Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Experimentell undersökning av sekundärflöde strukturer nedströms en modell av typ IV Stent Misslyckande i en 180 ° Böjd Artery testsektionen

Published: July 19, 2016 doi: 10.3791/51288
Automatic Translation
1, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Abstract

Den arteriella nätverket i den mänskliga kärl består av ubiquitously närvarande blodkärl med komplexa geometrier (grenar, krökningar och slingrighet). Sekundära flödesstrukturerna är virvelflödesmönster som förekommer i krökta artärer på grund av den kombinerade effekten av centrifugalkrafter, negativa tryckgradienter och inflödes egenskaper. Sådana flödes morfologier påverkas i hög grad av pulsatilitet och flera övertoner av fysiologiska inflödesförhållanden och varierar mycket i storlek-styrka-formegenskaper jämfört med icke-fysiologiska (stadig och oscillerande) flödar 1-7.

Sekundära flödesstrukturerna i slutändan kan påverka tiden för blodburna partiklar vägg skjuvspänningen och exponering mot progression av ateroskleros, restenos, sensibilisering av blodplättar och trombos 4-6, 8-13 Därför förmågan att detektera och karakterisera dessa strukturer under laboratorie. -kontrollerade betingelser är precurseller att ytterligare kliniska undersökningar.

En vanlig kirurgisk behandling för att åderförkalkning är stent implantation, för att öppna upp förträngda artärer för obehindrat blodflöde. Men de åtföljande flödesstörningar på grund av stent installationer resulterar i flera skala sekundära flödes morfologier 4 -. 6 Successivt högre ordningens komplexitet såsom asymmetri och förlust i överensstämmelse kan framkallas genom efterföljande stent fel gentemot de under ostörda flöden 5. Dessa stent misslyckanden har klassificerats som "typ I-till-IV" som baseras på fel överväganden och klinisk svårighetsgrad 14.

Denna studie presenterar ett protokoll för experimentella undersökningar av de komplexa sekundära flödesstrukturerna på grund av att slutföra tvär stent fraktur och linjär förflyttning av brutna delar ( "typ IV") i en krökt artär modell. Den experimentella metoden innebär genomförandet av Particle Image Velocimetry (2C-2D PIV) tekniker med en arketypisk halspulsådern inflöde vågform, matchade ett brytningsindex blod analog arbetsvätska för fas genomsnittliga mätningar 15 -. 18 Kvantitativ identifiering av sekundära flödesstrukturerna uppnåddes använda begrepp flödes fysik, kritisk punkt teori och en roman wavelet omvandla algoritm tillämpas på experimentell PIV uppgifter 5, 6, 19-26.

Introduction

Sekundära flödesstrukturerna är virvelflödesmönster som förekommer i den interna flödesgeometrier med krökningar som böjda rör och kanaler. Dessa virvel strukturer uppkommer på grund av den kombinerade effekten av centrifugalkrafter, negativa tryckgradienter och inflödes egenskaper. I allmänhet, sekundära flödesstrukturerna visas i plana tvärsnitt av bågrör som symmetriska Dean-typ virvlar under konstant inflöde och, symmetriska Dean- och Lyne-typ virvlar enligt oscillerande inflödesförhållanden 1 -. 3 Sekundära flödes morfologier påverkas i hög grad av pulsatilitet och flera övertoner av pulserande, fysiologiska inflödesförhållanden. Dessa strukturer förvärva markant olika storleks styrka formegenskaper jämfört med icke-fysiologiska (stadig och oscillerande) strömmar en -. 6 aterosklerotisk skada utveckling i artärerna påverkas av förekomsten av högfrekventa skjuvning svängningar i regioner med låg genomsnittlig skjuvning 27, 28

En vanlig behandling för ateroskleros, en komplikation som leder till förträngning av artärerna med obstruktiva lesioner, är implantation av stentar. Stent frakturer är strukturella misslyckanden implanterade stentar som leder till ytterligare medicinska komplikationer såsom in-stent restenos (ISR), stenttrombos och aneurysm bildning 9 -. 13 stentfrakturer har kategoriserats i olika fel "typ I-till-IV", vari "typ IV" präglar den högsta kliniska svårighetsgraden och definieras som den fullständiga tvärgående fraktur av stentstag tillsammans med linjära förskjutningar av stent fragmenten 14. protokollet presenteras i denna studie beskriver en Experimental metod visualisering av sekundära flödesstrukturer nedströms en idealiserad "typ IV" stent fraktur i en krökt artär modell.

Den föreslagna protokollet har följande fyra viktiga funktioner:

Utformning och tillverkning av laboratorieskala stent modeller: geometrisk beskrivning av stentar kan associeras med en uppsättning av självexpander spiraler (fjädrar eller helixar) sammanflätade med hjälp av Nitinol (en legering av nickel och titan) ledningar 29. Längden på stenten och dess strut diameter beror på längden skala av arteriella lesioner som uppstår under klinisk implantation 5. Parametrisk variation av strut diameter och resningen av lindning (eller pitch) leder till stentar med olika geometriska former. En sammanfattning av stentkonstruktionsparametrar som valts för 3D-utskrift presenteras i tabell 1.

Framställning av en blod analog arbetsfluid matchasmed kinematisk viskositet av blod och brytningsindexet hos testsektionen: Optisk åtkomst till den krökta artären testsektionen krävs för att göra icke-invasiva mätningar velocity. Följaktligen är en newtonsk blodliknande arbetsfluid med brytningsindex för det vaskulära modellen och idealiskt, en dynamisk viskositet, matchande humant blod används för att erhålla noggrann blodflödesmätningar 16 -. 18, 30 Den arbetsfluid som används i denna studie rapporterades av Deutsch et al. (2006), som bestod av 79% mättad vattenlösning av natriumjodid (Nal), 20% ren glycerol och 1% vatten (räknat på volymen) 16.

Experimentell arrangemang för detektering av sammanhängande sekundära flödesstrukturer med hjälp av en två-komponent, tvådimensionell Particle Image Velocimetry (2C-2D PIV): Experiment utformade för att förvärva fas-genomsnitt sekundärt flöde hastighetsdata på olika plana tvärsnitts platser nedströms en kombination av straight och böjda stent sektioner förkroppsligar en idealiserad "typ IV" stent fraktur 5, 6, 9, 14. Protokollet steg som hänför sig till förvärvet av sekundär flödeshastighetsfält med hjälp av partikel bild Velocimetry (PIV) teknik innebär en PIV-system som består av en laser (ljus ark) källa, optik att fokusera och belysa regionerna flöde, en speciell korskorrelationsladdningskopplad enhet (CCD-sensor eller kamera) och spårpartiklar att belysas av ljuset arket inom en kort tidsintervall (At ; se tabell 4) 31, 32.

Stegen i protokollet antar följande: För det första, en kalibrerad, experimentuppställning av en två-komponent, tvådimensionell (2C-2D) PIV system som utvärderar bilder genom att dubbel ram, inspelningar enda exponering. För det andra, beräknar 2C-2D PIV-systemet medel förskjutningar av spårpartiklar genom att utföra korskorrelation mellan två bildramar som förvärvats under varje inspelning. En brIEF sammanfattning av PIV specifikationer och bilden förvärvet programvara redovisas i tabellen material och utrustning. För det tredje, alla säkerhetsåtgärder som krävs för att driva lasern följt av utbildad laboratoriepersonal enligt de riktlinjer som värdinstitution. Författarna föreslår ref. 31 och 32 för en helhetsförståelse av genomförandet, funktionalitet och tillämpning av PIV teknik flyg-, vatten- och mikrofluiddynamik, korrelationstoppdetektering och förskjutning uppskattning, materiella och densitet av spårpartiklar och mätbrus och noggrannhet. Observera också att lasern och kameran kan styras av PIV datainsamling dator (figur 3A) och databearbetningsmjukvara.

