Eksperimentel undersøgelse af Sekundære Flow Structures Downstream af en model type IV Stent Fejl i en 180 ° Buet Artery Test Sektion

Abstract

Den arterielle netværk i den menneskelige kar består af allestedsnærværende tilstedeværende blodkar med komplekse geometrier (grene, krumninger og snoning). Sekundære strømning strukturer er hvirvelstrøm mønstre, som opstår i buede arterier på grund af den kombinerede virkning af centrifugalkraft, ugunstige trykgradienter og vandtilgangen karakteristika. Sådanne flow morfologier er stærkt påvirket af pulsatility og flere harmoniske af fysiologiske indstrømning forhold og varierer meget i størrelse-styrke-form egenskaber sammenlignet med ikke-fysiologiske (stabil og oscillerende) strømmer ^{1 - 7 ud.}

Sekundære strømning strukturer kan i sidste ende påvirke væggen forskydningsspænding og eksponeringstid på blodbårne partikler mod progression af atherosklerose, restenose, sensibilisering af blodplader og trombose ^{4 - 6 8 - 13} Derfor, evnen til at opdage og karakterisere disse strukturer under laboratorium. -kontrollerede betingelser er precurseller at fremme kliniske undersøgelser.

En fælles kirurgisk behandling for atherosklerose, er stent implantation, at åbne forsnævrede arterier for uhindret blodgennemstrømning. Men de ledsagende flow forstyrrelser på grund af stent anlæg resultere i multi-skala sekundær strømning morfologier ^{4 -. 6} Gradvis højere orden kompleksiteter såsom asymmetri og tab i sammenhæng kan induceres ved efterfølgende stent svigt vis-a-vis de under uforstyrrede strømme ^5. Disse stent fiaskoer er blevet klassificeret som "Typer I-til-IV" baseret på manglende overvejelser og klinisk sværhedsgrad ^14.

Denne undersøgelse præsenterer en protokol for den eksperimentelle undersøgelse af de komplekse sekundære flow strukturer grund til at fuldføre tværgående stent fraktur og lineær forskydning af brækkede dele ( "Type IV") i en buet arterie model. Den eksperimentelle metode indebærer gennemførelsen af ​​partikel billede Velocimetri (2C-2D PIV) teknikker med en arketypisk halspulsåre indstrømning bølgeform, et brydningsindeks matchede blod-analog arbejder væske til fase gennemsnitsmålinger ^{15 -. 18.} Kvantitativ identifikation af sekundære flow strukturer blev opnået ved hjælp af begreberne flow fysik, kritisk punkt teori og en roman wavelet-transformation algoritme anvendes på eksperimentelle PIV data ^{5, 6, 19 - 26.}

Introduction

Sekundære flow strukturer er hvirvelstrøm mønstre, der opstår i interne flow geometrier med krumninger såsom buede rør og kanaler. Disse hvirvlende strukturer opstår på grund af den kombinerede virkning af centrifugale kræfter, ugunstige trykgradienter og indstrømning karakteristika. Generelt sekundære flow strukturer vises i plane tværsnit af buede rør som symmetriske Dean-type hvirvler under konstant tilstrømning og symmetriske Dean- og Lyne-typen hvirvler under svingende indstrømning vilkår ^{1 -. 3} Sekundære flow morfologier er stærkt påvirket af pulsatility og flere harmoniske af pulserende, fysiologiske indstrømning betingelser. Disse strukturer erhverve markant forskellige størrelse-styrke-shape egenskaber sammenlignet med ikke-fysiologiske (stabil og oscillerende) strømmer ^{1 -. 6} atherosklerotisk udvikling af læsioner i arterierne påvirkes af tilstedeværelsen af højfrekvente shear svingninger i regioner oplever lav gennemsnitlig forskydning ^{27, 28}

En almindelig behandling til atherosklerose, en komplikation resulterer i indsnævring af arterierne ved obstruktive læsioner, er implantation af stents. Stent frakturer er strukturelle fejl i implanterede stenter, der fører til yderligere medicinske komplikationer såsom in-stent restenose (ISR), stenttrombose og aneurisme formation ^{9 -. 13} stent frakturer er blevet kategoriseret i forskellige fiasko "Typer I-til-IV", hvor "Type IV" karakteriserer den højeste kliniske sværhedsgrad og er defineret som den komplette tværgående brud af stentstivere sammen med lineære forskydninger af stenten fragmenterne ^14. protokollen præsenteres i denne undersøgelse beskriver en Experimental fremgangsmåde til visualisering af sekundær strømning strukturer nedstrøms for en idealiseret "Type IV" stent fraktur i en buet arterie model.

Den foreslåede protokol har følgende fire væsentlige træk:

Design og fabrikation af laboratorie-skala stent modeller: Geometrisk beskrivelse af stents kan være forbundet med et sæt selvstændige udvides spiraler (fjedre eller helixer) sammenflettede hjælp Nitinol (en legering af nikkel og titan) ledninger ^29. Længden af stenten og dens stiver diameter afhænger af længden skala af arterielle læsioner opstod under klinisk implantation ^5. Parametrisk variation af spankulere diameter og Opgang vikling (eller pitch) fører til stenter af forskellige geometriske udformninger. Et resumé af stent designparametre valgt til 3D-printning er vist i tabel 1.

Udarbejdelse af en blod analog arbejder væske matchedemed kinematisk viskositet af blod og brydningsindeks i testdelen: Optisk adgang til den krumme arterie testdelen er påkrævet for at gøre ikke-invasive hastighedsmålinger. Følgelig er en newtonsk blod-efterligning arbejdsfluid med brydningsindekset for den vaskulære model og ideelt, en dynamisk viskositet, der matcher humant blod anvendes til at opnå nøjagtig blod flowmålinger ^{16 -. 18, 30} Arbejdsfluidet anvendt i denne undersøgelse blev rapporteret af Deutsch et al. (2006), der omfattede 79% mættet, vandig natriumiodid (NaI), 20% ren glycerol og 1% vand (efter volumen) ^16.

Eksperimentel arrangement til påvisning af sammenhængende sekundære flow strukturer ved hjælp af en to-komponent, to-dimensionelle partikel billede Velocimetri (2C-2D PIV): Eksperimenter blev designet til at erhverve fase-gennemsnit sekundær flow velocity data på forskellige plane tværsnitsundersøgelser steder nedstrøms for en kombination af straight og buede stent sektioner med Europa en idealiseret "Type IV" stent fraktur ^{5, 6, 9, 14.} Protokollen-skridt vedrørende køb af sekundære flow hastighed felter ved hjælp partikel billede Velocimetri (PIV) teknik indebærer et PIV-system, der består af en laser (lys ark) kilde, optik til at fokusere og belyse regionerne flow, en særlig krydskorrelation ladningskoblet indretning (CCD-sensor eller et kamera) og sporstof partikler skal oplyses af lyspladen inden for et kort tidsinterval (aT ; se tabel 4) ^{31, 32.}

Trinene i protokollen antager følgende: Først en kalibreret, forsøgsopstilling af en to-komponent, to-dimensionelle (2C-2D) PIV system, der evaluerer billeder ved at dobbeltklikke frame, optagelser enkelt eksponering. Andet, 2C-2D PIV beregner de gennemsnitlige forskydninger af sporstof partikler ved at udføre cross-korrelation mellem to billedrammer erhvervet under hver optagelse. En brIEF resumé af PIV specifikationer og billedoptagelse software præsenteres i materialer og udstyr bord. For det tredje er alle sikkerhedsforanstaltninger, der er nødvendige for at betjene laseren efterfulgt af uddannet laboratoriepersonale i henhold til de retningslinjer, som værtsinstitutionen. Forfatterne foreslår, Refs. 31 og 32 for en holistisk forståelse af implementeringen, funktionalitet og anvendelse af PIV teknik i aero-, hydro- og mikrofluide dynamik, korrelation peak detektion og forskydning estimering, materielle og tæthed af sporstof partikler og måling støj og nøjagtighed. Bemærk også, at laseren og kameraet kan styres ved erhvervelse PIV data computer (figur 3A) og databehandling software.

