system for use during brain tumor surgery, an anatomically accurate phantom with realistic imaging and mechanical properties was required. Therefore, a phantom was developed using real patient data as input and 3D printing of molds to fabricate a patient-specific head phantom comprising the skull, brain and tumor with both ultrasound and X-ray contrast. The phantom also had mechanical properties that allowed the phantom tissue to be manipulated in a similar manner to how human brain tissue is handled during surgery. The phantom was successfully tested during a surgical simulation in a virtual operating room.
The phantom fabrication method uses commercially available materials and is easy to reproduce. The 3D printing files can be readily shared, and the technique can be adapted to encompass many different types of tumor.

This protocol describes the fabrication of a patient specific skull, brain and tumor phantom. It uses 3D printing to create molds, and polyvinyl alcohol (PVA-c) is used as the tissue mimicking material.

뇌종양 수술 계획을 위한 초음파 및 엑스레이 대비를 가진 환자 특정 폴리비닐 알콜 팬텀 제조

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict regional aerosol delivery. Leveraging 3D printing to generate patient-specific lung models, we outline the design of a high-throughput, in vitro experimental setup for quantifying lobular pulmonary deposition. This system is made with a combination of commercially available and 3D printed components and allows the flow rate through each lobe of the lung to be independently controlled. Delivery of fluorescent aerosols to each lobe is measured using fluorescence microscopy. This protocol has the potential to promote the growth of personalized medicine for respiratory diseases through its ability to model a wide range of patient demographics and disease states. Both the geometry of the 3D printed lung model and the air flow profile setting can be easily modulated to reflect clinical data for patients with varying age, race, and gender. Clinically relevant drug delivery devices, such as the endotracheal tube shown here, can be incorporated into the testing setup to more accurately predict a device&#8217;s capacity to target therapeutic delivery to a diseased region of the lung. The versatility of this experimental setup allows it to be customized to reflect a multitude of inhalation conditions, enhancing the rigor of preclinical therapeutic testing.

We present a high-throughput, in vitro method for quantifying regional pulmonary deposition at the lobe level using CT scan-derived, 3D printed lung models with tunable air flow profiles.