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10.3D : Transmission des maladies infectieuses - Biologie

10.3D : Transmission des maladies infectieuses - Biologie


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Il est important de définir les moyens de transmission d'un agent pathogène pour comprendre sa biologie et lutter contre la maladie qu'il provoque.

Objectifs d'apprentissage

  • Donner des exemples de divers modes de transmission, y compris la transmission directe et indirecte

Points clés

  • Les organismes infectieux peuvent être transmis par contact direct ou indirect.
  • La transmission peut se faire par plusieurs mécanismes différents. La transmission de maladies infectieuses peut également impliquer un vecteur. Les vecteurs peuvent être mécaniques ou biologiques.
  • Les agents pathogènes peuvent également être transmis horizontalement ou verticalement.

Mots clés

  • passif: Objet inanimé capable de transporter des agents infectieux (tels que des bactéries, des virus et des parasites), et ainsi permettre passivement leur transmission entre hôtes.
  • en aérosol: Dispersé sous forme d'aérosol; particulaire.
  • vecteur: Un porteur d'un agent pathogène.

Pour que les organismes infectieux survivent et répètent le cycle d'infection chez d'autres hôtes, ils (ou leur descendance) doivent quitter un réservoir existant et provoquer une infection ailleurs. La définition des modes de transmission joue un rôle important dans la compréhension de la biologie d'un agent infectieux et dans la lutte contre la maladie qu'il provoque.

Les organismes infectieux peuvent être transmis par contact direct ou indirect. Le contact direct se produit lorsqu'un individu entre en contact avec le réservoir. Le contact indirect se produit lorsque l'organisme est capable de résister à l'environnement hostile à l'extérieur de l'hôte pendant de longues périodes et reste infectieux lorsque l'occasion se présente.

La transmission peut se faire par plusieurs mécanismes différents. Les maladies respiratoires et la méningite sont couramment acquises par contact avec des gouttelettes en aérosol, propagées par les éternuements, la toux, la parole, les baisers ou même le chant. Les maladies gastro-intestinales sont souvent contractées par l'ingestion d'aliments et d'eau contaminés. Le lavage des mains est une mesure efficace pour éviter de contaminer les aliments et l'eau. Une méthode de transmission courante dans les pays sous-développés est la transmission fécale-orale. Dans de tels cas, les eaux usées sont utilisées pour laver les aliments ou sont consommées. Les maladies sexuellement transmissibles sont contractées par contact avec des fluides corporels, généralement à la suite d'une activité sexuelle. Certains agents infectieux peuvent se propager à la suite d'un contact avec un objet inanimé contaminé (appelé objet passif), comme une pièce de monnaie passée d'une personne à une autre, tandis que d'autres maladies pénètrent directement dans la peau.

La transmission de maladies infectieuses peut également impliquer un vecteur. Les vecteurs peuvent être mécaniques ou biologiques. Un vecteur mécanique capte un agent infectieux à l'extérieur de son corps et le transmet de manière passive. Un exemple de vecteur mécanique est une mouche domestique, qui se pose sur la bouse de vache, contaminant ses appendices avec des bactéries provenant des matières fécales, puis se pose sur la nourriture. L'agent pathogène ne pénètre jamais dans le corps de la mouche.

En revanche, les vecteurs biologiques hébergent des agents pathogènes dans leur corps et livrent des agents pathogènes à de nouveaux hôtes de manière active, généralement une morsure. Les vecteurs biologiques sont souvent responsables de maladies graves transmises par le sang, telles que le paludisme, l'encéphalite virale, la maladie de Chagas, la maladie de Lyme et la maladie du sommeil africaine. Les vecteurs biologiques sont généralement, mais pas exclusivement, les arthropodes, tels que les moustiques, les tiques, les puces et les poux. Les vecteurs sont souvent nécessaires dans le cycle de vie d'un agent pathogène. Une stratégie courante utilisée pour contrôler les maladies infectieuses à transmission vectorielle consiste à interrompre le cycle de vie d'un agent pathogène en tuant le vecteur.

Tous les modes ci-dessus sont des exemples de transmission horizontale parce que l'organisme infectieux est transmis de personne à personne au cours de la même génération. Il existe également une variété d'infections transmises verticalement, c'est-à-dire de la mère à l'enfant pendant l'accouchement ou le développement du fœtus. Les troubles courants transmis de cette façon comprennent le SIDA, l'hépatite, l'herpès et le cytomégalovirus.


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Analyse par microscopie à force atomique de virions SARS-CoV-2 infectieux et inactivés natifs

Sci Rep. 2021 juin 411 (1):11885. doi: 10.1038/s41598-021-91371-4.

Le SRAS-CoV-2 est un virus enveloppé responsable de la pandémie de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19). Ici, des virus uniques ont été analysés par microscopie à force atomique (AFM) opérant directement dans une installation de biosécurité de niveau 3 (BSL3), qui est apparue comme une méthode rapide et puissante pour évaluer à l'échelle nanométrique et en 3D la morphologie du virus infectieux dans sa conformation native, ou lors de traitements d'inactivation. L'imagerie AFM révèle le SRAS-CoV-2 infectieux et inactivé structurellement intact lors d'un traitement à faible concentration de formaldéhyde. Ce protocole combinant l'AFM et les tests de plaque permet la préparation de particules intactes de SARS-CoV-2 inactivées pour une utilisation en toute sécurité d'échantillons hors laboratoire de niveau 3 afin d'accélérer les recherches contre la pandémie de COVID-19. Dans l'ensemble, nous illustrons à quel point le BSL3-AFM adapté est une remarquable boîte à outils pour l'analyse rapide et directe des virus basée sur la morphologie à l'échelle nanométrique.


Les projets BIOE Capstone se concentrent sur les dispositifs médicaux, l'IA et plus encore

Le lundi 10 mai, la classe Senior Capstone du Département de bioingénierie de Fischell (BIOE) a présenté 23 nouveaux concepts lors d'un événement en direct qui reflétait la compétition traditionnelle en personne. Les projets allaient d'une technique pour traiter le cancer du col de l'utérus à partir de la phase précancéreuse dans les pays à revenu faible ou intermédiaire à une évaluation par vision par ordinateur des risques de chute chez les patientes plus âgées ou après un AVC. Le président du BIOE, John Fisher, a annoncé les lauréats à la fin de l'événement virtuel.

Au total, 114 étudiants du BIOE ont présenté leurs produits à un panel de 12 juges, des professeurs du BIOE et des représentants de l'industrie en temps réel à l'aide de la plateforme d'événements numériques Gatherly&rsquos. Cela a permis aux étudiants et aux participants de naviguer d'un projet à l'autre comme ils le feraient en personne. Il a également permis aux quatre groupes finalistes &ndash ceux récompensés par la 1ère place, la 2ème place, la 3ème place et le prix Translational Design &ndash de présenter leurs projets à tous les participants.

Cette année, le panel de juges a présenté :

La Société des étudiants diplômés en bio-ingénierie

Membres du corps professoral du BIOE Lan Ma et Callura en pot

Équipe 1 : Analyse des particules d'urine dans les images de fluides corporels à l'aide de l'apprentissage automatique
Tara Basir, Fadhili Maina, Ananya Mathur, Dana Ronin, Colin Skeen

Conseillers : Dr Steven Jay (Faculté BIOE), Dr Jiong Wu, Dr Matthew N. Rhyner, Jeremy Pettinato (Beckman Coulter)

Ce projet a été parrainé par Beckman Coulter

L'analyse d'urine est un test de diagnostic populaire utilisé dans les cliniques, permettant la détection de troubles tels que les infections des voies urinaires, les maladies rénales et les maladies métaboliques et systémiques. La technologie actuelle d'analyse d'urine de Beckman Coulter, le système APR, utilise un algorithme pour catégoriser les particules d'urine en 12 types de particules différents. Bien que le système soit capable de classer correctement les particules, il n'y a qu'un taux de précision de 85 %. Environ 15% du temps, l'algorithme est incapable de classer la particule, produisant un résultat non concluant. Afin de classer ces particules, des techniciens de laboratoire sont embauchés pour analyser ces échantillons en utilisant la microscopie manuelle. Bien que le test lui-même soit peu coûteux, allant de 30 $ à 60 $, il en coûte environ 65 $ à 70 000 $ par an pour embaucher un technicien de laboratoire, ce qui augmente considérablement l'argent nécessaire pour mettre en œuvre un test aussi simple. Alors que la microscopie manuelle produit des résultats précis, le processus est laborieux et fastidieux pour les techniciens de laboratoire, ce qui le rend finalement inefficace. L'objectif de l'équipe 1 était d'améliorer les méthodes actuelles de classification des particules en développant un algorithme mis à jour pour réduire le besoin de techniciens de laboratoire. À l'aide d'images fournies par Beckman Coulter, l'équipe 1 a développé trois modèles de réseau neuronal convolutif (CNN) pour classer les particules, en visant un taux de précision de 95 à 97 %. L'équipe 1 visait ce niveau de précision pour répondre aux normes d'approbation de la FDA. Après avoir développé les trois modèles, ils ont effectué des évaluations de précision afin de déterminer le meilleur modèle pour l'analyse prédictive. Après avoir analysé les données et effectué des évaluations de précision, l'équipe a déterminé que bien que les trois modèles aient produit des résultats très similaires, le modèle séquentiel de l'équipe 1 fonctionnait mieux pour l'analyse d'images. Dans l'ensemble, le modèle séquentiel de l'équipe a pu analyser les particules avec un taux de précision de 93 % et un taux de précision de validation de 64 %.