Dataindsamling og efterbehandling for en sammenhængende afsløring struktur: Fase-gennemsnit sekundær flow hastighedsmålinger ved hjælp af en 2C-2D PIV blev genereret ved hjælp af den protokol beskrivelse, der følger. Post-proces ning af dataene involverede kohærent detektering sekundær strømning struktur ved anvendelse af følgende tre metoder: kontinuerlige wavelet-transformation, ^{5, 6, 19 - 24, 26.}

Forfatterne bemærker, at hastighedsgradienten tensor det væsentlige, en 3 x 3 matrix,
.

Protokollen præsenterer en metode til at erhverve todimensionelle eksperimentelle målinger (fra 2C-2D PIV teknik). Derfor vil fuld eksperimentel adgang til hastigheden gradient tensor ikke kunne opnås ved hjælp af denne metode. Hastighedsgradienten tensor for hver pixel af PIV billede bør være en 2 x 2 matrix, . Z-komponent vorticityquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51.288 / 51288eq6.jpg "/> for hver pixel beregnes under anvendelse af anti-symmetriske del af hastighedsgradienten tensor . Resultatet vil være en 2D matrix af vorticity der kan visualiseres i en kontur plot. Forfatterne foreslår kraftigt Ref. 25 for en veltalende diskussion eksperimentel adgang til hastigheden gradient tensor mod at øge kendskabet til vorticity spredning, stamme satser og sammenhængende afsløring struktur. Desuden har forfatterne ikke forsøge at udforske de indbyrdes forbindelser mellem de førnævnte sammenhængende struktur påvisningsmetoder og foreslå Ref. 23, 24 for en omfattende diskussion om dette emne.

Fokus for trinene i protokollen er den kvantitative identifikation af sekundære flow (hvirvlende) structures (også kendt som sammenhængende strukturer). Tre metoder til sammenhængende afsløring struktur dvs.., og wavelet forvandlet vorticity anvendes på hastigheden feltdata mod påvisning af multi-skala, multi-styrke forekomster af sekundær strømning strukturer nedstrøms for den idealiserede "Type IV" stent fraktur.

Det Definerer en hvirvel som en rumlig region, hvor den euklidiske normen af vorticity tensor dominerer den for hastigheden af stamme ^{19, 23, 24} .Den hastighedsgradient matrix nedbrydes til symmetrisk (tøjningshastighed) og anti-symmetriske (rotation) dele. Egenværdierne for tøjningshastighed matrix beregnes; . Norm af stammen satsen beregnes derefter; ) Beregnes derefter. Det er endelig opgjort, . En kontur plot af det samlede sæt af med iso-regioner , Vil indikere sekundære flow strukturer ^19.

Det , Også kendt som 'hvirvlende stærk ", er en vortex identifikationsmetode udført af kritisk-punkt analyse af den lokale hastighedsgradient tensor og dets tilsvarende egenværdier ^20-24 beregnes. Egenværdierne bør være af formen, . En kontur plot af med iso-regioner vil indikere sekundære strømning strukturer ^{20 - og 22.}

Wavelet-transformation metode udnytter en analyserende funktion (eller wavelet), der har glathed i fysiske og spektrale rum, kan antages (eller har nul middelværdi) og har en endelig ^{5, 6, 26.} Ved foldning en dilateret eller kontraheret wavelet med en 2D vorticity felt, wavelet forvandlet vorticity felt genereres comprising af sammenhængende strukturer med en lang række af skalaer og styrker ^{5, 6, 26.} Shannon entropi af 2D wavelet-transformerede vorticity felt beregnes til at estimere den optimale wavelet skala, hvor alle de kohærente strukturer er løst tilstrækkeligt. Denne entropi estimering involverer en række sandsynligheder for hver pixel således at , Den normaliserede firkantet modul af vorticity forbundet med den pixel placering m, n ^{5, 6.} De proceduremæssige skridt er præsenteret grafisk i figur 6. De restriktioner på valget af den wavelet præsenteres i detaljer i Ref. 26. Denne protokol trin beskriver proceduren for sammenhængende struktur påvisning ved en 2D Ricker wavelet. Begrundelsen for brugen af ​​denne wavelet for hvirvlende mønstertilpasning præsenteres i Ref. 5, 6 og de relevante referencer citeret deri.

Protocol

1. Design og Fremstilling af Stent Modeller

Bemærk: Følgende trin er blevet fulgt for at skabe laboratorium-skala modeller af lige og buede stenter. Installationen af ​​de to stent modeller vil legemliggøre en "Type IV" fraktur (fragmentering og lineær forskydning af frakturerede stent dele).

Bemærk: Forfatterne anvendte Pro / Engineer software på tidspunktet for forskningen for at skabe CAD modeller i stenten geometri. Proceduren nedenfor er generaliseret og må ikke omfatte vilkår generiske til CAD-software anvendes. Andre CAD pakker kan også anvendes. De skridt, der følger er gældende for den CAD-software, at forfatterne anvendt på tidspunktet for forskningen og er blevet tilpasset fra producentens websted. For yderligere beskrivelse af hurtig prototyping maskine, der anvendes af forfatterne se listen Materials. De parametriske ligninger og initialiserede værdier for stent design præsenteres i Table 1 og figur 1D og 1E er eksempler på de lige og buede stent modeller efter rapid prototyping.

