פרויקט זה נתמך על ידי נבחרת המכון של בריאות מענקים UH3, NS095554. תמיכה טכנית סופק על ידי המרכז עבור מחשוב אינטגרטיבית ביו חישוב מדעי, מכון דימות, התאפשרה באופן חלקי תוכנה שפותחה מן NIH P41-GM103545, מרכז של אינטגרטיבית ביו מחשוב.
הכרת תודה מורחב לקסי קומה, נתן גאלי חישוב מדעי, מכון דימות הפקה ועריכה של הגשת וידאו, וכן כדי תרזה לינס לקבלת סיוע עם הכנת כתב היד.

1. עיבוד תמונה
<ol><li>T1 פילוח MRI<ol>
<li>הורד והתקן FreeSurfer17. ההנחה היא כי לקבל MRI T1 הושג, תבנית DICOM או NIFTI.</li>
		<li>הקלד את הפקודה הבאה כדי ליצור ספריה החולה ולהוסיף נפח T1 שלהם ב- FreeSurfer: patientName recon-כל - s -i /Full/Path/To/nii
</li>
		<li>הקלד את הפקודה הבאה כדי להפעיל של FreeSurfer אוטומטיות פילוח: איסוף מידע-כל - s patientName-כל
</li>
		<li>השתמש mri_convert כדי להמיר "aseg.auto.mgz" יצא בפורמט קנייני .mgz של FreeSurfer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>דיפוזיה משוקלל הדמיה (DWI)<ol>
<li>הורד והתקן מבצעה18. ההנחה היא כי רכישת DWI בוצעה, הוא זמין כמו ערימה של קובצי DICOM. הערה: כלי שורת הפקודה טוב כדי לבצע שחזור זה הוא ספריית תוכנה FMRIB (FSL)19. FSL היה בשימוש פרוטוקול זה לביצוע אקו-מישורי, תנועה, תיקון עיוות הנוכחית אדי לפני השחזור. הנתונים DWI ניתוח זה הוא סדרה של קובצי DICOM עבור 41 sensitizing-דיפוזיה הדרגתיות כיוונים שונים.</li>
		<li>להשתמש במודול DWIConverter מבצעה לשחזר את הרכישות נפרד 41 לאמצעי אחסון יחיד. ציין את ספריית Data Dicom קלט שבו הנתונים DWI ממוקם. בחר בלחצן DicomToNrrd , לספק את שם אמצעי האחסון DWI פלט.</li>
		<li>ליצירת מסיכה טנזור עם מודול דיפוזיה משוקלל נפח-מיסוך לחסל את רעשי הרקע של הערכת DTI. להשאיר את הפרמטר הסף ברירת המחדל של 0.5.</li>
		<li>המרת אמצעי אחסון יחיד זה DWI לאמצעי דיפוזיה טנזור (DTI) עם DWI כדי DTI הערכה באמצעות המסכה שנוצרו בשלב הקודם כמו מסיכת טנזור דיפוזיה. להגדיר את הפרמטרים להערכת הריבועים הפחותים וודא כי נבדקת האפשרות Shift ערך שלילי .</li>
		<li>לשמור את העוצמה DTI החדש שנוצר בתבנית NRRD.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. סופיים דגם דור
<ol><li>SCIRun<ol>
<li>הורד והתקן SCIRun גירסה 5 (http://www.sci.utah.edu/software/scirun.html). SCIRun היא סביבה פתרון בעיות מידול, סימולציה של ויזואליזציה של בעיות מדעיות. זוהי עבודה, שעליו מונחים חישובית נהגו ליצור, לפתור ולקיים אינטראקציה עם המודל שפותח בפרויקט זה. הערה: רשתות SCIRun נבנים על-ידי חיבור רצפים של מודולים נפרדים המבצעות משימות ספציפיות. העברת נתונים באמצעות רשת של מודולים פשוטים מאפשר הדמיה ועיבוד מורכב יותר.</li>
	</ol>
</li>
	<li>בניית הצורה הגיאומטרית אלקטרודה הערה: האלקטרודה המודל בפרוייקט זה היא עופרת מדטרוניק 3387 DBS20. . זה קצה חוט גלילי עם ארבעה אנשי קשר 1.5 מ מ גובה 1.27 מ מ קוטר, 1.5 מ מ במרווחים ביניהם. חומר שאינו מוליך מפריד ארבעה אנשי הקשר.<ol>
<li>ליצור רשת משטח סגור עבור כל אחד מהרכיבים להוביל DBS התאמת מידות המפורטים. יצירת ההפניה כולו באמצעות שתי גיאומטריות פרימיטיבי, צילינדרים הספירות. הערה: ניתן ליצור את הגיאומטריה של עופרת במגוון תוכניות עיצוב בתלת-מימד.</li>
		<li>יצירת רשת שינוי פני השטח של שכבת כימוס 0.5 מ מ עבה סביב קצה החוט כולו.</li>
	</ol>
</li>
	<li>יצירת רשת השינוי כל המוח<ol>
<li>לטעון על פני המוח שנוצרו בחלק 1 כדי לשמש הגבול החיצוני של FEM.</li>
		<li>צור שני משטחים תיבת קונצנטריים סביב ההפניה DBS לשלוט צפיפות רשת מסביב האלקטרודה. הערה: DBS להוביל ונרביץ משטח ליישר לאורך ציר z חיובי עם הקצה התחתון של הפיר אלקטרודה ממוקם על המקור. זה חשוב אחר כך סיבוב ותרגום של האלקטרודה.</li>
		<li>ליצור נקודת ענן עם נקודה אחת הממוקמים בכל אזור ברורים של רשת השינוי. האזורים של הרשת הם: המקטעים פיר, על ארבע, תיבת אנשי השטח המוח. הערכים המחוברים לנקודות אלה מייצגים את האילוצים עוצמת קול גבוהה עבור כל רכיב tetrahedral ברשת עבור האזור. אילוצים אלה מותאמים כדי לשלוט צפיפות רשת באזור האלקטרודה.</li>
		<li>להשתמש במודול "InterfaceWithTetGen" כדי ליצור רשת השינוי כל המוח. הגדר מיציאות הקלט כדלקמן: יציאה 1: משטח המוח (מ- 1.1) יציאה 2: התכונה אזוריים נקודת ענן, נפח אילוצים (מ 2.3.3) הנמל 3: אף אחד יציאה 4: אלקטרודה משטחי הדגם (מ- 2.2)</li>
	</ol>
</li>
	<li>אלקטרודה אינטראקטיבי הצבת הערה: המטרה של שלב זה היא לאפשר תנועה קלה של האלקטרודה בכל מקום בתוך המוח ויש המערכת לעדכן באופן אוטומטי עם רשת חדשה, סימולציה.<ol>
<li>השתמש שני מודולים CreateGeometricTransform מדורגים כדי לסובב את האלקטרודה במישור X ו- Y. לחץ על סובב ולהגדיר מודול הראשון 1.00 על ציר Y והשני בו 1.00 על ציר X. זווית הסיבוב מוגדר באמצעות מחוון התחתון, לסובב תטא (מעלות).</li>
		<li>להתחבר מודול TransformMeshWithTransform עבור כל צורה, האובייקט שצריך להשתנות.</li>
		<li>ליצור מודול GenerateSinglePointProbeFromField וחבר הנמל הגיאומטריה שלה במודול ViewScene . להסתובב לספרה בחלון ViewScene על ידי החזקת מקש shift לחוץ לחיצה שמאלית. המודול בדיקה נקודת מעדכן את המיקום של הספרה על שחרורו. הערה: מיקום זה משמש כדי לקבוע ההמרה התרגום חלה על הגיאומטריה אלקטרודה.</li>
		<li>להשתמש במודול TransformMeshWithTransform לתרגם כל חלק של הגיאומטריה אלקטרודה עם המיקום נקודת בדיקה.</li>
