Biomedical Engineering and Bioengineering Commons^™

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

การพัฒนาขั้นตอนวิธีที่มีความซับซ้อนต่ำเพื่อตรวจจับภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจากสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจระยะสั้น, สุเชษฐ์ มหัทธนทวี

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ในงานวิทยานิพนธ์นี้ได้ทำการพัฒนาขั้นตอนวิธีที่มีความซับซ้อนต่ำเพื่อตรวจจับภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจากสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจระยะสั้น โดยใช้พารามิเตอร์ค่าความแปรปรวนของอัตราการเต้นของหัวใจ (pNN50) และอัตราการเต้นของหัวใจในหน่วยครั้งต่อนาที โดยผู้ที่มีภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจะมีค่าความแปรปรวนของอัตราการเต้นของหัวใจและอัตราการเต้นของหัวใจมากกว่าคนปกติ จากนั้นได้นำค่าพารามิเตอร์ทั้งสองมาวัดการกระจายตัวเชิงเส้นและกำหนดค่าจุดตัดสินใจ โดยได้ใช้ฐานข้อมูลคลื่นไฟฟ้าหัวใจจาก PhysioNet challenge 2017 เพื่อนำมาใช้ในการพัฒนาขั้นตอนวิธีโดยคัดเลือกข้อมูลผู้ที่มีภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วและสภาวะปกติที่มีความยาวอย่างน้อย 30 วินาทีได้ตัวอย่างคลื่นไฟฟ้าหัวใจในภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วจำนวน 625 ตัวอย่างและคลื่นไฟฟ้าหัวใจในสภาวะปกติจำนวน 4,529 ตัวอย่าง โดยได้นำขั้นตอนวิธีที่พัฒนาขึ้นนี้ไปสังเคราะห์และประมวลผลโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาด 8 บิต เพื่อหาประสิทธิภาพของการคัดกรองสภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วแบบตามเวลาจริง ขั้นตอนวิธีที่ได้พัฒนาขึ้นมีค่าความไวที่ 97.12% และความจำเพาะที่ 76.54% แสดงให้เห็นว่าขั้นตอนวิธีที่พัฒนาขึ้นมีประสิทธิภาพในการตรวจคัดกรองผู้ป่วยภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วได้อย่างดี

The Endocytotic Fate Of A Mesoporous Silica Nanoparticle Supported Lipid Bylayer Crispr Delivery Vehicle, Angelea Maestas-Olguin

2019 Award Winners

No abstract provided.

Bacterial Cellulose/Alginate/Gelatin Composite Films For Wound Dressing, Nadda Chiaoprakobkij

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

This research aimed to develop the blended bacterial cellulose (BC)/ alginate (A)/ gelatin (G) incorporating with curcumin (C) for wound dressing application. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy showed that the interaction among bacterial cellulose/alginate/gelatin curcumin molecules were only physical but not chemical intermolecular level. Water vapor and oxygen permeabilities of the fabricated films were close to commercially avaialbe wound dressings. Curcumin incorporation lowered fluid absorption ability, water vapor and oxygen permeabilities. In vitro culture of human keratinocytes, and human gingival fibroblasts evidenced that the fabricated composite films could promote cell proliferation. Curcumin-loaded films showed anticancer activity against human oral cancer …

Use Of Magnetic Resonance Image Registration To Estimate Displacement In The Human Earcanal Due To The Insertion Of In-Ear Devices, Simon Benacchio, Olivier Doutres, Arthur Varoquaux, Éric Wagnac, Arnaud Le Troter, Virginie Callot, Franck Sgard

Études primaires

In-ear devices are used in a wide range of applications for which the device's usability and/or efficiency is strongly related to comfort aspects that are influenced by the mechanical interaction between the device and the walls of the earcanal. Although the displacement of the earcanal walls due to the insertion of the device is an important characteristic of this interaction, existing studies on this subject are very limited. This paper proposes a method to estimate this displacement in vivo using a registration technique on magnetic resonance images. The amplitude, the location and the direction of the earcanal wall displacement are …

Aptamer Functionalized Zinc Oxide Field Effect Transistors For Odor Detection, Michael D. Aldridge

Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports (ETD)

Odor detection and identification are complex processes, and tasks that currently only animals do well. There is a pressing need for an electronic nose, or eNose, with good sensitivity, selectivity, and speed that mimics that ability. Food quality control operations, environmental sensing, occupational safety, and the defense sectors all require systems that can rapidly and reliably detect trace levels of volatile organic compounds. The goal of this work is to create a biologically inspired device which can accurately detect and identify odors at concentrations consistent with the most sensitive biological systems.