1. Opret lige stent geometri ved at definere parametriske ligninger og initialisering parametre for de venstre og højre spiraler i en kartesiske (XYZ) koordinatsystem (tabel 1).
   1. Generere et sæt af 10 med samme indbyrdes afstand venstre drejning helixer i en plan cirkulære opstilling omkring en lige linie, eller z-aksen, ved anvendelse af ligning. 1, 2, 3 og 5 er vist i tabel 1, med initialiserede værdier af antal omgange
      ( ), Beg, stent wire tykkelse ( ) Og nominelle diameter af stenten ( ) (Figur 1A og tabel 1).
   2. Gentag trin 1.1.1 ved anvendelse af ligning. 1, 2, 4 og 5 for at frembringe etcirkulært mønster af 10 lige stor indbyrdes afstand efterladt helixer (figur 1A).
   3. Generere lige stent geometri ved at kombinere eller samling af venstre og højre drejning helixer om en fælles akse (figur 1A).
2. Opret buet stent geometri ved at definere parametriske ligninger og initialisering parametre for de venstre og højre spiraler i cylindriske (R-β-X) koordinatsystem eller om en buet datum linje (tabel 1). Gentag trin 1.1.1 - 1.1.2 med de tidligere initialiseret parametre ved hjælp Eq. 1, 2, 6 og 7.
   1. Generer en buet stent geometri kombinerer eller samling venstre og højre drejning spiraler buede om en fælles akse (R) og ses under en vinkel på oprindelse (figur 1B).
3. Opret høj opløsning stereo litografi (STL) filer fra lige og buede stent CAD modeller.
   1. Vælg 'Eksport> Model 'fra menuen File'. Vælg 'STL' muligheden. Set 'akkord højde "til 0. Set" Angle kontrol "til 1. Påfør' OK 'for at oprette STL-filen. Bemærk: Værdien af ​​'Angle Control' regulerer mængden af ​​tessellation sammen overflade med små radier og indstillingen kan være mellem 0 og 1.
4. Fabrikere stent-modeller på en hurtig prototyping maskine er vist i figur 1C ved hjælp af materialer, der er opført i materialer og udstyr bord.
   1. Start 3D-print-software (se Materialer List). Klik på 'Indsæt' for at finde den STL-filen på 3D-printer computer og vælge den ønskede fil. Træk musen på skærmen for at placere 3D rendering af STL-fil på en virtuel platform ( "Bakke") på skærmen.
   2. Vælg relevante enheder som "mm" (Valg: "mm" eller "tommer") fra fil menufanerne. Vælg kvaliteten af ​​det færdige produkt som "Matte" (Optioner: "Matte" eller "Gloss"). Vælg 'Bakkeindstillingerne> Validering' fanen fra filen menuer.
   3. Se efter "Validering lykkedes" besked til fortsætte til næste trin. Hvis valideringen er mislykkede gentagne trin i 1.3 - 1.4.2 indtil succesfuld validering er opnået.
   4. Vælg 'Bakkeindstillingerne> Byg' fanen fra filmenuer at sende filen til 3D-printer til fabrikation.
      Bemærk: Værdien af ​​'akkord højde' styrer graden af ​​tessellation af modellen overflade. Det påvirker nøjagtigheden og filstørrelse af modellen vil automatisk blive erstattet af en minimumsværdi. Små værdier af akkord højde fører til mindre afvigelse fra den faktiske del geometri med filstørrelse tradeoff. Validering kontrol er nødvendig for at sikre, at den del er sammenhængende og blottet for eventuelle strukturelle anomalier under produktionsprocessen scenen.

2. Forbered Kinematisk Viscosity- og Refraktivt Index-matchet blod-analog Fluid

Bemærk: Følgende procedure vil give ca. 600 ml blod-analog løsning. Et resumé af de kemiske reagenser og opløsningsmidler med relevante egenskaber, der anvendes i opløsningen præparatet er vist i liste Materials. Relevante materialeegenskaber, er foreslået laboratorieudstyr og retningslinjerne for volumetriske beregninger vises i tabel 2, 3 og 4, hhv.

1. Der fremstilles en mættet opløsning af natriumiodid (NaI).
   1. Hæld 500 ml deioniseret _H2O til et 2.000 ml bægerglas. Bægerglasset anbringes på magnetomrører.
   2. Mål ≈860 g NaI på en nulstillet vægt balance og tilsættes 100 g intervaller i bægeret under omrøring og venter på den aktuelle tilføjelse til fuldt ud at opløse før du tilføjer den næste. Registrere temperaturen ved hver tilsætning, da processen af mætning deioniseret _H2O med NaI er lidt exothermic. Nedkøle opløsningen som nødvendigt for at opretholde den ved stuetemperatur (≈ 25 ° C).
   3. Tilføj små NaI intervaller (≈5-10 g) op til 20 g, indtil opløsningen er mættet. Noter den samlede masse og temperatur hver tilsætning. Fjern bægeret med mættet NaI løsning fra den magnetomrører når du er færdig.
2. Måle densiteten af ​​den mættede NaI-opløsning ( ).
   1. Tilsæt 10 ml mættet NaI løsning fra trin 2.1 til et 50 ml bægerglas på en nulstillet-skala ved hjælp af en sprøjte (eller fuldpipette), hvilket gør at der ikke er luftbobler. Optag masse og volumen tilsat.
   2. Beregn massefylden af ​​hver tilsætning anvendelse af ligning. 8 (se tabel 3). Gentag dette trin omkring 4-5 gange. Gennemsnittet af tætheder optaget. Retur løsningen på det parti mættet NaI klargjort i trin 2.1.
3. Vurdere det samlede volumen af ​​blod efterligner løsning. < ol>
4. Måle massen af ​​den mættede NaI-opløsning fremstillet i trin 2.1 og beregne dens volumen ( ) Ved anvendelse af ligning. 9. Skøn det samlede volumen af ​​blod efterligner løsning ( ) Og de partielle volumener af glycerol ( ) Og deioniseret vand ( ), Hvormed efter Eq. 10, 11 og 12 (se tabel 3).

Forbered blod-analog løsning.

1. Der fremstilles en blod analog opløsning bestående af 79% mættet NaI-opløsning, 20% glycerol og 1% deioniseret vand (efter volumen) gennem homogeniseret blanding på en magnetomrører.
2. Anbring bægerglasset med mættet NaI løsning på magnetomrører og tilsæt glycerol i små intervaller (88 / 51288eq38.jpg "/>), ved hjælp af en sprøjte (eller gradvise eller fuldpipette), indtil hele mængden af ​​glycerol ( ) Beregnet i trin 2.3 tilsættes. For hver iteration, optage den ekstra volumen og vente, indtil opløsningen er synligt homogeniseret før tilsætning af den næste tilvækst af glycerol.
3. Efter fuldstændig homogenisering af mættet NaI opløsning og glycerol, tilsættes ved hjælp af en sprøjte (eller gradvise eller fuldpipette). Fortsæt omrøringen på magnetomrøreren indtil blod-analog løsning er synligt homogeniseret.

Karakterisere blod analog fluid standard omgivende temperatur og tryk (25 ° C, 1 atm).

1. Mål den kinematiske viskositet (ν) under anvendelse af en standard Ubbelohde viskosimeter eller tilsvarende måleinstrument.Kinematisk viskositet kan justeres ved tilsætning af små, målte mængder glycerol med en gradueret eller volumetrisk pipette.
2. Mål brydningsindeks (n) under anvendelse af et refraktometer. Brydningsindeks kan justeres ved tilsætning af små mængder af natriumthiosulfat vandfri anvendelse af en spatel.
   Bemærk: Forfatterne rapporterer den kinematiske viskositet, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 ^-6 m ^{2 sek-1} ± 2,8%) og brydningsindekset af blodet analog fluid, n = 1,45 (± 3,4%) ^{5, 6.}

3. Arranger Eksperimenter til måling af sekundær Flow Velocity Fields Nedstrøms af en "Type IV" Stent Fejl

Bemærk: 180 ° buede arterie test sektion består af to akryl blokke limet sammen, 180 ° buet kanal bearbejdes på hver blok og hensættelse til og afgangsrør som vist i figur 1F, 3A og 5, 6 (se tabel 2).