Équipe 2 : Injection d'éthylcellulose-éthanol pour prévenir le cancer du col de l'utérus
Katherine Eckart, David Garvey, Philip Marcum, Marisa Patsy, Danielle Restaino

Conseillère : Dr Jenna Mueller (BIOE)

PREMIÈRE PLACE

Le cancer du col de l'utérus est le quatrième cancer le plus fréquent chez les femmes dans le monde, avec plus de 85 % des décès liés au cancer du col de l'utérus survenant dans les pays à revenu faible ou intermédiaire (PRFI). Le fardeau disproportionné du cancer du col de l'utérus dans les PRFI est en grande partie dû à l'accès limité aux prestataires formés et aux technologies biomédicales nécessaires pour diagnostiquer et traiter le précancer du col de l'utérus avant qu'il ne devienne un cancer. Les thérapies actuelles pour le pré-cancer du col de l'utérus, y compris les procédures telles que la procédure d'excision électrochirurgicale en boucle, la cryothérapie et la thermocoagulation, sont coûteuses, nécessitent des médecins qualifiés et sont finalement inaccessibles au point de soins. L'ablation à l'éthylcellulose et à l'éthanol (ECE) est récemment apparue comme un traitement alternatif peu coûteux, portable et efficace pour le pré-cancer du col de l'utérus. Cependant, afin d'administrer l'ECE et de couvrir de manière fiable les lésions précancéreuses du col de l'utérus, un injecteur à main capable de contrôler le placement de l'aiguille et l'injection d'ECE à travers un spéculum typique est nécessaire. Pour répondre à ce besoin, Team 2 propose un appareil portable à faible coût pour permettre l'utilisation de l'ECE dans les LMIC tout en limitant la marge d'erreur de l'utilisateur. Cet appareil utilise un système d'injection alimenté par batterie rechargeable, un système d'actionnement mécanique de l'aiguille et une conception à double aiguille pour réduire le temps de traitement. Les principaux résultats du prototypage comprennent la construction d'un prototype à faible coût et entièrement opérationnel qui répond à toutes les exigences opérationnelles nécessaires, y compris le débit, le taux et la profondeur d'insertion de l'aiguille, le volume de livraison et l'orientation de l'aiguille. L'impression finale du dispositif sera réalisée à l'aide d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) afin d'assurer la stérilisation du dispositif, et les travaux futurs comprendront des tests précliniques et cliniques pour obtenir l'approbation réglementaire. Le développement de cet appareil est une étape majeure dans la fourniture d'options de traitement abordables, efficaces et accessibles pour le précancer du col de l'utérus aux femmes des PRFI dans le but ultime de réduire la mortalité par cancer du col de l'utérus.

Équipe 3 : Évaluation du risque de chute : Une application pour téléphone portable pour effectuer une formation à domicile sur la réduction des chutes basée sur des données de surveillance
Alyssa Arminan, Martha David, Gloria Kim, Owen Roy, Diandra Youta

Conseillers : Dr Li-Qun Zhang (BIOE et UMB), Dr Jiaqi Gong (Université d'Alabama), Dr Angela Jones (BIOE)

Ce projet a été parrainé par Medtronic

LA DEUXIÈME PLACE

Les victimes d'AVC souffrent souvent de l'incapacité de contrôler pleinement leurs mouvements musculaires. En fait, l'AVC est la principale cause de troubles de la mobilité et d'invalidité prolongée aux États-Unis. Le problème est aggravé car les patients sont limités dans la façon dont ils interagissent avec leurs médecins, et lorsqu'ils le font, les tests effectués sont souvent subjectifs et qualitatifs. Les patients âgés et ceux vivant dans des régions inaccessibles sont particulièrement désavantagés par la fréquence plus faible des visites à la clinique, ce qui limite encore plus les interventions thérapeutiques en temps opportun. Si, toutefois, les médecins pouvaient surveiller quantitativement les profils de mouvement d'un patient à distance, ils pourraient évaluer les progrès de leur réadaptation et adapter leurs plans de traitement au besoin, de manière éclairée. Malheureusement, il n'existe actuellement aucune solution sur le marché qui réponde pleinement à ce besoin. L'incapacité à résoudre ce problème entraîne des traitements inutilement prolongés, une récupération retardée, des coûts accrus et une qualité de vie inférieure. Ainsi, Team 3 a conçu une application mobile pour collecter et analyser les schémas de marche depuis le confort du domicile du patient. À l'aide d'une combinaison de capteurs Bluetooth portables, les patients peuvent suivre leurs mouvements de routine en appuyant simplement sur un bouton, tandis que le programme Team 3 s'exécute en arrière-plan de leur appareil Android personnel. Les enregistrements sont ensuite sauvegardés localement et stockés en toute sécurité dans le cloud. Les patients peuvent ensuite choisir de partager des données avec leur médecin, qui peut à son tour accéder à des mesures quantifiées relatives à la stabilité du patient et à sa propension aux chutes, telles que la durée, la régularité et la symétrie de ses pas. Les médecins peuvent traduire ces informations en ajustements plus précis et plus rapides du plan de soins du patient. Par conséquent, cette solution permet aux médecins et aux patients de faire des choix optimaux en matière de soins de santé et permet des soins de haute qualité à tous les patients, quel que soit leur âge et l'accès à un transport fiable.

Équipe 4 : Contrôle de la ventilation néonatale au masque à sac pour le volume courant
Cassidy Craig, Joseph Forbin, Kylie Giordano, Margaret Reese, Leah Rock

Conseillers : Dr Kevin Cleary (Children&rsquos National), Dr. John Idso (Children&rsquos National), Dr. John Fisher (BIOE)

A la naissance, les nouveau-nés doivent apprendre à respirer par eux-mêmes après une longue période d'inactivité pulmonaire pendant la gestation. Cela s'accompagne d'une courbe d'apprentissage qui diffère d'un nouveau-né à l'autre, car 4,2% de toutes les naissances vivantes nécessitent une assistance quelconque avant d'acquérir la capacité de respirer de manière indépendante. La fenêtre pour un tel diagnostic est courte et nécessite une attention immédiate, car le fait de ne pas recevoir d'oxygène entraînera la mort. Les prestataires de soins de santé réagissent à la situation en utilisant un système de réanimation à masque à valve (BVM) pour fournir les volumes courants cliniquement trouvés de 4 à 6 ml d'air par kilogramme de poids de nouveau-né. Plus la compression du sac est dure, plus la quantité d'air délivrée est importante. Cette contrainte exigeante peut introduire des circonstances pénibles pour les prestataires de soins de santé, entraînant souvent une délivrance de volume courant trop importante connue sous le nom d'hyperventilation. Ce problème est amplifié par la norme actuelle de réanimation BVM, dans laquelle les prestataires de soins fournissent de l'air aux patients sur la base d'un système de pression. De plus, cela se fait avec les mêmes appareils et pratiques pour servir un large éventail de tailles de patients. Ceci est essentiel, car cette pratique ne parvient pas à reconnaître les besoins nuancés et spécifiques d'un si large éventail. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un modèle totalement inexact, il est particulièrement peu accommodant pour les patients néonatals (allant de 0,5 à 5 kg). Cela est dû au fait que la réponse néonatale à la réanimation par pression ne convient pas à leurs poumons fragiles, entraînant 250 000 décès dans le monde (selon les estimations du CDC). Pour répondre à ces besoins spécialisés et mieux servir les patients néonatals, l'équipe 4 a émis l'hypothèse que le développement d'un nouveau modèle qui contrôle le volume courant, par opposition à la pression, se traduira par une méthode plus sûre et plus précise de fournir des volumes courants qui sont spécifiques à nouveau-nés. Pour y parvenir, l'équipe propose un dispositif rétrofitable qui contrôle le volume courant en plaçant des poignées de guidage autour du sac, limitant la distance maximale par laquelle un sac de réanimation peut être comprimé, quelles que soient les circonstances extérieures. Ce faisant, le risque d'hyperventilation causée par une erreur humaine sera éliminé. La fabrication du prototype a démontré la capacité de fournir le volume courant souhaité de 15 ml (la valeur cible pour servir un nouveau-né de 3 kg) avec une précision de 87 %. Ce niveau de précision s'avère adéquat selon la recommandation clinique de 4 à 6 ml/kg. Le dispositif proposé, une fois entièrement développé, offrira un guide d'assistance aux prestataires de soins de santé et réduira finalement le risque global de la procédure de réanimation, mettant à l'aise à la fois le prestataire et le nouveau-né.

