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Bioengineering

Experimentelle Untersuchung von Sekundärströmungsstrukturen hinter einem Modell Typ IV Stent Failure in einem 180 ° Curved Artery Test Sektion

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

Abstract

Das arterielle Netzwerk im menschlichen Gefäßsystem besteht aus ubiquitär Blutgefäße mit komplexen Geometrien (Filialen, Krümmungen und Verwindung). Sekundäre Strömungsstrukturen sind verwirbelte Strömungsmuster, die in gekrümmten Arterien aufgrund der kombinierten Wirkung von Zentrifugalkräften, ungünstige Druckgradienten und Zufluss Merkmale auftreten. Solche Fließ Morphologien sind durch Pulsatilität und mehreren Harmonischen der physiologischen Zuströmbedingungen und variieren stark in Größe stärkeFormEigenschaften im Vergleich zu nicht-physiologischen (steady und oszillatorischen) stark beeinflusst fließt 1 bis 7.

Sekundäre Strömungsstrukturen können beeinflussen letztlich die Wandschubspannung und Belichtungszeit von Blut getragenen Partikeln in Richtung Progression der Atherosklerose, Restenose, Sensibilisierung von Blutplättchen und Thrombose 4 - 6, 8 - 13. Deshalb ist die Fähigkeit zu erkennen und zu charakterisieren , diese Strukturen im Labor. -kontrollierten Bedingungen ist precursoder klinische Untersuchungen zu fördern.

Eine gemeinsame chirurgische Behandlung von Atherosklerose ist der Stent-Implantation, verengte Arterien für einen ungehinderten Blutfluss zu öffnen. Aber die gleichzeitige Flussstörungen aufgrund Stent Installationen führen in mehrskaligen Sekundärströmung Morphologien . 4 - 6 Progressiv höhere Ordnung Komplexitäten wie Asymmetrie und der Verlust in der Kohärenz kann 5 durch folgenden Stent Ausfälle gegenüber den unter ungestörte Ströme induziert werden. Diese Stents wurden Fehler als "Typ I-to-IV" eingestuft basierend auf Versagen Erwägungen und klinischen Schweregrad 14.

Diese Studie stellt ein Protokoll für die experimentelle Untersuchung der komplexen Sekundärströmungsstrukturen aufgrund von Quer Stent Fraktur und lineare Verschiebung des gebrochenen Teile ( "Typ IV") in einer gekrümmten Arterienmodell vervollständigen. Das experimentelle Verfahren beinhaltet die Durchführung von Particle Image Velocimetry (2C-2D PIV) Techniken mit einer archetypischen Arteria carotis Einströmen Wellenform, einen Brechungsindex angepaßten Blut analogen Arbeitsfluid für phasen gemittelten Messungen . 15 - 18 Quantitative Identifizierung der Sekundärströmungsstrukturen erreicht Konzepte der Strömungsphysik verwendet, kritische Punkt Theorie und eine neuartige 26 - Wavelet - Algorithmus angewendet , um experimentelle Daten PIV 5, 6, 19 zu transformieren.

Introduction

Sekundäre Strömungsstrukturen sind verwirbelte Strömungsmuster, die in der internen Strömungsgeometrien mit Krümmungen wie gebogene Rohre und Kanäle auftreten. Diese Wirbelstrukturen entstehen aufgrund der kombinierten Wirkung von Zentrifugalkräften, ungünstige Druckgradienten und Zufluss Eigenschaften. Im Allgemeinen scheinen die sekundäre Strömungsstrukturen in planaren Querschnitte von gebogenen Rohren als symmetrische Dean-Typ Wirbel unter stetigen Zufluss und symmetrische Dean - und Lyne artigen Wirbel unter oszillierenden Einströmverhältnisse . 1 - 3 Sekundärfluss Morphologien von Pulsatilitäts stark betroffen sind und mehrere Harmonische von pulsierender, physiologischen Einströmverhältnisse. Diese Strukturen erfassen deutlich unterschiedlichen Größenfestigkeitsformeigenschaften im Vergleich zu nicht-physiologischen (steady und oszillatorischen) fließt . 1 - 6 atherosklerotischen Läsion Entwicklung in Arterien durch das Vorhandensein von Hochfrequenzscherschwingungen in betroffenen Gebieten erlebt niedrige mittlere Scher 27, 28

Eine übliche Behandlung der Atherosklerose, eine Komplikation in Verengung der Arterien durch obstruktive Läsionen, ist die Implantation von Stents. Stent Frakturen sind strukturelle Versagen der implantierten Stents , die zur weiteren medizinischen Komplikationen wie In-Stent - Restenose (ISR), Stentthrombose und Aneurysmabildung führen . 9 - 13 Stentfrakturen haben verschiedene Fehler "Typen I-to-IV" eingestuft worden, wobei "Typ IV" den höchsten klinischen Schweregrad charakterisiert und wird als die vollständige Querfraktur der Stentstreben zusammen mit linearen Verschiebungen der Stent Fragmente 14 definiert. das Protokoll in dieser Studie präsentierten beschreibt eine experimental Verfahren zur Visualisierung von sekundären Strömungsstrukturen hinter einer idealisierten "Typ IV" Stentfraktur in einem gekrümmten Arterienmodell.

Das vorgeschlagene Protokoll hat die folgenden vier wesentliche Merkmale:

Konstruktion und Herstellung von Labormaßstab Stentmodelle: Geometrische Beschreibung von Stents kann mit einer Reihe von Self-Expandable Spiralen (Federn oder Helices) miteinander verflochten mit Nitinol (eine Legierung aus Nickel und Titan) Drähte 29 verbunden sein. Die Länge des Stents und seine Strebe Durchmesser sind abhängig von der Längenskala von arteriellen während der klinischen Implantation 5 aufgetreten Läsionen. Parametric Variation der Strebe Durchmesser und der Aufstand der Wicklung (oder Pech) führt zu Stents aus verschiedenen geometrischen Konfigurationen. Eine Zusammenfassung der Stentkonstruktionsparameter für den 3D - Druck ausgewählt sind in Tabelle 1 dargestellt.