1. Installere stents fremstillet i trin 1 i den krumme arterie testsektionen lavet af akryl at udforme en idealiseret Type IV fraktur scenario, som medfører en fuldstændig tværgående brud af stenter og lineær forskydning af fragmenterede dele (se fig 1F, 3A og 3B).
   1. Placer lige stent opstrøms for den krumme arterie testdelen (se figur 1F og 3B). At sikre, at afstanden mellem den rette og buede stenter er '3 gange «diameteren af røret (D _rør = 12,7 mm), placeres 45 ° buede stent inde krumningen med den ene ende ved indløbet til det buede rør ( Figur 2B).
2. Saml the forsøgsopstilling ved at forbinde de lige akryl rør til indløbet og udløbet af den buede arterie testsektionen 180 ° som vist i den skematiske oversigt over forsøgsopstillingen (figur 2) på en optisk tabel (figur 3A).

4. Hent af Sekundær strømningshastighed Felter

Bemærk: Den følgende beskrivelse i protokollen vedrører køb af sekundære flow hastighed felter ved hjælp partikel billede Velocimetri (PIV) teknik Figur 3B (skematisk tegning) viser, at der fire steder (45 °, 90 °, 135 ° og 180 °). med kantede indhak at lette laser sheet projektion og gøre plane tværsnit sekundær strømningshastighed. Protokollen trin vedrører målinger erhvervet for 90 ° placering. Hvis laseren lagen er anbragt ved 45 ° placering, er kameraet placeret ved 135 ° placering for at få optisk adgang til sekundær strømning migasurements ved 45 ° placering.

Bemærk: Proceduren nedenfor er generaliseret og må ikke omfatte vilkår generiske anskaffelsen billedet og efterbehandling software og instrumentet kontrol software anvendes (se Materials List). Andre billed- og dataindsamling pakker kan også anvendes i protokollen.

1. Tænd laseren ved hjælp af ON / OFF kontakter placeret på laser strømkilde. Belyse en lille stykke papir til at visualisere laser ark. Juster laseren pladetykkelse (til ca. 2 mm) visuelt, ved at dreje laseren ark fokuseringsoptik placeret på laserkilden.
2. Placer laser ark langs 90 ° måleområdet således at pladen er vinkelret på den optiske tabel. Placere kameraet nær 0 ° eller 180 ° placering for at få optisk adgang den tværsnitsbillede belyses af laseren ark.
3. Ret laser og kamera ved hjælp af erhvervelse og post billedbehandling software til at justeresynsfeltet af kameraet for at tilstrækkelig tage billedet af det cirkulære tværsnit af den krumme arterie (se figur 3A) og reducere partikel forvrængning. Udfør justeringen af ​​'trial and error' ved at inspicere software-genererede billede af synsfeltet. Sluk for laseren ved hjælp af kontrol switches placeret på laser strømkilde og sørg for, at kameraet er tændt med objektivdækslet fjernet.
4. Start erhvervelse billede og efterbehandling software på erhvervelse PIV data computer og logge ind som 'ekspert bruger «. Opret et nyt projekt fra menuen Filer, angive et 'Projektnavn' og vælg 'PIV' under den »Type projekt«. Vælg 'Ny' fra menuen fil at initialisere en ny PIV optagelse session. Vælg 'Enhed' under 'Indstillinger' afsnit om erhvervelse billede og efterbehandling software.
5. Naviger til 'optagelse' dialogboks på skærmen,aktivere 'Camera 1 "afkrydsningsfeltet og vælg' Single Frame (T1A)" valgmulighed. Vælg laser «alternativknappen" skal indstilles til ON i forarbejdning software-indstillinger erhvervelse og post billedet. Aktiver ekstern strømforsyning tilstand på laser strømkilde ved at trykke på "EXT" og "High power 'switches placeret på laser strømkilde.
6. Vælg 'Grab' om erhvervelse og post billedbehandling software til at begynde at erhverve PIV billeder at observere på computerskærmen. Flyt kamera med små manuelle justeringer på den optiske bordet og justere fokus på at optimere placeringen af ​​kameraet for at maksimere field-of-view, reducere sløring og billedforvrængning.
7. Vælg 'Stop' radio-knappen på billedoptagelse og efterbehandling software-indstillinger til at ophøre med at erhverve PIV data og ikke foretage yderligere justeringer kamera. Proceduren for tilpasning er færdig på dette tidspunkt.
   Bemærk: De laserimpulser på dette stadium er kontrolleret af billedeterhvervelse og efterbehandling software og kan yderligere styres ved at variere pulserende frekvens eller "Exposure" i softwareindstillingerne. Laseren standser automatisk, da det styres af billedfangst og postprocesseringssoftware. Må ikke tæt erhvervelse og post billedbehandling software som det aktuelle projekt vil blive brugt til at erhverve PIV data i de efterfølgende trin.
8. Erhverve billeder af de sekundære flow felter ved hjælp af 2C-2D PIV-system ved at følge nedenstående trin for at sikre fase-wise PIV data genereres ved hjælp af tidsmæssige triggerimpulser fra pumpen instrument kontrol computer, der er synkroniseret med den dobbelte puls laser og kamera.
   Bemærk: Den programmerbare pumpen tilsluttes pumpen instrument styrecomputeren og styres af instrumentet kontrol software program. De skridt, der følger involverer opsætning af software kontrol moduler på PIV computer ved hjælp erhvervelse billede og efterbehandling og pumpe instrument kontrol computer osing instrument kontrol software.
   1. Tænd programmerbare pumpe ved hjælp af ON / OFF-kontakten placeret på pumpen. Start instrumentet kontrolprogram på pumpens instrumentet kontrol computer.
   2. Indlæse tekst-fil, der har værdierne af spænding-tid bølgeform med en reference trigger (t / T = 0), som repræsenterer den fysiologiske (halspulsåren) strømningshastighed bølgeform på instrumentet styresoftware opretholde et fysiologisk Womersley nummer og, maksimum Reynolds og Dean numre (figur 4A).
   3. Set 'Amplitude "til 1 (volt)," DC offset "til 0 (volt),' Antal tidsskridt" til 1000 og "Tidsperiode" til 4 (sekunder) på instrumentet kontrol software interface skærmen.
   4. Bekræft, at den eksterne power tilstand på laser strømkilde i trin 4.5, stadig aktiveret. Tryk på 'EXT "og" High power «switches placeret på laser strømkilde, hvis det kræves.
   5. Vælg 'Enhed' efter at have klikket 'Ny optagelse' i afsnittet 'Indstillinger' på erhvervelse image og efterbehandling software. Naviger til 'optagelse' dialogboks om erhvervelse billedet og efterbehandling software (PIV computer), aktivere 'Kamera 1 "afkrydsningsfeltet og vælg' Double Frame (T1A + T1B) 'muligheden for at oprette laseren til at fyre i dobbelt puls mode.
   6. Vælg 'Timing' option på "Recording" dialogboks om erhvervelse og post billedbehandling software, skal du vælge 'Trigger source' og sæt den til 'External cyklisk trigger "for at synkronisere med trigger-signaler fra pumpen instrument styremodulet. Vælg 'Aquisit «under" Indstillinger "afsnittet om erhvervelse og post billedbehandling software til stærte oprette PIV erhvervelse.
   7. Naviger til 'Recording sekvens' dialogboks om erhvervelse og post billedbehandling software. Tilføj en tabel scan "underkategori under 'Recording sekvens' med den relevante fane findes på software interface. Udfylde skemaet skabt ved hjælp af "Rediger tabel scan ',' Append Scan 'og input tidsværdier startende med 0 millisekunder og slutter med 4000 millisekunder i intervaller på 40 millisekunder. Input AT-værdier svarende til hver gang post i tabellen. Tryk 'Enter' på tastaturet efter hver indtastede værdi.
   8. Naviger til 'Recording sekvens' dialogboks om erhvervelse og post billedbehandling software. Tilføj "Image Acquisition 'underkategori under' Tabel scan" oprettet i trin 4.8.7. Indstil 'Antal billeder' til 200, aktivere afkrydsningsfeltet 'Vis billeder under optagelse' og vælg 'Start straks ".
   9. Select 'Enhed' i afsnittet 'Indstillinger' og bekræft, at laseren er sat til 'ON' med de relevante strømindstillinger. Naviger til 'Laser Control' for at bekræfte. PIV Systemet er nu klar til at erhverve data.
   10. Vælg 'Kør' radio-knappen på instrument kontrol software interface på pumpens instrument kontrol computer til at levere væske til forsøget ved hjælp af de input, der er fastsat i trin 4.8.2-4.8.3 sammen med en trigger puls hvert 4. sekund.
   11. Vælg 'Start optagelse' for at erhverve fase-wise målinger ved hjælp trigger-signal fra pumpen instrument kontrol, indtil det forudbestemte antal plane velocity felter (200, tilstrækkelig til at opnå statistisk konvergens ^{5, 6, 31, 32)} ved hver gang instans oprettet i tabellen scanning (se trin 4.8.7) ved 90 ° placering er lavet.
   12. Tryk på 'Stop' på laser strømkilde, når optagelsen er færdig. Sluk for pumpen og kamera, og placer kameralinsen cover. Vælg 'Stop' radio-knappen på instrument kontrol software interface på pumpens instrumentet kontrol computer.
   13. Visuelt inspicere forsøgsopstilling at gage niveauet for lækage, samle den lækkede væske om nødvendigt at sikre, at alle enheder er slukket eller kan stå på standby, alt efter hvad der er passende. Luk indspilningen i købet og post billedbehandling software.

