Biomedical Engineering and Bioengineering Commons^™

The Second Wind, Jacob Heiss, Logan Neidert

Williams Honors College, Honors Research Projects

The Second Wind device is a set of sensors and a data processing unit capable of recording data necessary to conduct a simplified version of a complex cardiopulmonary stress test (CPET). This data includes VO2, VCO2, ventilation, and pulse oximetry data. VO2 and VCO2 are the percent, by volume, of oxygen and carbon dioxide in the patient's breath, spirometry is the measure of air flow, and the pulse oximetry data includes heart rate (HR) and percent oxygen in the blood (SpO2). In addition, the device was designed to be portable, so this test could be run from patients’ homes or …

Msg-Fast: Metagenomic Shotgun Data Fast Annotation Using Microbial Gene Catalogs, Stuart M. Brown, Hao Chen, Yuhan Hao, Bobby P. Laungani, Thahmina A. Ali, Changsu Dong, Carlos Lijeron, Baekdoo Kim, Claudia Wultsch, Zhiheng Pei, Konstantinos Krampis

Publications and Research

Background: Current methods used for annotating metagenomics shotgun sequencing (MGS) data rely on a computationally intensive and low-stringency approach of mapping each read to a generic database of proteins or reference microbial genomes.

Results: We developed MGS-Fast, an analysis approach for shotgun whole-genome metagenomic data utilizing Bowtie2 DNA-DNA alignment of reads that is an alternative to using the integrated catalog of reference genes database of well-annotated genes compiled from human microbiome data. This method is rapid and provides high-stringency matches (>90% DNA sequence identity) of the metagenomics reads to genes with annotated functions. We demonstrate the use of this …

A Computational Assessment Of Lisfranc Injuries And Their Surgical Repairs, Michael Perez

Theses and Dissertations

While Lisfranc injuries in the mid foot are less common than other ankle and mid foot injuries, they pose challenges in both properly identifying them and treating them. When Lisfranc injuries are ligamentous and do not include obvious fractures, they are very challenging for clinicians to identify unless weight bearing radiographs are used. The result is that 20%-40% of Lisfranc injuries are missed in the initial evaluation. Even when injuries are correctly identified the outcomes of surgical procedures remain poor. Existing literature has compared the different surgical procedures but has not had a standard approach or procedures across studies. This …

The Role Of The Mechanical Environment On Cd117+ Endothelial Cell Angiogenesis, Patrick Link

Theses and Dissertations

Angiogenesis is a complex process coordinating cell migration, proliferation, and lumen formation. Changes to the microenvironment regulate angiogenesis through mechanotransduction and cytokine signals. In pulmonary hypertension, something in the process becomes abnormal, resulting in changes to the microenvironment and the formation of a glomerulus of dysfunctional capillaries, called a plexiform lesion. Endothelial cells, expressing CD117 (CD117+ EC clones) increase in the plexiform lesions of pulmonary hypertension, independent of pro-angiogenic VEGF signaling. We hypothesize that the mechanical environment and the macromolecular composition of the extracellular matrix, both, contribute to the aberrant angiogenesis. When we changed the mechanical environment, we changed the …

Engineering The Alveolar Gas Exchange Barrier With Extracellular Matrix Coatings For Bioengineered Lungs, Bethany M. Young

Theses and Dissertations

Lower respiratory diseases are currently the third leading cause of death worldwide. For many end-stage patients with these diseases, there is no cure and a shortage of donor organs available for transplant. A promising solution is to design regenerative scaffolds or complete bioengineered lungs, using decellularized lung tissues as a template for regeneration. Recent advances in the field have made significant strides towards developing a transplantable lung. However, the current technology has not produced a functional lung for in vivo transplant due to immature gas exchange barriers. The mechanisms driving alveolar barrier maturation and role that extracellular matrix (ECM) plays …

Eralpha Isoforms Modulate The Tumorigenicity Of 24r,25(Oh)2d3 In Estrogen-Responsive Cancer, Anjali Verma