Herstellung eines Blut analogen Arbeitsfluid abgestimmtmit kinematischen Viskosität von Blut und der Brechungsindex der Teststrecke: Ein optischer Zugang zu dem gekrümmten Arterie Teststrecke ist erforderlich , um nicht-invasive Geschwindigkeitsmessungen zu machen. Dementsprechend ist ein Newtonsches Blutähnliche Flüssigkeit mit dem Brechungsindex des vaskulären Modells arbeitet und im Idealfall, eine dynamische Viskosität, menschlichem Blut passend verwendet werden , um genaue Blutströmungsmessungen 16 erhalten , -. 18, 30 das Arbeitsfluid in dieser Studie verwendet wurde berichtet von Deutsch et al. (2006), das sich aus 79% gesättigtem wässrigem Natriumiodid (NaI), 20% iges Glycerin und 1% Wasser (bezogen auf das Volumen) 16.

Versuchsanordnung zum Nachweis von kohärenter sekundären Strömungsstrukturen unter Verwendung eines zweikomponentigen, zweidimensionalen Particle Image Velocimetry (2C-2D - PIV): Die Experimente wurden entworfen , um phasen gemittelten sekundären Strömungsgeschwindigkeitsdaten in verschiedenen planaren Querschnittsstellen erwerben nachgeordnet eine Kombination aus straight und gekrümmte Stentabschnitte verkörpert eine idealisierte "Typ IV" Stentfraktur 5, 6, 9, 14. Die Protokollschritte auf den Erwerb von Sekundärströmungsgeschwindigkeit Felder mit Particle Image Velocimetry (PIV) Technik im Zusammenhang beinhaltet ein PIV - System , das besteht aus ein Laser (Lichtbogen) Quelle, Optik, die Regionen Strömungs eine spezielle Kreuzkorrelationsladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD-Sensor oder Kamera) und Markierungspartikel innerhalb eines kurzen Zeitintervalls durch den Lichtbogen ausgeleuchtet werden (& Dgr; t zu fokussieren und zu belichten siehe Tabelle 4) 31, 32;.

Die Schritte in dem Protokoll gelten folgende Voraussetzungen: Erstens, eine kalibrierte, experimentelle Aufbau eines Zweikomponenten, zweidimensionale (2C-2D) PIV-System, das Bilder von Doppelrahmen, Einzelbelichtung Aufnahmen auswertet. Zweitens berechnet der 2C-2D-PIV System die mittlere Verschiebungen Markierungspartikel durch Ausführen einer Kreuzkorrelation zwischen zwei Bildrahmen während jeder Aufnahme erworben. Ein brief Zusammenfassung der PIV Spezifikationen und Bildaufnahme-Software ist in der Materialien und Geräte Tabelle dargestellt. Drittens benötigt alle Sicherheitsvorkehrungen um den Laser zu arbeiten, werden von geschultem Laborpersonal gefolgt nach den Richtlinien von der Gastinstitution zur Verfügung gestellt. Die Autoren schlagen vor Refs. 31 und 32 für ein ganzheitliches Verständnis der Umsetzung, Funktionalität und Anwendung von PIV-Technik in der Luft-, Wasser- und mikrofluidischen Dynamik, Korrelationsspitzenerkennung und Verschiebung Schätzung, Material und Dichte der Tracerpartikel und Messrauschen und Genauigkeit. Beachten Sie auch , dass der Laser und die Kamera kann durch die PIV Datenerfassungscomputer (3A) und die Datenverarbeitungssoftware gesteuert werden.

Die Datenerfassung und Nachbearbeitung für eine kohärente Strukturerkennung: Phase gemittelten Messungen sekundären Strömungsgeschwindigkeit ein 2C-2D - PIV wurden unter Verwendung erzeugt die Protokollbeschreibung verwendet , die folgt. Nachbearbeitung ing der Daten beteiligt kohärenten sekundären Strömungsstrukturerkennung die folgenden drei Verfahren: kontinuierliche Wavelet-Transformationen, Gleichung 1 5, 6, 19-24, 26.

Die Autoren weisen, dass die Geschwindigkeit Gradiententensors ist im Wesentlichen, eine 3 x 3 Matrix,
Gleichung 2 .

Das Protokoll stellt ein Verfahren zum Erfassen zweidimensionaler experimentellen Messungen (von 2C-2D-PIV-Technik). Daher wird die volle experimentellen Zugang zum Geschwindigkeitsgradienten tensor nicht erreichbar sein, mit dieser Methode. Der Geschwindigkeitsgradient Tensor für jedes Pixel Gleichung 3 des PIV Bild Gleichung 4 sollte eine 2 x 2-Matrix ist, Gleichung 5 . Die z-Komponente vorticityquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> für jedes Pixel Gleichung 7 berechnet wird, um die antisymmetrische Teil des Geschwindigkeits Gradiententensors mit Gleichung 8 . Das Ergebnis wird ein 2D-Array von vorticity sein Gleichung 9 dass in einem Konturdiagramm visualisiert werden. Die Autoren schlagen vor stark Ref. 25 für eine beredte Diskussion experimentellen Zugang zum Geschwindigkeitsgradienten Tensor das Wissen der Verwirbelung Ableitung, Dehnungsraten und kohärente Struktur Erkennung zu verbessern. Weiterhin versuchen die Autoren nicht die Zusammenhänge zwischen den genannten kohärenten Struktur Detektionsverfahren und schlägt Ref zu erkunden. 23, 24 für eine umfassende Diskussion zu diesem Thema.

Der Fokus der Schritte in dem Protokoll ist die quantitative Ermittlung der Sekundärströmung (verwirbelten) structures (auch als kohärente Strukturen bekannt). Drei Methoden der kohärenten Strukturerkennung nämlich., Gleichung 10 und Wavelet-transformierten vorticity Gleichung 11 sind auf Geschwindigkeit Felddaten zu Detektion von stromabwärts der idealisierten "Typ IV" Stentfraktur Multi-Skala, Multi-Stärke Vorkommen von sekundären Strömungsstrukturen angewendet.

Das Gleichung 12 Definiert einen Wirbel als räumliche Bereich , in dem die euklidische Norm des vorticity tensor dass 19 der Rate der Dehnungs dominiert, 23, 24 .Die Geschwindigkeitsgradienten Matrix in symmetrische (Dehnungsrate) zerlegt wird und antisymmetrische (Rotation) Teilen. Eigenwerte der Dehnungsrate Matrix berechnet werden; Gleichung 13 . Norm der Verformungsgeschwindigkeit wird dann berechnet; "Gleichung ) Wird dann berechnet. Das Gleichung 16 schließlich ist berechnet; Gleichung 17 . Ein Konturdiagramm des gesamten Satzes von Gleichung 18 mit iso-Regionen Gleichung 19 Zeigt an , 19 sekundäre Strömungsstrukturen.