In order to mimic a natural olfactory system, we …

Multiscale Mathematical Modelling Of Nonlinear Nanowire Resonators For Biological Applications, Rosa Fallahpourghadikolaei

Theses and Dissertations (Comprehensive)

Nanoscale systems fabricated with low-dimensional nanostructures such as carbon nanotubes, nanowires, quantum dots, and more recently graphene sheets, have fascinated researchers from different fields due to their extraordinary and unique physical properties. For example, the remarkable mechanical properties of nanoresonators empower them to have a very high resonant frequency up to the order of giga to terahertz. The ultra-high frequency of these systems attracted the attention of researchers in the area of bio-sensing with the idea to implement them for detection of tiny bio-objects. In this thesis, we originally propose and analyze a mathematical model for nonlinear vibrations of nanowire …

Exploring The Role And Impact Of Microscale Phenomena On Electrode, Microdevice, And Cellular Function, Sanaz Habibi

Dissertations, Master's Theses and Master's Reports

Microfluidic technologies enable the development of portable devices to perform multiple high-resolution unit operations with small sample and reagent volumes, low fabrication cost, facile operation, and quick response times. Microfluidic platforms are expected to effectively interpret both wanted and unwanted phenomena; however, a comprehensive evaluation of the unwanted phenomena has not been appropriately investigated in the literature. This work explored an attenuative evaluation of unwanted phenomena, also called here as secondary phenomena, in a unique approach.

Upon electric field utilization within microfluidic devices, electrode miniaturization improves device sensitivity. However, electrodes in contact with medium solution can yield byproducts that can …

Optical Vortex And Poincaré Analysis For Biophysical Dynamics, Anindya Majumdar

Dissertations, Master's Theses and Master's Reports

Coherent light - such as that from a laser - on interaction with biological tissues, undergoes scattering. This scattered light undergoes interference and the resultant field has randomly added phases and amplitudes. This random interference pattern is known as speckles, and has been the subject of multiple applications, including imaging techniques. These speckle fields inherently contain optical vortices, or phase singularities. These are locations where the intensity (or amplitude) of the interference pattern is zero, and the phase is undefined.

In the research presented in this dissertation, dynamic speckle patterns were obtained through computer simulations as well as laboratory setups …

A Smart Implantable Bone Fixation Plate Providing Actuation And Load Monitoring For Orthopedic Fracture Healing, Brad Nelson

Dissertations, Master's Theses and Master's Reports

Fracture non-union occurs in roughly 5-10% of all fracture cases, and current interventions are both time-consuming and costly. There is therefore significant incentive to develop new tools to improve fracture healing outcomes. Several studies have shown that low-magnitude, high-frequency (LMHF) mechanical loading can promote faster healing and reduce the risk of refracture in critical-size long bone fractures. This is typically done using whole-body vibration, which may result in undesirable systemic effects on the rest of the body. This work discusses an implantable piezoelectric fixation plate that can both apply LMHF loading directly to the fracture site using flexible scheduling and …

3d Printing In Low Resource Healthcare Settings: Analysis Of Potential Implementations, Alenna Beroza

Dissertations, Master's Theses and Master's Reports

3D printing has gained significant momentum in the past ten years, and its unique advantages make it especially ideal for use in low resource healthcare settings, where many designs have already been successfully implemented. Yet, little has been studied on how 3D printing can be sustainably and functionally implemented in low resource healthcare systems as a manufacturing practice. In this report, three business models are proposed for this implementation: In-House Operator, Independent Operator, and Print Farm. These models were then tested over four months in Kisumu county, Kenya, at two workshops and seven public hospitals. I worked with local medical …

Degradable Zinc Material Characteristics And Its Influence On Biocompatibility In An In-Vivo Murine Model, Roger J. Guillory Ii

Dissertations, Master's Theses and Master's Reports

Biodegradable stents based on zinc have been under development since their introduction in 2013. While metallic zinc is highly ductile, it unfortunately lacks the mechanical strength required for arterial stents. This has led to the development of an abundance of novel zinc-based materials, with the aim of improving the mechanical strength without sacrificing too much ductility. Although these materials are intended to function and slowly degrade within an artery, most zinc-based materials have been developed without deep consideration for their biological effects.

The present work explores the biological effects elicited by zinc-based materials implanted within the arterial system. The biological …

A Biomimetic Approach To Controlling Restorative Robotics, Matthew T. Boots

Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports (ETD)

Movement is the only way a person can interact with the world around them. When trauma to the neuromuscular systems disrupts the control of movement, quality of life suffers. To restore limb functionality, active robotic interventions and/or rehabilitation are required. Unfortunately, the primary obstacle in a person’s recovery is the limited robustness of the human-machine interfaces. Current systems rely on control approaches that rely on the person to learn how the system works instead of the system being more intuitive and working with the person naturally. My research goal is to design intuitive control mechanisms based on biological processes termed …

Textured Contact Lens Based Iris Presentation Attack In Uncontrolled Environment, Daksha Yadav

Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports (ETD)

The widespread use of smartphones has spurred the research in mobile iris devices. Due to their convenience, these mobile devices are also utilized in unconstrained outdoor conditions. At the same time, iris recognition in the visible spectrum has developed into an active area of research. These scenarios have necessitated the development of reliable iris recognition algorithms for such an uncontrolled environment. Additionally, iris presentation attacks such as textured contact lens pose a major challenge to current iris recognition systems.