Theses and Dissertations

Over 200,000 cases of breast cancer are diagnosed every year. Nearly 20% of these patients supplement their diets with some form of vitamin D. This high frequency of vitamin D supplement use may be due in part to research suggesting that cancer patients with higher serum vitamin D₃ levels have better prognoses than patients with low serum vitamin D_3. However, double-blind clinical trials on the efficacy of vitamin D₃ supplementation in breast cancer have been inconclusive. A recent meta-analysis showed evidence of reduced cancer recurrence in patients taking vitamin D₃ supplements who had ‘estrogen receptor positive’ …

Mechanochemical Regulation Of Epithelial Tissue Remodeling: A Multiscale Computational Model Of The Epithelial-Mesenchymal Transition Program, Lewis Scott

Theses and Dissertations

Epithelial-mesenchymal transition (EMT) regulates the cellular processes of migration, growth, and proliferation - as well as the collective cellular process of tissue remodeling - in response to mechanical and chemical stimuli in the cellular microenvironment. Cells of the epithelium form cell-cell junctions with adjacent cells to function as a barrier between the body and its environment. By distributing localized stress throughout the tissue, this mechanical coupling between cells maintains tensional homeostasis in epithelial tissue structures and provides positional information for regulating cellular processes. Whereas in vitro and in vivo models fail to capture the complex interconnectedness of EMT-associated signaling networks, …

Design And Evaluation Of A Non-Contact Bed-Mounted Sensing Device For Automated In-Home Detection Of Obstructive Sleep Apnea: A Pilot Study, Clara Mosquera-Lopez, Joseph Leitschuh, John Condon, Chad C. Hagen, Uma Rajhbeharrysingh, Cody Hanks, Peter Jacobs

Electrical and Computer Engineering Faculty Publications and Presentations

We conducted a pilot study to evaluate the accuracy of a custom built non-contact pressure-sensitive device in diagnosing obstructive sleep apnea (OSA) severity as an alternative to in-laboratory polysomnography (PSG) and a Type 3 in-home sleep apnea test (HSAT). Fourteen patients completed PSG sleep studies for one night with simultaneous recording from our load-cell-based sensing device in the bed. Subjects subsequently installed pressure sensors in their bed at home and recorded signals for up to four nights. Machine learning models were optimized to classify sleep apnea severity using a standardized American Academy of Sleep Medicine (AASM) scoring of the gold …

The Transcriptional Response Of Phanerochaete Chrysosporium And Trametes Versicolor To Growth On Stems Of Helianthus Argophyllus (Silverleaf Sunflower), Nadh Hamoud Alsubaie

Masters Theses

Traditional physicochemical and physicomechanical pretreatment technologies have improved the deconstruction of lignocellulose, but often require high energy inputs and added chemical reagents. Recent studies have demonstrated the use of white-rot fungi as alternative biological pretreatment agents that can mitigate these concerns. Although, white-rot fungi have been shown to grow on a variety of non-woody substrates, they have not been explored with respect to sunflower, which has the potential to provide raw materials for both biodiesel and bioethanol. In the present study, Silverleaf sunflower stems (Helianthus argophyllus) were used as substrates for the white-rot fungi Phanerochaete chrysosporium and Trametes …

Design And Development Of Artificial Spinal Ligaments For Paediatric Synthetic Spine, Nor Amalina Muhayudin, Khairul Salleh Basaruddin, Fiona Mcevoy, Anthony Tansey

Articles

A synthetic spine is a model fabricated from artificial materials consisting of the vertebrae, intervertebral discs and ligaments for spinal testing. The synthetic spine overcomes many difficulties associated with biological specimens such as handling, biohazard concerns, high costs, and limited availability of specimens, quality and large inter-specimen variability. This paper presents the design and development of spinal ligaments to mimic the stiffness of the paediatric ligaments for use in the synthetic spine. Spinal ligaments are uniaxial structures in the spine that carry tensile loads along the direction of the fibres. Early in the research, silicone materials were used to cover …

Relaxed Mental State Detection Using The Emotiv Epoc And Adaptive Threshold Algorithms, Olin L. Anderson

EWU Masters Thesis Collection

The electroencephalogram (EEG) has proven to be useful in a wide variety of applications, including: diagnosis of mental disorders, psychological research, neurofeedback, and brain-computer interfacing. Most such applications of the EEG benefit from an ability to automatically detect when the subject is in a relaxed state. Recently, inexpensive and relatively easy to use EEG systems, with multiple electrodes, have become available at prices comparable to cellular phones or game machines. This project’s purpose is to investigate the feasibility of real-time classification of a subject's relaxation state using one such consumer-grade EEG system, the Emotiv Epoc. The subject's state is classified …

Special Issue On Low Temperature Plasma Jets, Mounir Laroussi

Electrical & Computer Engineering Faculty Publications

[Introduction] Low temperature plasma jets are unique plasma sources capable of delivering plasma outside of the confinement of electrodes and away from gas enclosures/chambers. With these jets plasma can be easily delivered to a target located at some distance from the plasma generation region [1].