Das Gleichung 20 , Die auch als "wirbelnde Kraft" genannt , ist eine Methode Wirbel Identifizierung von kritischen Stellenanalyse des lokalen Geschwindigkeits Gradiententensors und seine entsprechenden Eigenwerte durchgeführt von 20 bis 24 berechnet. Die Eigenwerte sollten von der Form sein, Gleichung 22 . Ein Konturplot Gleichung 23 mit iso-Regionen Gleichung 24 zeigt an Strukturen Nebenstrom 20-22.

Wavelet-Transformationsverfahren verwendet eine Analysefunktion (oder wavelet), die Glätte in physikalischen und spektralen Räume hat, zulässig ist (oder nur Null-Mittelwert) und hat eine finite Gleichung 25 5, 6, 26. Durch Falten einer dilatiert oder kontrahiert mit einer 2D vorticity Feld Wavelet - transformierten vorticity Wavelet Gleichung 26 Feld erzeugt comprising kohärenter Strukturen mit einer Vielzahl von Skalen und Stärken 5, 6, 26. Shannon Entropie des 2D - Wavelet-transformierten vorticity Feld wird berechnet , um die optimale Wavelet - Skala abzuschätzen bei dem alle kohärenten Strukturen angemessen gelöst werden. Diese Entropieschätzung beinhaltet eine Reihe von Wahrscheinlichkeiten Gleichung 27 für jedes Pixel, Gleichung 21 so dass Gleichung 28 Der normierte Quadratmodul der Verwirbelung mit dem Pixel an der Stelle m zugeordnet ist , n 5, 6. Die Verfahrensschritte sind in Figur 6 graphisch dargestellt. Die Einschränkungen bei der Wahl der Wavelet platziert werden ausführlich in Ref dargestellt. 26. Dieses Protokoll Schritt beschreibt das Verfahren für eine kohärente Struktur Erkennung eines 2D-Ricker-Wavelet verwendet wird. Die Begründung für die Verwendung dieses wavelet für vortical Musterabgleich wird in Ref dargestellt. 5, 6 und die zugehörigen darin zitierten Referenzen.

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Protocol

1. Konstruktion und Herstellung von Stent-Modelle

Hinweis: Die folgenden Schritte ausgeführt wurden im Labormaßstab Modelle von geraden und gekrümmten Stents zu schaffen. Die Installation der zwei Stent Modelle ein "Typ IV" fracture (Fragmentierung und lineare Verschiebung des gebrochenen Stentteile) verkörpern.

Hinweis: Die Autoren verwendeten Pro / Engineer Software zum Zeitpunkt der Forschung für CAD-Modelle der Stentgeometrie zu schaffen. Das folgende Verfahren ist verallgemeinert und nicht Begriffe allgemein für die CAD-Software verwendet werden, umfassen. Andere CAD-Pakete zur Verfügung, können auch verwendet werden. Die Schritte, die folgen, sind anwendbar für die CAD-Software, die die Autoren im Zeitpunkt der Forschung verwendet und wurden von der Website des Herstellers angepasst. Für eine weitere Beschreibung der Maschine Rapid Prototyping von den Autoren verwendet finden Sie in der Materialliste. Die Parameter - Gleichungen und initialisierte Werte für Stent - Design sind in Ta vorgestelltBle 1 und Figur 1D und 1E sind Beispiele für die geraden und gekrümmten Stent Modelle nach Rapid - Prototyping.

  1. Erstellen Sie gerade Stentgeometrie durch parametrischer Gleichungen definieren und Parameter der linken und rechten Helices in einem cartesianischen (XYZ) Koordinatensystem initialisiert wird (Tabelle 1).
    1. Generieren Sie einen Satz von 10 im gleichen Abstand links drehen Helices in einer ebenen kreisförmigen Anordnung um eine gerade Bezugslinie oder z-Achse unter Verwendung von Gl. 1, 2, 3 und 5 in Tabelle 1, mit der initialisierten Werte der Anzahl der Windungen gezeigt
      ( Gleichung 29 ), Pech, Stent-Drahtstärke ( Gleichung 30 ) Und Nenndurchmesser des Stents ( Gleichung 31 ) (1A und Tabelle 1).
    2. Wiederholen Sie Schritt 1.1.1 unter Verwendung von Gl. 1, 2, 4 und 5 zu erzeugen, einekreisförmigen Muster von 10 gleich beabstandeten linken Helices (1A).
    3. Generieren Sie Geometrie gerade Stent durch die Kombination oder die linke Montage und rechts Helices um eine gemeinsame Achse (1A) drehen.
  2. Erstellen gekrümmten Stentgeometrie durch parametrischer Gleichungen definieren und initialisieren Parameter der linken und rechten Helices in zylindrischen (R-β-X) Koordinatensystem oder über eine gekrümmte Bezugslinie (Tabelle 1). Wiederholen Sie die Schritte 1.1.1 - 1.1.2 mit den zuvor initialisiert Parameter unter Anwendung von Gl. 1, 2, 6 und 7.
    1. Erzeugen einer gekrümmten Stentgeometrie kombiniert oder mit der linken und rechten Montage Helices gekrümmt um eine gemeinsame Achse (R) und einen Winkel drehen Gleichung 32 am Ursprung (1B).
  3. Erstellen Sie hochauflösende Stereolithografie (STL) Dateien aus den geraden und gebogenen Stent-CAD-Modelle.
    1. Wählen 'Exportieren> Modell "von der" Menü Datei ". Wählen Sie 'STL' Option. Set 'Sehnenhöhe "auf 0 gesetzt' Winkelsteuerung 'auf 1. Tragen Sie auf" OK ", um die STL-Datei zu erstellen. Anmerkung: Der Wert von "Angle Control" regelt die Menge an Tessellation entlang der Oberfläche mit kleinen Radien und die Einstellung zwischen 0 und 1 sein kann.
  4. Fabrizieren die Stentmodelle auf einem Rapid - Prototyping - Maschine in 1C gezeigt Materialien in den Materialien und Geräte Tabelle aufgelistet werden.
    1. Starten Sie den 3D-Druck-Software (siehe Materialliste). Klicken Sie auf "Einfügen", um die STL-Datei auf dem 3D-Drucker Computer zu suchen und die gewünschte Datei auswählen. Ziehen Sie die Maus auf dem Bildschirm platzieren Sie die 3D-Rendering der STL-Datei auf einer virtuellen Plattform ( "Tray") auf dem Bildschirm.
    2. Wählen Sie den entsprechenden Einheiten als "mm" (Optionen: "mm" oder "Zoll") aus dem Menü Datei Registerkarten. Wählen Sie die Qualität des fertigen Produkts als "Matte" (Opgen: "Matte" oder "Gloss"). Wählen Sie "Tray-Einstellungen> Validierung 'Registerkarte im Dateimenü.
    3. Achten Sie auf die "Überprüfung erfolgreich" Nachricht an den nächsten Schritt fortzufahren. Wenn die Validierung nicht erfolgreich wiederholen Schritte in 1.3 - 1.4.2 bis zur erfolgreichen Validierung erreicht.
    4. Wählen Sie "Tray-Einstellungen> Build 'Registerkarte im Dateimenü die Datei auf dem 3D-Drucker für die Fertigung zu senden.
      Anmerkung: Der Wert der "Sehnenhöhe" steuert den Grad der Tessellation der Modelloberfläche. Es wirkt sich auf die Genauigkeit und die Dateigröße des Modells automatisch von einem Minimalwert ersetzt werden. Kleine Werte von Sehnenhöhe führt zu weniger Abweichung von der tatsächlichen Bauteilgeometrie mit Dateigröße Kompromisses. Validierungsprüfung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Teil angrenzt und nichtig von strukturellen Anomalien während der Fertigungsphase.

