Abstract
הרשת העורקת בכלי הדם האנושיים כוללת של כלי דם נוכחיים ubiquitously בגיאומטריות מורכבות (סניפים, עקמומיות ו tortuosity). מבנים זרימת משניות הם דפוסי זרימת מְעַרבָּלִי המתרחשים בעורקים מעוקלים כתוצאה מפעולתם המשולבת של כוחות צנטריפוגליים, מפל לחץ לוואי ומאפייני יבוא. מורפולוגיה זרימה כזו מושפע מאוד pulsatility והרמוניות מספר תנאי יבוא פיסיולוגיים להשתנות במידה רבה במאפייני גודל-כוח-צורה לעומת הלא פיסיולוגי (יציב תנודתית) זורם 1 - 7.
מבני זרימה משני בסופו של דבר עלולים להשפיע על זמן מתח וחשיפת קיר גזירה של חלקיקים הנישאים בדם לכיוון התקדמות הטרשת עורקת, restenosis, רגישות של טסיות ופקקתי 4 - 6, 8 - 13 לכן, את היכולת לזהות ולאפיין את המבנים האלה תחת מעבדה. תנאים בשליטה ממשלתיים הוא precursאו כדי לקדם חקירות קליניות.
טיפול כירורגי נפוץ טרשת עורקים היא השתלת סטנט, להיפתח העורקים stenosed עבור זרימת הדם בלא הפרעה. אבל הפרעות זרימת במקביל בשל התקנות סטנט לגרום מורפולוגיה זרימה משתי רב היקף 4 -. 6 בהדרגת מורכבות מסדר גבוהה כגון אסימטריה ופסד קוהרנטיות יכולות להיגרם על ידי כשלי סטנט שהתפתחו לְעוּמַת אלה במסגרת תזרים שאנן 5. כשלים סטנט אלה סווגו כניירות ערך "סוגי I-to-IV" מבוססים על שיקולי כישלון ו -14 חומרה קלינית.
מחקר זה מציג פרוטוקול החקירה הניסויית של מבני זרימה משני המורכב בשל להשלים שבר סטנט רוחבי ועקירה ליניארי של חלקים שברים ( "IV סוג") במודל של עורק מפותל. שיטת הניסוי כרוך ביישום velocimetry תמונה החלקיקים (2C-2D PIV) טכניקות עם צורה-גל יבוא עורק תרדמה ארכיטיפיים, מקדם שבירה מתאימה-אנלוגי דם עובד נוזל למדידות ממוצעי שלב 15 -. 18 זיהוי כמותי של מבני זרימה משני הושג תוך שימוש במושגים של פיזיקת זרימה, תאורית שלב מכרעת רומן התמרת Wavelet אלגוריתם להחיל נתונים PIV ניסיוני 5, 6, 19 - 26.
Introduction
מבנים זרימת משניות הם דפוסי זרימת מְעַרבָּלִי המתרחשים גיאומטריות זרימה פנימיות עם עקמומיות כגון צינורות ותעלות מעוקלים. מבנים מְעַרבָּלִי אלה נובעים כתוצאה מפעולתם המשולבת של כוחות צנטריפוגליים, הדרגתיים ומאפיין יבוא לחץ לוואי. באופן כללי, מבני זרימה משני מופיעים מישוריים בחיתוכים של צינורות מעוקלים כמו מערבולות סימטריות דין מהסוג תחת זרם יציב, סימטרי מערבולות Dean- ולין מהסוג בתנאי יבוא תנודתית 1 -. 3 מורפולוגיה זרימה משניים מושפעות מאוד pulsatility מרובים הרמוניים של pulsatile, תנאי יבוא פיסיולוגיים. מבנים אלה לרכוש מאפייני גודל-כוח-צורה שונה במידה ניכרת לעומת הלא פיזיולוגי (יציב תנודתית) זורם 1 -. 6 התפתחות הנגע של טרשת העורקים מושפע קיומו של תנודות גזירה בתדירות גבוהה באזורים חווה 27 גזירה ממוצע נמוך, 28
טיפול נפוץ לטיפול טרשת עורקים, סיבוך וכתוצאה מכך צמצום של העורקים על ידי נגעים חסימתית, הוא השתלת סטנטים. שברי סטנט הם כשלים מבניים של סטנטים מושתלים כי להוביל לסיבוכים רפואיים נוספים כגון סטנט restenosis (ISR), פקק סטנט היווצרות מפרצת 9 -. 13 שברי סטנט סווגו כשל שונה "סוגי I-to-IV", "הסוג IV" שבו המאפיין את החומרה הקלינית הגבוהה ביותר מוגדר שהבר הרוחבי המלא של תמוכות סטנט יחד עם התקות ליניארי של שברי סטנט 14. הפרוטוקול המובא במחקר זה מתאר experimentaשיטת l של הדמיה של מבנים זרימה משני במורד הזרם של שבר סטנט אידיאליזציה "סוג IV" במודל עורק מפותל.
הפרוטוקול הציע לו את התכונות מהותיות ארבע הבאות:
תכנון ייצור של מודלי סטנט מעבדה בקנה מידה: תיאור גיאומטרי של סטנטים ניתן לשייך קבוצה של ספירלות עצמיות להרחבה (מעיין או סלילים) שזור באמצעות Nitinol (סגסוגת של ניקל וטיטניום) חוטים 29. אורכו של סטנט וקוטר יתד שלה תלוי בקנה מידת האורך של נגעי עורקים נתקלו במהלך השתלה קלינית 5. וריאציה פרמטרית של קוטר יתד ואת הזריחה (או המגרש) מתפתל מובילה סטנטים של תצורות גיאומטריות שונות. סיכום של פרמטרי עיצוב סטנט נבחרו להדפסת 3D מוצג בלוח 1.
הכנת נוזל עבד אנלוגי דם מתאיםעם צמיגות קינמטיקה של דם ואת מקדם שבירה של סעיף המבחן: גישה אופטית לקטע הבדיקה המעוקל עורק נדרשת על מנת לבצע מדידות מהירות לא פולשנית. לפיכך, נוזל ניוטוני דם-חיקוי לעבוד עם מקדם השבירה של מודל כלי הדם באופן אידיאלי, צמיגות דינמית, התאמת דם אדם משמש כדי להשיג מדידות זרימת דם מדויק 16 -. 18, 30 הזורם עובר השתמש במחקר זה דווח על ידי דויטש ואח '. (2006), כי מורכב יודיד נתרן המימי הרווי 79% (NAI), 20% גליצרול טהור, ומי 1% (לפי נפח) 16.
הסדר ניסיוני לצורך זיהוי של מבני זרימה משתי קוהרנטית באמצעות velocimetry תמונת חלקיקים שני מרכיבים, דו ממדים (2C-2D PIV): ניסויים נועדו להשיג נתונים מהירים משני שלב בממוצע זרימה במקומות מישוריים חתך שונים במורד זרם של שילוב של straight וחתכי סטנט מעוקלים המגלמת אידיאליזציה "IV סוג" שבר סטנט 5, 6, 9, 14. שלבי הפרוטוקול הנוגעים לרכישת שדות מהירות זרימה משני באמצעות טכניקת velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) כרוכים מערכת PIV אשר כוללת לייזר (גיליון אור) מקור, אופטיקה להתמקד ולהאיר את האזורים של זרימה, מכשיר תשלום מצמידים חוצה קשר מיוחד (חיישן CCD או מצלמה) וחלקיקים נותב להיות מואר על ידי גיליון אור בתוך פרק זמן קצר (Δt ; ראה טבלה 4) 31, 32.
השלבים בפרוטוקול להניח את הדברים הבאים: ראשית, הגדרה מכוילת, ניסיוני של מערכת PIV שני מרכיבים, דו ממדים (2C-2D) המחושבת תמונות מהקלטות פעמי מסגרת חד חשיפה. שנית, מערכת PIV 2C-2D מחשבת את ההתקות הממוצעות של חלקיקים נותבו על ידי ביצוע מתאמים צולבים בין שתי מסגרות תמונה שנרכשו במהלך כל הקלטה. brסיכום IEF של מפרטי PIV ורכישת תמונת תוכנה מוצג בטבלת החומרים וציוד. שלישית, כל אמצעי הבטיחות הדרושים כדי להפעיל את הלייזר מלוות אנשי המעבדה הכשרה בהתאם להנחיות שסופקו על ידי המוסד המארח. החוקרים מציעים שופטים. 31 ו -32 עבור הבנה הוליסטית של היישום, פונקציונליות היישום של טכניקת PIV בדינמיקת aero-, הדרה microfluid, זיהוי שיא קורלציה ואמיד עקירה, חומר צפיפות חלקיקים נותבים, רעש מדידה ודיוק. כמו כן שימו לב כי הליזר והמצלמה יכולים להיות נשלטו על ידי מחשב רכישת נתוני PIV (איור 3 א), ותוכנת עיבוד נתונים.