Walking Biomechanics And Energetics Of Individuals With A Visual Impairment: A Preliminary Report, Hunter J. Bennett, Kevin A. Valenzuela, Kristina Fleenor, Steven Morrison, Justin A. Haegele

Human Movement Studies & Special Education Faculty Publications

Purpose.

Although walking gait in sighted populations is well researched, few studies have investigated persons with visual impairments (VIs). Given the lack of physical activity in people with VIs, it is possible that reduced efficiency in walking could adversely affect activity. The purposes of this preliminary study were to (1) examine the biomechanics and energetics utilized during independent and guided walking in subjects with VIs, and (2) compare gait biomechanics between people with VIs and sighted controls.

Methods.

Three-dimensional motion capture and force platforms were used during independent and guided walking at self-selected speeds. Joint angles, moments, external work, and …

Expression, Purification, And Characterization Of Recombinant Basic Fibroblast Growth Factor In Pichia Pastoris, Henry Hieu Minh Le

University of the Pacific Theses and Dissertations

Wounds in the mouth, occurring after oral surgery, take time to heal. No ointment can be added to help with the healing process because mouth saliva will constantly wash it away. In order to combat this problem, we propose engineering a normal flora microbe to grow at the site of injury and secrete a recombinant growth factor to promote healing of the damaged tissue. Our goal is to have the yeast Pichia pastoris produce human basic fibroblast growth factor (bFGF), which aids in cellular proliferation. P. pastoris is a good choice for this application because not only is it considered …

Manipulation Of The Precursor Supply For High-Level Production Of Longifolene By Metabolically Engineered Escherichia Coli, Yujin Cao, Rubing Zhang, Wei Liu, Guang Zhao, Wei Niu, Jiantao Guo, Mo Xian, Huizhou Liu

Department of Chemical and Biomolecular Engineering: Faculty Publications

Longifolene is a naturally occurring tricyclic sesquiterpene widely used in many different fields. Up to now, this valuable terpene was mainly manufactured from the high-boiling fraction of certain pine resins. Microbial production can be a promising alternative to the extraction from natural plant sources. Here, we present the metabolic engineering strategy to assemble biosynthetic pathway for longifolene production in Escherichia coli. E. coli was rendered to produce longifolene by heterologously expressing a codon optimized longifolene synthase from Picea abies. Augmentation of the metabolic flux to farnesyl pyrophosphate (FPP) by different FPP synthases conferred a 1.8-fold increase in longifolene …

Magnetic Composite Biomaterials For Neural Regeneration, Jessica L. Funnell, Bailey Balouch, Ryan J. Gilbert

Chemical and Biochemical Engineering Faculty Research & Creative Works

Nervous system damage caused by physical trauma or degenerative diseases can result in loss of sensory and motor function for patients. Biomaterial interventions have shown promise in animal studies, providing contact guidance for extending neurites or sustained release of various drugs and growth factors; however, these approaches often target only one aspect of the regeneration process. More recent studies investigate hybrid approaches, creating complex materials that can reduce inflammation or provide neuroprotection in addition to stimulating growth and regeneration. Magnetic materials have shown promise in this field, as they can be manipulated non-invasively, are easily functionalized, and can be used …

Applications Of Machine Learning In Nuclear Imaging And Radiation Detection, Shaikat Mahmood Galib

Doctoral Dissertations

"The main focus of this work is to use machine learning and data mining techniques to address some challenging problems that arise from nuclear data. Specifically, two problem areas are discussed: nuclear imaging and radiation detection. The techniques to approach these problems are primarily based on a variant of Artificial Neural Network (ANN) called Convolutional Neural Network (CNN), which is one of the most popular forms of 'deep learning' technique.