2. Bereiten Sie Kinematic Viskositäts- und Refraktive InDex-abgestimmte Blut-Analog-Flüssig

Hinweis: Das folgende Verfahren etwa 600 ml Blut-Analog-Lösung ergibt. Eine Zusammenfassung der chemischen Reagenzien und Lösungsmittel mit relevanten Eigenschaften in der Herstellung der Lösung verwendet werden, in der Materialliste dargestellt. Relevanten Materialeigenschaften vorgeschlagen Laborausrüstung und die Richtlinien für die volumetrische Berechnungen sind in den Tabellen 2 dargestellt, 3 bzw. 4.

  1. Bereiten Sie eine gesättigte Lösung von Natriumiodid (NaI).
    1. Gießen Sie 500 ml VE - H 2 O in einen 2000 - ml - Becher. Das Becherglas auf den Magnetrührer.
    2. Messen Sie ≈860 g Nal auf Null gesetzt Gewicht Balance und mit 100 g-Schritten in den Becher unter Rühren und warten auf die aktuelle Zugabe vollständig aufzulösen, bevor die nächste Zugabe. Aufzeichnen der Temperatur bei jeder Zugabe, da der Prozess der Sättigungs deionisiertes H 2 O mit NaI geringfügig exothermic. Kühlen Sie die Lösung als notwendig es bei RT zu halten (≈ 25 ° C).
    3. Hinzufügen kleinen Inkrementen NaI (≈5-10 g) bis 20 g, bis die Lösung gesättigt ist. Nehmen Sie die Masse und die Temperatur jeder Zugabe. Das Becherglas mit gesättigter Nal-Lösung aus dem Magnetrührer, wenn Sie fertig.
  2. Messung der Dichte der gesättigten NaI-Lösung ( Gleichung 33 ).
    1. In 10 ml gesättigter Nal-Lösung aus Schritt 2.1 in ein 50 ml Becherglas auf einer genullt-Skala mit einer Spritze (oder Vollpipette), um sicherzustellen, gibt es keine Luftblasen. Nehmen Masse und das Volumen hinzugefügt.
    2. Berechnen Dichte jeder Zugabe unter Anwendung von Gl. 8 (siehe Tabelle 3). Wiederholen Sie diesen Schritt ca. 4-5 mal. Der Mittelwert der Dichten aufgezeichnet. Bringen Sie die Lösung der Charge von gesättigten NaI-Lösung, hergestellt in Schritt 2.1.
  3. Schätzen Sie das Gesamtvolumen des Blutes Nachahmen Lösung. < ol>
  4. Messen der Masse des NaI gesättigten Lösung, hergestellt in Schritt 2.1 und berechnen dessen Volumen ( Gleichung 34 ) Unter Verwendung von Gl. 9. Schätzung das Gesamtvolumen des Blutes Nachahmen Lösung ( Gleichung 35 ) Und die Teilmengen des Glycerins ( Gleichung 36 ) Und entsalztem Wasser ( Gleichung 37 ) Hinzugefügt folgende Gleichung zu werden. 10, 11 und 12 (siehe Tabelle 3).
  • Bereiten Sie Blut-Analog-Lösung.
    1. Vorbereiten eines Blut analoge Lösung, bestehend aus 79% gesättigten NaI-Lösung, 20% Glycerin und 1% entionisiertes Wasser (bezogen auf das Volumen) durch auf einem Magnetrührer homogenisiert, gemischt wird.
    2. Das Becherglas mit der gesättigten Nal-Lösung auf dem Magnetrührer und fügen Glycerin in kleinen Schritten (88 / 51288eq38.jpg "/>), unter Verwendung einer Spritze (oder degressive oder volumetrischen Pipette), bis das gesamte Volumen von Glycerol ( Gleichung 36 berechnet) 2,3 in Schritt zugegeben wird. Für jede Gleichung 39 Iteration, notieren Sie die Lautstärke hinzugefügt und warten, bis die Lösung sichtbar homogenisiert wird, bevor das die nächste Erhöhung des Glycerins hinzufügen.
    3. Nach der vollständigen Homogenisierung von gesättigten Nal-Lösung und Glycerin, hinzufügen Gleichung 40 mit einer Spritze (oder abgestuft oder Pipette). Weiter auf dem Magnetrührer gerührt wurde, bis das Blut-Analog-Lösung sichtbar homogenisiert.
  • Charakterisieren Sie das Blut analoge Flüssigkeit bei Standardumgebungstemperatur und Druck (25 ° C, 1 atm).
    1. Messen Sie die kinematische Viskosität (ν) ein Standard - Ubbelohde - Viskosimeter oder gleichwertigen Messinstrument.Die kinematische Viskosität kann durch Zugabe geringer, gemessen Mengen von Glycerin mit einer abgestuften oder Dosierpipette eingestellt werden.
    2. Messung des Brechungsindex (n) unter Verwendung eines Refraktometers. Brechungsindex kann durch Zugabe von geringen Mengen von Natriumthiosulfat wasserfreien mit einem Spatel eingestellt werden.
      Anmerkung: Die Autoren berichten über die kinematische Viskosität ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 s -1 ± 2,8%) und dem Brechungsindex des Blut analogen Fluid, n = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Vereinbaren Experiment zur Messung von Sekundärströmungsgeschwindigkeit Felder hinter einem "Typ IV" Stent Failure