Équipe 5 : Un navigateur de génome éducatif SARS-CoV-2
Jessica Boyer, Matthew Brandon, Gillian Kramer, Elena Mirkovic, Sanjori Mukherjee

Conseiller : Jared Callurra (BIOE)

La pandémie de COVID-19 a attiré une attention accrue sur la persistance et les dangers des idées fausses, de la mauvaise communication et de la désinformation. Ce sont des problèmes sociaux qui ont coûté la perte inutile de nombreuses vies au cours de l'année écoulée, et continuent de le faire à travers le monde. Ce projet a été poursuivi en réponse à un besoin de stratégies pour communiquer plus efficacement les connaissances et la recherche scientifiques pertinentes au public. L'approche adoptée par ce projet consistait à créer un navigateur de génome éducatif SARS-CoV-2 entièrement fonctionnel et facile à parcourir au sein d'un site Web de ressources éducatives sur le SARS-CoV-2. Le public visé par le navigateur sont les étudiants du secondaire et du collégial dans le cadre de cours liés à la biologie, potentiellement présentés par les éducateurs comme un outil d'enseignement. Grâce à cette avenue et à d'autres plateformes de partage (médias d'information, médias sociaux, recherches sur Internet, etc.), le projet pourra également attirer l'attention et servir de ressource aux membres intéressés du grand public. Le navigateur a été créé à l'aide de la plate-forme de création de navigateur GBrowse, hébergée sur une instance Amazon Web Services (AWS) EC2. La séquence de référence génomique SARS-CoV-2 téléchargée a été récupérée du NCBI. Le navigateur propose des pistes clés, notamment des protéines d'intérêt, des mutations variantes et des sites de restriction. Le site Web de ressources a été généré à l'aide de WordPress, hébergé sur une instance AWS Lightsail. Il présente des pages Web expliquant la biologie du SRAS-CoV-2, étroitement liées aux pistes affichées sur le navigateur, ainsi que des informations de santé publique pertinentes sur COVID-19 telles que la vaccination et l'utilisation de masques. Un glossaire et des vidéos éducatives sur le site Web de ressources encouragent davantage les utilisateurs à apprendre de nouveaux sujets sur la biologie. La navigation entre le navigateur et le site Web de ressources est facilitée par des bulles contextuelles sur le navigateur et des hyperliens au sein du site Web. Le prototype a été lancé pour être testé et des commentaires ont été recueillis auprès de plus de 40 étudiants et éducateurs. L'expérience utilisateur sur le site est suivie par Google Analytics, qui surveille le trafic des utilisateurs du site. Ces données seront utilisées pour améliorer encore la fonctionnalité du navigateur et du site Web de ressources. Certes, le projet n'est pas traditionnel par rapport aux projets Capstone des années précédentes, mais un projet basé sur le codage a permis à l'équipe de s'adapter aux contraintes d'un environnement d'apprentissage virtuel, en livrant avec succès un prototype qui a déjà été mis en œuvre dans le cadre du cours.

Équipe 6 : Surveillance de la SpO2 sur un site proche de la blessure des membres plus gros
Tara Cecil, Katherine Dapkus, Michael Ryan McCreary, Juliana Pitzer, Gabriella Shahine

Conseillers : Dr William Bentley (BIOE, Institut Fischell), Dr Li-Qun Zhang, (BIOE)

Bien que les oxymètres de pouls actuels fonctionnent bien, ils sont limités dans les zones du corps où ils peuvent s'adapter et mesurer. Ils ne peuvent actuellement détecter les niveaux de SpO2 que sur les petits membres comme le bout des doigts et les lobes des oreilles, avec des avancées récentes permettant également des mesures au poignet. Les lectures de ces zones du corps fournissent des informations générales sur les niveaux de SpO2, mais ne sont pas en mesure de fournir des lectures de SpO2 localisées à partir de gros membres comme les bras et les jambes. L'équipe 6 a conçu un appareil pour mesurer la SpO2 dans ces membres plus gros à l'aide d'une oxymétrie de pouls réfléchissante, dans laquelle la lumière rouge et infrarouge est projetée à travers la peau, réfléchie par l'hémoglobine présente dans les artères sous la peau et mesurée par des photodiodes présentes sur l'équipe. Appareil 6&rsquos. La mesure de la lumière réfléchie est ensuite utilisée par le logiciel de l'appareil associé pour calculer la saturation en oxygène de cette région spécifique du corps. De plus, l'appareil est utilisé avec une bande réglable qui lui permet de s'adapter à de nombreuses tailles de corps. Le coût de production de cet appareil (moins de 600 $) le rend également abordable pour une utilisation dans les cliniques et les hôpitaux, y compris ceux des zones socio-économiques défavorisées. Ces améliorations de la technologie SpO2 seront utiles pour la détection précoce des blessures musculo-squelettiques ou des conditions qui empêchent une bonne distribution de l'oxygène dans tout le corps. L'une de ces maladies, appelée syndrome des loges, est courante chez le personnel militaire et les athlètes en raison de leur entraînement physique intense. L'utilisation de ce dispositif pourrait permettre la détection précoce d'un débit sanguin réduit associé de sorte que les patients puissent éviter les effets à long terme de la maladie, y compris l'amputation du membre affecté.

Équipe 7 : Ingénierie et nanoparticules à base de bêta-cyclodextrine pour une libération prolongée de médicaments anti-leucémie
Arjun Cherupalla, Samhita Chundury, Justin Morgan le plus long, Nahom Michael, Praneeth Thota

Conseillers : Tao Lowe (BIOE et UMB), Dr Brian Blair (BIOE)

Informations supplémentaires disponibles sur demande.

Équipe 8 : Décrire les inexactitudes dans les moniteurs de fréquence cardiaque portables : une simulation d'optique dynamique
Gestionnaire de Chenchen, Nima Karodeh, Ann Rizkallah, Rebecca Vaudreuil, Ashley Williams

Conseiller : Dr Ian White (BIOE)

TROISIÈME PLACE

L'objectif primordial du projet Team 8&rsquos était d'étudier de nouvelles approches pour
amélioration de la précision des appareils portables de mesure de la fréquence cardiaque via la modélisation et les données
techniques d'analyse. Après une revue approfondie de la littérature, l'équipe 8 a choisi d'étudier cinq
sources possibles d'erreur dans ces mesures, y compris la teneur en matières grasses, la densité des follicules pileux,
l'épaisseur dermique, le teint et la présence de sueur. La littérature actuelle a indiqué que
ces sources englobent les principales causes de mesures de fréquence cardiaque inexactes dans ces
appareils cependant, seule une recherche approfondie minimale existe sur l'un d'entre eux. Le but de
Le modèle de l'équipe 8 est de corriger cette chute, conduisant à une amélioration de la détection de la fréquence cardiaque et, ainsi, à minimiser la barrière de minorité actuelle vue en raison de ces attributs physiques. Le plan de conception de l'équipe 8 consistait à utiliser les logiciels SolidWorks et TracePro pour créer respectivement un modèle de flux sanguin tissulaire et capillaire. 40 modèles de peau aux propriétés optiques variables ont été générés et testés grâce à ce modèle. Python a ensuite été utilisé comme moyen de traitement des données et de quantification des erreurs, car il pouvait directement prendre les données de SolidWorks et TracePro afin d'évaluer la précision du modèle Team 8&rsquos. Il a été constaté que 1) la graisse dermique, la sueur superficielle et la mélanine diminuent toutes le flux de photons et réduisent l'intensité des rayons lorsque les rayons arrivent aux photodétecteurs, 2) les follicules pileux diminuent le flux total vers les photodétecteurs en détournant les rayons, et 3) l'épaisseur dermique a aucun effet sur les lectures. En raison de la nature de ce projet et des ressources actuellement accessibles, le budget de l'équipe 8&rsquos dépendait uniquement du coût de la licence pour le logiciel TracePro. La prochaine étape de l'équipe 8 est de déployer le modèle de l'équipe 8 dans les domaines de l'optique et des capteurs en consultant de grandes entreprises qui produisent en masse des appareils imprécis.

