Craig J. Goergen

Weldon School of Biomedical Engineering

Purdue University

Craig J. Goergen

Craig Goergen is an Assistant Professor of Biomedical Engineering at Purdue University in West Lafayette, Indiana and the Principal Investigator of the Cardiovascular Imaging Research Laboratory. His work combines advanced engineering, imaging, and biological approaches to study a variety of cardiac and vascular diseases.

With funding from the NIH, NSF, AHA, and the Gates Foundation, Dr. Goergen and his team are working to improve cardiovascular disease diagnosis, treatment, and prevention, ultimately providing patients with longer and more fulfilling lives. Dr. Goergen received a BS degree in biomedical engineering from Washington University in St. Louis and MS and PhD degrees in bioengineering from Stanford University. In graduate school, Dr. Goergen worked with the Biomedical Imaging Group at Genentech to study abdominal aortic aneurysm formation. His postdoctoral training in molecular optical imaging at Harvard Medical School focused on cardiac disease and left ventricular remodeling.

Dr. Goergen joined the faculty at Purdue University in December of 2012 and was named the recipient of the 2017 Biomedical Engineering Society Rita Schaffer Young Investigator Award.

Publications

סימולציות דינמיקה של נוזל חישובי של זרימת דם במפרצת מוחית

JoVE 10479

מקור: ג'וזף ס. מוסקט, ויטלי ל. רז וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

מטרת הסרטון היא לתאר את ההתקדמות האחרונה של סימולציות דינמיות של נוזלים חישוביים (CFD) המבוססות על כלי כלי ים ספציפי למטופל או לבעלי חיים. כאן נוצרו פילוחי כלי שיט מבוססי נושא, ובאמצעות שילוב של קוד פתוח וכלים מסחריים, נקבע פתרון מספרי ברזולוציה גבוהה בתוך מודל זרימה. מחקרים רבים הראו כי התנאים המודינמיים בתוך vasculature להשפיע על התפתחות והתקדמות של טרשת עורקים, מפרצות, ומחלות עורקים היקפיים אחרים; במקביל, מדידות ישירות של לחץ תוך-אלומינלי, מתח הטיה בקיר (WSS) וזמן מגורים חלקיקים (PRT) קשה לרכוש ב vivo.

CFD מאפשר להעריך משתנים כאלה באופן לא פולשני. בנוסף, CFD משמש כדי לדמות טכניקות כירורגיות, אשר מספק לרופאים ראיית הנולד טובה יותר לגבי תנאי זרימה לאחר הניתוח. שתי שיטות בהדמיית תהודה מגנטית (MRI), אנגיוגרפיה של תהודה מגנטית (MRA) עם זמן טיסה (TOF-MRA) או MRA משופר בניגודיות (CE-MRA) וניגודיות פאזה (PC-MRI), מאפשרות לנו להשיג גיאומטריות כלי שיט ושדות מהירות תלת-ממדית שנפתרו בזמן, בהתאמה. TOF-MRA מבוסס על דיכוי האות מרקמה סטטית על ידי פולסים RF חוזרים המוחלים על נפח התמונה. אות מתקבל מספינים בלתי רוויים הנעים לתוך הנפח עם הדם הזורם. CE-MRA היא טכניקה טובה יותר עבור כלי הדמיה עם זרימות recirculating מורכב, כפי שהוא משתמש סוכן ניגודיות, כגון גדליניום, כדי להגדיל את האות.

בנפרד, PC-MRI משתמש במעברי צבע דו-קוטביים כדי ליצור משמרות פאזה שהן פרופורציונליות למהירות הנוזל, ובכך מספק התפלגות מהירות שנפתרה בזמן. בעוד PC-MRI מסוגל לספק מהירויות זרימת הדם, הדיוק של שיטה זו מושפע רזולוציה spatiotemporal מוגבלת טווח דינמי מהירות. CFD מספק רזולוציה מעולה והוא יכול להעריך את טווח המהירויות ממטוסים במהירות גבוהה כדי מערבולות חוזרות איטיות שנצפו בכלי דם חולים. לכן, למרות האמינות של CFD תלוי בהנחות המידול, זה פותח את האפשרות לתיאור איכותי ומקיף של שדות זרימה ספציפיים למטופל, אשר יכול להנחות אבחון וטיפול.

