需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

微粒子图像测速法用于微小血流速度分布测量

16.8K 次观看

⸱

DOI:

10.3791/50314

⸱

2013年4月25日

 , 

本文内容

摘要

微粒图像测速技术(μPIV)用于可视化血流中示踪微粒的成对图像,通过互相关分析获得精确的速度分布。剪切速率、最大流速、速度分布形态及流量等参数均可由这些测量结果推导得出,这些参数均具有临床应用价值。

摘要

微粒子图像测速技术(μPIV)用于可视化血液流动中示踪微粒的成对图像。通过对图像进行互相关分析,可获得精确的速度分布。本文介绍了一种在微通道中进行血液流动μPIV测量的实验方案。在微循环尺度下,血液不能被视为均质流体,因为它是由悬浮在牛顿流体——血浆中的柔性颗粒组成的悬浮液。通过这些测量,可推导出剪切速率、最大速度、速度分布形状以及流量等关键参数。为了确保获得准确且有用的数据,本文还介绍了若干关键参数,如焦深、示踪粒子浓度和系统顺应性,并提供了不同红细胞压积和流动条件下的示例及代表性结果。

引言

人体内含有大量直径小于50 μm的血管,这些血管是血液与组织之间进行物质交换的主要场所。由于测量尺度极小以及血液本身的流体特性,研究这些血管中的血流状况面临巨大挑战。包括微动脉和微静脉中的压力梯度、管壁剪切力以及速度分布在内的这些测量参数,是与生理反应密切相关的关键因素。得益于在微尺度上研究微循环的新实验技术,如今已前所未有地具备了解决这些测量难题的机遇,从而应对这一多尺度的科学问题。

微粒子图像测速技术(μPIV)是一种基于粒子的流动可视化方法,通过互相关分析来评估微通道中血液流动的速度分布。μPIV 最初由 Santiago et al. 开发,自 2001 年 Sugii et al. 首次将其用于测量 100 μm 圆形玻璃管中的血流以来,该技术已广泛应用于血液流变学研究1,2。目前存在多种 μPIV 实现方式:可采用高速相机对红细胞(RBCs)的运动进行相关分析,也可利用脉冲图像对示踪粒子的运动进行相关分析。根据具体应用需求,上述任一方法均可与正置或倒置显微镜联用。在这两种情况下,均可获得二维速度分布图。另一种方法是结合共聚焦显微镜以获取二维和三维速度分布图,该方法已被应用于血液研究3,4,5。

与宏观PIV相比,微尺度PIV存在若干技术难点。在宏观PIV中,可通过片状光将数据限制在单一平面内,但在微尺度下必须采用体照明。体照明在微....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

1. 微芯片制备

第一步是制备或购买微通道。微芯片材料有多种选择。

最常选用的材料之一是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。已有大量文献报道了通过软光刻技术制备PDMS的操作方法16,17,18。

PDMS 通道制备完成后,可通过多种表面处理方法逆转其天然的疏水性。其中,氧气等离子体处理是一种常用方法。

Zhou、Ellis 和 Voelcker(2009)综述了表面处理及其对 PDMS 的影响。然而,这些结果是针对水的,而血液具有不同的性质。Pitts 已开展研究,探讨该表面处理对血液的意义。 等 (2012a)

对于此处展示的结果,微流控芯片表面及其所键合的玻璃载片均经过45秒的氧气等离子体处理,随后被紧密压合,从而形成永久性键合。

2. 血液制备

  1. 从经认证的机构采集血液样本。例如,可使用乙二胺四乙酸(EDTA)作为抗凝剂的猪血。将1 g EDTA溶于4 ml水中,然后将该溶液加入1 L全血中,轻轻混匀10次。

采集血样后,应让其缓慢冷却至室温。血样应保持新鲜,最好在采集当天使....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