Équipe 9 : Plate-forme de téléréadaptation pour analyser le mouvement 3D des patients victimes d'un AVC effectuant des tâches professionnelles
Jennifer Biaksangi, Shawn Byrne, Chloé Keller, Catherine Levi, Fatima Mikdashi

Conseillers : Dr Kim Stroka (BIOE), Dr Richard Macko, Dr Charlene Macko (UMB), Dr Giovanni Vincenti (Université de Baltimore)

PRIX DE PUISSANCE

L'AVC est la troisième cause d'invalidité acquise chez l'adulte dans le monde et son incidence continue d'augmenter avec le vieillissement de la population. Même après des mois de réadaptation, de nombreux survivants d'un AVC souffrent de toute une gamme de déficiences motrices. Alors que la réadaptation traditionnelle en personne s'est avérée efficace pour retrouver la fonction motrice, l'approche présente des défis allant du transport à la couverture d'assurance à long terme. De plus, à la suite de la pandémie de COVID-19, les survivants d'un AVC - dont la plupart appartiennent à des groupes d'âge à risque - peuvent hésiter à reprendre le traitement en personne en raison de problèmes de santé. Comme alternative, le physiothérapeute (PT) peut prescrire une série d'exercices au patient à faire seul.
à domicile cependant, la plupart des études rapportent moins de 50 % d'adhésion à un tel traitement, en grande partie en raison d'un manque de conseils et de fidélité des patients à la routine. La rééducation automatisée sensible à la profondeur (DARe) résout ces obstacles en fournissant au patient une plate-forme virtuelle pour une rééducation interactive et personnalisée dans le confort de son propre domicile. Cette nouvelle approche associe la technologie LiDAR, utilisée pour capturer les mouvements du patient en 3D, et l'intelligence artificielle, qui suit 18 repères anatomiques tout au long du mouvement, sans avoir besoin de marqueurs physiques ni de capteurs. La précision de cette approche a été comparée à OpenPose, la norme de l'industrie pour l'estimation de la pose humaine sans marqueur (mais qui repose sur plusieurs caméras RVB calibrées pour suivre le mouvement 3D, par opposition à la seule caméra LiDAR nécessaire pour DARe), et a renvoyé une erreur de < 1,0%. Le logiciel de capture et d'analyse de mouvement a été prototypé en Python et les interfaces patient/thérapeute ont été affinées grâce à des tests d'expérience utilisateur. Au sein de la plate-forme, le physiothérapeute peut communiquer avec son patient et lui prescrire des routines et des objectifs de réadaptation personnalisés. Le patient peut ensuite utiliser la caméra LiDAR pour enregistrer ses séances à domicile et recevoir un retour immédiat basé sur les performances dans son profil. Dans le même temps, un rapport plus quantitatif est envoyé au PT pour la tenue des dossiers et l'analyse. Comme les capteurs LiDAR deviennent rapidement la norme dans les téléphones mobiles (par exemple Apple & rsquos iPhone 12 Pro) et les tablettes en raison de la popularité croissante de la réalité augmentée, la plate-forme DARe finira par prendre la forme d'une application mobile pouvant fonctionner sur l'appareil photo intégré. , le logiciel de traitement/analyse vidéo et le prototype cliquable de l'interface n'ont pas encore été intégrés. Alors que les modèles de soins de santé passent d'un remboursement basé sur les services à un remboursement basé sur les résultats, l'approche quantitative DARe&rsquos en matière de réadaptation pourrait être couverte par une assurance pour un rétablissement à long terme, permettant aux survivants d'un AVC de continuer à retrouver leur mobilité et leur indépendance au-delà de la période de rétablissement aigu. De plus, DARe offrira une disponibilité accrue à une thérapie physique structurée et facilement accessible pour les populations vulnérables, tout en faisant entrer la réadaptation après un AVC dans le domaine de la télésanté. Cela peut aider à uniformiser les règles du jeu afin que les personnes dans le besoin mal desservies et sous-assurées puissent recevoir des soins de meilleure qualité et plus équitables.

Équipe 10 : Matériaux biomimétiques par bio-impression 3D pour différencier les cellules souches en ostéoblastes pour la régénération osseuse
Demitra Karalis, Priscilla Lee, Emory Charles Mummert, Caroline Olson, Zoe Roussos

Conseillers : Dr Tao Lowe (BIOE, UMB), Dr Katharina Maisel (BIOE)

Aux États-Unis seulement, des millions de personnes souffrent chaque année de problèmes de densité osseuse. Plus de 50 % des hommes et des femmes de plus de 50 ans vivent avec une sorte de problème de densité osseuse. Le tissu osseux a une capacité de régénération très limitée et ne fera pas repousser l'os défectueux par lui-même. Par conséquent, une thérapie qui permet une régénération améliorée de ce tissu osseux est nécessaire. Notre solution consiste à commencer à développer un échafaudage bio-ingénierie imprimé en 3D construit avec du collagène et de l'acide hyaluronique qui permettra la différenciation et la prolifération des cellules souches de la pulpe dentaire. Ce dispositif et les cellules seraient ensuite implantés dans une zone de tissu déficiente, aidant à régénérer cette zone de tissu. Cela pourrait être utilisé pour traiter l'ostéoporose en implantant l'échafaudage dans la zone d'os de faible densité ou en plaçant l'échafaudage au centre d'une fracture complexe. Une fois que les cellules commencent à proliférer et à se différencier, un nouveau tissu osseux peut se développer pour reconstituer les zones malades et déficientes. La majorité de notre prototypage comprenait le dépannage de la bio-imprimante 3D et la conception d'impressions réalisables avec notre bio-imprimante Allevi 3. Grâce à une recherche documentaire, la taille optimale des pores a été estimée à 100 micromètres et permettrait la meilleure croissance et adhérence cellulaires possibles. Cependant, l'imprimeur était à l'origine incapable d'imprimer notre conception originale avec la précision souhaitée. Avec trop de ces pores, le cube s'imprime sans pores ni espace pour la croissance des cellules. De nombreuses modifications ont été apportées à la conception d'origine en réduisant le nombre de pores et en supprimant les paramètres de remplissage. Finalement, l'équipe a réussi à imprimer un cube creux avec un pore singulier sur une face du cube avec le matériau de test pluronic-127. Après de nombreuses modifications du pH et des aiguilles d'extrusion, cette forme d'échafaudage a été imprimée avec succès avec le collagène préparé en laboratoire. Notre projet a le potentiel d'améliorer la vie de nombreuses personnes souffrant de déficiences osseuses et d'autres troubles. En formant une thérapie qui utilise des cellules souches allogéniques, les risques de rejet d'implant sont considérablement réduits, permettant un traitement beaucoup plus sûr de ces déficiences osseuses par rapport aux méthodes de traitement actuelles. Étant donné que l'échafaudage peut être produit à plusieurs reprises à l'aide d'une bio-imprimante, en utilisant des matériaux facilement accessibles, notre solution améliorerait considérablement le traitement des troubles osseux.

Équipe 11 : Guide vasculaire avec microvalve pour prévenir les pertes par inadvertance dans le corps
Julia Cicalo, César Funes, Sarah Levendusky, Celia Maiorano, Blake Michael Zucco

Conseillers : Dr Alisa Clyne (BIOE), Dr Ron Samet (UMB)

Central line placements are integral for many surgical and medical procedures. During central line placement, there is a 1 in 3,000 chance that the guidewire used in this placement will get lost within the patient's vasculature. A lost guidewire is a critical and potentially life threatening complication in central line placements. The goal of this project was to solve the problem of lost guidewires in patients during catheter placement. Team 11&rsquos solution was to integrate a stopping mechanism onto the guidewire that allowed the wire to pass through the central line catheter, but stop the advancement of the wire into the body if the patient were to suck the wire in through spontaneous breath, or the physician made a mistake and advanced the wire into the patient. Team 11&rsquos prototyping resulted in a theoretical proposed design and a final prototype. The theoretical design uses manufacturing machinery to integrate a region of bristles into the guidewire that will flex to allow the catheter to pass, but still stop wire advancement into vasculature. The prototype design was a washer that would have to be added as an additional step to the guidewire after the wire has been threaded through the catheter. Modifying the current guidewire to have an additional safety mechanism would greatly reduce the chances of a wire getting lost in the vasculature and eliminate causing unnecessary injury to the patient.