		<li>להחיל את המרות סיבוב שני, התרגום יישומון בדיקה נקודה על כל אובייקט למעט השטח המוח. הערה: כל שלושת השינויים הללו יש לבצעו בכל אובייקט לפני זה מוזרם לתוך המודול InterfaceWithTetGen אז האלגוריתם meshing יודע ל mesh הגיאומטריה אלקטרודה בתוך המוח-מיקום חדש וכיוון. בכל פעם שהאלקטרודה מועבר בתוך המוח רשת חדש ייבנה.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. חישוב שדה הקינטיות
<ol><li>הגדרת פרמטרים מוליכות<ol>
<li>לטעון את אמצעי האחסון DTI שנוצרה בשלב 1 והגדר את הנתונים על הפלט רשת tetrahedral מן InterfaceWithTetGen שיצרת בשלב 2 באמצעות MapFieldDataFromSourceToDestination עם האפשרות linear('weighted'). הערה: ניתן ליישם כל הערכה מוליכות אניסוטרופי בשלב זה.</li>
		<li>הגדר את מוליכות אזור פיר 1e-6 ובאזור קשר 1e6 באמצעות CalculateFieldData. לאחר כל הערכים מוליכות מוגדרים, צינור השדה לתוך BuildFEMatrix.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הגדרת מקורות זרם/מתח ומצבים גבול<ol>
<li>צינור השטח המוח המשמשים בתהליך meshing משלב 2 לתוך SetFieldDataToConstantValue והגדר את הערך 0. פעולה זו תיצור כיור מתח על פני המוח כולו. לאחר מכן להשתמש InsertVoltageSource כדי להציב את הערכים מתח על הפלט רשת tetrahedral של InterfaceWithTetGen.</li>
		<li>גירוי monopolar, צור נקודה אחת במרכז אחד מהמיקומים קשר על-ידי חישוב הערך FieldCenter המודול ReportFieldInfo על אחד של משטחים ליצירת קשר. הגדרת נתוני השדה בנקודה זו ל-1 וולט. לאחר מכן להשתמש InsertVoltageSource כדי למקם את נקודת המקור רשת tetrahedral. הערה: יש עכשיו שני עותקים של הרשת tetrahedral. אחד עם ערכי המתח על פני המוח ואחד עם המקור בתוך קשר.</li>
		<li>הצטרפות הפלט של המודולים InsertVoltageSource שני, צינור הפלט לתוך ApplyFEMVoltageSource יחד עם הפלט של BuildFEMatrix.</li>
	</ol>
</li>
	<li>פתרון הבעיה קדימה הערה: הפלט של ApplyFEMVoltageSource נותן המטריקס נוקשות ביציאה 1 המטריקס מצד ימין על יציאת 2. אלה שני הרכיבים הדרושים כדי לפתור מערכת משוואות.<ol>
<li>צינור שני התוצרים של ApplyFEMVoltageSource לתוך SolveLinearSystem. בחר את נזווג הדרגתיות לפתרון שיטה, יעקבי כמו preconditioner. הפלט של מודול זה הוא פתרון מטריקס, הערך מתח כל צומת ברשת tetrahedral.</li>
		<li>השתמש SetFieldData כדי למקם את המטריצה פתרון מתח על גבי רשת השינוי tetrahedral עבור ייצוג תלת-ממדי של מתח הפצה.</li>
	</ol>
</li>
	<li>ויזואליזציה Isosurface<ol>
<li>צינור התוצאה של SetFieldData לתוך ExtractSimpleIsosurface. לפתוח את ממשק המשתמש לכרטיסייה ' כמות ' והגדר את מספר המפוזרות isovalues 10.</li>
		<li>להשתמש במודול ShowField וחבר אותו במודול ViewScene להציג את Isosurfaces כשקוף עם מפת צבע הקשת המשנה את גודלו מינימום ומקסימום של הפתרון מתח.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Benabid, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+electrical+stimulation+of+the+ventralis+intermedius+nucleus+of+the+thalamus+as+a+treatment+of+movement+disorders.">Chronic electrical stimulation of the ventralis intermedius nucleus of the thalamus as a treatment of movement disorders.</a> Journal of Neurosurgery. 84 (2), 203-214 (1996).</li><li>Limousin, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+parkinsonian+signs+and+symptoms+of+bilateral+subthalamic+nucleus+stimulation.">Effect of parkinsonian signs and symptoms of bilateral subthalamic nucleus stimulation.</a> The Lancet. 345 (8942), 91-95 (1995).</li><li>Schiff, N. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Behavioural+improvements+with+thalamic+stimulation+after+severe+traumatic+brain+injury.">Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury.</a> Nature. 448 (7153), 600-603 (2007).</li><li>Vandewalle, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stereotactic+treatment+of+Gilles+de+la+Tourette+syndrome+by+high+frequency+stimulation+of+thalamus.">Stereotactic treatment of Gilles de la Tourette syndrome by high frequency stimulation of thalamus.</a> Lancet. 353 (9154), 724 (1999).</li><li>Mayberg, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+for+treatment-resistant+depression.">Deep brain stimulation for treatment-resistant depression.</a> Neuron. 45 (5), 651-660 (2005).</li><li>Hashimoto, T., Elder, C. M., Okun, M. S., Patrick, S. K., Vitek, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulation+of+the+subthalamic+nucleus+changes+the+firing+pattern+of+pallidal+neurons.">Stimulation of the subthalamic nucleus changes the firing pattern of pallidal neurons.</a> Journal of Neuroscience. 23 (5), 1916-1923 (2003).</li><li>York, M. K., Wilde, E. A., Simpson, R., Jankovic, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+Neuropsychological+Outcome+and+DBS+Surgical+Trajectory+and+Electrode+Location.">Relationship between Neuropsychological Outcome and DBS Surgical Trajectory and Electrode Location.</a> J. Neurol. Sci. 287 (1-2), 159-171 (2009).</li><li>Machado, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+for+Parkinson's+disease:+surgical+technique+and+perioperative+management.">Deep brain stimulation for Parkinson's disease: surgical technique and perioperative management.