The first problem is about interpreting and analyzing 3D medical radiation images automatically. A method is developed to identify and quantify deformable image registration (DIR) errors from lung CT scans …

Prediction Of Lncrna-Protein Interactions Based On Deep Learning Model, Natsuda Navamajiti

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

One main function of long non-coding RNAs (lncRNAs) is to act as a scaffold facilitating multiple proteins to form complexes. Most of available prediction models for protein-RNA interactions, however, were proposed as a binary classifier, which limited on predicting the interaction between the non-coding RNAs and each individual RNA-binding protein (RBP). Hence, to predict if a lncRNA is acting as a scaffold, we consider this problem as a multiclass multilabel classification problem. To solve this problem, the high confident CLIP-seq data were selected from the POSTAR2 database with an augmentation of the data for the RBP classes with a small …

การประยุกต์ใช้การเรียนรู้เชิงลึกเพื่อเพิ่มความจำเพาะในการตรวจคัดกรองภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจากสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจ, จันทัปปภา จันทร์ครบ

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้ว (Atrial Fibrillation: AF) เป็นภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะที่เป็นภัยเงียบและพบได้บ่อย โดยเมื่อเกิดภาวะนี้ขึ้นทำให้มีความเสี่ยงที่จะเกิดหลอดเลือดสมองตีบตัน (Ischemic stroke) ดังนั้นการตรวจคัดกรองสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจึงมีความสำคัญ ปัจจุบันมีการพัฒนาอุปกรณ์พกพาที่สามารถตรวจจับภาวะนี้ของผู้ป่วยได้อย่างต่อเนื่อง โดยอัลกอริทึมที่ใช้จะให้ค่าความไวสูงในการตรวจจับ ซึ่งจะทำให้ค่าความจำเพาะนั้นต่ำ ดังนั้นในงานวิจัยนี้ได้ทำการนำการเรียนรู้เชิงลึก (Deep learning) มาประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มค่าความจำเพาะในการตรวจจับภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้ว โดยมีตัวรบกวนที่สำคัญได้แก่ ภาวะหัวใจปกติ ภาวะหัวใจห้องบนเต้นก่อนจังหวะ และภาวะหัวใจห้องล่างเต้นก่อนจังหวะ โดยงานวิจัยนี้ได้นำเอาโครงข่ายคอนโวลูชันมาใช้แยกแยะภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วทั้งข้อมูลภาพและข้อมูลอนุกรมเวลา ซึ่งค่าความไวและค่าความจำเพาะของโมเดลที่ฝึกจากข้อมูลภาพสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจอยู่ที่ร้อยละ 84.67 และ 96.33 ตามลำดับ จากนั้นนำโมเดลที่ได้ไปใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ตรวจคัดกรองภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วที่ใช้อัลกอริทึมที่มีความซับซ้อนน้อย พบว่าได้ค่าความไวและค่าความจำเพาะอยู่ที่ร้อยละ 96.97 และ 100 ตามลำดับ และโมเดลที่ทำการแยะแยะกลุ่มสัญญาณภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วกับกลุ่มสัญญาณที่ไม่ใช่ภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วที่ได้จากข้อมูลอนุกรมเวลาให้ค่าความไวและค่าความจำเพาะของอยู่ที่ร้อยละ 98.33 และ 99.33 ตามลำดับ จากนั้นนำข้อมูลของกลุ่มสัญญาณที่ไม่ใช่ภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วมาทำการแยกประเภทได้ค่าความถูกต้องสูงสุดอยู่ที่ร้อยละ 92.33 ผลการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าค่าความจำเพาะสามารถถูกปรับปรุงให้ดีขึ้นได้เมื่อนำการเรียนรู้เชิงลึกมาประยุกต์เพื่อสร้างโมเดลสำหรับการคัดแยกภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจากภาวะอื่น ๆ

การพัฒนาเท้าเทียมแบบปรับความแข็งสปริงสำหรับผู้พิการขาขาดระดับกิจกรรมต่ำ, ธิติธรรม์ ธรรมวินทร