 Biomedical Engineering

מיפוי מאמץ כמותי של מפרצת באבי העורקים בבטן

JoVE 10480

מקור: חנה ל. קאבול1,ארווין ה. סופריאטנה1,ג'ון ג'יי בויל2 וקרייג ג'יי גורגן1

1 בית הספר וולדון להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

2 הנדסת מכונות ומדעי החומרים, אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, סנט לואיס, מיזורי

ההתנהגות המכנית של רקמות רכות, כגון כלי דם, עור, גידים ואיברים אחרים, מושפעת מאוד מהרכב האלסטין והקולגן שלהם, המספקים גמישות וכוח. כיוון הסיבים של חלבונים אלה תלוי בסוג הרקמה הרכה ויכול לנוע בין כיוון מועדף אחד לרשתות רשת מורכבות, אשר יכול להשתנות ברקמה חולה. לכן, רקמות רכות לעתים קרובות להתנהג אניזוטרופית ברמת התא והאיברים, יצירת צורך באפיון תלת מימדי. פיתוח שיטה להערכה אמינה של שדות זנים בתוך רקמות או מבנים ביולוגיים מורכבים חשוב לאפיין ולהבין באופן מכני מחלות. זן מייצג כיצד רקמות רכות מעוותות יחסית לאורך זמן, וניתן לתאר אותה מתמטית באמצעות הערכות שונות.

רכישת נתוני תמונה לאורך זמן מאפשרת להעריך עיוות ומתח. עם זאת, כל שיטות ההדמיה הרפואית מכילות כמות מסוימת של רעש, מה שמגביר את הקושי ומדייק להגביר את זן vivo. הטכניקה המתוארת כאן מתגברת בהצלחה על בעיות אלה באמצעות שיטת הערכת עיוות ישירה (DDE) לחישוב שדות מאמץ תלת-ממדי משתנים מרחבית מנתוני תמונה נפחית.

שיטות הערכת המתח הנוכחיות כוללות מתאם תמונה דיגיטלית (DIC) ומתאם אמצעי אחסון דיגיטלי. למרבה הצער, DIC יכול רק להעריך במדויק את המתח ממישור דו-ממדי, מה שמגביל מאוד את היישום של שיטה זו. בעוד שימושי, שיטות 2D כגון DIC מתקשים לכמת מתח באזורים שעוברים עיוות 3D. הסיבה לכך היא שתנועה מחוץ למטוס יוצרת שגיאות עיוות. מתאם אמצעי אחסון דיגיטלי הוא שיטה ישימה יותר המחלקת את נתוני אמצעי האחסון ההתחלתיים לאזורים ומוצאת את האזור הדומה ביותר של אמצעי האחסון המעוות, ובכך מפחיתה את השגיאה מחוץ למישור. עם זאת, שיטה זו מוכיחה להיות רגיש רעש ודורש הנחות על המאפיינים המכניים של החומר.

הטכניקה המודגמת כאן מבטלת בעיות אלה באמצעות שיטת DDE, ובכך הופכת אותה לשימושית מאוד בניתוח נתוני הדמיה רפואית. יתר על כן, הוא חזק עד גבוה או זן מקומי. כאן אנו מתארים את הרכישה של נתוני אולטרסאונד 4D מגודרים, נפחיים, ההמרה שלהם לפורמט ניתן לניתוח, ושימוש בקוד Matlab מותאם אישית להערכת עיוות תלת-ממדי וזני גרין-לגראנז ' תואמים, פרמטר המתאר טוב יותר עיוותים גדולים. טנזור זן גרין-לגראנז' מיושם בשיטות רבות להערכת זן תלת-ממדי מכיוון שהוא מאפשר לחשב את F מתוך פחות ריבועים Fit (LSF) של העקירות. המשוואה שלהלן מייצגת את טנסור זן גרין-לגראנז', E, שבו F ואני מייצגים את שיפוע העיוות וטנסור הזהות מסדר שני, בהתאמה.