5. Detect Sammenhængende Sekundær Flow Structures

Bemærk: Brug erhvervelse billede og efterbehandling software og et sæt af kommando-line funktioner (MATLAB-baserede værktøjskasse, PIVMat 3.01) til at importere, post-proces og analysere 2- vektor komponent felter fra PIV systemet ^{5, 6, 33.}

1. Lav en maske, der omfatter indre flow geometri dvs. det cirkulære, plane tværsnitsareal.
   1. Vælg projektet oprettede i trin 4.4, der nu har PIV data indhentet ved hverforekomst af tid angivet i trin 4.8.7. Endvidere skal du vælge data i dialogboksen indeholder hele PIV data ensemble.
   2. Følg instruktionerne i "Supplerende Code File - at skabe en maske".
2. Opret en efterbehandling rutine ved at vælge "Batch" ikonet i menuen fil i vinduet projektet, mens nogle PIV datasæt er valgt som standard. En dialogboks med en "Operation liste 'vises som bør udfyldes i samme rækkefølge som nævnt i det følgende trin.
   1. Følg instruktionerne i "Supplerende Code File - at skabe en efterbehandling rutine".
3. Beregn fase-gennemsnit og RMS sekundære flow hastighed, og hvirveldynamik områder.
   1. Vælg 'vektor statistik: vektorfelt resultat «drift fra koncernens statistik' og klik på 'Parameter' i dialogboksen. Aktiver 'Average V "og" RMS V' afkrydsningsfelter undis de 'Vector felter' sektionen. Vælg operation "rot-z Eyx - Exy 'fra gruppen' udtrække skalarfelt: rotation og forskydning" til at bestemme den todimensionale vorticity i plane tværsnit.
4. Start indlæg behandle hele PIV data og generere fase-gennemsnit mængder hastighed, RMS hastighed, hvirvelstyrke og hvirvlende styrke med operationer oprettet i trin 5.3 og 5.4.
   1. "Højreklik" på nogen PIV data under vinduet projektet, skal du vælge 'HyperLoop> Alle sæt ", og vælg indstillingen' Tilføj alle" under "Tilgængelige Sets:" afsnit for at sikre, at hele PIV data ensemble er valgt.
   2. Vælg 'Parameter' fra rullemenuen under "Filter:" afsnittet. Vælg 'Batch Processing' under den "Operation:" afsnittet. Klik på 'Udfør' for at starte "hyperloop 'efterbehandling af PIV data.
5. Beregn hvirvlendestyrke ) felter til påvisning sekundær strømning strukturer ved hjælp erhvervelse billede og postprocesseringssoftware. Vælg operation "hvirvlende styrke 'fra gruppen' udtrække skalarfelt: rotation og forskydning«.
   1. Gentag trin 5.4.1-5.4.2 at udføre 'Hyperloop' efterbehandling.
6. Detect sammenhængende strukturer ved og kontinuerlig wavelet-transformation på vorticity felt ved at skabe brugerdefinerede MATLAB funktioner og bruge PIVmat 3.01-baserede MATLAB funktioner (Se "Supplerende Code File - MATLAB koder" for eksempel kode).
   1. Generer en 2D vifte af data fra følgende ligning, der repræsenterer en 2D Ricker wavelet ved initialisering skaleringsfaktoren i ligning. 13 til en arbitrær værdi (Se "Supplerende Code File - MATLAB koder").
      
   2. Udfør todimensional foldning eller Fourier mangedobling af vorticity data fra trin 5.4, med 2D Ricker wavelet funktion (Eq. 13) for at generere wavelet transformeret vorticity felt ved initialiseret skalafaktor . (Se "Supplerende Code File - MATLAB koder").
   3. Beregn Shannon entropi af wavelet transformerede vorticity felt repræsenteret af Eq. 14 (Se "Supplerende Code File - MATLAB koder").
      