Team 12: Automated Feature Detection for Custom Conformal Respirator Design
Deborah Acheampong, Zachary Dorsey, Jae Jung, Sojeong Lee, Trevor Mollot

Advisors: Kevin Aroom (Fischell Institute, BIOE), Dr. Giuliano Scarcelli (BIOE, Fischell Institute)

BEST VIDEO PITCH

The COVID-19 pandemic has introduced a new set of challenges to all individuals,
especially for healthcare workers who put themselves in harm&rsquos way to care for their patients. While current N95 respirators have efficient filtration of airborne particles, they are not customizable, reusable, or transparent. Thus, current respirators do not provide perfect seal, cause environmental concerns, and prohibit good communication between individuals. Team 12&rsquos project will significantly decrease the workflow by removing a labor-intensive step of positioning several components on top of 3D scans of individuals&rsquo faces and produce conformal respirators with customized fit for individuals, transparent, reusable and more affordable. The process begins with a scan of the user&rsquos face, using an Artec Leo scanner. The face model is then imported into Meshmixer and with the use of a Python script, the model is correctly oriented along the defined plane. The oriented mesh is exported from meshmixer and imported into the Autodesk Fusion 360 software. An automated Python script produces a thin flange body that represents the face contours that interface with the respirator. The resulting customized flange is printed using fused deposition modeling for each unique customer the reusable mask solids themselves are only printed once with resin stereolithography. To form a complete thermoforming mold, the mask solid is slid through the flange in a predetermined orientation. Using this mold along with PET, a thermoforming process is used to generate the conformal respirator. The respirators can then be fitted with N95 filters and straps to secure them on the user&rsquos face. This final product is tested using a Portacount fit tester 8048 to ensure a consistent seal. The production and use of the conformal mask poses little to no ethical concerns. Rather, the conformal mask has a positive benefit-risk relationship in that it decreases the emission and transmission of the viral particles. At large, this benefits the target population and brings us one step closer in defeating a virus that has taken the lives of many.

Team 13: COVID-19 App Suite for Contact-Free Patient Screening
Kraus, Samantha, Yutong Liang, Darshi Shah, Alana D. Tillery, Jillian Weiss

Advisors: Dr. Ian White (BIOE), Dr. Joseph Rabin (UMB)

As a result of the COVID-19 pandemic and the looming threat of viral exposure, many individuals in the United States are wary of gathering indoors and meeting others face-to-face, abiding by CDC guidelines to allow adequate social distancing. Unfortunately, even attending regular physician appointments and check-ups for pre-existing or nascent health issues poses an increased risk for contracting and spreading the virus. Therefore, the use of telehealth platforms has increased over the past few years and holds particular promise in this period for contact-free physician appointments and consulting. However, current issues with existing telehealth platforms include electrical transmission of private information, conducting and monitoring patients during specialized tests such as imaging and nasal swabbing, and increased chance of misdiagnosis without direct patient-physician interaction. Team 13&rsquos pilot program, Cothecare, aims to resolve the current issues and downfalls of telehealth. Team 13&rsquos mobile app suite, developed alongside guidance and approval from a physician and trauma center specialist, securely stores patient information and connects via private message or call to a physician with a working relationship established with the patient. The system allows for daily logging of coronavirus and asthma related symptoms and provides a diagnosis with suggestions for care based on these symptoms. Team 13 aims to improve outpatient care and increase access to health care professionals and physicians in order to diagnose and receive guidance on COVID-19 and asthma by developing a mobile app suite that acts as proof of concept for using telehealth as a method for treatment and patient connection for infectious diseases and chronic conditions.

Team 14: Radiomics Feature Prediction of Survival in Patients with High-Grade Gliomas
Michael Buckberg, Sabrina Cauton, Katherine Dura, Claire Rutkowski

Advisors: Dr. Lei Qin (Harvard Medical School), Dr. Yang Tao (BIOE)

Gliomas are tumors of the brain or spinal cord that are currently incurable, but are treatable
depending on the phenotype of the specific glioma. The phenotype of certain gliomas can be
determined by analysis of MRI scans. The objective of this project is to design a user-friendly,
interactive application that can objectively analyze specified extracted radiomics features from
MRIs of high-grade brain gliomas to predict patient survival for treatment evaluation. Team 14 has designed a random forest model built into an interactive app using Python. This model has been trained on publicly available glioma MRI images and it can classify an individual patient into short (15 months) overall survival time based on the patient&rsquos own MRI. With this program, Team 14 hopes to assist physicians in developing a treatment plan for the high-grade glioma patients by aiding in their prognostic capabilities.

Team 15: Artificial Intelligence to Read Abdominal X-Rays as Part of a Bowel Management Program for Children with Constipation and Fecal Incontinence
Ali Aslam, Chaitali Chitnis, Jorge Guzman, Nealyn Ashraf Jahangir, Keerthana Srinivasan

Advisors: Dr. Silvina Matysiak (BIOE), Dr. Marc Levitt (Children&rsquos National), Dr. Kevin Cleary (Children&rsquos National)

Many children suffer from bowel complications such as constipation and fecal incontinence. These children are enrolled in a week-long bowel management program during which they undergo daily abdominal radiographs. Radiographs need to be analyzed by colorectal surgeons or radiologists to determine the appropriate treatment for the patient however, many clinical facilities around the world do not have access to these experts. To address this problem, Team 15 developed IntelliStool, a software application that harnesses artificial intelligence to analyze the abdominal X-rays of patients enrolled in bowel management programs. Team 15&rsquos process uses three different models of convoluted neural networks (CNN) to detect the colon, isolate its anatomical segments, and score their stool quantities. Team 15&rsquos algorithm works by submitting the original image through a U-Net algorithm for image segmentation, which results in a mask that isolates the colon&rsquos contour. Then, the image is analyzed by YOLO, an object detection algorithm, that improves specificity in the identification of the colon&rsquos anatomical segments. Finally, a score prediction model analyzes the stool content of the individual segments on a scale from 0 to 2 using a CNN. Providers can upload X-ray images and receive scoring results through a graphical user interface (GUI). Ultimately, Team 15 was able to develop an algorithm capable of identifying the colon in an X-ray, isolating the colon segments, and then extracting them for stool quantity scoring. Team 15&rsquos accuracies for the respective code segments were 65% for colon identification, 69% for segment extraction, and 53-70% for scoring depending on the colon segment being evaluated. A graphical user interface was also successfully implemented to walk users through the use of the software. One of the biggest ethical issues present in the field of medicine is the struggle for many individuals to have access to essential medical care. In fact, according to the U.S. Census Bureau, 27.5 million Americans had no access to health insurance in 2018. This problem is even more evident globally according to the World Health Organization, with more than 400 million people around the globe not having access to basic health care. Bowel Management Programs contribute to this ethical issue posed by medicine. Prior to the implementation of the treatment program, radiologists are needed for X-ray interpretation of patient colons. According to the Global Radiology Gap, round 67% of the world does not have access to radiology services, resulting in a large portion of individuals unable to have access to proper Bowel Management Programs. Intellistool tackles this ethical problem and as a result, access to proper Bowel Management Programs can become globalized to regions without radiologists.