</a> Movement Disorders. 21, S247-S258 (2006).</li><li>Volkmann, J., Moro, E., Pahwa, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Basic+algorithms+for+the+programming+of+deep+brain+stimulation+in+Parkinson's+disease.">Basic algorithms for the programming of deep brain stimulation in Parkinson's disease.</a> Movement Disorders. 21 (S14), S284-S289 (2006).</li><li>Contarino, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directional+steering:+A+novel+approach+to+deep+brain+stimulation.">Directional steering: A novel approach to deep brain stimulation.</a> Neurology. 83 (13), 1163-1169 (2014).</li><li>Pollo, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directional+deep+brain+stimulation:+An+intraoperative+double-blind+pilot+study.">Directional deep brain stimulation: An intraoperative double-blind pilot study.</a> Brain. 137 (7), 2015-2026 (2014).</li><li>Willsie, A. C., Dorval, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+initial+testing+of+the+&#181;DBS:+a+novel+deep+brain+stimulation+electrode+with+thousands+of+individually+controllable+contacts.">Fabrication and initial testing of the &#181;DBS: a novel deep brain stimulation electrode with thousands of individually controllable contacts.</a> Biomedical Microdevices. 17 (56), 9961 (2015).</li><li>Oliveria, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+and+efficacy+of+dual-lead+thalamic+deep+brain+stimulation+for+patients+with+treatment-refractory+multiple+sclerosis+tremor:+a+single-centre,+randomised,+single-blind,+pilot+trial.">Safety and efficacy of dual-lead thalamic deep brain stimulation for patients with treatment-refractory multiple sclerosis tremor: a single-centre, randomised, single-blind, pilot trial.</a> The Lancet Neurology. 16 (9), 691-700 (2017).</li><li>Butson, C. R., Cooper, S. E., Henderson, J. M., Wolgamuth, B., Mcintyre, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probabilistic+Analysis+of+Activation+Volumes+Generated+During+Deep+Brain+Stimulation.">Probabilistic Analysis of Activation Volumes Generated During Deep Brain Stimulation.</a> Neuroimage. 54 (3), 2096-2104 (2011).</li><li>Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MR+diffusion+tensor+spectroscopy+and+imaging.">MR diffusion tensor spectroscopy and imaging.</a> Biophys. J. 66 (1), 259-267 (1994).</li><li>Gullmar, D., Haueisen, J., Reichenbach, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+anisotropic+electrical+conductivity+in+white+matter+tissue+on+the+EEG/MEG+forward+and+inverse+solution.+A+high-resolution+whole+head+simulation+study.">Influence of anisotropic electrical conductivity in white matter tissue on the EEG/MEG forward and inverse solution. A high-resolution whole head simulation study.</a> NeuroImage. 51 (1), 145-163 (2010).</li><li>Fischl, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FreeSurfer.">FreeSurfer.</a> Neuroimage. 62 (2), 774-781 (2012).</li><li>Fedorov, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Slicer+as+an+Image+Computing+Platform+for+the+Quantitative+Imaging+Network.">3D Slicer as an Image Computing Platform for the Quantitative Imaging Network.</a> Magn. Reson. Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).</li><li>Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. E., Woolrich, M. W., Smith, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FSL.">FSL.</a> Neuroimage. 62 (2), 782-790 (2012).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Medtronic DBS 3387/3389 Lead Kit Manual. , (2018).</li><li>Baker, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+modulation+of+arousal+regulation,+performance+and+frontostriatal+activity+through+central+thalamic+deep+brain+stimulation+in+healthy+non-human+primates.">Robust modulation of arousal regulation, performance and frontostriatal activity through central thalamic deep brain stimulation in healthy non-human primates.</a> Journal of Neurophysiology. 116 (5), 2383-2404 (2016).</li><li>Fregni, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Treatment+of+major+depression+with+transcranial+direct+current+stimulation.">Treatment of major depression with transcranial direct current stimulation.</a> Bipolar Disorders. 8 (2), 203-204 (2006).</li><li>Hodaie, M., Wennberg, R. A., Dostrovsky, J. O., Lozano, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+anterior+thalamus+stimulation+for+intractable+epilepsy.">Chronic anterior thalamus stimulation for intractable epilepsy.</a> Epilepsia. 43 (6), 603-608 (2002).</li><li>Rosenow, F., L&#252;ders, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Presurgical+evaluation+of+epilepsy.">Presurgical evaluation of epilepsy.</a> Brain. 124 (9), 1683-1700 (2001).</li></ol>