   4. Skift skaleringsfaktor til og generere en ny 2D array af data, som repræsenterer 2D Ricker wavelet (Eq. 13) (se figur 6).
   5. Gentag trin 5.6.1 - 5.6.4, for et stort udvalg af skalafaktorer ( Se feedback loop i figur 6.
   6. Opret et plot af Shannon entropi vs. wavelet skalafaktor i trin 5.6.5 (se figur 6). Find en optimal wavelet skala , Der sædvanligvis svarer til et lokalt minimum i Shannon entropi . Gentag trin 5.6.4 ved optimal wavelet skala (see Shannon entropi vs wavelet skala plot i figur 6).
   7. Opret en kontur plot af wavelet forvandlet vorticity ved skaleringsfaktor wavelet svarende til den optimale værdi af Shannon entropi .

Representative Results

Resultaterne præsenteret i figur 7A-D blev genereret efter efterbehandling sekundær strømning velocity data (se figur 5, 6) erhvervet fra 2C-2D PIV systemet vist i figur 3A. Tilstrømningen tilstand tilføres til den krumme arterie testsektionen med en idealiseret "Type IV" stent fraktur var halspulsåren bølgeform vist i figur 4B. Vores tidligere undersøgelser har vist følsomheden af ​​sekundær strømning strukturer til decelererende betingelser i forskellige pulserende indstrømning bølgeformer inden for et vist område af Womersley numre ^{4 -. 6} Følgelig, den tid forekomster af resultaterne præsenteret i figur 7A-D, blev valgt til at svare til den systoliske deceleration fase af halspulsåren indstrømning waveform. Sammenhængende sekundære flow strukturer af varierende størrelse-styrke-morfologiske egenskaber præsenteres på forskellige plane tværsnit som vist i figur 7A-D. Storstilede sammenhængende sekundære flow strukturer, der opstod i den buede arterie test sektion er blevet klassificeret som deformeret Dean-, Lyne- og Wall-type (DLW) hvirvler. Typisk DLW hvirvler udvikle sig under den systoliske acceleration fase. Under systolisk deceleration fase, DLW strukturer oplever en atypisk tab i sammenhæng, asymmetri og ændringer i hvirvlende positioner, størrelser, styrker og morfologier. Det følgende er en beskrivelse af resultaterne præsenteret i figur 7A-D:

På placering (figur 7A): Et enkelt par symmetrisk, sammenhængende, deformeresDean hvirvler (D) er observeret i felter t / T = 0,23 og 0,27. Disse D-type hvirvelstrømme synes at oversætte mod den ydre væg under deceleration. Q-felter foreliggende stamme og shear-dominerede mønstre ved t / T = 0,23, foruden D-type hvirvler. Som en mulig effekt af deceleration ved t / T = 0.27, en reduktion i styrken af ​​D-typen hvirvler og nær-væg strain domineret strømningsfelter observeres. Multi-skala sekundær strømning morfologier foruden D-type er fundet i wavelet transformeret hvirveldynamik felter hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​flere strain-dominerede hvirvlende mønstre.

På placering (figur 7B): En overgang fra et par af D-hvirvler på felter. Som det fremgår af størrelserne af hvirvlende styrker, L- og W-typen hvirvler har højere omsætning end D-type hvirvler. Flow forstyrrelser, der udgår fra den brækkede-stent på placering har sandsynligvis bidraget til dannelsen af ​​DLW hvirvler. Effekten af ​​deceleration observeres som reduktion i styrke i L- og W-type hvirvler. Der er god overensstemmelse i placeringen af ​​store sammenhængende DLW strukturer mellem og felter. Yderligere mindre målestok sekundære flow morfologier opdages i

På placering (Figur 7C): felt ved t / T = 0.23 indikerer tab af L-type hvirvler og tilstedeværelsen af ​​aflange D- og W-type hvirvler. Ved t / T = 0.27 er der et tab af hvirvlende styrke i både D- og W-type hvirvler. Virkningen af ​​deceleration indikeres af asymmetrien af ​​hvirvlende strukturer observeret i felt. Sammen med tilstedeværelsen af ​​langstrakte D-type hvirvler en mangfoldighed af mindre omfang W-type hvirvler overholdes. Q-felter indikerer tilstedeværelsen af ​​nær-væg shear-dominerede områder t hat er tyder på øget usikker fra stent fraktur-induceret flow forstyrrelser.

På placering (figur 7D): felt ved t / T = 0,23 består af svage, DLW strukturer. På grund af virkningen af ​​flow deceleration disse DLW strukturer tendens til at udtømme yderligere ved t / T = 0,27. Tab i nær-væg klipning flow er observeret i Q-felter ved begge instanser af tid. Ved t / T = 0,23, felt viser, at D-hvirvler er placeret tættere på den indre væg sammen med multi-skala W-type hvirvler og de omkringliggende stamme-dominerede strukturer i enighed med den tilsvarende felt.51288eq63.jpg "/> felt viser klart et tab i sammenhæng i DLW strukturer og asymmetri ved begge instanser af tid, mens felter ikke fange dette fænomen.

Brede slutninger efter vellykket gennemførelse af protokollen opdaget store sekundære flow strukturer og deres skiftende flow morfologier. påviste områder med høj belastning-rate, der normalt forekommer i de nær-væg regioner. Kontinuerlig wavelet transformere algoritme opdaget de store sekundære flow strukturer i god overensstemmelse med unthresholded . 2D Ricker wavelet kerne derudover løst adskillige lav omsætning, multi-skala sekundære flow morpholo gier, der blev uopdaget med og unthresholded . En kombination af disse tre målinger holistisk identificeret sekundær flow hvirvlende og stamme-dominerede strukturer.

Figur 1. Design, fremstilling og installation af lige og buede stenter. (A) CAD model af lige stent konfiguration ved hjælp af en kombination af venstre og højre drejning spiraler. (B) CAD model af buede stent-konfiguration. (C) 3D-printer, der anvendes til fremstilling af stenterne. (D) og (E) Lige og buede stents efter 3D-print. (F) Stenter installeret i 180 ° krumme arterie test sektion.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

. Figur 2. Skematisk tegning af partiklen billedet Velocimetri (PIV) systemet Følgende systemkrav-komponenter er angivet: 1. Nd-YAG-laser med optik til at producere en laser ark og 2. CCD kamera, der er kontrolleret af erhvervelsen PIV-data computer, 3. pumpe instrument kontrol computer, der giver spændingen tid bølgeform til pumpen og synkronisering udløser til købet PIV-data computer, 4. Programmerbar tandhjulspumpe, der producerer fysiologiske flowhastigheder, 5. En lukket sløjfe, eksperimentel test sektion med og afgangsrør, 180 ° buet arterie testsektionen og et reservoir for blod-analog fluid. Indsat: Forskellige plane tværsnit hvor PIV målinger kan værelavet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. Eksperimentel arrangement af PIV-systemet med placering af stenten installation. (A) Opstilling af PIV system på optiske tabel med forskellige systemkomponenter-komponenter. (B) Skematisk tegning af 180 ° buede arterie test sektion med de vigtige dimensioner, placering af lige og buede stent, der repræsenterer den "type IV 'stent fraktur og afstanden mellem brækkede stent dele (d _plads). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4. Fysiologisk bølgeform frembragt af den programmerbare pumpe har de egenskaber funktioner såsom systoliske top ved tiden t / T = 0,19. (A) Strømningshastighed (ml / sek) målt opstrøms for 180 ° krumme arterie test sektion over 20 bølgeform cyklusser . (B) Flow rate bølgeform med standardafvigelser på forskellige forekomster af tid målt over 20 bølgeform cykler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5. Sekvens af PIV målinger og påvisning af sekundær strømning strukturer i 180 ° krumme arterie test sektion. (A >) Generation af sekundære strømningshastighed feltdata hjælp af PIV teknik via synkronisering af trigger produceret af pumpen instrument kontrol computer. (B) Efterbehandling sekvens efter det sekundære flow feltdata ved at behandle de pixelerede billeder (eller matricer) til Q og λ _ci -. Kriterier, og wavelet-transformerede vorticity (Ω) Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 6. Algoritmisk repræsentation af kontinuerlig wavelet-transformation tilgang til sekundær detektering arteriel flow struktur åbninger:. 2D-Ricker wavelet i en vilkårlig skala (ℓ), et eksempel på 2D vorticity felt, Shannon entropi variation med wavelet skala (ℓ). dk / filer / ftp_upload / 51.288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