Datainsamling och efterbearbetning för koherent struktur detektering: Fas-genomsnitt sekundära flödeshastighet mätningar med en 2C-2D PIV genererades med användning av protokollet beskrivningen som följer. Efterbehandling Ing av data inblandade sammanhängande sekundärflödesstruktur upptäckt med hjälp av följande tre metoder: kontinuerlig wavelettransformationer, ekvation 1 5, 6, 19-24, 26.

Författarna noterar att hastighetsgradienten tensor är i huvudsak, en 3 x 3 matris,
ekvation 2 .

Protokollet presenterar en metod för att förvärva tvådimensionella experimentella mätningar (från 2C-2D PIV teknik). Därför kommer fullständig experimentell tillgång till hastighetsgradienten tensor inte kan uppnås med denna metod. Hastighetsgradienten tensor för varje pixel ekvation 3 av PIV bilden ekvation 4 bör vara en 2 x 2 matris, ekvation 5 . Z-komponenten vorticitetquation 6 "src =" / filer / ftp_upload / 51.288 / 51288eq6.jpg "/> för varje pixel ekvation 7 beräknas med hjälp av anti-symmetriska delen av hastighetsgradienten tensor ekvation 8 . Resultatet blir en 2D matris med virvelbildning ekvation 9 som kan visualiseras i en konturkurva. Författarna föreslår starkt Ref. 25 för en vältalig diskussion experimentell tillgång till hastighetsgradient tensor mot att öka kunskapen om vorticity avledning, töjningshastigheter och sammanhängande struktur upptäckt. Vidare har författarna inte försöka utforska det inbördes förhållandet mellan de ovannämnda sammanhängande struktur detektionsmetoder och föreslå Ref. 23, 24 för en omfattande diskussion om detta ämne.

Fokus för stegen i protokollet är den kvantitativa identifiering av sekundärflöde (virvel) structures (även känd som sammanhängande strukturer). Tre metoder för sammanhängande struktur upptäckt nämligen., ekvation 10 och wavelet transforme vorticitet ekvation 11 tillämpas på hastighet fältdata mot detektion av flera skala, multi-styrka förekomster av sekundära flödesstrukturer nedströms den idealiserade "typ IV" stent fraktur.

De ekvation 12 , Definierar en virvel som en rumslig region där den euklidiska normen av vorticitet tensor dominerar det av hastigheten av stammen 19, 23, 24 .Det hastighetsgradient matrisen sönderdelas till symmetriska (töjningshastighet) och anti-symmetriska (rotation) delar. Egenvärden av töjningshastigheten matris beräknas; ekvation 13 . Norm av töjningshastigheten beräknas sedan; "Equation ) Beräknas därefter. De ekvation 16 är slutligen beräknas; ekvation 17 . En kontur tomt på hela uppsättningen av ekvation 18 med iso-regioner ekvation 19 , Indikerar sekundär flödesstrukturer 19.

De ekvation 20 , Även känd som "virvlande styrka" är en virvelidentifieringsmetod som utförs av kritisk-punkt-analys av det lokala hastighetsgradienten tensor och dess motsvarande egenvärden 20-24 beräknas. Egenvärdena bör vara av formen, ekvation 22 . En kontur tomt på ekvation 23 med iso-regioner ekvation 24 indikerar sekundära flödesstrukturerna 20-22.

Wavelet transformmetoden utnyttjar en analysfunktion (eller wavelet) som har jämnhet i fysiska och spektrala utrymmen är tillåtlig (eller har noll medelvärde) och har en ändlig ekvation 25 5, 6, 26. Genom faltning en utvidgad eller kontrakterade wavelet med en 2D-virvelfält, wavelet transformerade virvel ekvation 26 fält genereras comprising sammanhängande strukturer med ett brett spektrum av skalor och styrkor 5, 6, 26. Shannon entropi av 2D wavelet-transformerade virvelfält beräknas att uppskatta den optimala wavelet skala där alla sammanhängande strukturer är tillräckligt löst. Detta entropi uppskattningen innebär en uppsättning sannolikheter ekvation 27 för varje pixel ekvation 21 Så att ekvation 28 Den normaliserade kvadrat modul av virvelbildningen i samband med pixeln på plats m, n 5, 6. Procedur steg presenteras grafiskt i figur 6. De restriktioner på valet av wavelet presenteras i detalj i ref. 26. Detta protokoll steg beskriver proceduren för koherent struktur upptäckt med hjälp av en 2D Ricker wavelet. Motiveringen för användningen av detta wavelet för virvelmönstermatchning presenteras i ref. 5, 6 och de relevanta referenser som citeras däri.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Design och tillverkning av Stent modeller

Obs: Följande steg har följts för att skapa laboratorieskalemodeller av raka och böjda stentar. Installationen av de två stent modellerna kommer att förkroppsliga en "typ IV" fraktur (fragmentering och linjär förflyttning av brutna stentdelar).

Notera: Författarna använde Pro / Engineer programvara vid tiden för forskning för att skapa CAD-modeller av stenten geometri. Proceduren nedan är generell och får inte innehålla villkor generiska till CAD-program som används. Andra CAD-paket som kan också användas. Stegen som följer är tillämpliga för CAD-program som författarna användes vid tidpunkten för forskning och har anpassats från tillverkarens webbplats. För ytterligare beskrivning av rapid prototyping maskin som används av författarna se lista över material som. De parametriska ekvationer och initierat värden för stent konstruktion presenteras i Table 1 och Figur 1D och 1E är exempel på raka och böjda stent modeller efter rapid prototyping.