כריסטופר ר Butson, Ph.d. שימש כיועץ עבור NeuroPace, שטני מתקדם, בוסטון סיינטיפיק, Intelect רפואי, ג'וד מדיקל Neuromodulation פונקציונלי.

פרוטוקול זה הוכיח טכניקות כדי להפחית את הנטל זמן ומאפשר חישובית עלות הבניין החולה דגמים ספציפיים עבור DBS במידה זה ליד משוב בזמן-אמת של תוצאות הדמיה. משוב מהיר מאפשר חקר החלל פרמטר גדול כדי להבין טוב יותר כיצד שינויים פרמטר משפיעים על התוצאות מודל. פרמטרים אלה כוללים מיקום עופרת, הבחירה של אנשי קשר פעיל, משרעת, רוחב לבין שכיחות צורת גל של גירוי על אנשי הקשר. התכונות העיקריות של הכלי המוצע הם: 1) של ממשק משתמש פשוט כדי להתאים את הפרמטרים דגם עם יד בזמן אמת להדמיה של מה פרמטרים אלה להשפיע על הסימולציה ולאחר 2) אוטומציה של יצירת מודל של קבוצה קטנה של תשומות: פני השטח של המוח. tensors מוליכות של רקמת המוח, ייצוג פני שטח של הגיאומטריה אלקטרודה. אוטומציה זו מזרזת ביצוע היצירה של המטופל הספציפי מודלים עבור אנשים רבים בעלי גיאומטריות שונות במוח רקמות conductivities וכן הערכת ההשפעות של הוספת עיצובים שונים אלקטרודה לתוך דגמים קיימים. השלבים מראש עיבוד התמונה המתוארים פרוטוקול זה היו לא אוטומטי לחלוטין, יכול לקחת יום של זמן העיבוד. עם זאת, לאחר השלמת הנתונים המופקים שלבים אלה נחשבים סטטי, כלומר שנתונים אלה אינו משתנה במהלך הסימולציות. האוטומציה של יצירת מודל נובע היכולת של המערכת כדי להחיל את הנתונים על ה – FEM מטופל ספציפי ללא מאמץ ידנית. הרשת SCIRun לבצע כל דגם הדור, סימולציה, ויזואליזציה הצעדים צריך רק להיבנות פעם אחת. לכן, רק את השלבים מראש עיבוד התמונה צריך להתבצע שוב כדי ליצור מודל מטופל ספציפי עבור מגיע אלינו חולה.
השיפור בביצועים על מנת לייצר תוצאות מקו הצינורות דוגמנות הוא השילוב של רשת דור שדה הקינטיות חישובים, ויזואליזציה של הפתרון לתוך סביבת תוכנה אחת. קיימות טכניקות מידול כגון רשת מסתגלת דור שימשו כדי ליצור גבוה יותר רשת בצפיפות סביב האלקטרודה וצפיפות נמוכה יותר רחוק יותר האלקטרודה המקצרת את משך כדי לבנות לפתור את FEM. התוכנה, SCIRun, מאפשר גם אוטומציה של רשת הדור ואת השדה הקינטיות חישובים. תנועת האלקטרודה באמצעות יישומונים אינטראקטיבי על-ידי המשתמש מפעיל הקמת רשת חדשה עם העמדה אלקטרודה מעודכן. זה כולל שינוי תנאי גבול וערכים מוליכות על המשרה אלקטרודה.
הגיאומטריה אלקטרודה היא כאל אובייקט חינם-המעבר בתוך האחסון המוח לפני מיקומו משולב של FEM. המפתח של גישה זו לבנייה רשת שהרמיזה כי אלקטרודות מרובות שניתן בקלות להוסיף את המודל. לדוגמה, עותק שני של הגיאומטריה אלקטרודה ניתן למקם מספר מילימטרים בלבד, שניהם ייכלל את FEM. ב מחקר עדכני, שתי אלקטרודות היה השתיל בסמיכות לטיפול טרשת רעד13 , שימשו בניסויים בקופים אנושיות כדי לחקור את גירוי יעיל מטרות21. היתרון בשימוש מספר אלקטרודות היא לספק שליטה טובה יותר של השדה החשמלי שנוצר ברקמה על פני שטח גדול יותר. מגרה עם אנשי קשר פעיל על שתי אלקטרודות יכולים לנווט הנוכחי לעבר אזור המטרה ורחוק אזורים שיכול להוביל תופעות לוואי שליליות. בקרה עדינה יותר של גירוי על פני שטח גדול יותר שימושי גם לחקור את מיקומי גירוי שונים כאשר המיקום המדויק של המטרה המיועדת אינו ידוע, כפי שקורה עם רבים של יישומים טיפול המתעוררים של DBS. אולם, קביעת הפרמטרים כדי להשיג גירוי טיפולית היא מאתגרת יותר מאשר אלקטרודה אחת עקב העלייה בחלל פרמטר כבר גדולים.
אנחנו לדמיין כי כלי מידול אינטראקטיבי זה יכולה לספק תועלת במהלך התכנון שטרם-נותחו להשתלה DBS. משוב על מידת גירוי בתוך רקמת המוח יכול לאפשר מנתחים לשנות את מיקום האלקטרודות בתוכנית כירורגי שלהם כדי לספק גירוי טיפולית לאזור היעד. בזמן טיפול DBS היה הגורם המניע העיקרי לפיתוח כלי זה, ניתן ליישם את הטכניקות שהוצגו במאמר זה כל דגם שדה הקינטיות פמ עם גירוי שונים או הקלטה פרדיגמות. גירוי טיפולים כגון טראנס גירוי זרם ישיר עבור דיכאון22 או השימוש של עומק אלקטרודות לטיפול של אפילפסיה23 לשתף את האתגרים אותו כמו DBS בקביעת המיקום הטוב ביותר של גירוי כדי להשיג תוצאות טיפוליות. Electrocorticography, טכניקה הקלטה עם מערכים של אלקטרודות על פני השטח של המוח, כדי לזהות אזורים תחילת ההתקף, יש את האתגר של קביעת היכן למקם את האלקטרודות להקליט מאזורים היעד המוח24. כל היישומים הללו תלויות מיקום האלקטרודות תוך התמודדות עם חוסר ודאות איך הנוכחי זורם דרך רקמת המוח. טכניקות הציג נייר זה להפחית את הנטל של יצירת באמצעות מודלים תוך מתן המשוב המשמעותי חוקרים ומטפלים באמצעות התקנים אלה אשר לא דוגמנות מומחים.