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ผู้พิการขาขาดมีความแข็งสปริงข้อเท้าเทียมที่เหมาะสมกับตนเองแตกต่างกันไปด้วยสาเหตุจากน้ำหนัก รองเท้า ลักษณะการใช้ชีวิต และความชอบส่วนบุคคุล ในกลุ่มนี้มีผู้พิการขาขาดระดับกิจกรรมต่ำ K-level 1และ2 ซึ่งมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนผู้สูงอายุที่จะเพิ่มขึ้นในอนาคต ปัญหาเหล่านี้นำมาสู่การสร้างงานวิจัยภายใต้วัตถุประสงค์ว่าออกแบบและผลิตเท้าเทียมแบบปรับความแข็งสปริง(Stiffness)สำหรับผู้พิการระดับกิจกรรมต่ำ K-level 1 หรือ 2 ด้วยพลังงานปลดปล่อย(Return Energy)ที่เหมาะสม แนวคิด 2 แนวทางได้รับการต่อยอดมาสู่การออกแบบเท้าเทียม งานชิ้นแรกคือเท้าเทียมโมเดล A ใช้สปริงก้นหอย 2 ชิ้นทำหน้าที่เป็นข้อเท้า ชิ้นหนึ่งสำหรับการกระดกเท้าขึ้น(Dorsiflexion)ส่วนอีกชิ้นทำหน้าที่กระดกเท้าลง(Plantarflexion) แต่ละชิ้นจะมีช่องสล็อตสำหรับสอดแท่งพินที่มีส่วนในการปรับความแข็งสปริงเชิงมุม เท้าเทียมได้รับการพัฒนาและจำลองการทำงานด้วยโปรแกรมวิธีการทางไฟไนต์เอลิเมนต์ ผลที่ได้คือสามารถปรับความแข็งสปริงได้ในช่วงกว้าง อย่างไรก็ตามเกิดความเค้นสูงบริเวณสปริงทั้งสอง รวมถึงขนาดของเท้าเทียมที่ใหญ่เกินกว่าจะสวมเข้ายางหุ้มเท้าได้ ถัดมาจึงได้ทำการออกแบบเท้าเทียมโมเดล B ที่ใช้การปรับความแข็งสปริงเชิงเส้นของส่วนForefootและHeel โดยมีชิ้นStopperคั่นระหว่าง Leaf springกับForefoot และมีStopperอีกชิ้นคั่นระหว่างLeaf springกับHeel การเปลี่ยนตำแหน่งStopperหมายถึงการปรับความแข็งสปริงไปด้วย ด้วยวิธีการประมวลผลคำนวณเช่นเดียวโมเดลก่อนหน้านี้ ผลลัพธ์ที่ได้คือช่วงความแข็งสปริงที่ปรับได้น่าพึงพาใจและความเค้นมีค่าต่ำบนชิ้นงานที่งอตัวได้ พลังงานสะสมต่ำ(Storage Energy)ในระดับความแข็งสปริงสูง เหมาะกับผู้พิการระดับกิจกรรมต่ำ K-level 1 และ 2 นอกจากนี้แล้วยังมีแนวโน้มสวมเข้าเท้ายางได้ ด้วยเหตุนี้เท้าเทียมโมเดล B จึงได้ถูกเลือกให้มาดำเนินการผลิต หลังจากทำการผลิตเท้าเทียมโมเดล B จึงได้ทำการทดสอบทางกลเพื่อตรวจสอบความปลอดภัยที่แรงกระทำปกติ และเมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเท้าเทียมที่ขายเชิงพาณิชย์ พบกว่าเท้าเทียมโมเดล B มีค่าความแข็งสปริงเชิงเส้นครอบคลุมกลุ่มเท้าเทียมดังกล่าวที่มีขนาดเดียวกัน และมีค่าใกล้เคียงเท้าเทียมSACHและSingle Axis ในการทดสอบการใช้งานจริง ได้อาสาสมัครผู้พิการขาขาดระดับล่างข้างเดียว 1 คนมาทดลองเดินด้วยเท้าเทียมโมเดล B พร้อมลองปรับค่าความแข็งสปริง จากผลการทดสอบได้ว่ากลไกสามารถทำงานได้ และผู้พิการสามารถเลือกความแข็งสปริงที่เหมาะสมกับตนเองได้ สำหรับงานวิจัยในอนาคต มีความจำเป็นยิ่งทีต้องพัฒนาให้มีความคงทนมากยิ่งขึ้น