  1. Skapa rak stent geometri genom att definiera parametriska ekvationer och initiera parametrar för de vänstra och högra spiraler i ett kartesiskt (XYZ) koordinatsystem (tabell 1).
    1. Generera en uppsättning av 10 jämnt fördelade vänstergång spiraler i en plan cirkulär rad om en rak referenslinje eller z-axeln, med användning av Eq. 1, 2, 3 och 5 visas i tabell 1, med initialiserade värdena för antal varv
      ( ekvation 29 ), Tonhöjd, stent trådtjockleken ( ekvation 30 ) Och nominell diameter av stenten ( ekvation 31 ) (Figur 1A och tabell 1).
    2. Upprepa steg 1.1.1 med användning av Eq. 1, 2, 4 och 5 för att generera encirkulärt mönster av 10 equispaced kvar spiraler (Figur 1A).
    3. Generera rak stent geometri genom att kombinera eller montering av vänster och höger roterande spiralerna kring en gemensam axel (Figur 1A).
  2. Skapa krökt stent geometri genom att definiera parametriska ekvationer och initiera parametrar för de vänstra och högra spiraler i cylindriska (R-β-X) koordinatsystem eller om en krökt referenslinje (tabell 1). Upprepa steg 1.1.1 - 1.1.2 med de tidigare initieras parametrarna använder Eq. 1, 2, 6 och 7.
    1. Skapa en krökt stent geometri kombinerar eller montering av vänster och höger roterande spiraler krökt kring en gemensam axel (R) och bildar en vinkel ekvation 32 i origo (Figur 1B).
  3. Skapa högupplösta stereolitografi (STL) filer från de raka och böjda stent CAD-modeller.
    1. Välj "Export> Model "från" Arkiv-menyn ". Välj "STL alternativet. Ställ in "ackord höjd" till 0. Set "Angle kontroll" till 1. Applicera "OK" för att skapa STL-fil. Obs: Värdet för Angle Control "reglerar mängden tessellation längs ytan med små radier och inställningen kan vara mellan 0 och 1.
  4. Tillverka stent modeller på en rapid prototyping maskin som visas i figur 1C använda material som anges i tabellen material och utrustning.
    1. Starta 3D-utskriftsprogram (se Materials List). Klicka på "Infoga" för att lokalisera STL-fil på 3D-skrivare dator och välj önskad fil. Dra musen på skärmen för att placera 3D-rendering av STL-filen på en virtuell plattform (magasin) på skärmen.
    2. Välj lämpliga enheter som "mm" (Alternativ: "mm" eller "tum") från fil menyflikarna. Välj kvalitet färdiga produkten som "Matte" (Optioner: "Matte" eller "Blank"). Välj "fack inställningar> Validation" fliken från filen menyerna.
    3. Leta efter "Validering lyckats" meddelande för att fortsätta till nästa steg. Om valideringen misslyckas upprepa steg i 1,3 - 1.4.2 tills framgångsrik validering uppnås.
    4. Välj "fack inställningar> Build" fliken från filen menyerna för att skicka filen till 3D-skrivare för tillverkning.
      Obs: Värdet av "ackord höjd" styr graden av mosaikläggning av modellytan. Det påverkar noggrannhet och filstorleken av modellen kommer att ersättas av ett minimivärde automatiskt. Små värden på ackord höjd leder till mindre avvikelser från den faktiska detaljgeometri med filstorlek avvägning. Valideringskontroll krävs för att se till att en del är sammanhängande och tomrum av strukturella anomalier under tillverkningen stadiet.

2. Förbered Kinematisk viskositets och brytnings InDex-matchade Blod analog Fluid

Obs: Följande procedur kommer att ge ungefär 600 ml blod-analog lösning. En sammanfattning av de kemiska reagens och lösningsmedel med relevanta egenskaper som används vid framställningen lösning presenteras i Materials List. Relevanta materialegenskaper, föreslås laboratorieutrustning och riktlinjerna för volymetriska beräkningar presenteras i tabellerna 2, 3 och 4, respektive.

  1. Bered en mättad lösning av natriumjodid (Nal).
    1. Häll 500 ml avjoniserat H2O i en 2000 ml bägare. Placera bägaren på magnetomröraren.
    2. Mäta ≈860 g Nal på en nollställs-viktbalans och tillsätt 100 g inkrement i bägaren under omrörning och väntar på den aktuella Förutom fullt upplösas före tillsättning av nästa. Registrera temperaturen vid varje tillsättning, eftersom processen för mättning av avjoniserat H2O med Nal är något exothermic. I kylskåp lösningen efter behov för att bibehålla den vid RT (≈ 25 ° C).
    3. Tillsätta små NaI ökningar (≈5-10 g) upp till 20 g, tills lösningen är mättad. Notera den totala massan och temperaturen av varje tillsats. Ta bort bägaren med mättad Nal lösning från den magnetiska omröraren när du är klar.
  2. Mäta densiteten hos den mättade Nal-lösning ( ekvation 33 ).
    1. Tillsätt 10 ml mättad Nal lösning från steg 2,1 till en 50 ml bägare på en nollställs skala med hjälp av en spruta (eller volym pipett), vilket gör att det inte finns några luftbubblor. Spela massa och volym tillsattes.
    2. Beräkna densiteten för varje tillsats med användning av Eq. 8 (se tabell 3). Upprepa detta steg om 4-5 gånger. Genomsnitt densitet inspelade. Återgå lösningen på satsen mättad Nal lösning som framställts i steg 2,1.
  3. Uppskatta den totala volymen av blod imitera lösning. < ol>
  4. Mäta massan av den mättade Nal lösning som framställts i steg 2,1 och beräkna dess volym ( ekvation 34 ) Med användning av Eq. 9. Uppskatta den totala volymen av blod imitera lösning ( ekvation 35 ) Och de partiella volymerna av glycerol ( ekvation 36 ) Och avjoniserat vatten ( ekvation 37 ) Som skall tillsättas efter Eq. 10, 11 och 12 (se tabell 3).
  • Förbereda blod-analoglösningen.
    1. Förbereda en blod analog lösning bestående av 79% mättad Nal-lösning, 20% glycerol och 1% avjoniserat vatten (räknat på volymen) genom homogenis blandning på en magnetomrörare.
    2. Placera bägaren med mättad Nal lösning på magnetomröraren och lägga glycerol i små steg (88 / 51288eq38.jpg "/>), med användning av en spruta (eller graderade eller volymetrisk pipett) tills hela volymen av glycerol ( ekvation 36 ) Som beräknats i steg 2,3 tillsättes. För varje ekvation 39 iteration, registrera volymen tillsattes och vänta tills lösningen är synligt homogeniseras före tillsats av nästa ökning av glycerol.
    3. Efter fullständig homogenisering av mättad Nal lösning och glycerol, till ekvation 40 med hjälp av en spruta (eller graderade eller volym pipett). Fortsätt röra på magnetomröraren, tills blod-analoglösningen är synbart homogeniserades.
  • Karakterisera blod analoga flytande vid standardomgivningstemperatur och -tryck (25 ° C, 1 atm).
    1. Mät den kinematiska viskositeten (ν) med en vanlig Ubbelohde viskometer eller instrument motsvarande mätning.Kinematisk viskositet kan justeras genom tillsats av små, uppmätta mängder av glycerol med användning av en graderad eller volymetrisk pipett.
    2. Mät brytningsindex (n) med hjälp av en refraktometer. Brytningsindex kan justeras genom tillsats av små mängder av natriumtiosulfat vattenfritt med hjälp av en spatel.
      Notera: Författarna rapporterar den kinematiska viskositeten, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 sek -1 ± 2,8%) och brytningsindex för blod analoga vätska, n = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Ordna Experiment för mätning av sekundär flödeshastighet Fields Nedströms en "typ IV" Stent Failure

    Anmärkning: 180 ° krökt artär testsektion består av två akrylblock hoplimmade, 180 ° krökt kanal bearbetas i varje block och avsättning för inlopps- och utloppsrören, såsom visas i figurerna 1F, 3A och 5, 6 (se Tabell 2).

    1. Installera stentar tillverkade i steg 1 i den krökta artär testsektionen gjord av akryl att förkroppsliga en idealiserad typ IV fraktur scenario innebär en fullständig tvär fraktur på stent och linjär förflyttning av fragmenterade delar (se figurerna 1F, 3A och 3B).
      1. Placera den raka stenten uppströms krökta artär testsektionen (se fig 1F och 3B). För att säkerställa att avståndet mellan den raka och böjda stentar är "3 gånger" diametern på röret (D rör = 12,7 mm), placera 45 ° böjda stent inuti krökningen med en ände vid inloppet till den krökta röret ( Figur 2B).
    2. montera the experimentuppställning genom att ansluta de raka akryl rören till inlopp och utlopp 180 ° krökt artär prov avsnittet som visas i den schematiska översikt över den experimentella arrangemang (Figur 2) på en optisk bord (figur 3A).