Equation 1 (1)

 Biomedical Engineering

הדמיית תהודה מגנטית לבבית

JoVE 10393

מקור: פרדריק ו. דאם וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

בסרטון זה, שדה גבוה, הדמיית תהודה מגנטית קטנה-נשא (MRI) עם ניטור פיזיולוגי הוא הודגם לרכוש לולאות cine מגודר של מערכת הלב וכלי הדם מורין. הליך זה מספק בסיס להערכת תפקוד החדר השמאלי, הדמיית רשתות כלי הדם וכימות תנועת האיברים עקב הנשימה. שיטות הדמיה לב וכלי דם קטנות דומות כוללות אולטרסאונד בתדר גבוה וטומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (CT); עם זאת, כל מודאליות משויכת לפשרות שיש לקחת בחשבון. בעוד אולטרסאונד מספק רזולוציה מרחבית וטמפורלית גבוהה, ממצאי הדמיה נפוצים. לדוגמה, רקמה צפופה (כלומר, העצם והצלעות) יכולה להגביל את עומק חדירת ההדמיה, ואות היפר-פסיכו בממשק שבין גז לנוזל (כלומר, פלורה המקיפה את הריאות) יכול לטשטש ניגודיות ברקמה הסמוכה. מיקרו-CT לעומת זאת אינו סובל מכל כך הרבה חפצים במטוס, אך יש לו רזולוציה זמנית נמוכה יותר וניגודיות מוגבלת של רקמות רכות. יתר על כן, מיקרו-CT משתמש בקרינת רנטגן ולעתים קרובות דורש שימוש של סוכני ניגוד כדי לדמיין vasculature, שניהם ידועים לגרום לתופעות לוואי במינונים גבוהים כולל נזק לקרינה ופגיעה בכליות. MRI לב וכלי דם מספק פשרה נחמדה בין טכניקות אלה על ידי שלילת הצורך קרינה מייננת ומספק למשתמש את היכולת לדמיין ללא סוכני ניגודיות (אם כי סוכני ניגוד משמשים לעתים קרובות עבור MRI).

נתונים אלה נרכשו עם רצף MRI מהיר בזווית נמוכה (FLASH) שהיה מגודר מחוץ לפסגות R במחזור הלב ומישורי התפוגה בנשימה. אירועים פיזיולוגיים אלה היו במעקב באמצעות אלקטרודות תת עוריות וכרית רגישה ללחץ שהובטחה כנגד הבטן. כדי להבטיח שהעכבר התחמם כראוי, הוכנסה בדיקה של טמפרטורה רקטלית ושימשה לשליטה בפלט של מאוורר חימום בטוח ל- MRI. לאחר שבעל החיים הוכנס לתוך השעמום של סורק MRI ורצפי ניווט בוצעו כדי לאשר מיקום, מטוסי הדמיית FLASH מגודרים נרשמו ונתונים נרכשו. בסך הכל, MRI שדה גבוה הוא כלי מחקר רב עוצמה שיכול לספק ניגודיות רקמות רכות לחקר מודלים קטנים של מחלות בעלי חיים.

 Biomedical Engineering

הדמיית פלואורסצנטיות כמעט אינפרא אדום של מפרצות באבי העורקים בבטן

JoVE 10394

מקור: ארווין ה. סופריאטנה1, קלסי א. בולנס2 וקרייג ג'יי גורגן1

1 בית הספר וולדון להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

2 המחלקה לביוכימיה, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

הדמיית פלואורסצנטיות כמעט אינפרא-אדום (NIRF) היא טכניקה אופטית מרגשת המשתמשת בבדיקות פלואורסצנטיות כדי לדמיין מכלולים ביומולקולריים מורכבים ברקמות. הדמיית NIRF יש יתרונות רבים על פני שיטות הדמיה קונבנציונליות עבור הדמיה לא פולשנית של מחלות. שלא כמו טומוגרפיה ממוחשבת בפליטת פוטון יחיד (SPECT) וטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET), הדמיית NIRF מהירה, בעלת תפוקה גבוהה, ואינה כרוכה בקרינה מייננת. יתר על כן, ההתפתחויות האחרונות בבדיקות פלואורסצנטיות ספציפיות ליעד הנדסי וניתן להפעלה מספקות ל- NIRF ספציפיות ורגישות גבוהות, מה שהופך אותה למודל אטרקטיבי בחקר סרטן ומחלות לב וכלי דם. הנוהל המוצג נועד להדגים את העקרונות העומדים מאחורי הדמיית NIRF וכיצד לערוך בניסויי vivo ו- ex vivo בבעלי חיים קטנים כדי לחקור מגוון מחלות. הדוגמה הספציפית המוצגת כאן משתמשת בדיקה פלואורסצנטית להפעלה עבור מטריצה metalloproteinase-2 (MMP2) כדי לחקור את ספיגתה בשני מודלים מכרסמים שונים של מפרצות באבי העורקים בבטן (AAAs).