    Hinweis: Die um 180 ° gekrümmten Arterie Meßstrecke besteht aus zwei Acrylblöcke miteinander verklebt, um 180 ° gekrümmten Kanal an jedem Block bearbeitet und Bereitstellung für Einlass- und Auslassrohre , wie in 1F gezeigt, 3A und 5, 6 (siehe Tabelle 2).

    1. Installieren hergestellt Stents in Schritt 1 in der gekrümmten Arterie Testabschnitt aus Acryl auf ein idealisiertes Typ - IV - Fraktur Szenario verkörpern und beinhaltet einen kompletten Querfraktur von Stents und eine lineare Verschiebung der fragmentierten Teile (siehe 1F, 3A und 3B).
      1. Platzieren Sie den geraden Stent vor dem gekrümmten Arterie Teststrecke (siehe 1F und 3B). Um sicherzustellen , dass der Abstand zwischen den geraden und den gekrümmten Stents ist '3 mal' den Durchmesser des Rohrs (D Rohr = 12,7 mm) werden die 45 ° gekrümmten Stent innerhalb der Krümmung mit einem Ende an dem Einlass zu dem gekrümmten Rohr ( 2B).
    2. Montieren Sie the Versuchsaufbau durch die geraden Acrylrohre mit dem Einlass und dem Auslass des 180 ° gekrümmten Arterie Meßstrecke Verbindungs ​​wie in der schematischen Übersicht der Versuchsanordnung (Figur 2) auf einem optischen Tisch (3A) gezeigt.

    4. Acquire von Sekundärströmungsgeschwindigkeit Felder

    Anmerkung: Die folgende Beschreibung im Protokoll bezieht sich auf den Erwerb von sekundären Strömungsgeschwindigkeitsfelder unter Verwendung Particle Image Velocimetry (PIV) -Technik 3B (schematische Darstellung) zeigt , daß es vier Lagen (45 °, 90 °, 135 ° und 180 °). mit Winkel Kerben Laser-Blatt Vorsprung und machen planare Querschnittssekundärströmungsgeschwindigkeit zu erleichtern. Die Protokollschritte beziehen sich auf Messungen für die 90 ° Position erworben. Wenn die Laserfolie bei 45 ° Stelle angeordnet ist, wird die Kamera an der 135 ° Stelle angeordnet Fluss für sekundären optischen Zugang zu erhalten measurements an der 45 ° Position.

    Hinweis: Das folgende Verfahren verallgemeinert ist und darf keine Bedingungen allgemein für die Bildaufnahme und Postverarbeitungssoftware und der Gerätesteuerung Software verwendet (siehe Materialliste). Andere Bild- und Datenerfassung von Paketen zur Verfügung können auch im Protokoll verwendet werden.