    4. Skaffa av sekundär flödeshastighet Fields

    Obs: Följande beskrivning i protokollet avser förvärvet av sekundär flödeshastighetsfält med hjälp av partikel bild Velocimetry (PIV) teknik figur 3B (schematisk ritning) visar att det fyra platser (45 °, 90 °, 135 ° och 180 °). med vinkel skåror för att underlätta laser ark projektion och göra plana tvärsnitts sekundära flödeshastighet. Protokollet steg avser mätningar som förvärvats för 90 ° plats. Om laser arket placeras vid 45 ° plats, är kameran placerad vid 135 ° plats för att få optisk access för sekundärt flöde migasurements vid 45 ° läge.

    Obs: Proceduren nedan är generell och får inte innehålla villkor generiska till bilden förvärvet och efterbearbetning mjukvara och instrumentkontroll programvara som används (se Materials List). Andra bild- och datainsamling paket tillgängliga kan också användas i protokollet.

    1. Slå på lasern med hjälp av ON / OFF omkopplare placerade på laserströmkällan. Belysa en liten bit papper för att visualisera laserarket. Justera laserplåttjockleken (cirka 2 mm) visuellt, genom att vrida på laserarket fokuseringsoptiken placerade på laserkällan.
    2. Placera laserarket längs 90 ° mätningsregionen så att arket är vinkelrät mot den optiska tabell. Placera kameran nära 0 ° eller 180 ° plats för att få optisk access det tvärsnittsvy belyses av lasersarket.
    3. Rikta laser och kameran med hjälp av bildtagning och efterbehandling programvara för att justerasynfältet för kameran för att tillräckligt fånga bilden av det cirkulära tvärsnittet hos den krökta artären (se figur 3A) och minska distorsionen partikeln. Utförs justeringen med "trial and error" genom att inspektera den mjukvarugenererad bild av synfältet. Stäng av lasern med hjälp av manöverkontakter placerade på laserströmkällan och se till att kameran är påslagen med linsskyddet tas bort.
    4. Starta bildtagning och efterbearbetning programvara på PIV datainsamling datorn och logga in som "expert användare. Skapa ett nytt projekt från Arkiv-menyn, ange ett "Projektnamn" och välj "PIV alternativet under" Typ av projekt ". Välj "Nytt" från Arkiv-menyn för att initiera en ny PIV inspelning. Välj "Enhet" under "inställningar" på bilden förvärv och efterbehandlings programvara.
    5. Gå till "Recording" dialogrutan på skärmen,aktivera "Camera 1" kryssrutan och välj "Single Frame (T1A) alternativet. Välj laser alternativknappen "ställas in på ON i processprogrammet inställningarna för bild förvärv och post. Aktivera den externa strömläget på laserströmkällan genom att trycka på "EXT" och "hög effekt" omkopplare placerade på laserströmkällan.
    6. Välj "Grab" på bilden förvärvet och efterbehandling programvara för att börja förvärva PIV bilder för att observera på datorskärmen. Flytta kamera med små manuella justeringar på den optiska bordet och justera fokus för att optimera placeringen av kameran för att maximera fält of-view, minska suddighet och bildförvrängning.
    7. Välj "Stop" knappen på bilden förvärv och efterbearbetning programinställningarna att upphöra med att förvärva PIV uppgifter och inte göra några ytterligare justeringar kamera. Förfarandet anpassningen är komplett på detta stadium.
      Notera: De laserpulser i detta skede kontrolleras av bildenförvärv och efterbearbetning programvara och kan ytterligare kontrolleras genom att variera pulsfrekvens eller "exponering" i programvaruinställningarna. Lasern stannar automatiskt eftersom det styrs av bildtagning och efterbehandlings programvara. Inte nära bildtagning och efterbearbetning programvara som den aktuella projektet kommer att användas för att förvärva PIV data i de steg som följer.
    8. Hämta bilder av sekundärflödet fält med 2C-2D PIV-systemet genom att följa stegen nedan för att säkerställa fas-wise PIV data genereras med hjälp av tidstriggpulser från pumpinstrumentstyrdator som är synkroniserade med dubbla pulslaser och kamera.
      Obs: Den programmerbara pumpen är ansluten till pumpen instrumentstyrdator och styrs av instrumentstyrprogrammet. De steg som följer innebära att inrätta programvara styrmoduler på PIV dator med bildtagning och efterbearbetning och pump instrument styrdator ossing programvara instrument kontroll.
      1. Slå på den programmerbara pumpen med ON / OFF-knappen sitter på pumpen. Starta instrumentet styrprogrammet på pumpen instrumentstyrdator.
      2. Ladda text-fil som har värdena av spänning-tid-vågform med en referens trigger (t / T = 0), som representerar den fysiologiska (halspulsådern) flödeshastighet vågform på till instrumentet styrprogram upprätthålla en fysiologisk Womersley antal ekvation 41 och, maximala Reynolds ekvation 42 och Dean ekvation 43 siffror (Figur 4A).
      3. Ställ "amplitud" till en (V), "DC offset" till 0 (volt), "Antal tidssteg" till 1000 och "Tidsperiod" till 4 (sekunder) på instrumentets styrprogramgränssnitt skärmen.
      4. Kontrollera att den externa power läget på laserströmkällan i steg 4,5, är fortfarande aktiverad. Tryck på 'EXT "och" hög effekt "växlar sitter på laserenergikällan, om så erfordras.
      5. Välj "Enhet" när du har klickat "ny inspelning" under "Inställningar" avsnittet på bilden förvärv och efterbehandlings programvara. Navigera till "Recording" dialogrutan på bilden förvärv och efterbehandling programvara (PIV dator), aktivera "Camera 1" kryssrutan och välj "Double Frame (T1A + T1B) möjlighet att ställa upp lasern eld i dubbel puls läge.
      6. Välj "Timing" alternativet på "Recording" dialogrutan på bilden förvärv och efterbearbetning programvara, välj "Trigger källa" och ställ in den på "Extern cykliska trigger" för att synkronisera med trigger-signaler från pumpen instrument styrenheten. Välj "Aquisit" under "Inställningar" sektionen på bilden förvärv och efterbehandling programvara för att stårta inrätta PIV förvärv.
      7. Navigera till "Recording sekvensen" dialogrutan på bilden förvärv och efterbehandlings programvara. Lägg till en "tabell scan" kategori under "Inspelning sekvens" med lämplig flik tillhandahålls på programvaran gränssnitt. Fylla tabellen skapas med hjälp av "Redigera Tabell scan", "Bifoga Scan" och ingångstidsvärden som börjar med 0 millisekunder och slutar med 4000 millisekunder i steg om 40 millisekunder. Ingångs At-värden som motsvarar varje gång post i tabellen. Tryck på "Enter" på tangentbordet efter varje värde anges.
      8. Navigera till "Recording sekvensen" dialogrutan på bilden förvärv och efterbehandlings programvara. Lägg "Image Acquisition" kategori under "Tabell scan" skapade i steg 4.8.7. Ställ in "Antal bilder" till 200, aktivera kryssrutan "Visa bilder under inspelning" och välj "Starta omedelbart".
      9. Select "Device" i avsnittet "Inställningar" och bekräfta att lasern är inställd på "ON" med lämpliga inställningar. Gå till "Laser Control" för att bekräfta. PIV Systemet är nu redo att förvärva data.
      10. Välj "Kör" knappen på instrumentstyrprogram gränssnitt på pumpen instrumentstyrdator för att tillföra vätska till experiment med ingångarna som i steg 4.8.2-4.8.3 tillsammans med en triggpuls var 4 sekunder.
      11. Välj "Starta inspelning" för att förvärva fas-wise mätningar med hjälp av trigger-signal från pumpen instrumentstyrning tills det förutbestämda antalet plana hastighetsfält (200, tillräcklig för att uppnå statistisk konvergens 5, 6, 31, 32) vid varje tidpunkt instans inrättas i tabellen scan (se steg 4.8.7) vid 90 ° platsen görs.
      12. Tryck "Stop" på laserströmkällan när inspelningen är klar. Stäng av pumpen och kameran och placera kameralinsen cover. Välj "Stop" knappen på instrumentstyrprogram gränssnitt på pumpen instrumentstyrdator.
      13. Inspektera experimentuppställning för att mäta det nivån för läckage, samla läckte vätska om det behövs, för att säkerställa att alla enheter har stängts av eller kan lämnas på standby, beroende på vad som är lämpligt. Stäng inspelningen i bilden förvärvet och efterbehandlings programvara.