 Biomedical Engineering

טומוגרפיה פוטואקוסטית לדם תמונה ולומנים בבטורה האינפרא-רנאלית

JoVE 10395

מקור: גורנייט ס. סנגה וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

טומוגרפיה פוטואקוסטית (PAT) היא שיטת הדמיה ביו-רפואית מתפתחת המשתמשת בגלים אקוסטיים שנוצרו על ידי אור כדי לקבל מידע קומפוזיציה מרקמות. PAT יכול לשמש כדי לדמיין דם ורכיבי שומנים, אשר שימושי עבור מגוון רחב של יישומים, כולל הדמיה לב וכלי דם וגידול. לטכניקות הדמיה הנמצאות בשימוש כיום יש מגבלות מובנות המגבילות את השימוש בהן עם חוקרים ורופאים. לדוגמה, זמני רכישה ארוכים, עלויות גבוהות, שימוש בניגודיות מזיקה ומינימום פולשניות הם כל הגורמים המגבילים את השימוש במודלים שונים במעבדה ובמרפאה. נכון לעכשיו, טכניקות ההדמיה הדומות היחידות ל- PAT הן טכניקות אופטיות מתפתחות. אבל אלה יש גם חסרונות, כגון עומק מוגבל של חדירה ואת הצורך סוכני ניגוד אקסוגני. PAT מספק מידע משמעותי באופן מהיר, לא פולשני, ללא תוויות. כאשר בשילוב עם אולטרסאונד, PAT יכול לשמש כדי לקבל מידע מבני, hemodynamic, קומפוזיציה מן הרקמה, ובכך להשלים טכניקות הדמיה בשימוש הנוכחי. היתרונות של PAT ממחישים את היכולות שלה להשפיע הן בסביבה פרה-קלינית והן בסביבה הקלינית.

 Biomedical Engineering

הדמיית SPECT ו- CT משולבת כדי להמחיש את תפקוד הלב

JoVE 10396

מקור: אלישה ג'י ברמן, ג'יימס א. שאקר וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

כאן נדגים את היסודות של טומוגרפיה ממוחשבת בפליטת פוטון יחיד/טומוגרפיה ממוחשבת (SPECT/CT) באמצעות עכברים. הטכניקה כוללת הזרקת רדיונוקליד לעכבר, הדמיה של החיה לאחר הפצתו בכל הגוף, ולאחר מכן שחזור התמונות המיוצרות כדי ליצור ערכת נתונים נפחית. זה יכול לספק מידע על אנטומיה, פיזיולוגיה, חילוף החומרים כדי לשפר את אבחון המחלה ולעקוב אחר התקדמותה.

במונחים של נתונים שנאספו, SPECT / CT מספק מידע דומה כמו טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים (PET)/ CT. עם זאת, העקרונות הבסיסיים של שתי טכניקות אלה שונים במהותם שכן PET דורש זיהוי של שני פוטונים גמא, אשר נפלטים בכיוונים מנוגדים. לעומת זאת, הדמיית SPECT מודדת קרינה ישירות באמצעות מצלמת גמא. כתוצאה מכך, להדמיית SPECT יש רזולוציה מרחבית נמוכה יותר מאשר PET. עם זאת, זה גם פחות יקר כי איזוטופים רדיואקטיביים SPECT זמינים יותר. הדמיית SPECT/CT מספקת מידע מטבולי ולא אנטומי לא פולשני שיכול להיות שימושי עבור מגוון רחב של יישומים.