    1. Schalten Sie den Laser mit Hilfe der ON / OFF-Schalter auf der Laserenergiequelle befindet. Illuminate ein kleines Stück Papier, um den Laser Blatt zu visualisieren. Stellen Sie die Laser-Blechdicke (etwa 2 mm) visuell, durch den Laser Blatt drehen Fokussierungsoptik auf der Laserquelle.
    2. Platzieren Sie den Laser Blatt entlang der 90 ° Messbereich so, dass das Blatt senkrecht zur optischen Tabelle ist. Stellen Sie die Kamera in der Nähe von 0 ° oder 180 ° Lage optischer Zugang zu gewinnen den Querschnitt durch die Laserblatt beleuchtet.
    3. Richten Laser und Kamera mit der Bildaufnahme und Nachbearbeitung Software anpassenDas Sichtfeld der Kamera ausreichend um das Bild des kreisförmigen Querschnitt der gekrümmten Arterie zu erfassen und die Verringerung der Partikel Verzerrung (siehe 3A). Führen Sie die Ausrichtung von "Versuch und Irrtum" durch die Software-generierte Bild des Sichtfeldes inspizieren. Schalten Sie den Laser mit Hilfe der Steuerschalter befindet sich auf der Laserenergiequelle und stellen Sie sicher, dass die Kamera mit der Objektivabdeckung entfernt eingeschaltet.
    4. Starten Sie Bildakquisition und Nachverarbeitung Software auf dem PIV Datenerfassungscomputer und melden Sie sich als "Experte des Benutzers. Erstellen Sie ein neues Projekt aus dem Dateimenü, geben Sie einen "Projektname" und wählen Sie die Option 'PIV' unter dem 'Art des Projekts ". Wählen Sie "Neu" aus dem Datei-Menü eine neue PIV Aufnahme-Session zu initialisieren. Wählen Sie "Gerät" unter "Einstellungen" Abschnitt auf der Bildaufnahme und Nachbearbeitung Software.
    5. Navigieren Sie zu "Aufnahme" Dialogfeld auf dem Bildschirm,aktivieren "Camera 1" Kontrollkästchen und wählen Sie "Single Frame (T1A) 'Option. Wählen Sie Laser "Radio-Button 'werden auf ON in der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software-Einstellungen. Aktivieren Sie den externen Power-Modus auf der Laserenergiequelle durch "EXT" und "High-Power" Schalter auf der Laserenergiequelle befindet drücken.
    6. Wählen Sie 'Grab' auf der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software zu starten PIV Erfassen von Bildern auf dem Computerbildschirm zu beobachten. Bewegen Sie die Kamera mit leichten manuellen Anpassungen auf der optischen Tisch und stellen Sie Fokus die Position der Kamera zu optimieren, um die Feld-of-view zu maximieren, reduzieren Unschärfen und Bildverzerrung.
    7. Wählen Sie "Stop" Radio-Button auf der Bildaufnahme und Nachbearbeitung Software-Einstellungen einzustellen PIV Datenerfassung und machen keine weiteren Kameraeinstellungen. Das Ausrichtungsverfahren ist in diesem Stadium abgeschlossen.
      Hinweis: Die Laserpulse in diesem Stadium durch das Bild gesteuert werdenErwerb und Post-Processing-Software und kann durch Pulsieren unterschiedlicher Frequenz oder "Exposure" in den Software-Einstellungen gesteuert werden. Der Laser wird automatisch beendet, da es durch die Bildaufnahme und Nachbearbeitung Software gesteuert wird. Schließen Sie nicht die Bildaufnahme und Nachbearbeitung Software wie das aktuelle Projekt verwendet werden PIV Daten in den Schritten zu erwerben, die folgen.
    8. Erwerben Bilder der sekundären Strömungsfelder verwendet 2C-2D-PIV-System durch den folgenden Schritten phasenweise PIV Daten sicherzustellen verwenden zeitlichen Triggerimpulse von der Pumpe Instrumentensteuerrechner erzeugt, der mit dem Dual-Puls-Laser und Kamera synchronisiert sind.
      Hinweis: Der programmierbare Pumpe zum Pumpengerätesteuerungscomputer verbunden ist und von der Instrumentensteuersoftwareprogramm gesteuert. Die Schritte, die folgen können Softwaresteuermodule auf PIV-Computer mit dem Bildaufnahme Einrichten und Verarbeitung Post und uns die Gerätesteuerung Computer pumpeninstrument Steuerungssoftware.
      1. Schalten Sie die programmierbare Pumpe mit dem Ein- / Aus-Schalter an der Pumpe. Starten Sie die Instrumenten-Steuerprogramm auf dem Pumpen Instrument Steuercomputer.
      2. Legen Sie die Textdatei, die die Werte der Spannungs-Zeit-Wellenform mit einem Referenz Trigger hat (t / T = 0), dass die physiologische (Arteria carotis) stellt Kurvenform fließen auf das Instrument Steuerungssoftware eine physiologische Womersley Zahl Aufrechterhaltung Gleichung 41 und maximale Reynolds Gleichung 42 und Dean Gleichung 43 Nummern (4A).
      3. Set 'Amplitude' bis 1 (Volt), "DC-Offset" auf 0 (Volt), 'Anzahl der Zeitschritte "bis 1000 und" Zeitraum "bis 4 (Sekunden) auf der Gerätesteuerung Software-Schnittstelle Bildschirm.
      4. Bestätigen Sie, dass die externe Power-Modus auf der Laserenergiequelle in Schritt 4.5, ist noch aktiviert. Drücken Sie 'EXT' und 'High Power' schaltet die Laserenergiequelle befindet, falls erforderlich.
      5. Wählen Sie "Gerät" nach "Neue Aufnahme" unter dem Bereich "Einstellungen" auf der Bildaufnahme und Nachbearbeitung Software klicken. Navigieren Sie zu der "Aufnahme" Dialog-Box auf der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software (PIV Computer), aktivieren Sie "Camera 1" das Kontrollkästchen, und wählen Sie "Double Frame (T1A + T1B) 'Option, um den Laser zu gründen, um Feuer in Doppelimpuls Modus.
      6. Wählen Sie 'Zeit' Option auf der "Aufnahme" Dialog-Box auf der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software, wählen Sie "Triggerquelle" und setzen Sie ihn auf "Externe zyklischen Trigger" mit Trigger-Signale von der Pumpe Instrument Steuermodul zu synchronisieren. Wählen Sie "Aquisit" unter dem Bereich "Einstellungen" auf der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software sherb Einrichtung PIV-Akquisition.
      7. Navigieren Sie zu dem "Aufnahmesequenz" Dialog-Box auf der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software. Fügen Sie einen 'Table Scan "Subkategorie unter" Aufnahmesequenz "die entsprechende Registerkarte auf der Software-Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Bestücken Sie die Tabelle 'Tabelle bearbeiten Scan' erstellt, 'Append Scan' und Eingabezeitwerte mit 0 Millisekunden beginnend und endend mit 4000 Millisekunden in Intervallen von 40 Millisekunden. Eingang At-Werte zu jeder Zeit Eintrag in der Tabelle entspricht. Drücken Sie "Enter" auf der Tastatur nach jedem eingegebenen Wert.
      8. Navigieren Sie zu dem "Aufnahmesequenz" Dialog-Box auf der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software. Add 'Image Acquisition "Subkategorie unter' Table-Scan 'erstellt in Schritt 4.8.7. Stellen Sie die "Anzahl der Bilder 'bis 200, aktivieren Sie das Kontrollkästchen" Bilder während der Aufnahme "und wählen Sie" Start sofort ".
      9. Select 'Gerät' unter dem Bereich "Einstellungen" und bestätigen, dass der Laser auf "ON" mit den entsprechenden Leistungseinstellungen festgelegt ist. Navigieren Sie zu "Laser Control 'zu bestätigen. Das PIV-System ist nun bereit, Daten zu erfassen.
      10. Wählen Sie den "RUN" Radio-Taste auf der Gerätesteuerung Software-Schnittstelle an der Pumpe Instrument Steuercomputer zu liefern Fluid dem Experiment unter Verwendung der in Schritt Eingänge 4.8.2-4.8.3 zusammen mit einem Triggerimpuls alle 4 Sekunden.
      11. Wählen Sie "Start Recording" für den Erwerb der phasenweise Messungen mit Trigger-Signal von der Pumpe Gerätesteuerung , bis die vorgegebene Anzahl von planaren Geschwindigkeitsfelder (200, ausreichend zu erreichen statistische Konvergenz 5, 6, 31, 32) zu jedem Zeitpunkt Instanz einrichten in der Tabelle Scan (siehe Schritt 4.8.7) an der 90 ° Position hergestellt wird.
      12. Drücken Sie "Stop" auf der Laserenergiequelle, sobald die Aufnahme gemacht wird. Schalten Sie die Pumpe und der Kamera, und legen Sie die Kameralinse cover. Wählen Sie "Stop" Radio-Taste auf der Gerätesteuerung Software-Schnittstelle an der Pumpe Gerätesteuerung Computer.
      13. Eine Sichtprüfung Versuchsaufbau die Höhe der Leckage Gage, sammeln die ausgelaufene Flüssigkeit, wenn nötig, um sicherzustellen, dass alle Geräte ausgeschaltet wurde, oder im Standby-Modus bleiben, je nachdem, was angemessen ist. Schließen Sie die Aufnahme-Session in der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software.

