监测血管内支架置入过程中的管壁力学变化

摘要

采用光学表面应变测量系统来表征支架植入引起的动脉应变分布。该可视化技术用于深入了解支架植入对宿主血管的影响。

摘要

临床试验报道了不同支架设计的再狭窄率存在差异¹。人们推测，支架引起的动脉壁应变集中会导致组织损伤，从而引发再狭窄^2-7。该假说需要进一步研究，包括更精确地量化支架植入后动脉上不均匀的应变分布。本文提出了一种用于支架植入后动脉的非接触式表面应变测量方法。ARAMIS立体光学表面应变测量系统采用两个高速光学相机，捕捉每个参考点的运动，并解析变形表面的三维应变^8,9。当将网状支架植入外表面喷涂或绘制有随机对比图案的乳胶血管时，可实时记录变形过程中每一时刻的表面应变。所计算的应变分布可用于理解局部病变反应、验证计算模型，并为后续的体内研究提出假设。

方案

1. 乳胶容器的制备

1. 将乳胶管的两端固定在已紧固于坚固工作台上的带刺软管接头上。
2. 测量乳胶管上的目标区域，以确定视场范围。支架测试的目标区域应以带刺软管接头之间的中心位置为中心，并在支架两侧各延伸约一英寸，以便观察支架区域外的应变情况。
3. 记录从一个带刺软管接头外缘到两接头之间中心位置的距离，该位置也近似为乳胶管的中心。通过从支架中心沿导管向上测量，将该距离标定到导管上，然后用记号笔在导管上做标记。
4. 将乳胶管从带刺软管接头上取下。
5. 通过在目标区域喷涂黑白随机斑点图案的喷漆，或使用永久性记号笔在目标区域标记随机点，对乳胶管进行预处理。对于较小的样品，需要更精细的随机图案。

2. 体外 测试系统及 ARAMIS 系统的校准

1. 选择一个比步骤1中测量的兴趣区域稍大的校准板。
2. 将校准板放置在兴趣区域的卡箍软管接头之间，并确保兴趣区域光照充足。
3. 根据所选的校准板，调整两个相机之间的距离、相机到样品的距离以及相机高度。每种校准板均不相同，因此需参考ARAMIS用户手册以确定这些距离。
4. 在ARAMIS中通过选择“文件”，然后选择“新建项目”来创建一个新项目。接着点击“传感器”选项卡，选择“校准”，然后选择“完整校准”。
5. ARAMIS软件将引导用户完成相机校准的各个步骤。
6. 将镜头光圈完全打开，通过松开相机上的固定螺钉并旋转镜头，将相机对焦于校准板上。对焦完成后，重新拧紧固定螺钉并关闭光圈。
7. 拍摄校准过程的第一张图像。根据计算机屏幕上的提示移动或旋转校准板，直到图像在计算机屏幕上清晰对焦，然后拍摄第二张图像。对剩余的校准图像重复此过程。
8. 完成所有校准图像的拍摄后，ARAMIS成像分析软件将计算校准参数。如果校准偏差大于0.04，则应重复校准过程。任何对相机对焦或相机间距离的调整都将使当前校准失效。
9. 移除校准板，并将涂有标记的乳胶血管重新安装到卡箍软管接头之上。

3. 预实验以避免过高的背景噪声

1. 确定测试所需的每秒帧数。每秒帧数越高，应变结果越均匀。
2. 将快门速度调整至小于每秒1帧，并确保图像上不显示红色。
3. 采集5张图像。
4. 在图像序列上添加起始点，并运行测试计算。
5. 在按住“ctrl”键的同时，点击样品中心以观察背景噪声。如果测试前的噪声超过75微应变，则必须重新进行校准。

4. 支架置入

1. 选择测试期间需要采集的图像数量。支架扩张过程采集200张图像即可满足要求。
2. 将导管逐渐插入乳胶血管中，并利用导管上的标记指示器引导支架进入，直至到达中心位置。
3. 开始使用ARAMIS系统采集图像。
4. 对于球囊扩张式支架，逐步增加球囊压力使支架扩张，直至球囊完全膨胀；然后逐渐将球囊压力降至零，使球囊放气，并随导管一同撤出。
5. 对于自扩张式支架，逐步撤除鞘管，直至支架完全展开；然后逐渐回撤导管。

5. 图像分析

1. 血管上特定点的应变历史
   1. 按住“ctrl”键并点击感兴趣区域，创建一个阶段点。
   2. 选择所需的应变类型，即X方向、Y方向、XY方向、主应变、次应变或Mises应变。
   3. 右下角的图表将显示在测试持续时间内所选点的应变情况。
2. 沿血管特定路径的空间应变
   1. 点击“sections”选项卡，然后选择“create section”，创建一个多阶段点线。在图像上选择一条平行于X轴且Y等于零的直线，这将在一条线上生成多个阶段点。
   2. 多阶段线创建完成后，角落处的图表将显示一幅包含多条曲线的图。每条曲线代表在某一时刻沿该截面长度方向的应变分布。
3. 创建最佳拟合圆柱体以分析血管的扩张速率和半径
   1. 在上方工具栏中选择“primitives”，然后选择“best fit cylinder”。
   2. 使用右侧工具栏中的“select through surface”工具，在图像上选择一个小区域。
   3. ARAMIS软件将生成一个三维最佳拟合圆柱体。
   4. 随后可逐帧浏览图像，观察乳胶血管直径的变化情况。
4. 评估两点之间的距离
   1. 在“analysis”选项卡下，点击“point to point distance”。
   2. 在图像上选择两个点，以确定需要分析的长度。
   3. 随后可逐帧浏览图像，观察两点间距离随时间的变化情况。

6. 代表性结果

支架梁将血管壁向外扩张，因此支架所在区域的应变通常较高。图1展示了球囊扩张支架回缩过程中应变分布图的示例，以及某一特定点的主要应变历史。在图1中，黑色圆点为参考点，高速摄像机利用这些参考点来捕捉并追踪管道上这些点的位移。根据记录的参考点运动数据，软件将用于计算管道或任何其他目标物体的应变。主应变（也称最大主应变）按如下公式计算：

显然，植入的支架导致血管表面应变分布不均。这可能是由于两端受约束的乳胶导管产生的回缩载荷以及支架的网格结构所致。该应变场对应于支架回缩的初始阶段，如图1底部图像中红色十字标记所示。特定点10的主要应变历史曲线呈现出支架植入过程中的不同阶段。球囊扩张发生在约10至12秒之间，而球囊放气后的支架回缩则发生在12至14秒之间。

图1. 实验装置示意图（上）；支架导管表面的非均匀应变分布（中）；位置10处的主要应变历史曲线（下）。

讨论

立体光学表面应变测量系统用于在不接触试样的情况下，测量变形表面在面内和面外运动时的局部应变。该系统利用两台高速光学相机拍摄施加在表面的随机对比图案的图像，以精确构建每个点的运动测量，从而高精度地解析表面应变。

需要注意的是，所需的对比图案必须充分附着于表面，以提供准确的测量结果。此外，目标样本区域应具有良好的照明，且无眩光，以便相机能够识别对比图案的移动。否则，捕获的眩光图像将产生无效数据区域。建议在乳胶管的两端各设置一个光源，与管壁成约45度角照射。使用哑光喷漆而非亮光喷漆来制作随机图案，也有助于减少眩光。

本文介绍了一种利用模拟血管进行表面应变测量的实验方案，可用于测试异质性天然血管上的非均匀应变分布。离体天然血管样本将在生理溶液中孵育，以维持细胞活性。普通的黑色喷墨笔可用于对真实血管系统进行染色，Squire 等¹⁰已将其应用于兔股动脉。该光学表面应变测量系统随后可通过透明窗口捕捉参考点的位移。结合离体天然血管的组织学评估进行表面应变测量，将...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ARAMIS 相机系统	GOM：光学测量技术
PALMAZ Genesis 经肝胆道支架	Cordis Corporation	PG5910B	球囊扩张式支架
Z-MED 球囊扩张导管	B. Braun Medical Inc.	PDZ336	球囊扩张导管