    5. Identifiera Coherent sekundära flödes Structures

    Obs! Använd bildtagning och efterbearbetning programvara och en uppsättning kommandolinjefunktioner (MATLAB-baserad verktygslåda, PIVMat 3,01) att importera, efter bearbeta och analysera 2- komponent vektorfält från PIV-systemet 5, 6, 33.

    1. Skapa en mask som omfattar den inre flödesgeometri dvs det cirkulära, plana tvärsnittsarea.
      1. Välj projekt skapade i steg 4,4, som nu har PIV data som erhållits vid varjeinstans av tid som anges i steg 4.8.7. Vidare väljer någon data i dialogrutan som innehåller hela PIV uppgifter ensemble.
      2. Följ instruktionerna i "Kompletterande koden File - skapa en mask".
    2. Skapa en efterbehandlingsrutin genom att välja "Batch" ikonen från Arkiv-menyn i projektfönstret, medan vissa PIV datauppsättning väljs som standard. En dialogruta med en "Operation lista" kommer att visas som bör fyllas i samma ordning som nämns i följande steg.
      1. Följ instruktionerna i "Kompletterande koden File - skapa en efterbehandlingsrutin".
    3. Beräkna fas-genomsnitt och RMS sekundära flödeshastighet, och virvelfält.
      1. Välj verksamhetens vektor statistik: vektorfält resultat "från gruppens statistik" och klicka på "Parameter" i dialogrutan. Aktivera "Genomsnittlig V" och "RMS V kryssrutor under avsnittet "Vektorfält". Välj funktionen "rot-z Eyx - BXY" från gruppen "extrahera skalära fält: rotation och skjuvning" för att bestämma den tvådimensionella virvel i den plana tvärsnitt.
    4. Börja efterbearbetning hela PIV data och generera fas-genomsnitt mängder av hastighet, RMS hastighet, virvel och virvlande styrka med verksamhet som skapats i steg 5.3 och 5.4.
      1. "Högerklicka" på alla PIV data under projektfönstret, välj "HyperLoop> Alla apparater", och välj alternativet "Lägg till alla" under "Tillgängliga set:" avsnitt för att säkerställa att hela PIV uppgifter ensemble väljs.
      2. Välj "Parameter" från rullgardinsmenyn under "Filter:" avsnitt. Välj "Batch Processing alternativet under" Operation: "avsnitt. Klicka på "Kör" för att starta "hyperloop" efterbehandling av PIV data.
    5. compute virvlandestyrka ekvation 44 ) fält för att upptäcka sekundära flödesstrukturer med hjälp av bildtagning och efterbehandlings programvara. Välj funktionen "virvlande styrka" från gruppen "extrahera skalära fält: rotation och skjuvning.
      1. Upprepa steg 5.4.1-5.4.2 att exekvera 'Hyperloop' efterbearbetning.
    6. Detektera koherenta strukturer genom ekvation 45 och kontinuerlig wavelet transform på vorticity fält ekvation 46 genom att skapa användardefinierade MATLAB funktioner och använda PIVmat 3,01-baserade MATLAB funktioner (se "Kompletterande kodfil - MATLAB koder" till exempel kod).
      1. Skapa en 2D matris med data från följande ekvation representerar en 2D Ricker wavelet genom att initiera skalfaktorn ekvation 47 i ekv. 13 till ett godtyckligt värde (Se "Kompletterande kodfil - MATLAB koder").
        ekvation 48
      2. Utför tvådimensionell konvolution eller Fourier multiplikation av virvelbildning ekvation 9 data från steg 5,4, med 2D Ricker wavelet funktion (Eq. 13) för att generera wavelet transformerade vorticity fält ekvation 46 vid det initierade skalfaktorn ekvation 47 . (Se "Kompletterande kodfil - MATLAB koder").
      3. Beräkna Shannon entropi ekvation 49 av vågkomponenten omvandlas vorticity fält ekvation 46 representeras av Ekv. 14 (Se "Kompletterande kodfil - MATLAB koder").
        ekvation 50
      4. Ändra skalfaktorn till ekvation 51 och skapa en ny 2D matris med data som representerar 2D Ricker wavelet (Eq. 13) (se figur 6).
      5. Upprepa steg 5.6.1 - 5.6.4, för ett stort utbud av skalfaktorer ( ekvation 52 , Se återkopplingsslingan i figur 6.
      6. Skapa en tomt på Shannon entropi ekvation 53 vs. wavelet skalfaktor ekvation 47 i steg 5.6.5 (se figur 6). Leta upp en optimal wavelet skala ekvation 47 , Vanligtvis motsvarar ett lokalt minimum i Shannon entropi ekvation 49 . Upprepa steg 5.6.4 vid optimal wavelet skala (see Shannon entropi vs wavelet skala tomt i figur 6).
      7. Skapa en konturdiagram av vågkomponenten transformerade virvel ekvation 46 vid wavelet skalfaktorn som motsvarar det optimala värdet av Shannon entropi ekvation 53 .