. Figur 7. Sekundære flow strukturer i 180 ° buede arterie test sektion på 45 °, 90 °, 135 ° og 180 ° plane steder og tid tilfælde t / T = 0,23, 0,27, under systolisk deceleration Inlays: Skematisk tegning der forestiller de målesteder, sammenligning af Q og λ _ci - kriterier, og wavelet-transformerede vorticity (Ω ') datafelter på hver plane steder og forekomster under systolisk deceleration, colorbars angiver forskellige værdier af erhvervet af af Q og λ _ci - kriterier og wavelet-transformerede vorticity (Ω) data og deres fortolkning. pg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Parameter		Ligning no.	formateret værdi		Stent model kategori	Beskrivelse
θ = 360 n vender t		1	n vender = 4		Lige; Buet	Antal omgange i helixen (n vender)
		2	banen = 22,225 mm per tur		Lige; Buet	Stigning af helixen (pitch)
stand en ligning 2 "src =" / files / ftp_upload / 51.288 / 51288tbl2.jpg "/>		3	D = 11.84 mm		Lige	Nominel diameter af stenten (D)
		4	D = 11.84 mm		Lige	Nominel diameter af stenten (D)
		5	banen = 22,225 mm per tur		Lige	Stigning af helixen (Pitch) Længde på lige stent model (z)
		6	l7.jpg "/>		Buet	Radius af 180 ° buede arterie model R bue
β = 180 t		7	β = 45		Buet	Vinkel, hvorunder den buede stent i centrum for krumningen
d wire		-	d wire = 0,85 mm		Lige; Buet	Diameter af stent stiver
L straight = z		-	L straight = 88,9 mm		Lige	Længde på lige stent model

Tabel 1. parameterfremstillinger af venstre og højre helixer og initialiseret parameterværdier.

lways "> Kemiske opløsningsmidler og reagenser Kemisk formel Densitet ved 20 ° C
(g / ^cm3)
brydningsindeks kinematisk viskositet
^(m2 / sek) x 10 ^-6
Form CAS Registry nummer natriumiodid NaI 3,67 1,7745 - Krystallinsk 7681-82-5 Glycerol C ₃ H ₈ O ₃ 1,262 1,4746 ≈1115 ^en Væske 56-81-5 Deioniseret vand _H2O 1 1,333 1,002 Væske - Natriumthiosulfat vandfri Na ₂ O ₃ S ₂ 1.01 - - Pulver 7772-98-7 ^et Målinger rapporteret af Segur og Oberstar ¹⁶

Tabel 2. Beskrivelse af kemiske opløsningsmidler og reagenser, der anvendes til at skabe blod-analog løsning.

Parameter	Ligning no.	Beskrivelse	Foreslået laboratorieudstyr
	8	Densitet mættet natriumiodid opløsning (NaI) beregnes ved at måle massen af ​​sålution og tilsættes i små mængder til et 50 ml bægerglas volumen.	1. Bæger (50 ml) 2. Vægte 3. Uddannet eller fuldpipette
	9	Volumen af ​​hele partiet af mættet natriumiodid opløsning fremstillet	1. Bæger med mættet NaI-opløsning (2.000 ml) 2. Afvej skala
	10	Samlet volumen af ​​blodet analoge løsning forventes efter volumetrisk løsning forberedelse	1. Bæger med mættet NaI-opløsning (2.000 ml) blandes med glycerol og DI-vand. 2. Afvej skala
	11	Samlet volumen af ​​glycerol, hvormed mættet natriumiodid opløsning	1. Bæger med mættet NaI-opløsning (2.000 ml) 2. Afvej skala 3. Bæger (100 ml) for at overføre glycerol til mættet NaI-opløsning
	12	Samlet volumen af ​​DI vand, der skal tilsættes til opløsning af mættet NaI og glycerol	1. Graduerede eller volumetrisk pipette til at overføre DI vand til opløsning af mættet NaI og glycerol

Tabel 3. Tabel over procent-for-volumen beregninger for blod-analog løsning: 79% NaI, 20% glycerol og 1% DI vand.

PIV systemspecifikation	Geometri eller karakteristisk værdi	Beskrivelse
flowgeometri	Cirkulært tværsnit parallelt med lys ark	Buet arterie testsektionen
Maksimalt in-plane hastighed	0,16 m sek-1	Sekundær flowhastighed skala
Billedestørrelse	x 1.376 pixels y 1.040 pixels	PIV Kamera CCD Array størrelse
Tidsinterval mellem laserpulser (AT)	600 - 3.200 usek	Input til PIV billede erhvervelse software (Davis 7.2)
Endelige antal vektorer	x 86, y 65	Output fra PIV data efterbehandling (Davis 7.2)

Tabel 4. Specifikationer for de to-kompent, todimensionale (2C-2D) PIV System.

Supplerende Code File 1. Oprettelse af en maske. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende Code File 2. Oprettelse af en efterbehandling rutine. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende Kode File 3:. MATLAB koder Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Protokollen i dette papir beskriver køb af hi-fi-eksperimentelle data ved hjælp af partikel billede Velocimetri teknik (PIV) og sammenhængende struktur påvisningsmetoder, nemlig., Kontinuerlige wavelet-transformation, , Velegnet til identifikation af vortex og shear-dominerede strømme. Analyse af eksperimentelle data fra fysiologiske indstrømning i nærvær af en idealiseret "Type IV" fraktur afslører, at sekundær strømning strukturer med komplicerede hydrodynamiske effekter såsom flow struktur asymmetri og variation i spatio-temporale distributioner, som ikke kan forudsiges ud fra simple fluid dynamiske teorier.

Der er fire kritiske trin i gennemførelsen af ​​denne protokol nemlig., (I) Design og fabrikation af laboratorie-skala stent modeller, (ii) Udarbejdelse af en blod analog arbejder væske matches med kinematisk viskositet af blod og casttive indeks af den krumme arterie model, (iii) Ikke-invasiv forsøgsopstilling (2C-2D PIV) og (iv) påvisning Avanceret sammenhængende struktur fremgangsmåder til identifikation af arterieblod strømningsmønstre.