Team 16: Using Airflow Simulations to Design a More Efficient and Cost-Effective N95 Facemask
Mary Carbonell, Asma Farooqui, Diego Laboy-Morales, Christian Lazaro, Lina Tchangalova

Since the start of the global SARS-CoV-2 (COVID-19) pandemic, 477,789 healthcare professionals have contracted the virus with 1,565 of these individuals having died as a result, as of April 30, 2021. A major contributor to this rate of contraction is the still present shortage of N95 masks, resulting in nearly 50% of healthcare professionals reporting reuse for up to two
months, during which they are operating in highly contagious situations. These N95 masks are not designed for reuse beyond 4 to 5 uses due to the specific manufacturing methods that ensure filtration efficiency. This reuse also requires sterilization methods like bleach that damage mask integrity, contributing to the high rates of infection. An improvement of the N95 mask that allows for greater reusability with maintained filtration and structural durability is necessary to reduce the health risk to healthcare professionals, minimize environmental waste, and lower manufacturing costs. In response to this, Team 16 designed a fluid simulation model in SolidWorks that allows for the material selection of a particular mask design to be tested for filtration efficiency via varying particle sizes, concentrations, and flow velocities. A three-layered N95 mask model with an inner and outer layer composed of either nonwoven polypropylene, polyester or cotton and a melt-blown polypropylene middle layer was modeled using particle studies to simulate breathing, coughing, and sneezing situations. From this it was found all three materials passed the 95% filtration efficiency, but cotton was the most consistent and best fit the previous literature data, making it Team 16&rsquos material of choice. The outer layer of this mask was made hydrophobic in order to filter liquid aerosols and for improved comfort and an enhanced fit, a silicon seal was added at the nose bridge, allowing for better sanitization, and structural durability. Physical prototypes of the N95 mask model were then fabricated and tested for filtration efficiency to determine durability after repeated moist heat sterilization in a microwave. This method was chosen based on literature studies that found moist heat was comparable to other approved sterilization methods such as autoclaving, and due to the easily
available device for at-home cleaning. Team 16&rsquos results show that there is no statistically significant difference in filtration efficiency pre- and post-sterilization, making this an effective method for the team&rsquos proposed mask design. The creation of the SolidWorks model will allow for an easy to use system by other researchers to test different mask designs and materials for simulated filtration efficiency. Team 16&rsquos prototype testing shows that making a cotton mask that can be cleaned using moist heat sterilization is an effective alternative to current N95 models, which will allow for the safer reuse of the team&rsquos mask by utilizing a more effective and easier at home cleaning method. This proposed mask construct will hopefully minimize both future infection rates and the environmental impact during this pandemic and any future health care crises.

Team 17: Custom Radiolucent Alignment Board For Intraoperative Lower Extremity Deformity Correction
Ryan Lee Everich, Anna Filatova, Shreya Khanna, Akorede Olayiwola, Vaani Shah

Advisors: Dr. Ed Eisenstein (BIOE), Dr. Megan Young (Children&rsquos National)

Complex lower extremity deformities often require surgical reconstruction to restore normal alignment. Accurate measurements are needed to assess body alignment. However, there is currently a lack of proper tools to do so intraoperatively. There is currently no standard instrument to assist with intraoperative lower extremity deformity correction. The current methods are inefficient with a potential for inaccuracy and time consuming, with the risk of excess radiation exposure to the patient. The goal of this project is to create a custom board with an alignment grid specific to patients with a multiplanar deformity or multi-bone deformity
requiring a specific angle of correction. Surgical plans can include multiple correctional surgeries each with a target angle to obtain. This custom radiolucent alignment board will allow the surgical team to utilize any angle needed as a reference for alignment.

The objectives of this project include developing a radiolucent board with radiopaque
grid lines. Team 17&rsquos final product consists of a 3D printed PLA board with lines engraved into the board. These lines house radiopaque copper wire of various thicknesses, which can be modularized to fit in angles from 83-90 degrees. Before converging upon this final design, Team 17 circulated through various prototypes and materials for Team 17&rsquos board and grid lines. The team explored combinations of carbon fiber and plexiglass boards with ABS or barium sulfate grid lines, based on their material properties such as Z values. After developing a few prototypes testing grid line definition and time, the team decided to switch direction to PLA and copper due to its ease of use. This solution to a multifaceted problem will allow for less personnel working on the patient and allow simultaneous measurements to be taken at one time. The custom board will improve alignment accuracy and reduce operating times and radiation exposure for all Involved.

Team 18: Artificial intelligence for Reading of Hirschsprung's Pathology Slides
Lina Betu, Eyram Koudji, Cole Marra, Caitlyn Nguyen, Prateek Swamykumar

Advisors: Dr. Xiaoming (Shawn) He (BIOE), Dr. Marc A. Levitt (Children&rsquos National)

BEST ABSTRACT

Hirschsprung disease is a congenital condition of intestine innervations present in 1 in
5,000 newborns. The disease results in a lack of ganglion cells in the area of the myenteric
(Auerbach) plexus and submucosal (Meissner) plexus in the distal section of the large intestine in an infant. The absence of the ganglion cells causes muscles in the bowel to lose their ability to move stool through the intestine as well as submucosal nerve hypertrophy. The main treatment is pediatric surgery to remove the affected bowel segment. Precise and quick diagnosis of the disease is the key to accurate treatment. The diagnosis is done mainly by biopsy of the affected bowel. From the biopsy, the complete absence of ganglion cells in the submucosal or intramuscular nerve plexus of the intestinal wall and the presence of hypertrophic nerve fibres and trunks has to be confirmed by a pathologist. There are some difficulties associated with the diagnosis and the proper recognition of ganglions cells, even with proper training. These issues are exacerbated in developing countries due to a lack of pathology technology and talent. In this project, QuPath and Python have been used to identify ganglion cells within patient rectal biopsy samples to aid in the diagnosis of Hirschsprung disease and improve pathological analysis at Children&rsquos National Hospital. A random forest classifier was built in QuPath to correctly identify ganglion cells. Then, an automation script was coded in Groovy to streamline the process of detecting all cells, identifying ganglion cells with the classifier, and outputting cell measurements within QuPath. Using Python, Team 18 ran a correlation study to determine which features best separated ganglion cells from other cells. Team 18 built three additional classifiers in Python and compared them to their QuPath classifier. The QuPath classifier outperformed all three in sensitivity, but had a lower precision in detecting ganglion cells. The artificial intelligence program developed by the team&rsquos project can be incorporated into an application that can be used worldwide to improve the quality of care of Hirschsprung disease globally. With further collection of samples an important database can be built while protecting patients data and rights and respecting their anonymity and confidentiality.

Team 19: Computer Vision Assessment of Fall Risks with Machine Learning for Older People or Patients Post-Stroke
Aodu Guo, Philip Kloner, Benjamin Lee, Emersen McCoy, Mark Melvin

Advisors: Dr. Helim Aranda (BIOE), Dr. Li-Qun Zhang (BIOE/UMB), Dr. Yang Tao (BIOE)

Falls remain the most common cause ofinjury among the geriatric population. These falls can cause numerous consequences to their health, as it causes bone perturbations, fractures, and breaks, leading to not only decreased quality of life post-injury, but also costly medical fees. There is a need to utilize preventative and rehabilitation programs to reduce risk of geriatric falls, but there is a lack of biomechanical research to support the development of such programs. With this, Team 19&rsquos project aims to develop an artificial-intelligence tool that can predict a patient&rsquos risk of anterior, posterior, medial, lateral, and collapse-directed falls through the analysis of joint movements. First, videos of mimicked falls were taken using a LiDAR L515 camera, an infrared camera with specific depth perception, and Cubemos SDK, a skeletal tracking software. The combination of the two allowed for the tracking of XYZ coordinates of each joint over time, which were used to train a Python-based neural network using a Sigmoidal weighted learning curve to output a 6 by 1 matrix predicting the likelihood of a fall mechanism in a patient at each frame. Using this produced dataset (n = 50 for each type of fall), the accuracy of this model was tested, which was determined by calculating the percent difference of the output to what was expected at each time frame. With the current dataset, a percent accuracy of 32% was achieved, although this should improve with more data. Team 19 offers a proof-of-concept tool that can be employed by physical therapists to develop training regiments and evaluate their effectiveness.