在所有图中,原始图像中的流动方向为从左到右,计算得到的速度分布图中流动方向为从下到上。以下为红细胞压积 H=10 的血液流动时所获得原始数据的示例 10 μl/hr 如图所示 图2原始数据可直接进行互相关分析,无需任何数据预处理,即可获得速度分布曲线。Pitts 对预处理及数据处理方法的影响进行了讨论。 等,(2012b)。基于类似数据得到的速度分布剖面示例 图2 在血细胞比容 H=10 和流速为 10 μl/hr 如图所示 图3,显示了来自水校准的三维轮廓 图4. 图3 和 4 包含标准的数据处理。这些速度分布可用于测量不同流动条件、通道构型和生理状态下的通道中心最大流速、通道内的流量以及壁面处的剪切速率。 图5 展示了红细胞(RBC)聚集前后的一例高速图像。此类高速图像如 图5 也可用于通过互相关计算速度分布。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

在微循环尺度上使用μPIV进行血流测量,可为大量相关的生物医学、机械工程和化学工程过程提供深入见解。需要考虑的一些关键因素包括红细胞(RBC)本身的密度、RBC的聚集性和变形能力、荧光示踪微粒的聚集或运动,以及RBC在通道中的沉降。只要遵循上述一般性指导原则,这些因素均可得到有效控制。使用该系统进行良好测量时,需牢记一个基本检查清单。首先,确定系统或拟用系统的顺应性程度。为最小化顺应性,应使用尽可能短的管路和尽可能小的注射器。刚性系统顺应性较低,但可能导致瓶颈效应。尽管测量尺度很小,重力仍会影响RBC。理想情况下,应使注射器、管路和通道处于同一高度。其次,确定悬浮液的浓度。确保溶液中存在足够数量的荧光示踪粒子,同时RBC浓度不宜过高。增加样品中示踪粒子的密度无法克服RBC本身固有的不透明性。示踪粒子的数量会影响互相关结果,但RBC过多会使流体变得不透明,导致示踪粒子难以成像。样品的整体红细胞压积(hematocrit)必须足够低,以确保能够清晰成像通道的中层平面。这需要在红细胞压积与通道尺寸之间进行权衡。即使红细胞压积较低,随着深度增加,物镜与测量平面之间的RBC数量也会增多。为了成像较高红细胞压积的样品或更大尺寸的通道,可采用“鬼细胞.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)提供的资金支持,感谢Catherine Pagiatikis在初始实验运行中的帮助,感谢Sura Abu-Mallouh和Frederick Fahim对实验方案的测试,感谢LaVision公司Richard Prevost提供的技术支持,以及感谢蒙特利尔大学Guy Cloutier出借Dalsa高速相机。

....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
聚二甲基硅氧烷(PDMS),即 Sylgard-184Dow-Corning3097358-1004
乙二胺四乙酸(EDTA)Sigma AldrichE9884-100G
磷酸盐缓冲液(PBS)Sigma AldrichP5368-10PAK
荧光微粒Microgenics/FisherSciR900
甘油(可选)Sigma AldrichG6279-500 ml
微量离心机,即 CritSpinFisherSci22-269-291
注射器,即 50 μl 耐压型Hamilton80965
相机,即 Imager Intense,高速LaVision, DalsaImager Intense
显微镜,即 MITASLaVisionMITAS
Nd:YAG 激光器New Wave ResearchSolo-II
注射泵,即 Nexus3000Chemyx, Inc.Nexus-3000
柔性管路,即 TygonFisherSci14-169-1A
数据处理软件,即 DaVisLaVisionDaVis
离心机,即 Thermo Scientific CL2Thermo Scientific004260F

参考文献

  1. Santiago, J. G., Wereley, S. T., Meinhart, C. D. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids. 25, 316-319 (1998).
  2. Evaluation of Velocity Measurement in Micro Tube by Highly Accurate PIV Technique. Sugii, Y., Okamoto, K., Nishio, S., Nakano, A. 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry (PIV '01), 17-19 Sept. 2001, , 1-5 (2001).
  3. Park, J. S., Choi, C. K., Kihm, K. D.

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

探索更多文章

微通道流动分析粒子图像相关荧光示踪微粒血液样本制备激光成像系统注射泵校准红细胞压积效应