רכישת נתונים שלאחר עיבוד לגילוי מבנה קוהרנטי: מדידות מהירות הזרימה משני ממוצעים שלב באמצעות 2C-2D PIV נוצרו באמצעות תיאור פרוטוקול העוקב. תהליך שלאחרי ing של נתונים מעורבים זיהוי מבנה זרימה משני קוהרנטית באמצעות שלוש השיטות הבאות: התמרת Wavelet רציפה, 
5, 6, 19 - 24, 26.
החוקרים מציינים כי מותח שיפוע מהירות הוא בעיקרו, מטריצה 3 x 3, 
.
הפרוטוקול מציג שיטה של רכישת מדידות ניסיוני דו ממדים (מן 2C-2D טכניקת PIV). לכן, גישה ניסויית מלאה מותח שיפוע מהירות לא תהיה ברת השגה באמצעות שיטה זו. טנזור שיפוע מהירות עבור כל פיקסל 
של התמונה PIV 
צריך להיות מטריצה 2 x 2, 
. ערבוליות z-רכיב6 quation "src =" / files / ftp_upload / 51,288 / 51288eq6.jpg "/> עבור כל פיקסל 
מחושב באמצעות החלק אנטי-הסימטרי של מותח השיפוע המהיר 
. התוצאה תהיה מערך 2D של ערבוליות 
כי יכול להיות דמיינו מגרש קונטור. המחברים ממליצים Ref. 25 עבור גישה ניסיונית דיון נוקב מותח שיפוע מהירות לקראת שיפור הידע של פיזור ערבוליות, שיעורי זן וזיהוי מבנה קוהרנטי. יתר על כן, המחברים אינם מנסים לחקור את-היחסים ההדדיים בין שיטות זיהוי מבנה קוהרנטי הנ"ל ולהציע Ref. 23, 24 לדיון מקיף בנושא זה.
ההתמקדות של הצעדים בפרוטוקול היא זיהוי כמותי של זרימה משנית (מְעַרבָּלִי) רחructures (הידוע גם בשם מבנים קוהרנטי). שלוש שיטות של דהה זיהוי מבנה קוהרנטי., 
ו אדוה טרנספורמציה ערבוליות 
מוחלים על נתוני שדה מהיר לכיוון זיהוי מופעים רב היקף, רב-כוח של מבני זרימה משני במורד זרם של שבר סטנט האידיאליזציה "סוג IV".
ה 
, מגדיר מערבולת כאזור המרחבי שבו הנורמה האוקלידית של מותח ערבוליות שולטת כי שיעור זן 19, 23, 24 מטריקס שיפוע מהירות .the מפורקים לתוך (שיעור זן) סימטרי וחלקים אנטי-סימטריים (סיבוב). ערכים עצמיים של מטריצה שיעור זן מחושבים; 
. נורם של שיעור זן ואז מחושב; ) מחושב אז. ה
לבסוף הוא מחושב; 
. עלילת קווי מתאר של המערכת השלמה של 
עם-אזורי iso של 
, יציין מבני זרימה משני 19.
ה 
, הידוע גם בשם "כוח מתערבל 'היא שיטה לזיהוי מערבולת בביצוע ניתוח ביקורתי נקודות של מותח שיפוע מהירות המקומי וערכים עצמיים המתאימה לו 20 - 24 
. עלילה מתארת של 
עם-אזורי iso של 
יציין מבני זרימה משניים 20 - 22.
אדווה להפוך שיטה משתמש פונקצית ניתוח (או ידווה) כי יש החלקות בחללים פיסיים רפאים, הוא קביל (או יש תוחלת אפס) ויש לו סופי 
5, 6, 26. על ידי convolving מורחבים או נדבק אדוה עם שדה ערבוליות 2D, ערבוליות טרנספורמציה אדוה 
שדה מופק גomprising מבנים קוהרנטי עם מגוון רחב של סולמות עוצמים 5, 6, 26. שתנון האנטרופיה של השדה ערבוליות ידווה טרנספורמציה 2D מחושב להעריך את ההיקף ידווה האופטימלי שבו כל המבנים קוהרנטית נפתרים כראוי. להערכת אנטרופיה זה כרוך סט של הסתברויות 
עבור כל פיקסל 
כך ש 
, מודולוס המרובע המנורמל של ערבוליות הקשורים פיקסל ב מ מיקום, n 5, 6. השלבים פרוצדורליים מוצגים בצורה גרפית באיור 6. את המגבלות שהוטלו על הבחירה של אדוה מוצגות בפירוט Ref. 26. זה צעד פרוטוקול מתאר את הליך לגילוי מבנה קוהרנטי באמצעות אדוה 2D Ricker. ההצדקה לשימוש זה wavelet עבור התאמת דפוסים מְעַרבָּלִי מוצג Ref. 5, 6 והאסמכתאות הרלוונטיים צטטו בה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
תכנון ייצור 1. מודלים סטנט
הערה: השלבים הבאים הקפידו ליצור מודלים במעבדה בקנה מידה של סטנטים ישרים ומתעקלים. המייצב של שני מודלים סטנט יהיה לגלם שבר "סוג IV" (פרגמנטציה ועקירה ליניארי של חלקי סטנט שבורים).
הערה: החוקרים השתמשו Pro תוכנה / מהנדס בעת המחקר ליצירת מודלים CAD של הגיאומטריה סטנט. ההליך להלן כללית ייתכן שהמחירים אינם כוללים מונחים כלליים על תוכנות CAD בשימוש. חבילות CAD נוספות זמינות יכולות לשמש גם. השלבים הבאים ישימים עבור תוכנות CAD כי החוקרים השתמשו בזמן המחקר ו הותאמו מאתר האינטרנט של היצרן. לתיאור נוסף של המכונה אבי טיפוס ודגמים המשמשים את הכותבים רואים רשימת חומרים. המשוואות פרמטרית וערכים שאותחלו לעיצוב סטנט מוצגים Table 1 והאיור 1D ו 1E הם דוגמאות של מודלי סטנט ישרים ומעוגלים לאחר דיגום מהיר.
- צור הגיאומטריה סטנט ישר על ידי הגדרת משוואות פרמטרית ו אתחול פרמטרי של סלילים שמאלה וימינה מערכת קרטזית (XYZ) לתאם (טבלה 1).
- צור קבוצה של 10 סלילים מפנים שוה ברווח שמאל במערך מעגלי מישוריים על קו נתון ישר או Z- ציר, באמצעות משוואה. 1, 2, 3 ו -5 שניתן לראות בטבלת 1, עם ערכים שאותחלו של מספר הסיבובים
(
), מגרש, עובי חוט סטנט ( 
) ו קוטר נומינלי של סטנט ( 
) (1A ולוח 1 איור). - חזור על שלב 1.1.1 באמצעות Eq. 1, 2, 4 ו -5 כדי ליצורדפוס מעגלי של 10 סלילים עזבו equispaced (איור 1 א).
- צור גיאומטרית סטנט ישר על ידי שילוב או להרכיב שמאל וימין סיבוב סלילים סביב ציר משותף (איור 1 א).
- צור קבוצה של 10 סלילים מפנים שוה ברווח שמאל במערך מעגלי מישוריים על קו נתון ישר או Z- ציר, באמצעות משוואה. 1, 2, 3 ו -5 שניתן לראות בטבלת 1, עם ערכים שאותחלו של מספר הסיבובים
- צור גיאומטרית סטנט מעוקלת על ידי הגדרת משוואות פרמטרית ו אתחול פרמטרים של סלילים שמאלה וימינה גלילי (R-β-X) מערכת לתאם או על קו נתון מעוגל (טבלה 1). חזור על שלבים 1.1.1 - 1.1.2 עם הפרמטרים אותחל בעבר באמצעות משוואה. 1, 2, 6 ו -7.
- צור גיאומטרית סטנט מעוקלת שילוב או להרכיב שמאל וימין סיבוב סלילים מעוקלים על ציר משותף (R) ו subtending בזווית
בראשית הצירים (איור 1B).
- צור גיאומטרית סטנט מעוקלת שילוב או להרכיב שמאל וימין סיבוב סלילים מעוקלים על ציר משותף (R) ו subtending בזווית
- צור ליתוגרפיה סטריאו ברזולוציה גבוהה (STL) קבצים ממודלי CAD סטנט הישרים ומעוגלים.
- בחר 'ייצוא> דגם 'מן' בתפריט קובץ '. בחר באפשרות 'STL'. גדר 'גובה אקורד' ל -0 סט 'בקרת זווית' כדי 1. החל על 'אישור' כדי ליצור את קובץ STL. הערה: הערך של 'בקרת זווית "מסדיר את כמות הפסיפס לאורך משטח עם רדיוס קטן ואת הכיוון עשוי להיות בין 0 ל -1.