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Resultaten som presenteras i Figur 7A-D alstrades efter efterbearbetning sekundärt flöde hastighetsdata (se figurerna 5, 6) förvärvades från 2C-2D PIV system som visas i figur 3A. Inflödet tillstånd matas till den krökta artären testsektionen med en idealiserad "typ IV" stent fraktur var karotisartären vågform som visas i figur 4B. Våra tidigare studier har visat att känsligheten hos sekundära flödesstrukturerna för att bromsar in villkor i en mängd olika pulserande inflödes vågformer inom ett visst intervall av Womersley siffror ekvation 55 4 -. 6 Följaktligen tidpunkter ekvation 56 av resultat som presenteras i Figur 7A-D, valdes för att motsvara den systoliska retardation fasen av halsartären inflödet waveform. Sammanhängande sekundära flödesstrukturer av varierande storlek styrka-morfologiska egenskaper presenteras på olika plana tvärsnitt ekvation 57 såsom visas i fig 7A-D. Storskaliga sammanhängande sekundära flödesstrukturer som framkommit i den krökta artär testsektionen har klassificerats som deformerats Dean-, Lyne- och Wall-typ (DLW) virvlar. Typiskt DLW virvlar utvecklas under det systoliska accelerationsfas. Under systolisk inbromsning fas, DLW strukturer upplever en atypisk förlust i överensstämmelse, asymmetri och förändringar i virvel positioner, storlekar, styrkor och morfologier. Det följande är en beskrivning av resultaten som presenteras i Figur 7A-D:

    På ekvation 58 läge (figur 7A): En enda par symmetriska, sammanhängande, deformerasDean virvlar (D) observeras i ekvation 59 fält T / T = 0,23 och 0,27. Dessa D-typ virvlar verkar översätta mot ytterväggen under inbromsning. Q-fält föreliggande stam och skjuv dominerade mönster vid t / T = 0,23, i tillägg till D-typ virvlar. Som en möjlig effekt av retardation vid t / T = 0,27, en minskning av styrkan i D-typ virvlar och nära väggen stam dominerade flödesfält observeras. Flerskaliga sekundära flödes morfologier utöver D-typ detekteras i de wavelet transforme vorticitet fält ekvation 60 indikerar närvaron av flera stamdominerade virvelmönster.

    På ekvation 61 plats (Figur 7B): En övergång från ett par av D-virvlar på ekvation 62 fält. Som framgår av storleken på virvlande styrkor typen virvlarna L- och F- har högre omsättning än D-typ virvlar. Flödes störningar som härrör från den brutna-stenten på ekvation 62 Platsen har sannolikt bidragit till bildandet av DLW virvlar. Effekten av retardation observeras som en minskning i hållfasthet i L- och W-typ virvlar. Det finns god överensstämmelse i placeringen av storskaliga sammanhängande DLW strukturer mellan ekvation 63 och ekvation 59 fält. Ytterligare mindre skala sekundära flödes morfologier upptäcks i "Equation

    På ekvation 64 läge (Figur 7C): ekvation 59 fältet vid t / T = 0,23 indikerar förlusten av L-typ virvlar och närvaron av långsträckta D- och W-typ virvlar. Vid t / T = 0,27 det är en förlust av virvlande styrka i både D- och W-typ virvlar. Effekten av retardation indikeras av asymmetrin av virvelstrukturer observerades i den ekvation 63 fält. Tillsammans med förekomsten av långsträckta D-typ virvlar en mängd småskaliga W-typ virvlar observeras. Q-fält indikerar närvaron av nära-vägg skjuvning dominerade regioner t hatt tyder på ökad ostadighet från stentbrott-inducerad flödesstörningar.

    På ekvation 65 läge (Figur 7D): ekvation 59 fält vid t / T = 0,23 består av svaga, DLW strukturer. På grund av effekten av flödes retardation dessa DLW strukturer tenderar att utarma ytterligare vid t / T = 0,27. Förlust i nära väggen klippning flöde observeras i Q-fälten i båda instanserna tid. Vid t / T = 0,23, ekvation 63 fältet visar att D-virvlar ligger närmare den inre väggen tillsammans med multi-skala W-typ virvlar och omgivande stam dominerade strukturer i samförstånd med motsvarande ekvation 59 fält.51288eq63.jpg "/> fältet visar tydligt en förlust i överensstämmelse med DLW strukturer och asymmetri i båda instanserna av tid medan ekvation 66 fält inte fånga detta fenomen.

    Breda slutsatser efter ett framgångsrikt genomförande av protokollet ekvation 67 upptäckt storskaliga sekundära flödesstrukturerna och deras förändrade flödes morfologier. ekvation 68 detekterade områden med hög draghastighet som normalt påträffas i nära väggområdena. Kontinuerlig wavelet trans algoritm upptäckt storskaliga sekundära flödesstrukturerna i god överensstämmelse med unthresholded ekvation 67 . 2D Ricker wavelet kärnan dessutom löst flera låg omsättning, multi-skala sekundärt flöde morpholo gier som oupptäckt med ekvation 69 och unthresholded ekvation 70 . En kombination av dessa tre mått holistiskt identifierade sekundärt flöde virvel och stamdominerade strukturer.

    Figur 1
    Figur 1. Konstruktion, tillverkning och installation av raka och böjda stentar. (A) CAD-modell med rak stentkonfiguration med en kombination av vänster och höger roterande spiraler. (B) CAD-modell av krökta stentkonfiguration. (C) 3D-skrivare som används för tillverkning av stentarna. (D) och (E) Raka och böjda stentar efter 3D-utskrifter. (F) Stent installerats i 180 ° krökt artär provsektionen.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 2
    . Figur 2. Schematisk ritning av Particle Image Velocimetry (PIV) systemet Följande system-komponenter anges: 1. Nd-YAG-laser med optik för att producera en laserarket och 2. CCD-kamera som styrs av PIV-datainsamling dator, 3. pump instrumentstyrdator som ger spänning-tid-vågform till pumpen och synkronisering triggar till PIV-datainsamling dator, 4. Programmerbar kugghjulspump som producerar fysiologiska flödeshastigheter, stängd 5. En slinga, experimentella försökssektion med inlopps- och utloppsrören, 180 ° krökt artär testsektionen och en behållare för blod-analog vätska. Infällt: Olika plana tvärsnitt där PIV mätningar kan varagjort. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Figur 3
    Figur 3. Experimentell arrangemang av PIV-system med placering av stent installation. (A) Placering av PIV-systemet på den optiska bordet med olika systemkomponenter. (B) Schematisk ritning av 180 ° böjda artären testsektionen med viktiga dimensioner, placering av den raka och böjda stent som förkroppsligar den "typ IV" stent fraktur och avståndet mellan de brutna stentdelar (d utrymme). Klicka här att se en större version av denna siffra.


    Figur 4. Fysiologiska vågform som alstras av den programmerbara pump som har de egenskaper funktioner som systoliskt topp vid tiden t / T = 0,19. (A) Flödeshastighet (ml / sek) mäts uppströms 180 ° krökt artär testsektionen över 20 vågform cykler . (B) Flöde vågform med standardavvikelser vid olika instanser av tid mätt över 20 vågform cykler. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 5
    Figur 5. Sekvens av PIV mätningar och detektering av sekundära flödesstrukturerna i 180 ° böjda artären testsektionen. (A >) Generering av sekundära flödeshastighet fältdata med hjälp av PIV-tekniken via synkronisering av trigger som produceras av pumpen instrumentstyrdator. (B) Efterbehandling sekvens med hjälp av de sekundära flödesfältdata genom att behandla de pixelated bilder (eller matriser) för Q och λ CI -. Kriterier och wavelet-transformerade virvel (Ω) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 6
    Figur 6. algoritmisk representation av kontinuerlig wavelet trans tillvägagångssätt för arteriell sekundära flödesstrukturen detektering infällningar:. 2D-Ricker wavelet på en godtycklig skala (ℓ), ett exempel på 2D vorticity fält, Shannon entropi variation med wavelet skala (ℓ). com / filer / ftp_upload / 51.288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 7
    . Figur 7. Sekundära flödesstrukturer i 180 ° böjda artären testsektionen vid 45 °, 90 °, 135 ° och 180 ° plana platser och tidpunkter, t / T = 0,23, 0,27, under det systoliska retardation inlägg: Schematisk ritning som avbildar de platser mätning, jämförelse av Q- och λ CI - kriterier och wavelet-transformerade virvel (Ω ") datafält på varje plana platser och instanser under systolisk retardation, colorbars indikerar olika värden på förvärvade genom av Q- och λ CI - kriterier och wavelet-transformerade virvel (Ω) uppgifter och deras tolkning. pg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Parameter Ekvation nr. initierade värdet Stent modell kategori Beskrivning
    θ = 360 n vänder t 1 n vänder = 4 Rakt; Böjd Antalet varv i spiralen
    (n vänder)
    Tabell 1 Ekvation 1 2 stigning = 22,225 mm per varv Rakt; Böjd Pitch av spiralen
    (pitch)
    kan en ekvation 2 "src =" / filer / ftp_upload / 51.288 / 51288tbl2.jpg "/> 3 D = 11,84 mm Rakt Nominell diameter av stenten
    (D)
    Tabell 1 Ekvation 3 4 D = 11,84 mm Rakt Nominell diameter av stenten
    (D)
    Tabell 1 Ekvation 5 5 stigning = 22,225 mm per varv Rakt Pitch av spiralen
    (Pitch)
    Längd av rak stent modell (z)
    Tabell 1 Ekvation 6 6 l7.jpg "/> Böjd Radie av 180 ° böjda artären modell
    R arc
    β = 180 t 7 β = 45 Böjd Vinkel som bildas av den krökta stenten vid krökningscentrum
    d tråd - d tråd = 0,85 mm Rakt; Böjd Diametern hos stentstag
    L rakt = z - L rak = 88,9 mm Rakt Längd av rak stent modell