Team 20: Ultrasound Guided Pediatric Hip Aspiration Training Phantom
Shahed Bader, Christopher Garliss, Sandra Lavrenov, Brittney Murugesan, Devon Strozyk

Advisors: Dr. Catherine K. Kuo (BIOE), Dr. Evan Sheppard (Children&rsquos National), Dr. Kevin Cleary (Children&rsquos National)

ADVISORY BOARD AWARD FOR TRANSLATIONAL DESIGN

Pediatric septic hip arthritis is an infection in the synovial fluid and joint tissue of the hip in children. This is an uncommon infection in children which carries a poor prognosis if not properly diagnosed and treated in a timely fashion. Currently, the most accurate and specific diagnostic test for this infection is a needle aspiration. However, due to the rareness of this infection only a very limited number of physicians receive training in ultrasound guided needle aspiration. In order to make the practice of aspirating a suspected septic hip in the emergency room more widespread, more accessible, and increasingly accurate, training tools need to be developed. Team 20&rsquos solution was to develop a high fidelity hip aspiration phantom that can endure multiple aspirations with a needle and has realistic ultrasound and anatomical landmarks. The team conducted extensive research to determine the biomaterials to use for each anatomical feature in the phantom. The femur and hemipelvis were 3D printed using PLA, ballistic medical gelatin was used to represent the muscle, an ambu bag was used to create the joint capsule and was filled with water-glycerol solution to mimic the synovial fluid, PTFE tubing and wires used to mimic the blood vessels and nerves, respectively, and agar gel was used to mimic the skin. All these components were assembled together using a 3D printed mold. Preliminary testing was conducted by medical professionals experienced in the procedure to determine the viability of the prototype. The phantom was evaluated based on a number of criteria under physiological accuracy and the realism under ultrasound. The results of the testing determined that the joint capsule was sufficiently reusable for up to 23 punctures without leak, the materials that represented the anatomical features were clearly visualized under ultrasound, and the model in general provided a real tactile feel of the procedure. Medical training phantoms are a powerful teaching tool with an important moral claim: to keep patients safe while training the next generation of clinicians and retraining current clinicians so that they are kept up-to-date. The use of this hip phantom in clinical settings would reduce reliance on the limited number of clinicians present that have training experience, extraction of fluid for diagnostic testing will be performed with increased accuracy, and training would be more widespread and provided for clinicians in various specialities.

Team 21: Building Supervised Machine Learning Models on Hematology Data to Aid in Diagnosis of COVID-19
Rohan Laljani, Rebecca Mathew, Justin Turner, Vinay Veluvolu

Advisors: Dr. Hubert Montas (BIOE), Glenda Holderbaum (Beckman Coulter), Dr. John Riley (Beckman Coulter), Dr. Carlos Ramires (Beckman Coulter)

This project was sponsored by Beckman Coulter

SARS-CoV-2, which presents in humans as COVID-19, has taken the world by storm for the past year. Testing has been a crucial tool in the fight against COVID-19, as asymptomatic individuals can still be contagious for up to two weeks. As more of the global population becomes vaccinated, testing may diminish, but accurate, affordable, and accessible diagnostic tests will still be important in light of global vaccine shortages, anti-vaxxer movements, possible infection of vaccinated persons, and new emerging strains of the virus. Previous research has shown the utility in designing diagnostic systems using machine learning models, as they have the ability to pick up on multiple pieces of patient information to produce an accurate diagnosis. The usage of supervised and/or unsupervised learning models has the ability to improve medical care and decrease cost. Considering the urgency of this pandemic, Beckman Coulter proposed the assessment of hematological parameters from their DxH 900 analyzer in order to develop a machine learning algorithm to aid in rapid and accurate diagnosis of COVID-19. As such, Team 21 developed a machine learning platform to diagnose COVID-19. The team&rsquos test takes a 165 µL blood sample, processes it in 10 minutes, and provides a binary yes/no diagnosis with a 97.5% balanced accuracy, a 2.95% false positive rate, and a 16.07% false negative rate. These results are comparable to existing antigen and RT-PCR tests, and the rapidity and accessibility of Team 21&rsquos test makes it a viable market alternative.

Team 22: Computational Flow Dynamic Model of COVID-19 Transmission and Face Shields
Eric Frank, Angela Lee, Brendan Reilly, Neel Sanghvi, Pranav Varrey

Advisor: Dr. Gregg Duncan (BIOE)

Face coverings, particularly face masks, have been vital in reducing the spread of COVID-191. While face masks have been heavily studied, less literature pertaining to face shield efficacy exists despite several benefits over face masks. Several advantages include easier disinfection, increased sustainability, comfort, and ease of communication within the deaf community. Per the National Deaf Center, face masks impair ASL communication by preventing lip reading and hiding facial features and expressions essential for speaking or signing communication, causing increased stress, fatigue, and anxiety. Underscoring that the deaf community has the right to communicate comfortably and safely in the midst of COVID-19, it is imperative to explore the efficacy of face shields in COVID-19 transmission prevention. With aerosol COVID particles being the main mode of transmission, computational fluid dynamic (CFD) models are pertinent to mathematically quantify and qualitatively observe particles interacting with the face shield and the wearer. Our 2D, transient state model utilizes literature-driven flow rates to simulate micron-sized particles being ejected from a mouth-like area under sneezing and breathing conditions. Simulations consisted of particle flow between permutations of two shielded and unshielded individuals. The model outputs each particle velocity and X, Y position that is then plotted to display the frequency of both velocity magnitude and particle distance travelled. The efficacy of the face shield is shown by comparing the particle distance travelled in the various simulations. With both individuals unshielded, the maximum distance traveled is 7.49ft with an average distance of 1.92 ± 1.95ft. Contrastly, with one individual shielded and the other unshielded, the maximum and average distance travelled decreases to 4.28ft and 1.20 ± 1.05ft respectively. Even with only one participant shielded, the model indicates that face shields significantly reduce particle transmission distances post-ejection into the surroundings by decreasing the frequency of droplets that travel farther distances (

6 ft). With the increased rate of vaccinations, the results imply that face shields could become more widely adopted to not only protect the wearer from COVID-19 but also permit the deaf community to comfortably and safely communicate and partake in society.

Team 23: Liquid Level Analysis through Machine Learning Imaging System Design
Ewuradjoa Amoah, Jonathan Kim, Natasha Kodgi, Adam Landa, Sarah Martin

Advisors: Dr. Huang Chiao (Joe) Huang (BIOE), Leon Tate (BD), Gaurav Falia (BD)

This project was sponsored by BD

Sepsis is a life-threatening condition that is often elusive of timely diagnosis and therefore requires faster processing and detection time of bacteria in blood samples for quicker diagnosis and treatment. To shorten the processing time, Team 23 team developed an imaging system component for automated medical diagnostic equipment. The component accurately identifies the liquid level of a patient blood sample that has been collected in a clear test bottle with a label and compiles barcode data scanned from the label with the liquid level analysis and stores the information in a unique patient file. It is highly effective (>96% accuracy) under different lightings and variable liquid levels conditions such as the presence of liquid foam. To ensure that their final design improves the accuracy and efficiency of the measurement of blood samples taken for sepsis detection, the group employed a Raspberry Pi 4 and HQ Camera Module in conjunction with a backend convolutional neural network (CNN) and real-time image analysis programmed in Python 3 utilizing OpenCV.


Microbiome of organs mapped in 3D

The microbial make-up within organs is determined by the environment and anatomy of the organ in question however, our understanding of this is currently poor. Lead author, Pieter Dorrestein (UC San Diego) commented: “Our understanding of the spatial variation of the chemical and microbial make-up of a human organ remains limited. This is in part due to the size and variability of human organs, and the sheer amount of data we get from metabolomics and genomics studies.”

To try and address this gap, the team developed an open-source workflow, which could map metabolomics and microbiome data onto a 3D organ reconstruction produced from radiological imaging. The findings, published recently in Cell Host & Microbe, allowed the team to observe spatial variations and interactions that have not previously been uncovered.

To create the model, the researchers utilized a lung from a cystic fibrosis patient, and sectioned this – taking samples for the presence of bacteria, virulence factors, metabolites and any medications. The 3D organ reconstruction was produced from CT scans of a human lung, and an extension to Google Chrome, termed ‘ili’, was modified by the team to allow a visualization of the sample data across the entire organ.

Neha Garg (now at Georgia Tech, GA, USA) stated: “The application enables the user to map data onto a 2D or 3D surface, so we modified the code to allow us to map the abundance data not only onto surfaces, but also within the model.”

With this new data, including open-source maps of 16,379 molecules and 56 microbes visualised in 3D, the researchers discovered region-specific metabolism of medications placed in the context of microbial distribution.

Garg explained: “We could see that one of the antibiotics administered to the patient prior to collecting the tissue did not penetrate the bottom of the lung – a phenomenon that has not been observed before. This correlated with a higher abundance of the cystic fibrosis-associated pathogen Achromobacter. Thus, different drugs may differentially penetrate the lung, limiting exposure to effective dosage. Our tool allows researchers and clinicians to visualize this significant clinical concern within a human organ for the first time. This has implications for treatment of cystic fibrosis and other diseases.”

The team hopes this work will improve targeted drug delivery for antibiotics, and their data can serve as a resource for both researchers and clinicians.