- לפברק הדגמים סטנט על מכונת דיגום מהיר שמוצג באיור 1C שימוש בחומרים המופיעים בטבלת החומרים והציוד.
- הפעל את תוכנת הדפסת 3D (ראה רשימת חומרים). לחץ על 'הוספה' כדי לאתר את קובץ STL במחשב 3D המדפסות ובחר את הקובץ הרצוי. גרור את העכבר על המסך כדי למקם את טיוח 3D של קבצי STL על פלטפורמה וירטואלית ( 'מגש') על המסך.
- בחר יחידות מתאימות כמו 'mm' (אפשרויות: 'mm' או 'אינץ') מלשוניות בתפריט קובץ. בחר את איכות המוצר המוגמר כיוון 'מט' (אופוסמשא: 'מט' או 'Gloss'). בחר "הגדרות מגש> אימות 'כרטיסייה מהתפריטים הקובצים.
- חפש את 'האימות הצליחה' ההודעה להמשיך לשלב הבא. אם אימות צעדים חוזרים הצליחו 1.3 - 1.4.2 עד אימות מוצלחת מושגת.
- בחר "הגדרות מגש> Build 'כרטיסייה מהתפריטים הקובצים לשלוח את הקובץ אל-מדפסת 3D עבור ייצור.
הערה: הערך של 'גובה אקורד' שולט מידת הפסיפס של פני שטח המודל. זה משפיע על גודל דיוק קובץ של המודל יוחלף ערך מינימאלי באופן אוטומטי. ערכים קטנים של גובה אקורד מוביל לסטייה פחות מן הגיאומטריה החלקה בפועל עם תחלופת גודל קובץ. בדיקת אימות נדרשה לוודא שהחלק הוא רציף ומשולל כל אנומליות מבניות בשלב הייצור.
), מגרש, עובי חוט סטנט ( 
) ו קוטר נומינלי של סטנט ( 
) (1A ולוח 1 איור). 
בראשית הצירים (איור 1B). 2. כן Viscosity- קינמטית ואת השבירה בDEX בהתאמה נוזל דם-אנלוגי
הערה: ההליך הבא יניב כ 600 מיליליטר של תמיסת דם-אנלוגי. סיכום של ריאגנטים הכימיים וממסים עם נכסים הרלבנטיים מן הסוג המשמשים להכנת הפתרון מוצג חומרי הרשימה. תכונות חומר רלוונטיות, ציוד מעבדה הציע וההנחיות לביצוע חישובי נפח מוצגים בלוחות 2, 3 ו -4 בהתאמה.
- כן פתרון רווי של נתרן יודיד (NAI).
- יוצקים 500 מ"ל של deionized H 2 O לתוך מבחנה 2,000 מ"ל. מניח את הכוס על הבוחש המגנטי.
- מדוד ≈860 גרם של NAI על איזון מאופס-משקל ולהוסיף 100 במרווחים גרמו לתוך הכוס תוך ערבוב ומחכה בנוסף הנוכחיים לפזר באופן מלא לפני ההוספה הבאה. רשום את הטמפרטורה בכל בנוסף, מאז החל תהליך של הרוויה של H 2 O deionized עם Nai הוא מעט exothermic. מכניסים למקרר הפתרון ככל שיידרש כדי לשמור על זה ב RT (≈ 25 ° C).
- להוסיף בהדרגה Nai קטן (≈5-10 ז) עד 20 גרם, עד הפתרון רווי. רשום את המסה וטמפרטורה של כל הוספה. הסר את הכוס עם פתרון Nai רווי מן הבוחש המגנטי בסיום.
- מדוד את הצפיפות של פתרון Nai הרווי (
). - הוסף 10 מ"ל של תמיסת Nai רווי משלב 2.1 כדי מבחנה 50 מ"ל בסולם-מאופס באמצעות מזרק (או פיפטה נפח), מוודא שאין בועות אוויר. המוני שיא בהיקף הוסיפו.
- חישוב צפיפות של כל הוספה באמצעות Eq. 8 (ראה טבלה 3). חזור על שלב זה בערך 4-5 פעמים. ממוצע הצפיפות המוקלטת. החזר את הפתרון אצווה של פתרון Nai הרווי המוכנים בשלב 2.1.
- להעריך את ההיקף הכולל של פתרון חיקוי דם. < ol>
- למדוד את המסה של הפתרון Nai רווי מוכן בשלב 2.1 ולחשב נפחו (
) באמצעות Eq. 9. לאמוד את ההיקף הכולל של פתרון חיקוי דם ( 
) ואת הכרכים החלקיים של גליצרול ( 
) ו מים ללא יונים ( 
) להתווסף באי Eq. 10, 11 ו -12 (ראה טבלה 3).
). 
) באמצעות Eq. 9. לאמוד את ההיקף הכולל של פתרון חיקוי דם ( 
) ואת הכרכים החלקיים של גליצרול ( 
) ו מים ללא יונים ( 
) להתווסף באי Eq. 10, 11 ו -12 (ראה טבלה 3). - כן פתרון אנלוגי דם, המהווה כ 79% פתרון Nai רווי, 20% גליצרול 1% מים ללא יונים (לפי נפח) באמצעות ערבוב הומוגני על בוחש מגנטי.
- מניח את הכוס עם פתרון Nai רווי על הבוחש המגנטי ולהוסיף גליצרול במרווחים קטנים (88 / 51288eq38.jpg "/>), באמצעות מזרק (או בוגר או פיפטה נפח) עד נפח שלם של גליצרול ( מחושב) בשלב 2.3 מתווסף. לכל אחד
איטרציה, להקליט את הנפח הוסיף ולחכות עד הפתרון הוא הומוגני בעליל לפני ההוספה לפריט הבא של גליצרול. - לאחר המגון מלא של פתרון Nai הרווי גליצרול, להוסיף
באמצעות מזרק (או בוגר או פיפטה נפח). המשך ערבוב על הבוחש המגנטי עד הפתרון אנלוגי-הדם הוא הומוגני בעליל.
איטרציה, להקליט את הנפח הוסיף ולחכות עד הפתרון הוא הומוגני בעליל לפני ההוספה לפריט הבא של גליצרול. 
באמצעות מזרק (או בוגר או פיפטה נפח). המשך ערבוב על הבוחש המגנטי עד הפתרון אנלוגי-הדם הוא הומוגני בעליל. - מדוד את צמיגות קינמטיקה (ν) באמצעות viscometer Ubbelohde רגיל או מכשיר מדידה שווה ערך.צמיגות קינמטית יכולה להיות מותאמת על ידי הוספת כמויות קטנות, נמדד של גליצרול בעזרת פיפטה בוגרת או נפח.
- מדוד את מקדם השבירה (n) באמצעות refractometer. מקדם שבירה יכולה להיות מותאם על ידי הוספת כמויות זעירות של נטול מי נתרן תיוסולפט בעזרת מרית.
הערה: החוקרים מדווחים צמיגות קינמטיקה, ν = 3.55 CST (3.55 x 10 -6 מ '2 שניות -1 ± 2.8%) ואת מקדם השבירה של הנוזל אנלוגי דם, n = 1.45 (± 3.4%) 5, 6.
3. מסדרים ניסוי למדידת זרימה משני מהירות שדות Downstream של כישלון סטנט "סוג IV"
הערה: סעיף מבחן עורק מפותל 180 מעלות כוללת של שני רחובות אקריליק דבוקים זה לזה, 180 ° ערוץ מעוקל במכונה על כל בלוק והפרשה צינורות הכניסה והיציאה כפי שמוצג איורים 1F, 3A ו
- התקן סטנטים מפוברק בשלב 1 בסעיף הבדיקה עורק מפותל עשוי אקריליק לגלם תרחיש שבר אידיאליזציה סוג IV, ובכך שבר רוחבי מלאה של סטנטים ועקירה ליניארי של חלקים מקוטעים (ראו תרשימים 1F, 3A ו 3B).
- מניחים את הסטנט ישר במעלה הזרם של סעיף מבחן עורק מפותל (ראו תרשימים 1F ו 3B). כדי להבטיח כי המרווח בין ישר לבין סטנטים המעוקלים הוא '3 פעמים' הקוטר של הצינור (צינור D = 12.7 מ"מ), הצב את 45 ° סטנט מעוקל בתוך העקמומיות עם קצה אחד על הכניסה אל הצינור המעוגל ( איור 2B).
- להרכיב הדואר הגדרת ניסוי על ידי חיבור צינורות אקריליק ישר הכניסה והיציאה של סעיף המבחן מעוקל העורק 180 ° כמוצג הסקירה סכמטית של הסדר ניסיוני (איור 2) על שולחן אופטי (איור 3 א).