 Biomedical Engineering

הדמיית אולטרסאונד בתדר גבוה של אב העורקים בבטן

JoVE 10397

מקור: אמיליה ר. אדלספרגר, אוון ה. פיליפס וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

מערכות אולטרסאונד בתדר גבוה משמשות לרכישת תמונות ברזולוציה גבוהה. כאן, השימוש במערכת חדשנית ביותר יודגם כדי לדמיין את המורפולוגיה ואת המודינמיקה של עורקים ורידים פועמים קטנים שנמצאו בעכברים וחולדות. אולטראסאונד היא שיטה זולה יחסית, ניידת ורב-תכליתית להערכה לא פולשנית של כלי דם בבני אדם, כמו גם בעלי חיים גדולים וקטנים. אלה הם מספר יתרונות מרכזיים שמציעה אולטרה-סאונד בהשוואה לטכניקות אחרות, כגון טומוגרפיה ממוחשבת (CT), הדמיית תהודה מגנטית (MRI) וטומוגרפיה פלואורסצנטית כמעט אינפרא-אדומה (NIRF). CT דורש קרינה מייננת ו- MRI יכול להיות יקר באופן אוסרני ואפילו לא מעשי בתרחישים מסוימים. NIRF, לעומת זאת, מוגבל על ידי עומק החדירה של האור הנדרש כדי לרגש את סוכני הניגוד הפלואורסצנטי.

אולטראסאונד יש מגבלות במונחים של עומק הדמיה; עם זאת, ניתן להתגבר על כך על ידי הקרבת רזולוציה ושימוש במתמר בתדר נמוך יותר. גז בטן ומשקל גוף עודף יכול להפחית באופן חמור את איכות התמונה. במקרה הראשון, התפשטות גלי הקול מוגבלת, ואילו במקרה האחרון, הם נושנחים על ידי רקמות מוגזמות, כגון שומן ורקמת חיבור. כתוצאה מכך, לא ניתן להבחין בניגודיות או בניגוד קלוש. לבסוף, אולטרסאונד הוא טכניקה תלוית משתמש מאוד, הדורשת הסונוגרף להכיר את האנטומיה ולהיות מסוגל לעקוף בעיות, כגון הופעת ממצאי הדמיה או הפרעה אקוסטית.

 Biomedical Engineering

טכניקות למדידת לחץ דם לא פולשניות

JoVE 10478

מקור: חמנה ג'יי קורשי וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

כאן נוקד את קווי הדמיון העיקריים וההבדלים של טכניקות מדידת לחץ דם לא פולשניות בין בני אדם ומכרסמים ונבחן את העקרונות ההנדסיים השולטים בלחץ הדם. העקרונות השולטים בטכנולוגיית השרוול הנוכחית לרכישת לחצים סיסטוליים ודיאסטוליים יידונו גם הם.

חפתים הזמינים מסחרית המתחברים למכשירים ניידים הם בדרך כלל קומפקטיים וניידים, ובכך מאפשרים לבצע מדידות כמעט בכל מקום. חפתים לא פולשניים, ניידים ללחץ דם שימושיים במיוחד עבור חולים עם יתר לחץ דם ובעיות לב וכלי דם אחרות הדורשות ניטור זהיר וגילוי מוקדם של כל שינוי בלחץ הדם.

באופן דומה, מערכות מדידת לחץ דם לא פולשניות זמינות גם עבור מכרסמים. טכנולוגיה זו משמשת בהגדרות מעבדה והיא שימושית לניטור בריאות בעלי החיים לאורך המחקר. בעוד radiotelemetry הוא תקן הזהב של מדידת לחץ דם עבור מכרסמים, טכניקה זו היא פולשנית והוא יכול להוביל לתמותה בעלי חיים אם נעשה בצורה שגויה. שיטות לא פולשניות, אם כן, נוחות למדידת מדידות בבעלי חיים שכן הן יכולות לספק נתונים בעלי ערך ללא צורך בהשתלת מכשיר. מערכת זמינה מסחרית תשמש כדי להדגים כיצד לחץ דם יכול להימדד בבני אדם מחוץ להגדרה קלינית. טכניקה זו מאפשרת למטופלים לעקוב אחר לחץ הדם שלהם מעת לעת מבלי לבקר במרפאה בכל פעם שהם רוצים שהמדידות האלה יילקחו.

השיטות המתוארות כאן מנצלות את זרימת הדם דרך זנב המכרסם באמצעות חיישני לחץ וחפתים. הן חפתים ללחץ דם נייד לבני אדם והן שיטות לא פולשניות לשרוול הזנב עבור מכרסמים מנצלות עקרונות המודינמיים דומים כדי לרכוש מדידות לחץ דם שיכולות לספק נתונים שימושיים למשתמשים, כולל רופאים, חוקרים וחולים.

 Biomedical Engineering