Dorrestein concluded: “As future studies unravel more about the microbiome and metabolome, their spatial visualization will provide a means to infer their biological significance. Furthermore, the methodology developed can be extended to any human organ – notably those with tumors, which are known to be associated with their own unique microbiomes.”


Acoustical Imaging: Techniques and Applications for Engineers

The technology of acoustical imaging has advanced rapidly over the last sixty years, and now represents a sophisticated technique applied to a wide range of fields including non-destructive testing, medical imaging, underwater imaging and SONAR, and geophysical exploration. Acoustical Imaging: Techniques and Applications for Engineers introduces the basic physics of acoustics and acoustical imaging, before progressing to more advanced topics such as 3D and 4D imaging, elasticity theory, gauge invariance property of acoustic equation of motion and acoustic metamaterials. The author draws together the different technologies in sonar, seismic and ultrasound imaging, highlighting the similarities between topic areas and their common underlying theory.

  • Comprehensively covers all of the important applications of acoustical imaging.
  • Introduces the gauge invariance property of acoustic equation of motion, with applications in the elastic constants of isotropic solids, time reversal acoustics, negative refraction, double negative acoustical metamaterial and acoustical cloaking.
  • Contains up to date treatments on latest theories of sound propagation in random media, including statistical treatment and chaos theory.
  • Includes a chapter devoted to new acoustics based on metamaterials, a field founded by the author, including a new theory of elasticity and new theory of sound propagation in solids and fluids and tremendous potential in several novel applications.

Covers the hot topics on acoustical imaging including time reversal acoustics, negative refraction and acoustical cloaking.

Acoustical Imaging: Techniques and Applications for Engineers is a comprehensive reference on acoustical imaging and forms a valuable resource for engineers, researchers, senior undergraduate and graduate students.


Conclusion

Amplification of DNA with the Device

Quantification of PCR Products Using Au Nanoclusters

Gene Expression Studies

cDNA extraction from control HeLa cells and doxorubicin-treated HeLa cells: HeLa cancer cells were cultured in two 60 mm culture plates with a cell density of 1 × 10 6 cells. Keeping one of the plates as the control, the other plate was treated with anticancer drug doxorubicin for 24 h. Using the standard RNA protocol, RNA was isolated from both the cells (control and treated). cDNA was obtained from mRNA using the thermocycler (at 42 °C for 40 min and 95 °C for 2 min) with Verso cDNA kit.

Amplification of specific genes using the thermocycler unit of the device: BAX, BCL-2, and Caspase-3 along with endogenous control β-actin were amplified using specific primers for 35 cycles (denaturation: 95 °C for 3 min 35 cycles with three phases: 95 °C for 30 s, 55 °C for 30 s, 72 °C for 1 min, and final extension for 10 min).

Immobilization of complementary oligonucleotide on the nitrocellulose membrane: nitrocellulose membrane (Zeta Probe blotting membranes cut to maximum dimensions of 40 mm × 40 mm) was activated in 1× SSC (saline sodium citrate) buffer and was allowed to air-dry. The commercial oligonucleotides were spotted and UV-cross linked in an array format by the standard process.

Hybridization of heated and snap-cooled PCR products to the complementary oligonucleotides immobilized on the nitrocellulose membrane: the PCR products were heated and snap-cooled and hybridized to their respective immobilized complementary nucleotides by the following process.

The membrane was blocked before hybridization using blocking solution (1% PVP-10, 1% PEG 6000, and 0.05% Tween-20) for 15 min to avoid unspecific binding. The hybridization was carried out in 5× SSC buffer and 10% poly(ethylene glycol) (PEG) 6000 at 60 °C for half an hour. The membrane was then washed with 1X SSC buffer.

Synthesis of Au nanoclusters on a hybridized membrane: after hybridization, synthesis of Au nanoclusters was carried out on the spots by adding 1.5 μL of 0.7 mM HAuCl4 and 0.5 μL of 0.01 M MPA, followed by heating the membrane using the thermocycler at 95 °C for 2 min and then cooling at 15 °C for 3 min.

Image acquisition and analysis: the membrane with synthesized Au nanoclusters was imaged and analyzed using the visualization unit using custom-developed software under UV illumination (254 nm).

Synthesis of the Au Nanoclusters Using BSA as the Template

Protein Expression Studies

Expression and purification of GST and GST-hGMCSF in Escherichia coli BL21 DE3: for primary culture, 20 μL of E. coli BL21 DE3 stock harboring pGEX4t2 vector was inoculated in 3 mL of LB (Luria–Bertani) media with 3 μL of 100 mg/mL ampicillin and was incubated overnight at 37 °C (180 rpm). The grown primary culture (2 mL) was inoculated into 200 mL LB media with 200 μL of 100 mg/mL ampicillin and was incubated at 37 °C (180 rpm) until an optical density (O.D.) of 0.6 was obtained. Following this, induction was given by 1 mL of isopropyl β- d -1-thiogalactopyranoside (24 mg/mL) at 24 °C (180 rpm, 6 h). The cells were then centrifuged at 6000 rpm (4 °C, 7 min), and the pellet hence obtained was stored at −20 °C. For the preparation of lysis buffer (7 mL), 100 μL of 1 mM ethylenediaminetetraacetic acid and 100 μL of 1 mM phenylmethane sulfonyl fluoride were added to 1X phosphate-buffered saline (PBS). The cell pellet was then resuspended in lysis buffer homogenously and was sonicated with a probe sonicator for 5 min. Centrifugation was carried out at 12 000 rpm (4 °C, 20 min), and the supernatant was collected. The supernatant obtained in the previous step contained solubilized protein. It was first filtered through a 0.45 μm syringe filter and was then put into a glutathione agarose beads column (prepared previously by the standard method) for half an hour. Flow-through fractions were collected, followed by washing of the column eight times with PBS. For elution buffer preparation, 20 mg of reduced glutathione was added to 5 mL of 50 mM tris (pH 8). Recombinant GST bound to the affinity column was eluted with the elution buffer after 20 min. Multiple-flow through fractions were collected and analyzed using 12% SDS PAGE. A similar protocol was adopted for the isolation and purification of GST-hGMCSF.(44)

Estimation of protein by the Bradford assay: the concentration of the purified recombinant GST proteins was estimated using the Bradford assay. The standard solution was prepared using the BSA of concentrations 0.5, 1, 2, 4, and 10 μg/mL, and 10 μL of the protein sample (recombinant GST proteins) was used for analysis along with 90 μL of Bradford reagent solution (Sigma-Aldrich). It was allowed to react at room temperature for 10 min in dark, and the optical density at 595 nm was measured using a TECAN Elisa plate reader.

Enzyme activity: GST activity was determined using the CDNB assay: the increasing amount of protein solutions with 1X PBS buffer (pH 7.5), 1.0 mM GSH, and 1.0 mM CDNB, amounting to the total volume of 100 μL, was taken in a 96-well plate. The control wells contained PBS, CDNB, and glutathione. After 10 min, the change in absorbance with respect to control was measured at 340 nm using a Tecan Elisa plate reader. One unit of activity is defined as the formation of 1 μM product per min at 25 °C (εmM is the extinction coefficient at 340 nm in a 96-well plate is 5.3 for CDNB, and is the dilution factor).

Immobilization of primary antibody on the PVDF membrane in an array pattern: the primary antibody specific to the GST antigen was immobilized on the PVDF membrane (IMMOBILON P 0.45 μm membrane) by spotting different dilutions of primary antibody after activating the membrane of suitable dimensions (with maximum dimensions of 40 mm × 40 mm) in methanol. After spotting, the membrane was allowed to air-dry for 15–20 min.

Interaction of antigens with antibodies on the PVDF membrane: the membrane was blocked using blocking solution (as mentioned above) for 30 min to avoid unspecific binding, after that the membrane was incubated with respective GST antigens for 30 min and was washed with PBST (PBS with Tween 20) buffer for reducing nonspecificity.

Synthesis of Au nanoclusters on the PVDF membrane: after antigen–antibody interactions, Au nanoclusters were synthesized on the spots, by adding 1.5 μL of 0.7 mM HAuCl4 and 0.5 μL of 0.01 M MPA followed by heating the membrane using a thermocycler at 95 °C for 2 min and then cooling at 15 °C for 3 min.

Image acquisition and analysis: the membrane with synthesized Au nanoclusters was imaged and analyzed using the visualization unit using custom-developed software under UV illumination (254 nm).