4. רוכשת של שדות מהירות זרימה משנית
הערה: התיאור הבא בפרוטוקול הנוגע לרכישת שדות מהירות זרימה משני באמצעות velocimetry תמונת חלקיקי טכניקה (PIV) האיור 3B (ציור סכמטי) מראה כי יש ארבעה מקומות (45 °, 90 °, 135 ° ו -180 °). עם חריצים זוויתי כדי להקל הקרנת גיליון ליזר ועושה מהירות זרימה משני מישוריים חתך. שלבי הפרוטוקול נוגעים מדידות רכש עבור מיקום 90 °. אם גיליון לייזר מושם על 45 מעלות מיקום, המצלמה ממוקמת במיקום 135 ° כדי לקבל גישה אופטית עבור זרימת משני אותיasurements במיקום 45 °.
הערה: ההליך להלן כללי אשר עשוי שלא לכלול מונחים כלליים על רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט ואת תוכנת שליטת המכשיר משמשת (ראה רשימת חומרים). תמונה ורכישת נתונים אחרות חבילות זמינות יכולות לשמש גם בפרוטוקול.
- הפעל את הלייזר באמצעות בוררי ON / OFF ממוקם על מקור כוח לייזר. להאיר את פיסת נייר קטנה כדי להמחיש את גיליון לייזר. התאם את עובי גיליון לייזר (כ 2 מ"מ) חזותית, על ידי סיבוב גיליון לייזר התמקדות אופטיקה ממוקם על מקור לייזר.
- הנח את דף לייזר לאורך 90 ° באזור המדידה כך הגיליון הוא ניצב לשולחן אופטי. מניחים את המצלמה ליד המיקום 0 ° או 180 ° כדי לקבל גישה אופטית הנוף חתך מואר על ידי גיליון לייזר.
- יישר לייזר ומצלמה באמצעות תוכנת עיבוד הרכישה ופוסט התמונה כדי להתאיםשדה הראייה של המצלמה כדי ללכוד את התמונה מספיק של החתך העגול של העורק המעוקל (ראה איור 3 א) והפחתת עיוות החלקיקים. בצע היישור על ידי 'ניסוי וטעייה' על ידי בוחן את התמונה שנוצרה תוכנה של שדה הראייה. כבה את הליזר באמצעות בוררי השליטה ממוקמים על מקור כוח הליזר לוודא כי המצלמה מופעלת עם מכסה העדשה הוסר.
- התחל רכישת תמונה ותוכנות עיבוד פוסט במחשב נתוני רכישת PIV והתחבר כמשתמש 'משתמש מומחה'. יצירת פרוייקט חדש מתפריט קובץ, ציין "שם הפרויקט 'ובחר באפשרות' PIV 'תחת' סוג של פרויקט '. בחר "חדש" מתפריט הקובץ לאתחל הקלטת PIV חדשה. בחר 'התקן' לפי סעיף 'הגדרות' על רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט.
- נווט אל תיבת הדו-שיח 'הקלטה' על המסך,להפעיל '1 מצלמה' תיבת הסימון ובחר 'Frame יחיד (T1A)' אופציה. לייזר בחירה 'כפתור הרדיו "להיות במצב ON בהגדרות תוכנת עיבוד הרכישה ופוסט התמונה. הפעל את מצב כוח חיצוני על מקור כוח לייזר על ידי לחיצה מתגים "EXT 'ו' מתח גבוה 'ממוקם על מקור כוח לייזר.
- בחר 'אחוז' על תוכנת עיבוד הרכישה ופוסט תמונה להתחיל לרכוש תמונות PIV להתבונן במסך המחשב. להזיז את המצלמה עם התאמות ידניות קלות על השולחן האופטי להתאים את המיקוד לייעל את המיקום של המצלמה כדי למקסם את השדה של נוף, להפחית טשטוש ועיוות תמונה.
- בחר בלחצן הבחירה 'העצורה' בהגדרות תוכנת עיבוד רכישת תמונה ופוסט להפסיק רכישת נתוני PIV ואינו לבצע התאמות מצלמה נוספות. הליך היישור הושלם בשלב זה.
הערה: פעימות לייזר בשלב זה נשלטים על ידי תמונהרכישה ותוכנות עיבוד פוסט וניתן לשלוט נוסף על ידי שינוי התדר פועם או 'חשיפה' בהגדרות התוכנה. הלייזר יפסיק אוטומטית מפני שהוא נשלט על ידי רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט. האם לא תוכנת עיבוד רכישה ופוסט תמונה קרובה ככל הפרויקט הנוכחי ישמש לרכישת נתוני PIV בשלבים הבאים. - לרכוש תמונות של שדות זרימה משני באמצעות מערכת PIV 2C-2D ידי ביצוע השלבים הבא כדי להבטיח נתוני PIV משלבים-חכם נוצרים באמצעות פולסים הדק זמניים ממחשב בקרת מכשיר המשאבה כי מסונכרן עם הליזר ומצלמת דופק הכפול.
הערה: המשאבה לתכנות מחוברת למחשב בקרת מכשיר המשאבה נשלטת על ידי תכנית תוכנות שליטת מכשיר. השלבים הבאים לערב הגדרת מודולים שליטה בתוכנות במחשב PIV באמצעות רכישת התמונה ולפרסם עיבוד לשאוב מחשב בקרת מכשיר אותנוing תוכנות שליטה המכשיר.- הפעל את המשאבה לתכנות באמצעות מתג ON / OFF ממוקם על המשאבה. הפעל את תכנית בקרת מכשיר במחשב בקרת מכשיר משאבה.
- טענתי את קובץ הטקסט שיש לו את ערכי צורת גל של מתח-זמן עם הדק הפניה (t / T = 0), המייצג את (העורק הראשי) הפיזיולוגי לזרום waveform שיעור על תוכנות שליטת מכשיר שמירה על מספר Womersley פיסיולוגי
ו, מקסימום ריינולדס 
ודין 
מספרים (איור 4 א). - הגדר 'Amplitude' 1 (וולט), 'DC לקזז' ל -0 (וולט), 'מספר צעדים בעוד 1,000 ו' תקופת זמן '4 (שניות) על המסך ממשק תוכנות שליטה המכשיר.
- ודא powe החיצונימצב r על מקור כוח לייזר בשלב 4.5, עדיין מופעל. "EXT 'לחץ' מתח גבוה 'מתגי ממוקם על מקור כוח לייזר, אם נדרש.
- בחר 'התקן' לאחר לחיצה על 'חדש הקלטה', בסעיף 'הגדרות' על רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט. נווט אל תיבת הדו-שיח 'הקלטה' על רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט (מחשב PIV), להפעיל "מצלמה 1 'תיבת הסימון ובחר' Frame זוגי (T1A + T1B) 'אפשרות להקים הלייזר לירות הדופק כפול מצב.
- הבחירה 'תזמון' אפשרות ב בתיבת הדו-שיח 'ההקלטה' על תוכנת עיבוד רכישה ופוסט תמונה, בחר 'מקור טריגר' ולהגדיר אותו 'הדק מחזורי חיצוני' כדי לסנכרן עם אותות הדק ממודול בקרת מכשיר משאבה. בחירה 'Aquisit', בסעיף 'הגדרות' על תוכנת עיבוד הרכישה ופוסט התמונה שלטארט הגדרת רכישת PIV.
- נווט אל תיבת הדו-שיח 'רצף הקלטה' על תוכנת עיבוד תמונת רכישה ופוסט. להוסיף קטגוריית משנה 'טבלת סריקה' תחת 'רצף הקלטה' באמצעות הכרטיסייה המתאימה מסופקת על ממשק התוכנה. לאכלס השולחן שנוצרו באמצעות 'סריקה שולחן ערוך', 'סריקה צרף' וערכים הזמן קלט מתחיל ב -0 אלפיות וכלה 4,000 מילישניות במרווחים של 40 אלפיות השנייה. Δt-ערכי קלט מתאימים כל ערך פעם בטבלה. לחץ על Enter במקלדת אחרי כל ערך שהוזן.
- נווט אל תיבת הדו-שיח 'רצף הקלטה' על תוכנת עיבוד תמונת רכישה ופוסט. להוסיף קטגוריית המשנה 'Image Acquisition' תחת 'בטבלת סריקה' שנוצרה בשלב 4.8.7. הגדר את 'מספר תמונות' 200, להפעיל את "הצגת תמונות תוך כדי הקלטת" תיבת הסימון ולחץ על 'התחל מיד'.
- Sele גודל'התקן' ct תחת סעיף 'הגדרות' ולאשר כי לייזר מוגדר כ- On עם הגדרות צריכת החשמל המתאים. נווט אל 'בקרת ליזר' כדי לאשר. מערכת PIV מוכנה כעת לרכוש נתונים.
- בחר בלחצן אפשרויות 'ההפעלה' על ממשק תוכנות שליטת מכשיר במחשב בקרת מכשיר המשאבה לספק נוזל הניסוי באמצעות התשומות ספקו בשלב 4.8.2-4.8.3 יחד עם דופק הדק כל 4 שניות.
- בחר "הקלטה התחל 'לרכישת מדידות שלב-חכם באמצעות הדק-אות משלט מכשיר משאבה עד המספר הקבוע מראש של שדות מהירים מישוריים (200, מספיק כדי להשיג התכנסות סטטיסטית 5, 6, 31, 32) בכל מקרה זמן להגדיר בסריקת הטבלה (ראה שלב 4.8.7) מהמקום 90 ° נעשה.
- 'עצור' לחצו על מקור כוח לייזר כאשר ההקלטה נעשית. כבה את המשאבה ואת המצלמה, ומניח את שיתוף עדשת המצלמהVer. 'עצור' בחר כפתור רדיו על ממשק תוכנות שליטת מכשיר במחשב בקרת מכשיר משאבה.
- ראייה לבדוק התקנה ניסיונית כדי להעריך את רמת הדליפה, לאסוף את הנוזל דלף במידת צורך, על מנת להבטיח כי כל המכשירים כבר כבויים או ניתן להשאיר על מתנה, מתאימה מביניהם. סגור את ההקלטות של תוכנת עיבוד רכישה ופוסט תמונה.
ו, מקסימום ריינולדס 
ודין 
מספרים (איור 4 א). 5. זיהוי מבני זרימה קוהרנטית משנית
הערה: השתמש רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט ומערכת של פונקציות שורת הפקודה (ארגז כלים מבוססי MATLAB, PIVMat 3.01) כדי לייבא, שלאחר תהליך ולנתח 2 שדות וקטור רכיב ממערכת PIV 5, 6, 33.
- יצירת מסכה שמקיפה את כלומר גיאומטרית זרימה הפנימית, באזור העגול, מישוריים החתך.
- בחר בפרויקט שנוצר בשלב 4.4, כי יש עכשיו נתוני PIV רכשו בכלמופע של זמן מוגדר בשלב 4.8.7. יתר על כן, לבחור כל נתונים בתיבת הדו-השיח המכילה את הרכב נתוני PIV כולו.
- בצע את ההוראות בסעיף "קובץ קוד המשלימה - יצירת מסכה".
- צור שיגרתי שלאחר עיבוד על ידי בחירת הסמל 'יצווה' מתפריט הקובץ בחלון הפרויקט, תוך כמה סט נתוני PIV נבחר כברירת מחדל. תיבת דיאלוג עם 'רשימת מבצע' תופיע כי תאוכלס באותו הסדר כאמור בשלב הבא.
- בצע את ההוראות בסעיף "קובץ קוד המשלימה - יצירת שגרת עיבוד פוסט".
- שלב ממוצעים של מחשוב מהירות הזרימה משני RMS, ושדות ערבוליות.
- בחר את 'סטטיסטיקת וקטור: תוצאת שדה וקטורים' וההפעלה מאת "הסטטיסטיקה" הקבוצה ולחץ על 'פרמטר' בתיבת הדו-השיח. הפעל 'V הממוצע' ו und תיבות סימון 'RMS V'אה בחלק 'וקטור שדות'. בחר את הפעולה "ריקבון-z Eyx - eXy 'מקבוצת' לחלץ שדה סקלרי: סיבוב גזירה 'כדי לקבוע את ערבוליות דו מימדי ב חתך מישוריים.
- התחל פוסט עיבוד נתוני PIV כולו וליצור כמויות ממוצעות שלב של מהירות, מהירות RMS, ערבוליות וכוח מתערבל עם פעולות נוצרו בצעדים 5.3 ו -5.4.
- "לחץ לחיצה ימנית על 'על נתוני PIV מתחת לחלון פרויקט, בחר' הייפרלופ> כל הסטים ', ובחר באפשרות' הוסף הכל 'תחת' הערכות הזמינות: '' כדי להבטיח את הרכב נתוני PIV כולו נבחר.
- בחירה 'פרמטר' מהתפריט לנתץ בתפריט 'סינון: "סעיף. אפשרות בחירה 'אצווה עיבוד' תחת הכותרת 'מבצע: "סעיף. לחץ על 'רץ' להתחיל עיבוד פוסט 'הייפרלופ' של נתוני PIV.
- מתערבל Computeכוח
שדות) לזהות מבני זרימה משניים באמצעות רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט. בחר את הפעולה 'מתערבל כוח' מקבוצת 'לחלץ שדה סקלרי: סיבוב גזירה'. - חזור על שלבים 5.4.1-5.4.2 לבצע 'הייפרלופ' שלאחר עיבוד.
- זיהוי מבנים קוהרנטי ידי
ו אדוה רציפה להפוך על שדה ערבוליות 
על ידי יצירת פונקציות MATLAB המוגדרים על ידי המשתמש באמצעות פונקציות MATLAB 3.01 מבוססי PIVmat (ראה "קובץ קוד משלימה - קודי MATLAB" קוד לדוגמה). - צור מערך 2D של נתונים מהנוסחה הבאה המייצג אדוה 2D Ricker ידי אתחול הגורם בקנה מידה
ב EQ. 13 עד ערך שרירותי (ראו "קובץ קוד משלימה - קודי MATLAB"). 
- בצע קונבולוציה דו ממדים או כפל פורה של ערבוליות
נתונים משלב 5.4, עם פונקציה אדוה 2D Ricker (Eq. 13) כדי ליצור שדה ערבוליות טרנספורמציה אדוה ב הגורם בקנה מידה אותחל . (ראה "קובץ קוד משלימה - קודי MATLAB"). - לחשב את האנטרופיה שאנון
שדה ערבוליות טרנספורמציה ידווה מיוצג על ידי Eq. 14 (ראה "קובץ קוד משלימה - קודי MATLAB"). - שינוי הגורם בקנה מידה
וליצור מערך 2D חדש של נתונים המייצגים את אדוה 2D Ricker (Eq. 13) (ראה איור 6). - חזור על שלבי 5.6.1 - 5.6.4, עבור מגוון רב של גורמים בקנה מידה (
ראה לולאת משוב באיור 6. - צור חלקת האנטרופיה שאנון
לעומת גורם קנה מידה אדוה בשלב 5.6.5 (ראה איור 6). אתר בקנה מידה אדוה אופטימלי בדרך כלל, מתאים מינימום מקומי באנטרופיה שתנון . חזור על שלב 5.6.4 בקנה מידה אדוה אופטימלית (seדואר שינון האנטרופיה vs עלילת סולם ידווה באיור 6). - ליצור עלילת קווי מתאר של ערבוליות תדווה טרנספורמציה ב גורם הסולם ידווה מתאים הערך האופטימלי של אנטרופיה שתנון .
- צור מערך 2D של נתונים מהנוסחה הבאה המייצג אדוה 2D Ricker ידי אתחול הגורם בקנה מידה
שדות) לזהות מבני זרימה משניים באמצעות רכישת התמונה ותוכנות עיבוד פוסט. בחר את הפעולה 'מתערבל כוח' מקבוצת 'לחלץ שדה סקלרי: סיבוב גזירה'. 
ו אדוה רציפה להפוך על שדה ערבוליות 
על ידי יצירת פונקציות MATLAB המוגדרים על ידי המשתמש באמצעות פונקציות MATLAB 3.01 מבוססי PIVmat (ראה "קובץ קוד משלימה - קודי MATLAB" קוד לדוגמה). 
ב EQ. 13 עד ערך שרירותי (ראו "קובץ קוד משלימה - קודי MATLAB"). 
שדה ערבוליות טרנספורמציה ידווה 
וליצור מערך 2D חדש של נתונים המייצגים את אדוה 2D Ricker (Eq. 13) (ראה איור 6). 
ראה לולאת משוב באיור 6. 