גירוי מוחי עמוק (DBS) הוא טיפול הוקמה עבור הפרעות תנועה כגון רעד חיוני1 ומחלת פרקינסון2. הטיפול הזה הוא נחקר גם כמו טיפול פוטנציאלי עבור מספר גדל והולך של הפרעות לרבות פגיעה מוחית טראומטית3, תסמונת טורט4דיכאון5. מערכות DBS דורשים ניתוח ההשתלה של עופרת אלקטרודה לספק גירוי באזור המוח לשפות אחרות כדי לווסת את פעילות עצבית מתמשך6. מיקום האלקטרודות ואת הפרמטרים גירוי יש השפעה על להתכוונן מעגלים עצביים המספקים תועלת טיפולית. וריאציות קטן במיקום יכול להשפיע על החלון הטיפולי, יכול להגדיל את הסבירות של תופעות לוואי לפני תועלת טיפולית היא מושגת7,8,9. בפועל, לעתים קרובות קשה לחזות שההשפעות גירוי תהיה על פעילות עצבית; כתוצאה מכך, החלון הזה תועלת טיפולית מזוהה על בסיס החולה-מאת-מטופל כמו המכשיר גירוי מתוכנת על ידי המטפל8,9. תהליך זה הופך להיות יותר מורכב כפי דורות חדשים של התקנים DBS הופכים לזמינים. לדוגמה, עיצובים חדשניים עופרת מוצגים עם יותר אנשי קשר10,11,12, במקרים מסוימים להיות מושתלים הפניות מרובות בסמיכות אחד לשני13. לפיכך, יש צורך כדי שניתן יהיה לחקור ולחזות את ההשפעות של DBS על פני מרחב פרמטר וגדל.
מידול חישובית, ניתוח יכול לשמש כדי לחזות את ההשפעות הפיזיולוגיות וקלינית של DBS על בסיס ספציפי לחולה. מודלים אלה להשתמש סופיים דוגמנות (FEM) כדי לבנות שלושה ייצוגים תלת-ממדי של רקמת המוח ואת מאפייני האלקטרודה מושתל ביופיזיקלי. פמ שדה הקינטיות מודלים שימשו בהצלחה לחזות את השפעת DBS14, אבל עד עכשיו היו זמן רב ויקרות שהמפתחות לייצר. יש צורך טכניקות מידול הרומן בקצב המורכבות ההולכת וגוברת DBS התקנים. מודלים אלה מטופל ספציפי צריך לספק ליד משוב חזותי בזמן אמת על ההשפעות של DBS כמיקום עופרת או גירוי פרמטרים משתנים. המשתמש שמקבלים משוב בנוגע למיקום הראשי והמשכנו הגדרת גירוי תוך מספר שניות, המאפשר עידון של עופרת השמה במשך מספר דקות. החולה-ירידה לפרטים מושגת על-ידי שילוב האנטומיה של המטופל, הצורה של המוח שלהם וגודל, בעת בניית ה – FEM והחלת את המאפיינים ביופיזיקלי של המוח שלהם, כגון רקמות אניסוטרופי מוליכות. מוליכות אניסוטרופי מתאר כיצד זרם יתפשט דרך אזורים שונים במוח, ניתן למדוד לא פולשני על המוח כולו דומה תמונה אופיינית תהודה מגנטית (MRI).
DBS מידול גישות שאינם משתמשים מידע לחולה ספציפי יכול לספק תחזיות מהירה, אך פחות מדויק של תופעות גירוי, עקב גיאומטריות מוכללת וערכים מוליכות על רקמת המוח. בגישה זו, פמ יחיד משמש עבור כל המטופלים, הפעילות העצבית החזוי יכול להיות מחושב מראש. מודלים ספציפיים החולה לא יכול להיות מוכללת, שחושב מראש מאז פמ החדש נבנה עבור כל אדם. מודלים אלה דורשים מאמץ רב יותר לבנות אבל יכול להיות יותר מדויק. מספר גורמים להגביל את המהירות שבה מודלים אלה יכול להיות בנוי ומשמש: 1) שינוי פרמטרים בתחילת צינור בניית מודל, כגון מיקום האלקטרודות, דורש מאמץ ידנית כדי לעדכן את כל השלבים הבאים; ו- 2) הפעולות בתוך הצינור דוגמנות לא בקלות משולבים אחד עם השני, המחייב העברת נתונים בין מספר חבילות תוכנה. לעתים קרובות, אנו רוצים להעריך במצבים רבים ושונים כגון מיקום האלקטרודות, גירוי פרמטרים או עיצובים אלקטרודה. כדי לספק משוב משמעותי על ההשפעה שיש שינויים אלה על האפקט הטיפולי שהמטופל יקבל, תוצאות אלה צריך להיות מדויק והן שנוצר במהירות.
המטרה שלנו היא להציג טכניקות חדשות עבור בניית מודלים ספציפיים החולה לנצל המהירות שהתקבלו במודלים מוכללת והפיכתה רבים של השלבים צינור כדי ליצור סביבה אינטראקטיבית דוגמנות המספק ליד חזותיים בזמן אמת משוב על השפעות DBS. סימולציה אינטראקטיבי מאפשר למשתמש לבדוק תחזיות, לקבל תוצאות במהירות, ללא התמקדות בפרטים של בניית מודל. זה מועיל כאשר ישנו רווח גדול פרמטר לחקור כמה פרמטרים אלה משפיעים על הסימולציה אינך בטוח בהכנסה. נתאר את השלבים צינור עיבוד כדי ליצור מודלים פמ אינטראקטיבי, מטופל ספציפי מתוך רכישות דימות תהודה מגנטית (MRI). ניצול הכלים והטכניקות המתוארים במאמר זה להפחית את העלות זמן ליצירת מודלים שדה הקינטיות פמ, מספקים דרך לעשות מודלים אלה לנגישה עבור חוקרים ומטפלים אשר הם לא דוגמנות מומחים.
פרוטוקול זה מתאר כיצד לבנות מודל ספציפי לחולה סופיים מאמצעי אחסון MRI רכשה ולאחר מכן לדמות השדה החשמלי המושרה על ידי אלקטרודה DBS. השלבים העיקריים ליצירת של מודלים אלה הן: 1) לבנות מודל סופיים (FEM) המייצגים המוח של המטופל ואת האלקטרודה מושתל, 2) להוסיף את המאפיינים ביופיזיקלי של הפרמטרים המוח וגירוי של המכשיר DBS ל ה – FEM ו 3) לפתור עבור המתח שנוצר על ידי האלקטרודה במודל. שתי שיטות הדמיה דרושים כדי לבנות מודל מסוים המטופל להדמיה DBS. לקבל MRI T1 משמשת כדי לבנות segmentations של פני השטח של המוח, החדרים, גרעינים ספציפיים. דיפוזיה משוקלל הדמיה (DWI), מידת diffusivity מים, המשמש להערכת דיפוזיה tensors לאורך רקמת המוח15. Tensors דיפוזיה מומרים tensors מוליכות אשר לכמת את inhomogeneous, אניסוטרופי מאפיינים ביופיזיקלי של הרקמה ב voxel voxel בסיס16. התפלגות מתח ברחבי המוח הנגרמת על ידי האלקטרודה מחושב על ידי פתרון משוואת פואסון, אשר באמצעות היישום של פמ מפשט את מערכת משוואות לינארית Ax = b איפה A היא מטריצה נוקשות זה מייצג את המוליכות, הגיאומטריה של רשת השינוי, x הוא הפתרון מתח על כל צומת ברשת, b משתנה בהתבסס על תנאי גבול ומקורות הנוכחי.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr >
			<td >FreeSurfer</td>
			<td >Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging</td>
			<td ></td>
			<td ><a href="https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/">https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/</a></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >3D Slicer</td>
			<td >BWH, Harvard University</td>
			<td ></td>
			<td><a href="https://www.slicer.org/">https://www.slicer.org/</a></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >SCIRun&#160;</td>
			<td >University of Utah Center for Integrative Biomedical Computing</td>
			<td ></td>
			<td><a href="http://www.sci.utah.edu/cibc-software/scirun.html">http://www.sci.utah.edu/cibc-software/scirun.html</a></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