    Tabell 1. parametriska ekvationer av vänster och höger helixar och, initialiseras parametervärden.

    lways "> Kemiska lösningsmedel och reagenser Kemisk formel Densitet vid 20 ° C
    (g / cm 3)
    Brytningsindex kinematisk viskositet
    (m 2 / sek) x 10 -6
    Form CAS Registry nummer natriumjodid Nal 3,67 1,7745 - kristallin 7681-82-5 Glycerol C 3 H 8 O 3 1,262 1,4746 ≈1115 en Flytande 56-81-5 Avjoniserat vatten H2O 1 1,333 1,002 Flytande - Natriumtiosulfat vattenfri Na 2 O 3 S 2 1,01 - - Pulver 7772-98-7 en Mätningar som rapporterats av Segur och Oberstar 16

    Tabell 2. Beskrivning av kemiska lösningsmedel och reagenser som används för att skapa den blod-analoglösningen.

    Parameter Ekvation nr. Beskrivning Förslag på laboratorieutrustning
    Tabell 3 Ekvation 100 8 Densitet av mättad natriumjodidlösning (Nal) beräknas genom att mäta massan av den sålution och volymen sätts i små mängder till en 50 ml bägare. 1. Bägare (50 ml)
    2. Väg Skala
    3. Graderad eller volym pipett
    Tabell 3 Ekvation 101 9 Volymen på hela satsen av mättad natriumjodid lösning framställd 1. Bägare med mättad Nal-lösning (2000 ml)
    2. Väg skala
    Tabell 3 Ekvation 102 10 Totala volymen av blod analog lösning förväntas efter volume lösning beredning 1. Bägare med mättad Nal-lösning (2,000 ml) blandas med glycerol och DI vatten.
    2. Väg skala
    Tabell 3 Ekvation 103 11 Total volym av glycerol som skall tillsättas till mättad natriumjodidlösning 1. Bägare med mättad Nal-lösning (2000 ml)
    2. Väg skala
    3. Bägare (100 ml) för att överföra glycerol till mättad Nal lösning
    Tabell 3 Ekvation 104 12 Total volym av Dl-vatten som skall tillsättas till lösningen av mättad Nal och glycerol 1. Graderad eller volym pipett för att överföra DI vatten till en lösning av mättad Nal och glycerol

    Tabell 3. Tabell över successiv för-volym beräkningar för blod-analog lösning: 79% Nal, 20% glycerol och 1% DI vatten.

    PIV systemspecifikation Geometri eller karakteristiskt värde Beskrivning
    flödesgeometri Cirkulär tvärsektion parallellt med ljus arket Böjd artär testsektionen
    Maximum i planet hastighet 0,16 m sek -1 Sekundär flödeshastighet skala
    Bildstorlek x 1,376 pixlar y 1,040 pixlar PIV Kamera CCD Array storlek
    Tidsintervall mellan laserpulser (At) 600 - 3200 ^ sek Ingång i PIV Image förvärv programvara (Davis 7,2)
    Slutliga antalet vektorer x 86, y 65 Utgång från PIV uppgifter efterbehandling (Davis 7,2)

    Tabell 4. Specifikationer för den två-COMPONent, tvådimensionell (2C-2D) PIV System.

    Supplement 1
    Kompletterande kod fil 1. Skapa en mask. Klicka här för att ladda ner filen.

    tillägg 2
    Kompletterande kodfil 2. Skapa en efterbehandlingsrutin. Klicka här för att ladda ner filen.

    Supplement 3
    Kompletterande Kod File 3:. MATLAB koder Klicka här för att ladda ner filen.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Protokollet presenteras i detta dokument beskriver förvärvet av hifi experimentella data med hjälp av partikel bild Velocimetry teknik (PIV) och sammanhängande struktur detektionsmetoder, nämligen., Kontinuerliga wavelettransformationer, ekvation 1 , Lämpar sig för identifiering av virvel och skjuvning dominerade flöden. Analys av experimentella data från fysiologiska inflöden i närvaro av en idealiserad "typ IV" fraktur visar att sekundära flödes strukturer med komplicerade hydrodynamiska effekter såsom flödesstrukturen asymmetri och variation i spatio-temporala fördelningar som inte kan förutsägas från enkla fluiddynamiska teorier.

    Det finns fyra viktiga steg i genomförandet av detta protokoll nämligen., (I) Design och tillverkning av laboratorieskala stent modeller, (ii) Beredning av en blod analog arbetsfluid matchas med kinematisk viskositet av blod och refractiv index för den krökta artärmodellen, (iii) Icke-invasiv experimentella arrangemang (2C-2D PIV) och (iv) förfaranden för identifiering av arteriella blodflödesmönster Advanced sammanhängande struktur detektering.

    Womersley nummer är en dimensionsparameter som hänför sig pulserande frekvensflöde till viskösa effekter 7. Reynolds tal avser tröghetskrafter till viskösa flödeskrafterna. Dean nummer hänför centripetalkrafter som uppstår i flödet genom krökta rör till tröghets- och viskösa krafter 1, 2. Detaljer som hänför sig till skalning av den fysiologiska vågformen med Womersley och Reynolds tal skrivas i 5, 6. Inflödet vågform som används i denna studie var rekonstrueras från arketypiska mätningar halspulsådern flödet (i genomsnitt) av 17-20 friska patienter från Holdworth et al. 15. Rören som leder till den böjda artären testsektionen är tillräckligt lång för att flödet ska fullt utvecklad så att pulserande flöde Conditioner vid inloppet till den krökta artären testsektionen är i fas med pumpen (figurerna 3a, 3b och 4a). Repeterbarhet levereras fysiologisk vågform säkerställdes genom att göra axiella PIV mätningar av flödeshastigheten och bulkhastigheten uppströms till modellen artären med användning av en 2C-2D PIV-systemet (se fig. 4b).