לעומת גורם קנה מידה אדוה Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התוצאות המוצגות באיור 7 א-D נוצרו לאחר נתוני מהירות הזרימה משני עיבוד פוסט (ראה איורים 5, 6) רכשה 2C-2D מערכת PIV שמוצג באיור 3 א. תנאי היבוא המסופק בסעיף הבדיקה העורקת המפותל עם שבר סטנט אידיאליזציה "סוג IV" היה גל העורק הראשי שמוצג באיור 4B. המחקרים הקודמים שלנו הראו רגישות מבנים זרימה משני לתנאים שההאטה במגוון של צורות גל יבוא pulsatile בטווח מסוים של מספרים Womersley 
4 -. 6 בהתאם לכך, במקרים זמן 
של התוצאות המוצגות באיור 7 א-ד, נבחרו מתאימות בשלב האטה סיסטולי של יבוא עורק התרדמה waveform. מבני זרימה משני קוהרנטית של משתני מאפייני מורפולוגיים בגודל כוח מוצגים לפי מישוריים בחתכים שונים 
כפי שמוצג באיור 7 א-ד. בקנה מידה גדול מבני זרימה משני קוהרנטית שצצו בסעיף הבדיקה עורק מפותל סווגו כניירות ערך Dean- מעוות, Lyne- ו-סוג קיר מערבולות (DLW). בדרך כלל, מערבולות DLW להתפתח בשלב ההאצה הסיסטולי. בשלב האטת סיסטולי, מבני DLW לחוות אובדן טיפוסי קוהרנטיות, האסימטריה, שינויים בתפקידים מְעַרבָּלִי, גדלים, עוצמות מורפולוגיות. להלן תיאור של התוצאות המוצגות באיור 7 א-D:
בְּ 
מיקום (איור 7 א): זוג אחד של סימטרי, קוהרנטית, מעווהמערבולות דין (D) הם נצפו 
שדות t / T = 0.23 ו 0.27. מערבולות D מסוג אלה מופיעות לתרגם לכיוון הקיר החיצוני במהלך האטה. Q-שדות המתח הנוכחי ודפוסים הנשלטת גזירה ב t / T = 0.23, בנוסף מערבולות D-type. כתוצאת השפעת ההאטה אפשרית בזמן t / T = 0.27, ירידה בחוזק של מערבולות D-סוג וליד קיר שדות זרימה נשלט זן הוא ציין. מורפולוגיה זרימה משתי רב היקף בנוסף מסוג D מזוהות בתחומי ערבוליות טרנספורמציה ידוו 
המציין נוכחות של דפוסי מְעַרבָּלִי כמה נשלטת זן.
בְּ 
מיקום (7 ב איור): מעבר מזוג D-מערבולות בבית ![משוואת 62]("/files/ftp_upload/51288/51288eq62.jpg")
שדות. כפי שמעידים הבהירויות של מתערבל עוצמות, מערבולות סוג L- ו פ-יש במחזור גבוה מערבולות D-type. הפרעות תזרים הנובעים סטנט-שבר בבית 
מיקום תרם סביר להיווצרות מערבולות DLW. השפעת ההאטה הוא ציין גם את צמצום כוח L- ו מערבולות W-סוג. קיימת הסכמת טוב במיקום מבני DLW קוהרנטית בקנה מידה גדולה בין 
ו שדות. מורפולוגיות בקנה מידה נוספת זרימת משני קטנה המתגלות
בְּ 
מיקום (איור 7C): שדה בזמן t / T = 0.23 מציין את ההפסד של מערבולות L- סוג ואת הנוכחות של מערבולות D- ו- W-סוג מוארך. בזמן t / T = 0.27 יש אובדן של מתערבל כוח בשני D- ו מערבולות W-סוג. השפעת ההאטה מותווה על ידי אסימטריה של מבנים מְעַרבָּלִי שנצפה שדה. יחד עם הנוכחות של D-סוג מוארך מערבולות שפע של מערבולות W מסוג בקנה מידה קטן הם נצפו. Q-שדות להעיד על הנוכחות של t אזורים ליד הקיר נשלט גזירה כובע מרמז על יציבות עלתה מ הפרעות זרימה שבר-induced סטנט.
בְּ 
מיקום (איור 7D): שדה בזמן t / T = 0.23 מורכבים מכלל מבנים חלשים, DLW. בשל ההשפעה של האטה בזרימה אלה מבני DLW נוטים לרוקן נוסף בזמן t / T = 0.27. הפסד בזרימת הגז ליד הקיר הוא ציין ש-שדות בשני מקרים של זמן. בזמן t / T = 0.23, שדה עולה כי D-מערבולות ממוקמות קרובות יותר אל הקיר הפנימי יחד עם מערבולות רב היקף W מהסוג ומבני זן הנשלטת שמסביב בהסכמה עם המקביל שדה.שדה 51288eq63.jpg "/> מראה בבירור פסד קוהרנטיות של מבני DLW ואסימטריה על מקרי שניהם תוך זמן 
שדות אינם ממצים את התופעה הזאת.
מסקנות ברוד לאחר ביצוע מוצלח של הפרוטוקול 
זוהה מבני זרימה משני בקנה מידה גדולה מורפולוגיה זרימת המשתנים שלהם. 
אזורים שזוהו של זן-שיעור גבוה כי הם נתקלו בדרך כלל באזורים ליד הקיר. אדוה רציף להפוך אלגוריתם זוהה המבנים זרימה משני בקנה מידה גדול בהסכם טוב עם unthresholded . הקרנל ידווה 2D Ricker בנוסף נפתר כמה-במחזור נמוך, morpholo זרימה משני בקנה מידה רבה חיס שהיו מבלי שיבחינו עם 
ו unthresholded 
. שילוב של שלושה מדדים אלה זיהו מְעַרבָּלִי זרימה משני הוליסטי ומבנים הנשלטת זן.
באיור 1. עיצוב, ייצור והתקנה של סטנטים ישרים ומעוגלים. (א) CAD מודל של תצורה ישר סטנט באמצעות שילוב של סלילי שמאל וימין מפנים. (ב) מודל ה- CAD של תצורת הסטנט מעוקלת. (C) מדפסת 3D בשימוש עבור ייצור של סטנטים. (ד) ו- (ה) סטנטים ישרים ומעוגלים לאחר הדפסת 3D. (F) סטנטים מותקן בחלק הבדיקה עורק מפותל 180 מעלות.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
. איור 2. סכמטי ציור של velocimetry תמונה החלקיקים (PIV) מערכת The-רכיבי המערכת הבאים מסומנים: 1. לייזר Nd-YAG עם אופטיקה כדי לייצר גיליון לייזר 2. מצלמת CCD כי הוא נשלט על ידי רכישת PIV-נתונים מחשב, מחשב בקרת מכשיר 3. משאבה המספק את צורת הגל בזמן מתח למשאבה והסנכרון מעורר למחשב רכישת PIV-נתונים, 4. משאבת הילוך לתכנות שמייצרת ספיקות פיסיולוגיות, 5. לולאה סגורה, סעיף בדיקה ניסיוני שיש כניסה וצינורות לשקע, 180 ° סעיף מעוקל מבחן עורק והיא משמשת מאגר נוזל הדם-אנלוגי. הבלעה: סעיפים נגדיים מישוריים שונים שבו מדידות PIV יכולים להיות עשה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הסדר ניסיוני איור 3. PIV-מערכת עם מיקום של התקנת סטנט. (א) הסדר של מערכת PIV על השולחן האופטי עם-רכיבי מערכת שונים. (ב) ציור סכמטי של 180 ° סעיף מבחן עורק מפותל עם ממדים חשובים, מיקומו של סטנט ישר ומעוגל המגלמים של השבר ואת המרווח סטנט 'סוג IV' בין החלקים סטנט שבורה (שטח D). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
-page = "1"> 
איור 4. צורת גל פיסיולוגי המיוצרת על ידי המשאבה לתכנות בעל תכונות מאפיינים כגון שיא הסיסטולי בזמן t / T = 0.19. (א) ספיקה (מיליליטר / sec) נמדד זרם של סעיף במבחן 180 ° מעוקל עורק מעל 20 מחזורי צורת גל . (ב) זרימה waveform שיעור עם סטיות התקן על מקרים שונים של זמן בהסתכלות 20 מחזורי צורת גל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
רצף איור 5. מדידות PIV וזיהוי של מבנים זרימה משני 180 ° סעיף מבחן עורק מפותל. (א >) דור של נתוני שטח מהיר משתי זרימה באמצעות טכניקת PIV באמצעות סינכרון של ההדק המיוצר על ידי מחשב בקרת מכשיר משאבה. (ב) רצף לאחר עיבוד באמצעות נתונים בשדה זרימה משני על ידי טיפול תמונות pixelated (או מטריצות) עבור Q- ו λ CI -. הקריטריונים, ו ערבוליות טרנספורמציה אדוה (Ω ') נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 6. ייצוג אלגוריתמי של תדווה רציף להפוך גישה לגילוי מבנה זרימה משני עורקי ריבועים:. תדווה 2D-Ricker ב בקנה מידה שרירותית (ℓ), דוגמא שדה ערבוליות 2D, וריאצית האנטרופיה שינון עם סולם ידווה (ℓ). com / קבצים / ftp_upload / 51,288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
. איור 7. מבני זרימה יסודיים של 180 ° סעיף מעוקל העורק מבחן על 45 °, 90 °, 135 ° ו -180 ° במקומות מישוריים במקרי זמן, t / T = 0.23, 0.27, במהלך ההאטה סיסטולי ריבועים: סכמטי ציור המתאר המיקומים המדידים, ההשוואה של CI Q- ו λ - הקריטריונים, ו ערבוליות טרנספורמציה תדווה (Ω ') שדות נתונים בכל מקומות ומקרים מישוריים במהלך האטה סיסטולי, colorbars המציינים את טווח הערכים של נרכשו על ידי של Q- ו λ CI - הקריטריונים, ו ערבוליות טרנספורמציה אדוה (Ω ') נתונים ופירושם. "Target =" pg _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| פָּרָמֶטֶר | למשוואה לא. | ערך אותחל | בקטגורית מודל סטנט | תיאור | ||
| θ = 360 n פונה t | 1 | n פונה = 4 | יָשָׁר; מְעוּקָל | מספר הסיבובים בסליל (n פונה) | ||
 | 2 | מגרש = 22.225 מ"מ בכל תור | יָשָׁר; מְעוּקָל | Pitch של הסליל (מגרש) | ||
| 1 מסוגל משוואה 2 "src =" / files / ftp_upload / 51,288 / 51288tbl2.jpg "/> | 3 | D = 11.84 מ"מ | יָשָׁר | קוטר נומינלי של סטנט (ד) | ||
 | 4 | D = 11.84 מ"מ | יָשָׁר | קוטר נומינלי של סטנט (ד) | ||
 | 5 | מגרש = 22.225 מ"מ בכל תור | יָשָׁר | Pitch של הסליל (מגרש) אורך של מודל סטנט ישר (z) | ||
 | 6 | l7.jpg "/> | מְעוּקָל | רדיוס של 180 ° מודל עורק מפותל קשת R | ||
| β = 180 t | 7 | β = 45 | מְעוּקָל | זווית subtended ידי סטנט המעוקל במרכז העקמומיות | ||
| חוט ד | - | ד תיל = 0.85 מ"מ | יָשָׁר; מְעוּקָל | קוטר של יתד סטנט | ||
| L ישר = z | - | L ישר = 88.9 מ"מ | יָשָׁר | אורך של מודל סטנט ישר | ||
טבלה 1. משוואות פרמטרית של שמאל סלילים ימין, אותחל ערכי פרמטרים.
lways ">(ז / 3 ס"מ)
(מ '2 / sec) x 10 -6
תיאור לוח 2. ממסי ריאגנטים כימיים המשמשים ליצירת פתרון דם-האנלוגי.
| פָּרָמֶטֶר | למשוואה לא. | תיאור | ציוד מעבדה מוצע |
 | 8 | צפיפות של פתרון יודיד נתרן רווי (NAI) מחושב על ידי מדידת המסה של כל כךlution ואת נפח הוסיף בכמויות קטנות כדי מבחנה 50 מ"ל. | 1. Beaker (50 מ"ל) 2. שוקל סולם 3. בוגר או פיפטה נפח |
 | 9 | נפח של האצווה כולה של פתרון יודיד נתרן רווי מוכן | 1. כוס עם פתרון Nai רווי (2,000 מ"ל) 2. שוקל סולם |
 | 10 | נפח כולל של הפתרון האנלוגי דם הצפוי לאחר הכנת פתרון נפח | 1. כוס עם פתרון Nai רווי (2,000 מ"ל) לערבב עם גליצרול ומים DI. 2. שוקל סולם |
 | 11 | נפח של גליצרול סה"כ שיתווספו פתרון יודיד נתרן רווי | 1. כוס עם פתרון Nai רווי (2,000 מ"ל) 2. שוקל סולם 3. Beaker (100 מ"ל) להעביר גליצרול לפתרון Nai רווי |
 | 12 | נפח כולל של מי DI שיתווסף הפתרון של הרווי Nai וגליצרול | 1. בוגר או פיפטה נפח להעביר מים די לפתרון של רווי Nai וגליצרול |
בלוח 3. בלוח של אחוז-ידי נפח חישובים עבור פתרון דם-אנלוגי: 79% נאים, 20% גליצרול 1% מי DI.
| מפרט מערכת PIV | גיאומטריה או ערך מאפיין | תיאור |
| גיאומטרית זרימה | במקביל חתך עגול לגיליון אור | בסעיף מבחן עורק מפותל |
| מקסימום-המטוס מהיר | 0.16 מ 'שניות -1 | סולם מהירות זרימה משני |
| גודל תמונה | x 1,376 פיקסלים y 1,040 פיקסלים | גודל מערך PIV מצלמת CCD |
| מרווח הזמן בין פעימות לייזר (Δt) | 600 - 3,200 μsec | קלט לתוך תוכנת תמונת רכישת PIV (DAVIS 7.2) |
| מספר סופי של וקטורים | x 86, y 65 | פלט שלאחר עיבוד נתונים PIV (DAVIS 7.2) |
מפרט לוח 4: שני-componאף אוזן גרון, דו מימדי (2C-2D) מערכת PIV.
משלימה קוד קובץ 1. יצירת מסכה. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
משלימה קוד קובץ 2. יצירת שגרה עיבוד פוסט. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
משלים קוד FIle 3:. קודי MATLAB אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפרוטוקול המובא במאמר זה מתאר את הרכישה של נתוני ניסוי באיכות גבוהה באמצעות טכניקת velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) ואת שיטות זיהוי מבנה קוהרנטי, דהה., תמרות תדווינה רציפות, 
, מתאים זיהוי של מערבולת ותזרים נשלטת גזירה. ניתוח של נתוני ניסוי מיבוא פיסיולוגי בנוכחות שבר אידיאליזציה "סוג IV" מגלה כי מבני זרימה משניים עם אפקטים הידרודינמית מסובכים כגון אסימטריה מבנה זרימת וריאצית הפצות במרחב ובזמן שלא ניתן לחזות מתאוריות הידרודינמיקה פשוטות.
ישנם ארבעה שלבים קריטיים לביצוע דהה בפרוטוקול זה., (I) תכנון ייצור של מודלי סטנט מעבדה בקנה מידה, (ii) הכנת נוזל עובד אנלוגי דם מתאים עם צמיגות קינמטיקה של דם refracמדד מופרז של המודל העורק המפותל, (iii) לא פולשני הסדר ניסיוני (2C-2D PIV) ו- (iv) שיטות זיהוי מבנה קוהרנטי מתקדם לזיהוי תבניות זרימת דם בעורקים.
מספר Womersley הוא פרמטר ממדים המתייחס תדירות זרימת pulsatile תופעות צמיגות 7. ריינולדס מספר מתייחס כוחות אינרציה לכוחות זרימה צמיגים. דיקן מספר מתייחס כוח צנטריפטלי המתעוררים זרימה דרך צינורות מעוקלים כדי אינרציאליות וכוחות צמיגת 1, 2. פרטים הנוגעים קנה המידה של צורת הגל הפיזיולוגית עם מספרי Womersley ו ריינולדס מוצגים 5, 6. צורת גל היבוא השתמשה במחקר זה היה משוחזר ממדידות קצב הזרימה התרדמה עורק ארכיטיפי (בממוצע) של 17-20 מטופלים בריאים ידי Holdworth et al. 15. הצינורות המובילים אל חלק המבחן עורק המפותל הם מספיק זמן כדי לאפשר את הזרימה שיפותחו כאלה לחלוטין כי קונדי זרימת pulsatileמשא על הכניסה לקטע הבדיקה העורקת המפותל נמצא פאזיים עם המשאבה (איורי 3 א, 3 ב ו 4 א). דירות של צורת גל פיסיולוגי המסופק היו מובטחות על ידי ביצוע מדידות PIV ציריות של קצב זרימה ומהירות בתפזורת במעלה זרם אל עורק המודל באמצעות מערכת 2C-2D PIV (ראה איור. 4 ב).
הגירויים הידרודינמית מ ופרמטרים המודינמיים עורקים כלפי הסיבוכים הקליניים כאמור אינן ידועות היטב. תזרימים פיסיולוגיים המעורבים סטנט ו-שברי סטנט להוות מורכבות עבור in vivo ו במדידות חוץ גופייה. הפרוטוקול מובא בזאת יכול להיות שונה כדי לכלול עמידה בצינורות ללמוד את ההשפעה של מבני זרימה משני עורקי תחת שאינו אידיאליים ויותר מציאותיים תרחישי זרימה. ניסויים כאלה יהוו אתגרים נוספים במדידה שלאחר עיבוד של נתונים. השימוש בטכניקות stereo- או טומוגרפית-PIV, מסוגל veloci תלת מימדי מיפוישדות ty יכולים לשפר את ההבנה שלנו באופן משמעותי על הדינמיקה של מבני זרימה משניים.
המגבלות של שקר הסדר ניסיוני בהחלטת חוסר הקרוב לקיר (לומן מודל עורקים) האזורים וחוסר גישה האופטית אל זרימת הדם בתוך האזורים המושתלים סטנט. מגבלות אלה עם זאת, להוות רחבות אלגנטיות של הפרוטוקול המובא. השימוש בחומר ברור אופטית עבור 3D-הדפוס של סטנטים, מציאותי וסבלני ספציפי הגיאומטריות עורקי תאפשר גישה חסרת תקדים ופרמטרים המודינמיים של שתלים-סטנט ו-סטנטים שבר.