targeting neuronal fiber tracts for deep brain stimulation therapy using interactive, patient-specific models

גירוי מוחי עמוק (DBS), אשר כרוך החדרת אלקטרודה לספק גירוי לאזור המוח המותאמות לשפות אחרות, הוא טיפול הוקמה עבור הפרעות תנועה, מוחל מספר גדל והולך של הפרעות. מידול חישובית שימש בהצלחה כדי לחזות את השפעות קליניות DBS; עם זאת, יש צורך טכניקות מידול הרומן בקצב המורכבות ההולכת וגוברת של התקנים DBS. מודלים אלה עליך גם ליצור תחזיות במהירות ובדייקנות. מטרת הפרויקט היא לפתח של צינור עיבוד התמונה לשלבן מודל אינטראקטיבי, מטופל ספציפי כדי לדמות את ההשפעה של DBS דימות תהודה מגנטית (MRI) מבניים והדמיה דיפוזיה משוקלל (DWI). חוט DBS וירטואלי ניתן להציב בתוך המודל החולה, יחד עם אנשי קשר פעיל ואת הגדרות גירוי, שבו שינויים המובילות או התמצאות ליצור רשת סופיים חדש עם פתרון הבעיה שדה הקינטיות כמעט בזמן אמת. timespan כ- 10 שניות. מערכת זו מאפשרת גם הסימולציה של הפניות מרובות בסמיכות כדי לאפשר היגוי הנוכחי על ידי אנודות משתנות cathodes על כיווני חקירה שונים. טכניקות הציג נייר זה להפחית את הנטל של יצירת באמצעות מודלים תוך מתן המשוב המשמעותי על ההשפעות של מיקום האלקטרודות, אלקטרודה עיצוב גירוי תצורות חוקרים או clinicians מי לא יכול להיות מומחים דוגמנות.

בקצה של פרוטוקול זה הכל על גבי נחוץ ליצור דגם ספציפי לחולה מסופקים: המוח פני האלקטרודה גאומטריה, מוליכות tensors. רשת SCIRun צריך גם נוצרו זה משלב את כל על גבי לבנות מודל סופיים, מדמה הקינטיות המושרה. מודל סימולציה מאפשר תנועה של האלקטרודה בתוך המוח ושינוי של פרמטרים כגון אנשי קשר פעיל או משרעת גירוי.
איור 1 מדגים את היכולת לדמות ולהשוות סיבים הפעלה תחזיות על-פני מספר עמדות אלקטרודה. דור של סיבים נרחבים של דיפוזיה ההדמיה הודגם לא ב פרוטוקול זה, אך ניתן לבצע ניתוח זה כל שיטה tractography דטרמיניסטי. מיקום 2 מנבאת הפעלה של עמידים יותר של הקיבוץ סיבים היעד ב amplitudes גירוי נמוך על פני כל אנשי הקשר בהשוואה למיקום 1. ניתוח זה משמש במהלך תכנון של ניתוח DBS כדי לקבוע את המסלול אלקטרודה ביעילות יגרה מסלול סיבים היעד.
תכונה הרומן של מערכת זו היא היכולת לעבור במהירות את הגיאומטריה אלקטרודה במודל ואת היכולת לדמות הפניות מרובות בסמיכות אחד לשני. שתי גישות אלה משמשים כדי לספק שליטה רבה יותר את הצורה ואת ההיגוי של השדה החשמלי סביב האלקטרודה. איור 2 מדגים את ההשוואה של תחזיות של הפעלת סיבים בין של axisymmetric כיווני ש-DBS להוביל כשחקרו עופרת מיקומים לעורר משעולים המרכזי סיבים דפנות התלמוס והימנעות בקרבת מקום בתחומים כגון גרעינים החישה . באותו מסלול אלקטרודה, אנו יכולים לראות כי ההפניה כיוונית הוא היכולת לנווט את הסיבים לעבר אזור היעד תוך הימנעות הגירוי של סיבים בלתי רצויות. ניתוח זה יכול לשמש כדי לקבוע מתי יהיה צורך לשנות את המכשיר, שהחולה יקבל טיפול DBS למנוע גירוי של אזורים הסמוכים שיזרז תופעות לוואי לא רצויות. גישה זו שימושית עבור מיקוד לגרעין subthalamic בסימפטומים של מחלת פרקינסון, תוך הימנעות הקפסולה פנימי הסמוך.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57292/57292fig1.jpg"> איור 1 : השוואה של מיקום האלקטרודות תחזיות של הפעלת סיבים היעד. חיזוי של סיבים הכולל הפעלת צרור של גירוי amplitudes (-0.5 V כדי-5.0 V) ואנשי קשר כל ארבע עבור שתי עמדות שונות אלקטרודה. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57292/57292fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57292/57292fig2.jpg"> איור 2 : השוואה של סיבים דפנות התלמוס המרכזית צרור הפעלה תחזיות עם axisymmetric וכיוונית DBS מוביל. (א) ויזואליזציה של שניהם DBS גלילי מדטרוניק 3387 להוביל ולהוביל DBS כיוונית סאפיינס עם הפעלת הפונקציה חישובים על הצרור סיבים דפנות התלמוס במרכז היעד עבור משרעת גירוי monopolar יחיד. (B) (i) חתך פרוסה באמצעות חבילות עופרת וסיבים DBS. (ii) הקרנה דו-ממדית של האזור חתך הרוחב עם זיהוי DBS להוביל, המטרה סיבים, סיבים כדי להימנע. (ג) התפשטות הפעלה על פני המטרה סיבים וגם סיבים של התחמקות כמו גירוי משרעת מגביר הן עבור axisymmetric כיוונית DBS מובילים. הסיבים הפעילים עבור משרעת גירוי נתון מוצגים באדום, ואילו סיבי אינו מופעל מוצגים בכחול. (ד) אוסף של סימולציות כל המוצגים בחלונית C, מציג את משרעת סף גירוי החזוי על פני כל האזורים של חבילות סיבים. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57292/57292fig2large.jpg">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models at JoVE.com

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

מטרת הפרויקט היא לפתח של צינור דוגמנות אינטראקטיבי, מטופל ספציפי כדי לדמות את ההשפעה של גירוי מוחי עמוק, ליד בזמן אמת ולספק משוב משמעותי לגבי כמה התקנים אלה משפיעים על פעילות עצבית במוח.