    5. Erkennen Coherent Sekundärströmungsstrukturen

    Hinweis: Mit der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software und eine Reihe von Befehlszeilenfunktionen (MATLAB-basierte Toolbox PIVMat 3.01) zu importieren, Post-Prozess und zu analysieren , 2 - Komponenten - Vektorfelder aus dem PIV - System 5, 6, 33.

    1. Erstellen Sie eine Maske, die die interne Strömungsgeometrie , dh die kreisförmige, ebene Querschnittsfläche umfasst.
      1. Wählen Sie das Projekt in Schritt erstellt 4.4, das jetzt an jeder hat erworben PIV DatenInstanz der Zeit in dem Schritt 4.8.7 spezifiziert. Außerdem wählen Sie alle Daten im Dialogfeld die gesamte PIV Daten Ensemble enthält.
      2. Folgen Sie den Anweisungen in der "Ergänzenden Code-Datei - die Schaffung einer Maske".
    2. Erstellen Sie eine Postverarbeitungsroutine von "Batch" Symbol aus dem Datei-Menü im Projektfenster auswählen, während einige PIV-Datensatz standardmäßig aktiviert ist. Ein Dialogfenster mit einer "Operationsliste" wird das angezeigt werden soll in der gleichen Reihenfolge aufgefüllt werden, wie im folgenden Schritt erwähnt.
      1. Folgen Sie den Anweisungen in der "Ergänzenden Code-Datei - die Schaffung einer Postverarbeitungsroutine".
    3. Compute Phasen gemittelt und RMS Sekundärströmungsgeschwindigkeit und Verwirbelung Felder aus.
      1. Wählen Sie die Operation 'Vektor-Statistik: Vektorfeld Ergebnis "von der Gruppe" Statistik "und klicken Sie auf' Parameter 'im Dialogfeld. Aktivieren Sie "Average V" und "RMS V 'Kontrollkästchen under die 'Vector Felder' Abschnitt. Wählen Sie die Operation 'rot-z EYX - Exy' aus der Gruppe 'extrahieren Skalarfelds: Rotation und Scherung' die zweidimensionale vorticity im planaren Querschnitt zu bestimmen.
    4. Starten Sie den gesamten Beitrag PIV Datenverarbeitung und phasen gemittelte Größen der Geschwindigkeit, RMS Geschwindigkeit, Verwirbelung und wirbelnde Kraft mit Operationen geschaffen in den Schritten 5.3 und 5.4 erzeugen.
      1. 'Mit Rechtsklick "auf einer beliebigen PIV Daten im Rahmen des Projekts Fenster wählen Sie" Hyperloop> Alle Sets', und wählen Sie die Option "Alle hinzufügen" unter "Verfügbare Sätze:" Abschnitt, um sicherzustellen, dass die gesamte PIV Daten Ensemble ausgewählt.
      2. Wählen Sie "Parameter" aus dem Pull-Down-Menü unter dem "Filter:" Abschnitt. Wählen Sie "Stapelverarbeitung" Option im Rahmen der "Operation:" Abschnitt. Klicken Sie auf 'Ausführen' 'Hyperloop' Nachbearbeitung der PIV-Daten zu starten.
    5. Compute wirbelndenStärke Gleichung 44 ) Felder sekundäre Strömungsstrukturen mit Hilfe der Bildakquisition und Nachverarbeitung Software zu erkennen. Wählen Sie die Operation "wirbelnde Kraft 'aus der Gruppe' extrahieren Skalarfelds: Rotation und Scherung '.
      1. Wiederholen Sie die Schritte 5.4.1-5.4.2 Nachverarbeitung 'Hyperloop' auszuführen.
    6. Erkennen kohärenten Strukturen durch Gleichung 45 und kontinuierliche Wavelet auf vorticity Feld verwandeln Gleichung 46 durch die Schaffung von MATLAB-Funktionen benutzerdefiniert und mit PIVmat 3,01-basierten MATLAB-Funktionen (Siehe "Ergänzenden Code File - MATLAB-Codes" zum Beispiel Code).
      1. Generieren Sie ein 2D-Array von Daten aus der folgenden Gleichung ein 2D-Ricker-Wavelet darstellt, die durch den Skalierungsfaktor zu initialisieren Gleichung 47 in Gleichung. 13 auf einen beliebigen Wert (Siehe "Ergänzenden Code File - MATLAB-Codes").
        Gleichung 48
      2. Führen Sie zweidimensionale Faltung oder Fourier-Multiplikation von vorticity Gleichung 9 Daten aus Schritt 5.4, mit 2D - Ricker - Wavelet - Funktion (Gl. 13) Wavelet - transformierten vorticity Feld zu erzeugen Gleichung 46 bei dem initialisierten Skalierungsfaktor Gleichung 47 . (Siehe "Ergänzenden Code File - MATLAB-Codes").
      3. Berechnen Sie die Shannon-Entropie Gleichung 49 der Wavelet-transformierten vorticity Feld Gleichung 46 durch Gl. 14 (Siehe "Ergänzenden Code File - MATLAB-Codes").
        Gleichung 50
      4. Ändern Sie den Skalierungsfaktor Gleichung 51 und ein neues 2D - Array von Daten zu erzeugen , die die 2D - Wavelet - Ricker (Eq. 13) (siehe Abbildung 6).
      5. Wiederholen Sie die Schritte 5.6.1 - 5.6.4, für eine Vielzahl von Skalierungsfaktoren ( Gleichung 52 Sehen, Feedback - Schleife in Abbildung 6.
      6. Erstellen Sie ein Diagramm der Shannon-Entropie Gleichung 53 vs. Wavelet-Skalierungsfaktor Gleichung 47 in Schritt 5.6.5 (siehe Abbildung 6). Suchen Sie eine optimale Wavelet-Skala Gleichung 47 entspricht, in der Regel zu einem lokalen Minimum in Shannon-Entropie Gleichung 49 . Wiederholen Sie Schritt 5.6.4 bei optimalen Wavelet-Skala (see Shannon - Entropie vs Wavelet - Skala Plot in Abbildung 6).
      7. Erstellen Sie ein Konturdiagramm der Wavelet-transformierten vorticity Gleichung 46 um den Faktor Wavelet-Skala auf den optimalen Wert der Shannon-Entropie entspricht Gleichung 53 .