Motivated by these factors, in this thesis, a detailed analysis of the effect of textured contact lenses on iris recognition in …

Cardiac Regenerative Medicine: Insights From Healthy And Diseased Engineered Tissues, Pamela Grace Hitscherich

Dissertations

Cardiovascular disease remains the leading cause of mortality in the United States. Current tissue engineering approaches have fallen short of promoting fully functional cardiovascular cells and the post-myocardial infarction microenvironment is still not well understood. These gaps in knowledge are addressed in this dissertation through the development of in vitro engineered cardiac tissues using electroactive materials to enhance the differentiation of pluripotent stem cell derived cardiomyocytes and through the development of in vitro myocardial inflammation models dedicated to understanding cardiomyocytes and macrophages interactions.

Specifically, piezoelectric poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (PVDF-TrFE) supports the attachment and survival of mouse embryonic stem cell derived …

Gait Rehabilitation Using Functional Electrical Stimulation Induces Changes In Ankle Muscle Coordination In Stroke Survivors: A Preliminary Study, Jessica L. Allen, Lena H. Ting, Trisha M. Kesar

Faculty & Staff Scholarship

No abstract provided.

Quantifying Mg 2+ Binding To Ssdna Oligomers: A Self-Consistent Field Theory Study At Varying Ionic Strengths And Grafting Densities, Merina Jahan, Mark J. Uline

Faculty Publications

The performance of aptamer-based biosensors is crucially impacted by their interactions with physiological metal ions, which can alter their structures and chemical properties. Therefore, elucidating the nature of these interactions carries the utmost importance in the robust design of highly efficient biosensors. We investigated Mg ²⁺ binding to varying sequences of polymers to capture the effects of ionic strength and grafting density on ion binding and molecular reorganization of the polymer layer. The polymers are modeled as ssDNA aptamers using a self-consistent field theory, which accounts for non-covalent ion binding by integrating experimentally-derived binding constants. Our model captures the typical …

Effect Of Strong Electrolyte Containing Gelling Aids On The Sol-Gel Transition Temperature Of Hypromellose 2910, Elnaz Sadeghi

Biomedical Engineering ETDs

Hypromellose, or hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) - has been widely used for biomedical and pharmaceutical applications due to its advantages, including that it is modifiable in terms of viscosity, and it has the ability to form thermally reversible hydrogels. The thermal gelation temperature (T_Gel) of a given HPMC solution strongly depends on its characteristic grade and the solution concentration. Applying certain additives can modify the T_Gel even further; depending on their nature and concentration. With the addition of said additives, a lower or higher T_Gel can be obtained. For example, the addition of sodium chloride (NaCl) reduces …

Kcnq1/Kcne1 Interaction In The Cardiac Iks Channel And Its Physiological Consequences, Jiajing Xu

McKelvey School of Engineering Graduate Student Theses & Dissertations

Dynamic conformational changes of ion channel proteins during activation gating determine their function as carriers of current. The relationship between these molecular movements and channel function over the physiological timescale of the action potential (AP) has not been fully established due to limitations of existing techniques. We constructed a library of possible cardiac IKs protein conformations and applied a combination of protein segmentation and energy linearization to study this relationship computationally. Simulations reproduced the effects of the beta-subunit (KCNE1) on the alpha-subunit (KCNQ1) dynamics and function, observed in experiments. Mechanistically, KCNE1 increased the probability of “visiting” conducting pore conformations on …

Investigating Cyanobacteria Metabolism And Channeling-Based Regulations Via Isotopic Nonstationary Labeling And Metabolomic Analyses, Mary Helen Abernathy

McKelvey School of Engineering Graduate Student Theses & Dissertations

Cyanobacteria have the potential to be low-cost and sustainable cell factories for bio-products; however, many challenges face cyanobacteria as biorefineries. This dissertation seeks to advance non-model photosynthetic organisms for biotechnology applications by characterizing central carbon metabolism and its regulations. Cyanobacteria phenotypes for bio-production are examined and their intracellular metabolism is quantified. Using isotopic labeling experiments, phenotypic relationships between biomass composition, central carbon fluxes, and metabolite pool sizes are investigated. Metabolic analyses of cyanobacteria led to new investigations of flux regulation mechanisms via protein spatial organizations or metabolite channeling. Metabolite channeling is further explored as a hypothesis to explain enigmatic labeling …