פילוח סיבים עצביים ספינלי לטיפול גירוי מוחי עמוק באמצעות דגמים אינטראקטיביים, מטופל ספציפי

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

targeting-neuronal-fiber-tracts-for-deep-brain-stimulation-therapy

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.8K Views.  University of Utah. מטרת הפרויקט היא לפתח של צינור דוגמנות אינטראקטיבי, מטופל ספציפי כדי לדמות את ההשפעה של גירוי מוחי עמוק, ליד בזמן אמת ולספק משוב משמעותי לגבי כמה התקנים אלה משפיעים על פעילות עצבית במוח.

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

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.

רזולוציה גבוהה סיבים אופטיים עבור Microendoscopy באתרו נייד הדמיה

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

Impulsive Pressurization of Neuronal Cells for Traumatic Brain Injury Study

A novel impulsive cell pressurization experiment has been developed using a Kolsky bar device to investigate blast-induced traumatic brain injury (TBI). We demonstrate in this video article how blast TBI-relevant impulsive pressurization is applied to the neuronal cells in vitro. This is achieved by using well-controlled pressure pulse created by a specialized Kolsky bar device, with complete pressure history within the cell pressurization chamber recorded. Pressurized neuronal cells are inspected immediately after pressurization, or further incubated to examine the long-term effects of impulsive pressurization on neurite/axonal outgrowth, neuronal gene expression, apoptosis, etc. We observed that impulsive pressurization at about 2 MPa induces distinct neurite loss relative to unpressurized cells. Our technique provides a novel method to investigate the molecular/cellular mechanisms of blast TBI, via impulsive pressurization of brain cells at well-controlled pressure magnitude and duration.

A novel impulsive cell pressurization experiment has been developed using a Kolsky bar device to investigate the molecular/cellular mechanisms of blast-induced traumatic brain injury.

Pressurization אימפולסיבית של תאים עצביים לחקר פגיעה מוחית טראומטי

A novel impulsive cell pressurization experiment has been developed using a Kolsky bar device to investigate blast-induced traumatic brain injury (TBI). ...

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

Patient-specific simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered by the absence of in vivo imaging technology for clinically acquiring myocardial fiber orientations. The objective of this project was to develop a methodology to estimate cardiac fiber orientations from in vivo images of patient heart geometries. An accurate representation of ventricular geometry and fiber orientations was reconstructed, respectively, from high-resolution ex vivo structural magnetic resonance (MR) and diffusion tensor (DT) MR images of a normal human heart, referred to as the atlas. Ventricular geometry of a patient heart was extracted, via semiautomatic segmentation, from an in vivo computed tomography (CT) image. Using image transformation algorithms, the atlas ventricular geometry was deformed to match that of the patient. Finally, the deformation field was applied to the atlas fiber orientations to obtain an estimate of patient fiber orientations. The accuracy of the fiber estimates was assessed using six normal and three failing canine hearts. The mean absolute difference between inclination angles of acquired and estimated fiber orientations was 15.4 &deg;. Computational simulations of ventricular activation maps and pseudo-ECGs in sinus rhythm and ventricular tachycardia indicated that there are no significant differences between estimated and acquired fiber orientations at a clinically observable level.The new insights obtained from the project will pave the way for the development of patient-specific models of the heart that can aid physicians in personalized diagnosis and decisions regarding electrophysiological interventions.

A methodology to estimate ventricular fiber orientations from in vivo images of patient heart geometries for personalized modeling is described. Validation of the methodology performed using normal and failing canine hearts demonstrate that that there are no significant differences between estimated and acquired fiber orientations at a clinically observable level.

דוגמנות מטופל ספציפי של לב: אומדן של אורינטציות סיבי חדרית

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

Transplantation of Induced Pluripotent Stem Cell-derived Mesoangioblast-like Myogenic Progenitors in Mouse Models of Muscle Regeneration

Patient-derived iPSCs could be an invaluable source of cells for future autologous cell therapy protocols. iPSC-derived myogenic stem/progenitor cells similar to pericyte-derived mesoangioblasts (iPSC-derived mesoangioblast-like stem/progenitor cells: IDEMs) can be established from iPSCs generated from patients affected by different forms of muscular dystrophy. Patient-specific IDEMs can be genetically corrected with different strategies (e.g. lentiviral vectors, human artificial chromosomes) and enhanced in their myogenic differentiation potential upon overexpression of the myogenesis regulator MyoD. This myogenic potential is then assessed in vitro with specific differentiation assays and analyzed by immunofluorescence. The regenerative potential of IDEMs is further evaluated in vivo, upon intramuscular and intra-arterial transplantation in two representative mouse models displaying acute and chronic muscle regeneration. The contribution of IDEMs to the host skeletal muscle is then confirmed by different functional tests in transplanted mice. In particular, the amelioration of the motor capacity of the animals is studied with treadmill tests. Cell engraftment and differentiation are then assessed by a number of histological and immunofluorescence assays on transplanted muscles. Overall, this paper describes the assays and tools currently utilized to evaluate the differentiation capacity of IDEMs, focusing on the transplantation methods and subsequent outcome measures to analyze the efficacy of cell transplantation.

Induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived myogenic progenitors are promising candidates for cell therapy strategies to treat muscular dystrophies. This protocol describes transplantation and functional measurements required to evaluate the engraftment and differentiation of iPSC-derived mesoangioblasts (a type of muscle progenitors) in mouse models of acute and chronic muscle regeneration.

השתלה של תאי גזע פלוריפוטנטיים המושרה נגזר Mesoangioblast כמו אבות מיוגניים במודלים עכבר של התחדשות שרירים

Patient-derived iPSCs could be an invaluable source of cells for future autologous cell therapy protocols. iPSC-derived myogenic stem/progenitor cells ...

Production and Targeting of Monovalent Quantum Dots

The multivalent nature of commercial quantum dots (QDs) and the difficulties associated with producing monovalent dots have limited their applications in biology, where clustering and the spatial organization of biomolecules is often the object of study. We describe here a protocol to produce monovalent quantum dots (mQDs) that can be accomplished in most biological research laboratories via a simple mixing of CdSe/ZnS core/shell QDs with phosphorothioate DNA (ptDNA) of defined length. After a single ptDNA strand has wrapped the QD, additional strands are excluded from the surface. Production of mQDs in this manner can be accomplished at small and large scale, with commercial reagents, and in minimal steps. These mQDs can be specifically directed to biological targets by hybridization to a complementary single stranded targeting DNA. We demonstrate the use of these mQDs as imaging probes by labeling SNAP-tagged Notch receptors on live mammalian cells, targeted by mQDs bearing a benzylguanine moiety.

We provide detailed instructions for the preparation of monovalent targeted quantum dots (mQDs) from phosphorothioate DNA of defined length. DNA wrapping occurs in high yield, and therefore, products do not require purification. We demonstrate the use of the SNAP tag to target mQDs to cell-surface receptors for live-cell imaging applications.

ייצור ומיקוד של חד-אנרגיה קוונטית נקודות

The multivalent nature of commercial quantum dots (QDs) and the difficulties associated with producing monovalent dots have limited their applications in ...

Solid Lipid Nanoparticles (SLNs) for Intracellular Targeting Applications

Nanoparticle-based delivery vehicles have shown great promise for intracellular targeting applications, providing a mechanism to specifically alter cellular signaling and gene expression. In a previous investigation, the synthesis of ultra-small solid lipid nanoparticles (SLNs) for topical drug delivery and biomarker detection applications was demonstrated. SLNs are a well-studied example of a nanoparticle delivery system that has emerged as a promising drug delivery vehicle. In this study, SLNs were loaded with a fluorescent dye and used as a model to investigate particle-cell interactions. The phase inversion temperature (PIT) method was used for the synthesis of ultra-small populations of biocompatible nanoparticles. A 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenylphenyltetrazolium bromide (MTT) assay was utilized in order to establish appropriate dosing levels prior to the nanoparticle-cell interaction studies. Furthermore, primary human dermal fibroblasts and mouse dendritic cells were exposed to dye-loaded SLN over time and the interactions with respect to toxicity and particle uptake were characterized using fluorescence microscopy and flow cytometry. This study demonstrated that ultra-small SLNs, as a nanoparticle delivery system, are suitable for intracellular targeting of different cell types.

Solid Lipid Nanoparticles SLNs for Intracellular Targeting Applications

In this study, a method for synthesizing ultra-small populations of biocompatible nanoparticles was described, as well as several in vitro methods by which to assess their cellular interactions.

מוצקים שומנים חלקיקים (SLNs) אפליקציות לתאיות מיקוד

Nanoparticle-based delivery vehicles have shown great promise for intracellular targeting applications, providing a mechanism to specifically alter ...

Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

The transmission of multiple independent optical signals through a multimode fiber is accomplished using wavefront shaping in order to compensate for the light distortion during the propagation within the fiber. Our methodology is based on digital optical phase conjugation employing only a single spatial light modulator, where the optical wavefront is individually modulated at different regions of the modulator, one region per light signal. Digital optical phase conjugation approaches are considered to be faster than other wavefront shaping approaches, where (for example) a complete determination of the wave propagation behavior of the fiber is performed. In contrast, the presented approach is time-efficient since it only requires one calibration per light signal. The proposed method is potentially appropriate for spatial division multiplexing in communications engineering. Further application fields are endoscopic light delivery in biophotonics, especially in optogenetics, where single cells in biological tissue have to be selectively illuminated with high spatial and temporal resolution.

We demonstrate the transmission of multiple independent signals through a multimode fiber using wavefront shaping employing a single spatial light modulator. By modulating the wavefront for each signal individually, spatially separated foci are transmitted. Potential applications are multiplexed data transfer in communications engineering and endoscopic light delivery in biophotonics.

העברת אותות מרובים דרך סיב אופטי באמצעות Wavefront לעיצוב

The transmission of multiple independent optical signals through a multimode fiber is accomplished using wavefront shaping in order to compensate for the ...

Protocol for MicroRNA Transfer into Adult Bone Marrow-derived Hematopoietic Stem Cells to Enable Cell Engineering Combined with Magnetic Targeting

While CD133+ hematopoietic stem cells (SCs) have been proven to provide high potential in the field of regenerative medicine, their low retention rates after injection into injured tissues as well as the observed massive cell death rates lead to very restricted therapeutic effects. To overcome these limitations, we sought to establish a non-viral based protocol for suitable cell engineering prior to their administration. The modification of human CD133+ expressing SCs using microRNA (miR) loaded magnetic polyplexes was addressed with respect to uptake efficiency and safety as well as the targeting potential of the cells. Relying on our protocol, we can achieve high miR uptake rates of 80&#8211;90% while the CD133+ stem cell properties remain unaffected. Moreover, these modified cells offer the option of magnetic targeting. We describe here a safe and highly efficient procedure for the modification of CD133+ SCs. We expect this approach to provide a standard technology for optimization of therapeutic stem cell effects and for monitoring of the administered cell product via magnetic resonance imaging (MRI).

This protocol illustrates a safe and efficient procedure to modify CD133+ hematopoietic stem cells. The presented non-viral, magnetic polyplex-based approach may provide a basis for the optimization of therapeutic stem cell effects as well as for monitoring the administered cell product via magnetic resonance imaging.

פרוטוקול להעברת MicroRNA לתוך למבוגרים הנגזרות מח עצם Hematopoietic תאי גזע כדי לאפשר הנדסה תא בשילוב עם מיקוד מגנטי

While CD133+ hematopoietic stem cells (SCs) have been proven to provide high potential in the field of regenerative medicine, their low retention rates ...

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.

ייצור פנטום פוליוויניל אלכוהול ספציפי למטופל עם אולטרסאונד וניגוד רנטגן לתכנון ניתוח גידול במוח

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.