    De hydrodynamiska stimuli från arteriella hemodynamik mot de ovannämnda kliniska komplikationer är inte väl kända. Fysiologiska flöden gällande stent och stent-frakturer utgör komplexiteten för in vivo och in vitro mätningar. Protokollet presenteras här kan modifieras för att inkludera överensstämmelse i rören för att studera inverkan av arteriella sekundära flödesstrukturerna under icke-ideala och mer realistiska flödesscenarier. Sådana experiment kommer att medföra ytterligare utmaningar i mätningen och efterbearbetning av data. Användningen av stereo- eller tomografisk-PIV-tekniker, kan kartlägga tredimensionella VelociTy fält kan avsevärt förbättra vår förståelse av dynamiken i sekundära flödesstrukturerna.

    Begränsningarna i den experimentella arrangemang ligger i bristen upplösning i nära väggen (beroende på modell artär lumen) regioner och bristen på optisk access till blodflödet inom stent implanterade områdena. Dessa begränsningar dock, pose eleganta förlängningar av protokollet presenteras. Användningen av optiskt klart material för 3D-utskrift av stentar skulle realistiska och patientspecifika arteriella geometrier möjliggöra oöverträffad tillgång till hemodynamik av stent-implantat och splittrade-stentar.

    En utökad resultatet av Protokollet presenteras här hänför sig till valet av den "bästa" wavelet skala för koherent struktur detektering. Steg 5.6.3 - 5.6.7 är ett förslag till lösning på problemet med den "bästa" wavelet skala (eller grund funktion) i sammanhängande struktur upptäckt. Författarna fann att följande steg 5.6.3 - 5.6.7 lösad alla stora sammanhängande strukturer och dessutom upptäckt mindre skala sammanhängande strukturer som hittills oupptäckt i krökta artär modellförsök. Författarna föreslår Ref. 34, 35 vari Shannon entropi används för att utvärdera den "bästa" -basis i en diskret wavelet packet transform (DWPT) algoritm mot detektering koherenta strukturer i ett turbulent flöde experiment. För ytterligare information om den metod som gäller en kontinuerlig wavelet trans algoritm, författarna föreslår Ref. 5, 6, 35 och de referenser som citeras däri.

    Förekomsten av frakturer i stentimplantat och åtföljande flödes störningar resulterar i sekundära flödesstrukturer med komplexa, fler skala morfologier och varierande storlek-hållfasthetsegenskaper. Betydelsen av de metoder som partikel bild Velocimetry (PIV) i kombination med sammanhängande struktur upptäckt speciellt tillåter wavelettransformationer för att lösa flera skala, multi-styrka secondarY-flödes strukturer under stent och stent-fraktur-inducerade flödesscenarier. Protokollet presenteras här banar väg för att undersöka medicinska komplikationer såsom in-stent restenos (ISR), stenttrombos och aneurysmbildning 8, 11-14 på grund av sekundära flöden. Dessutom kommer sekundära flödesvirvelmönster som påträffas i de centrala regionerna tenderar att påverka rörelse och exponeringstiden för blodburna partiklar, såsom blodplättar, sensibiliserande dem för aktivering mot trombos. Strain dominerade nära väggen (lumen) sekundär flödesstrukturer i slutändan kommer att påverka väggen skjuvspänningen som är nära besläktat med aterogenes, särskilt i arteriella krök.

    De analytiska förfaranden för att förutsäga sekundärflödet (virvel) strukturer är komplicerade och kräver Navier-Stokes ekvationer i toroid koordinater och asymptotiska teorier 1 -. 3, 7 En kombination av experiment och högre ordningens analysmetoder kommer att främja nya insikterden hemodynamiken av böjda artärer benägna att flera hjärt-kärlsjukdomar och klinisk komplikation i samband med stent implantationer och stentfrakturer.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Inga intressekonflikter deklareras.

    Acknowledgments

    Författarna erkänner stöd från NSF bidrag CBET-0909678 och finansiering från GW Centrum för Biomimetik och Bioinspired Engineering (COBRE). Vi tackar studenterna, Christopher Popma, Ms Leanne Penna, Ms. Shannon Callahan, Mr Shadman Hussain, Mohammed R. NAJJARI, och Ms. Jessica Hinke om hjälp i laboratoriet och Mr. Mathieu Barraja för att hjälpa till CAD-ritningar.

    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. 

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Dean, W. R. Note on the motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 208-223 (1927).
    2. Dean, W. R. The streamline motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 673-695 (1928).
    3. Lyne, W. H. Unsteady viscous flow in a curved pipe. J. Fluid. Mech. 45, part 1 13-31 (1970).
    4. 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).
    5. 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).
    6. 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).
    7. 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).
    8. 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).
    9. 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).
    10. Kim, S. H., et al. A fractured sirolimus-eluting stent with a coronary aneurysm. Ann. Thorac. Surg. 88, 664-665 (2009).
    11. Adlakha, S., et al. Stent fracture in the coronary and peripheral arteries. J. Interv. Cardiol. 23 (4), 411-419 (2010).
    12. Alexopoulos, D., Xanthopoulou, I. Coronary stent fracture: How frequent it is? Does it matter. Hellenic J. Cardiol. 52, 1-5 (2011).
    13. Nair, R. N., Quadros, K. Coronary stent fracture: A review of the literature. Cardiac. Cath. Lab Director. 1, 32-38 (2011).
    14. 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).
    15. 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).
    16. 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).
    17. 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).
    18. Budwig, R. Refractive index matching methods for liquid flow investigations. Exp. Fluids. 17, 350-355 (1994).
    19. 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).
    20. Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp. Fluids. 29, 275-290 (2000).
    21. Chong, M., Perry, A. E., Cantwell, B. J. A general classification of three-dimensional flow fields. Phys. Fluids A. 2 (5), 765-777 (1990).
    22. 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).
    23. Haller, G. An objective definition of a vortex. J. Fluid Mech. 525, 1-26 (2005).
    24. Chakraborty, P., Balachander, S., Adrian, R. J. On the relationships between local vortex identification schemes. J. Fluid Mech. 535, 189-214 (2005).
    25. 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).
    26. 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).
    27. 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).
    28. 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).
    29. Hanus, J., Zahora, J. Measurement and comparison of mechanical properties of nitinol stents. Physica Scripta. 118, 264-267 (2005).
    30. Segur, J. B., Oberstar, H. E. Viscosity of glycerol and its aqueous solutions. Ind. Eng. Chem. 43, 2117-2120 (1951).
    31. Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. , Cambridge University Press. NY. (2011).
    32. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry - A practical guide, 2nd ed. , Springer. Berlin. (2007).
    33. Moisy, F. PIVmat 3.01 software. , Laboratoire FAST., University Paris Sud, University Pierre et Marie Curie. CNRS. 91405 Orsay Cedex, France. (2013).
    34. 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).
    35. 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).

    Tags

    Bioteknik typ IV stent misslyckanden åderförkalkning sekundära flödesstrukturer sammanhängande struktur upptäckt Q - kriterium λ Shannon entropi
    Experimentell undersökning av sekundärflöde strukturer nedströms en modell av typ IV Stent Misslyckande i en 180 ° Böjd Artery testsektionen
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Bulusu, K. V., Plesniak, M. W.… More

    Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180° Curved Artery Test Section. J. Vis. Exp. (113), e51288, doi:10.3791/51288 (2016).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter