Biomedical Engineering and Bioengineering Commons^™

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

2019 Award Winners

No abstract provided.

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 …

Estimating The Spectrum In Computed Tomography Via Kullback–Leibler Divergence Constrained Optimization, Wooseok Ha, Emil Y. Sidky, Rina Foygel Barber, Taly Gilat Schmidt, Xiaochuan Pan

Biomedical Engineering Faculty Research and Publications

Purpose

We study the problem of spectrum estimation from transmission data of a known phantom. The goal is to reconstruct an x‐ray spectrum that can accurately model the x‐ray transmission curves and reflects a realistic shape of the typical energy spectra of the CT system.

Methods

Spectrum estimation is posed as an optimization problem with x‐ray spectrum as unknown variables, and a Kullback–Leibler (KL)‐divergence constraint is employed to incorporate prior knowledge of the spectrum and enhance numerical stability of the estimation process. The formulated constrained optimization problem is convex and can be solved efficiently by use of the exponentiated‐gradient (EG) …

Ct Automated Exposure Control Using A Generalized Detectability Index, P. Khobragade, Franco Rupcich, Jiahua Fan, Dominic J. Crotty, Naveen M. Kulkarni, Stacy D. O'Connor, W. Dennis Foley, Taly Gilat Schmidt

Biomedical Engineering Faculty Research and Publications

Purpose

Identifying an appropriate tube current setting can be challenging when using iterative reconstruction due to the varying relationship between spatial resolution, contrast, noise, and dose across different algorithms. This study developed and investigated the application of a generalized detectability index (d'_gen) to determine the noise parameter to input to existing automated exposure control (AEC) systems to provide consistent image quality (IQ) across different reconstruction approaches.

Methods

This study proposes a task‐based automated exposure control (AEC) method using a generalized detectability index (d'_gen). The proposed method leverages existing AEC methods that are based on a prescribed …

Spatial And Temporal Influences On Discrimination Of Vibrotactile Stimuli On The Arm, Valay Shah, Maura Casadio, Robert A. Scheidt, Leigh A. Mrotek

Biomedical Engineering Faculty Research and Publications

Body–machine interfaces (BMIs) provide a non-invasive way to control devices. Vibrotactile stimulation has been used by BMIs to provide performance feedback to the user, thereby reducing visual demands. To advance the goal of developing a compact, multivariate vibrotactile display for BMIs, we performed two psychophysical experiments to determine the acuity of vibrotactile perception across the arm. The first experiment assessed vibration intensity discrimination of sequentially presented stimuli within four dermatomes of the arm (C5, C7, C8, and T1) and on the ulnar head. The second experiment compared vibration intensity discrimination when pairs of vibrotactile stimuli were presented simultaneously vs. sequentially …

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

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

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 …

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 …

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 …