Womersley nummer er en dimensionsløs parameter, der relaterer pulserende flow frekvens til viskose virkninger ^7. Reynolds tal vedrører inertikræfter til tyktflydende flow kræfter. Dean nummeret vedrører Centripetalkraft der opstår i strømning gennem buede rør til inertial og viskøse kræfter ^{1, 2.} Detaljer vedrørende skalering af den fysiologiske bølgeform med Womersley og Reynolds tal er vist i ^{5, 6.} Tilstrømningen bølgeform anvendt i denne undersøgelse var rekonstrueret fra arketypiske halspulsåren flow rate målinger (gennemsnit) af 17-20 raske patienter med Holdworth et al. ^15. Rørene, der fører til den krumme arterie test sektion er lange nok til, at strømmen ikke fuldt udviklet således, at pulserende flow betintioner ved indløbet til den krumme arterie testdelen er i fase med pumpen (figur 3a, 3b og 4a). Repeterbarhed af tilført fysiologisk bølgeform blev sikret ved at gøre aksiale PIV målinger af strømningshastighed og bulk hastighed opstrøms til modellen arterie under anvendelse af en 2C-2D PIV-system (se fig. 4b).

De hydrodynamiske stimuli fra arterielle hæmodynamik mod de førnævnte kliniske komplikationer er ikke kendt. Fysiologiske strømme vedrørende stent og stent-frakturer udgør kompleksiteter til in vivo og in vitro målinger. Protokollen præsenteres heri, kan modificeres til at indbefatte overensstemmelse i rørene for at studere indflydelsen af ​​arterielle sekundære flow strukturer under ikke-ideelle og mere realistiske flow scenarier. Sådanne eksperimenter vil udgøre yderligere udfordringer i måling og efterbehandling af data. Anvendelsen af ​​stereotype eller tomografisk-PIV teknikker, stand til at optage tre-dimensionelle velociTy felter kan forbedre vores forståelse af dynamikken i sekundære flow strukturer betydeligt.

Begrænsningerne i den eksperimentelle arrangement ligger i den manglende afklaring i en nær-væg (model-arterie lumen) regioner og manglen på optisk adgang til blodgennemstrømningen indenfor stent indopereret regioner. Disse begrænsninger dog udgøre elegante udvidelser af protokollen præsenteret. Brugen af ​​optisk klart materiale til 3D-print af stents, ville realistiske og patientspecifikke arterielle geometrier give hidtil uset adgang til hæmodynamik af stent-implantater og brækkede-stents.

En udvidet resultat af protokollen præsenteret heri vedrører valget af den "bedste" wavelet skala for sammenhængende afsløring struktur. Trin 5.6.3 - 5.6.7 er en foreslået løsning på problemet med den "bedste" wavelet skala (eller basis funktion) i sammenhængende afsløring struktur. Forfatterne fandt, at følgende trin 5.6.3 - 5.6.7 beslutsomhedd alle de store sammenhængende strukturer og derudover opdaget mindre skala sammenhængende strukturer, der var hidtil uopdaget i buede arterie modelforsøg. Forfatterne foreslår, Ref. 34, 35, hvor Shannon entropi anvendes til at evaluere den "bedste" basis i en diskret wavelet packet transformation (DWPT) algoritme mod detektering sammenhængende strukturer i en turbulent strøm eksperiment. For yderligere oplysninger om tilgangen vedrørende en kontinuerlig wavelet transformere algoritme, forfatterne tyder Ref. 5, 6, 35 og de deri citerede referencer.

Forekomsten af ​​frakturer i stent implantater og samtidig flow forstyrrelser medfører sekundære flow strukturer med komplekse, multi-skala morfologier og varierende størrelse-styrke egenskaber. Betydningen af ​​de metoder, såsom partikel billede Velocimetri (PIV) i kombination med sammenhængende struktur detektion især, wavelet-transformation muliggør løsning af multi-skala, multi-styrken secondary flow strukturer under stent og stent-fraktur-inducerede flow scenarier. Protokollen præsenteret heri baner vejen for at undersøge medicinske komplikationer såsom in-stent restenose (ISR), stenttrombose og aneurisme dannelse ^{8, 11-14} på grund af sekundære strømme. Desuden vil sekundære strømning hvirvlende mønstre stødt i de centrale regioner tendens til at påvirke bevægelse og eksponeringstid af blodbårne partikler såsom blodplader, sensibiliserende dem til aktivering mod trombose. Strain-dominerede nær-væg (lumen) sekundær strømning strukturer vil i sidste ende påvirke væg forskydningsspænding, der er nært beslægtet med atherogenese, især i arterielle krumninger.

De analytiske procedurer til at forudsige sekundær flow (hvirvlende) strukturer er komplicerede og kræver Navier-Stokes ligninger i ringkerne koordinater og asymptotiske teorier ^{1 -. 3, 7} En kombination af eksperimenter og højere orden analysemetoder vil fremme ny indsigt iden hæmodynamik af buede arterier tilbøjelige til flere kardiovaskulære sygdomme og kliniske komplikation forbundet med stent implantationer og stent frakturer.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acrylic tubes and sheet	McMaster-Carr Supply Company		Inlet and outlet pipes and material of the curved artery test section
Object24 Desktop 3D printer	Stratasys		Desktop rapid prototyping machine. http://www.stratasys.com
VeroWhitePlus Opaque material	Stratasys		Building material for Object24 Desktop 3D printer
Fullcure 705	Stratasys		Non-toxic gel-like photopolymer Support material for Object24 Desktop 3D printer
Ubbelohde viscometer	Cole Parmer	YO-98934-12	Toward measurement of kinematic viscosity of the blood-analog fluid
VELP scientifica - ESP stirrer	VELP Scientifica	F206A0179	Magnetic stirrer
Ohaus Scout Pro SP 601	The Lab Depot	SP4001	Weigh scale
Refractometer	Atago	PAL-RI	Toward measurement of refractive index of blood-analog fluid
Beakers, pipettes, syringes and spatula	Sigma-Aldrich	CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216	Toward handling materials required for blood-analog solution preparation
Sodium Iodide	Sigma-Aldrich	383112-2.5KG	Crystalline
Glycerol	Sigma-Aldrich	G5516-1L	Liquid
Deionized Water	-	-	Liquid
Sodium thiosulfate anhydrous	Sigma-Aldrich	72049-250G	Powder
PIV Recording medium	LaVision	Imager Intense 10Hz	PIV Image acquisition CCD camera
PIV Illumination source	New Wave Research	Solo III-15	PIV Laser source, Nd:YAG laser, 532 nm, dual pulse 70 mJ/pulse
PIV Imaging software	LaVision	DaVis 7.2	PIV data acquisition and instrument control
PIV Seeding material	Thermo-scientific	Flouro-Max	Red fluorescent polymer microspheres (≈ 7 µm); Dry dyed polystyrene (DVB) fluorescent microspheres emit bright and distinct colors when illuminated by the light of shorter  wavelengths than the emission wavelength.