תוצאה מורחבת של הפרוטוקול המובא בזאת מתייחסת הבחירה של הסקאלה ידווה "הטובה ביותר" לגילוי מבנה קוהרנטי. צעדי 5.6.3 - 5.6.7 הוא פתרון מוצע לבעיה של הפונקציה (או בסיס) "הכי טוב" סולם ידווה בגילוי מבנה קוהרנטי. החוקרים מצאו כי בעקבות צעדי 5.6.3 - נחישות 5.6.7ד כל המבנים קוהרנטית בקנה מידה גדול ובנוסף, זוהה מבנים קוהרנטי בקנה מידה קטן יותר שהיו מבלי שיבחינו עד כה בניסויים מודל עורק מפותל. החוקרים מציעים Ref. 34, 35 שבו האנטרופיה שאנון משמש להערכת בסיס "הטוב ביותר" ב חפיסת אדוה דיסקרטית המרה (DWPT) אלגוריתם לעבר גילוי מבנים קוהרנטי בניסוי זרימה טורבולנטית. למידע נוסף על הגישה הנוגעת אדווה רציפה להפוך אלגוריתם, המחברים מציעים Ref. 5, 6, 35 והאסמכתאות המובאות שם.
השכיחות של שברי שתלי סטנט ו הפרעות זרימה במקביל לגרום מבני זרימה משניים עם מורפולוגיות מורכבות, רב היקף ומאפייני גודל חוזק שונה. משמעות של מתודולוגיות כגון velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) בשילוב עם זיהוי מבנה קוהרנטי במיוחד, תמרות תדווינה מאפשרות רזולוציה של בקנה מידה רבה, חוזק רב secondarמבני זרימת y תחת סטנט ותרחישי זרימת נגרמת סטנט-שבר. הפרוטוקול המובא בזאת סוללת את הדרך עבור חוקרת סיבוכים רפואיים כמו-סטנט restenosis (ISR), פקקת סטנט ו מפרצת היווצרות 8, 11 - 14 בשל תזרימי משנית. בנוסף, דפוסי מְעַרבָּלִי זרימה משני נתקלו באזורי הליבה יטו להשפיע על זמן תנועה וחשיפה של חלקיקים הנישאים בדם כגון טסיות, רגישות אותם ההפעלה כלפי פקק. זנים הנשלטת ליד הקיר (לומן) מבני זרימה משני בסופו של דבר ישפיעו מאמץ גזירת הקיר כי היא קשורה קשר הדוק atherogenesis, במיוחד עקמומיות עורקות.
הנהלים אנליטיים לחזות תזרים משני (מְעַרבָּלִי) מבנים מורכבים, הדורשים משוואות Navier-סטוקס בקואורדינטות טבעתיות ותאוריות אסימפטוטי 1 -. 3, 7 שילוב של ניסויים ושיטות אנליטיות מסדר גבוה תקדם תובנה חדשותוהפרמטרים המודינמיים של עורקים מעוקלים נוטים כמה מחלות לב וכלי דם סיבוך קליני הקשורים השתלות סטנט ושברי סטנט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי אינטרסים הכריז.
Acknowledgments
המחברים מודים תמיכה CBET-0909678 NSF מענק ומימון מהמרכז GW להנדסה biomimetics ו Bioinspired (COBRE). אנו מודים לתלמידים, מר כריסטופר Popma, גב 'לין Penna, גב שאנון קלהן, מר Shadman חוסיין, מר מוחמד ר Najjari, וגב' ג'סיקה Hinke לעזרה במעבדה ומר מתייה Barraja עבור סיוע ציורי CAD.
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. |
References
- Dean, W. R. Note on the motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 208-223 (1927).
- Dean, W. R. The streamline motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 673-695 (1928).
- Lyne, W. H. Unsteady viscous flow in a curved pipe. J. Fluid. Mech. 45, part 1 13-31 (1970).
- Glenn, A. L., Bulusu, K. V., Shu, F., Plesniak, M. W. Secondary flow structures under stent-induced perturbations for cardiovascular flow in a curved artery model. Int. J. Heat Fluid Fl. 35, 76-83 (2012).
- Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Secondary flow morphologies due to model stent-induced perturbations in a 180° curved tube during systolic deceleration. Exp. Fluids. 54, 1493 (2013).
- Bulusu, K. V., Hussain, S., Plesniak, M. W. Determination of secondary flow morphologies by wavelet analysis in a curved artery model with physiological inflow. Exp. Fluids. 55, 1832 (2014).
- Womersley, J. R. Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known. J. Physiol. 127, 553-563 (1955).
- Sheriff, J., Bluestein, D., Girdhar, G., Jesty, J. High-shear stress sensitizes platelets to subsequent low-shear conditions. Ann. Biomed. Eng. 38 (4), 1442-1450 (2010).
- Popma, J. J., Tiroch, K., Almonacid, A., Cohen, S., Kandzari, D. E., Leon, M. B. A qualitative and quantitative angiographic analysis of stent fracture late following sirolimus-eluting stent implantation. Am. J. Cardiol. 103 (7), 923-929 (2009).
- Kim, S. H., et al. A fractured sirolimus-eluting stent with a coronary aneurysm. Ann. Thorac. Surg. 88, 664-665 (2009).
- Adlakha, S., et al. Stent fracture in the coronary and peripheral arteries. J. Interv. Cardiol. 23 (4), 411-419 (2010).
- Alexopoulos, D., Xanthopoulou, I. Coronary stent fracture: How frequent it is? Does it matter. Hellenic J. Cardiol. 52, 1-5 (2011).
- Nair, R. N., Quadros, K. Coronary stent fracture: A review of the literature. Cardiac. Cath. Lab Director. 1, 32-38 (2011).
- Jaff, M., Dake, M., Popma, J., Ansel, G., Yoder, T. Standardized evaluation and reporting of stent fractures in clinical trials of noncoronary devices. Catheter Cardiovasc. Interv. 70, 460-462 (2007).
- Holdsworth, D., Norley, C. J., Frayne, R., Steinman, D. A., Rutt, B. K. Characterization of common carotid artery blood-flow waveforms in normal human subjects. Physiol. Meas. 20 (3), 219-240 (1999).
- Deutsch, S., Tarbell, J. M., Manning, K. B., Rosenberg, G., Fontaine, A. A. Experimental fluid mechanics of pulsatile artificial blood pumps. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 65-86 (2006).
- Yousif, M. Y., Holdsworth, D. W., Poepping, T. L. A blood-mimicking fluid for particle image velocimetry with silicone vascular models. Exp. Fluids. 50, 769-774 (2011).
- Budwig, R. Refractive index matching methods for liquid flow investigations. Exp. Fluids. 17, 350-355 (1994).
- Hunt, J. C. R., Wray, A. A., Moin, P. Eddies, stream, and convergence zones in turbulent flows. Center for Turbulence Research. , Report CTR-S88 (1988).
- Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp. Fluids. 29, 275-290 (2000).
- Chong, M., Perry, A. E., Cantwell, B. J. A general classification of three-dimensional flow fields. Phys. Fluids A. 2 (5), 765-777 (1990).
- Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
- Haller, G. An objective definition of a vortex. J. Fluid Mech. 525, 1-26 (2005).
- Chakraborty, P., Balachander, S., Adrian, R. J. On the relationships between local vortex identification schemes. J. Fluid Mech. 535, 189-214 (2005).
- Wallace, J. M. Twenty years of experimental and direct numerical simulation access to the velocity gradient tensor: What have we learned about turbulence. Phys. Fluids. 21, 021301 (2009).
- Farge, M., Guezennec, Y., Ho, C. M., Meneveau, C. Continuous wavelet analysis of coherent structures. Center for Turbulence Research, Proceedings of the Summer Program. , 331-348 (1990).
- Himburg, H. A., Friedman, M. H. Correspondence of Low Mean Shear and High Harmonic Content in the Porcine Iliac Arteries. ASME J. Biomedical Eng. 128, 852-856 (2006).
- Dai, G., et al. Distinct endothelial phenotypes evoked by arterial waveforms derived from atherosclerosis-susceptible and -resistant regions of human vasculature. PNAS. 101 (41), 14871-14876 (2004).
- Hanus, J., Zahora, J. Measurement and comparison of mechanical properties of nitinol stents. Physica Scripta. 118, 264-267 (2005).
- Segur, J. B., Oberstar, H. E. Viscosity of glycerol and its aqueous solutions. Ind. Eng. Chem. 43, 2117-2120 (1951).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. , Cambridge University Press. NY. (2011).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry - A practical guide, 2nd ed. , Springer. Berlin. (2007).
- Moisy, F. PIVmat 3.01 software. , Laboratoire FAST., University Paris Sud, University Pierre et Marie Curie. CNRS. 91405 Orsay Cedex, France. (2013).
- Ruppert-Felsot, J. E., Praud, O., Sharon, E., Swinney, H. L. Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment. Physical Review E. 72, 016311 (2005).
- Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Shannon entropy-based wavelet transform methods for autonomous coherent structure identification in fluid flow field data. Entropy. 17 (10), 6617-6642 (2015).