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    Representative Results

    Ergebnisse in 7A-D wurden nach der Nachbearbeitung sekundären Strömungsgeschwindigkeitsdaten (siehe Abbildungen 5, 6) erzeugt präsentiert von 2C-2D - PIV - System in 3A gezeigt erworben. Der Zufluss Zustand der gekrümmten Arterie Meßstrecke mit einer idealisierten "Typ IV" Stent Fraktur zugeführt wurde , die Arteria carotis Wellenform in Figur 4B gezeigt. Unsere frühere Studien haben die Empfindlichkeit der sekundären Strömungsstrukturen Verlangsamungsbedingungen in einer Vielzahl von pulsatile Einströmen Wellenformen in einem bestimmten Bereich von Womersley Zahlen demonstriert Gleichung 55 . 4 - 6 Dementsprechend werden die Zeitinstanzen Gleichung 56 der Ergebnisse in 7A-D dargestellt, wurden der systolische Verzögerungsphase der Arteria carotis Einströmen entsprechen gewählt waveform. Coherent sekundären Strömungsstrukturen unterschiedlicher Größe stärke morphologischen Eigenschaften an verschiedenen ebenen Querschnitten präsentiert Gleichung 57 wie in 7A-D gezeigt. Großflächige kohärenten Sekundärströmungsstrukturen, die in dem gekrümmten Arterie Teststrecke entstanden sind, als deformiert Dean-, Lyne- und Wall-Typ (DLW) Wirbel klassifiziert. Typischerweise entwickeln, DLW Wirbel während der systolischen Beschleunigungsphase. Während systolischen Verzögerungsphase DLW Strukturen erleben eine atypische Verlust in Kohärenz, Asymmetrie und Veränderungen in vortical Positionen, Größen, Stärken und Morphologien. Das Folgende ist eine Beschreibung der Ergebnisse in 7A-D dargestellt:

    Beim Gleichung 58 Lage (7A): Ein einzelnes Paar symmetrischer, kohärent, deformiertDean-Wirbel (D) sind in der beobachtete Gleichung 59 Felder t / T = 0,23 und 0,27. Diese D-Typ-Wirbel erscheinen in Richtung der Außenwand während der Verzögerung zu übersetzen. Q-Felder vorhanden Dehnungs- und Scher dominierten Muster bei t / T = 0,23, zusätzlich zu den D-Typ-Wirbel. Als eine mögliche Wirkung der Verzögerung bei t / T = 0,27, eine Verringerung der Festigkeit des D-Typ-Wirbel und wandnahen wird Stamm dominiert Strömungsfeldern beobachtet. Mehrskaligen Sekundärströmung Morphologien zusätzlich zu dem D-Typ sind in den Wavelet-transformierten vorticity Felder detektiert Gleichung 60 von mehreren Stamm dominierten verwirbelten Muster anzeigt Präsenz.

    Beim Gleichung 61 Lage (7B): Ein Übergang von einem Paar von D-Wirbel in der Gleichung 62 Felder. Wie durch die Größen belegt Stärken der wirbelnden haben die L- und W- Typ Wirbel höhere Auflage als D-Wirbel. Flussstörungen, die aus dem Bruch-Stent ausgehen bei der Gleichung 62 Lage sind zur Bildung von Wirbeln DLW wahrscheinlich beigetragen. Die Wirkung der Verzögerung wird als die Verringerung der Festigkeit in L- und W-Typ Wirbel beobachtet. Es ist eine gute Übereinstimmung in der Lage von großen zusammenhängenden DLW Strukturen zwischen der Gleichung 63 und Gleichung 59 Felder. Weitere kleineren Maßstab Nebenstrom Morphologien sind in der erfasste "Gleichung

    Beim Gleichung 64 Lage (7C): Gleichung 59 Feld bei t / T = 0,23 zeigt den Verlust von L-Typ-Wirbel und das Vorhandensein von länglichen D- und W-Typ-Wirbel. Bei t / T = 0,27 gibt es einen Verlust Festigkeit in beiden D- der wirbelnden und W-Typ-Wirbel. Die Wirkung der Verzögerung wird durch die Asymmetrie der Wirbelstrukturen in der beobachtete angegebenen Gleichung 63 Feld. Zusammen mit dem Vorhandensein von langgestreckten D-Typ-Wirbel eine Vielzahl von kleinen Maßstab W-Typ-Wirbel eingehalten werden. Q-Felder zeigen das Vorhandensein von wandnahen Scher dominierten Regionen t Hut weisen auf erhöhte Unstetigkeit von Stentfraktur-induzierten Strömungsstörungen.

    Beim Gleichung 65 Lage (Abbildung 7D): Gleichung 59 bei t / T-Feld = 0,23 setzt sich aus schwachen, DLW Strukturen. Aufgrund der Wirkung der Strömungsverzögerung neigen diese DLW Strukturen bei t / T abzureichern weiteren = 0,27. Verlust in wandnahen Scherströmung wird in den Q-Bereichen an beiden Instanzen der Zeit beobachtet. Bei t / T = 0,23, Gleichung 63 Feld zeigt, dass D-Wirbel befinden sich näher an der Innenwand zusammen mit Multiskalen-W-Typ Wirbel und die umliegenden Stamm dominierten Strukturen im Einvernehmen mit dem entsprechenden Gleichung 59 Feld.51288eq63.jpg "/> Feld zeigt deutlich einen Verlust in Kohärenz der DLW Strukturen und Asymmetrie in beiden Instanzen der Zeit, während Gleichung 66 Felder erfassen nicht dieses Phänomen.

    Broad Schlüsse nach erfolgreicher Ausführung des Protokolls über die Gleichung 67 groß angelegte Sekundärströmungsstrukturen und ihre sich ändernden Strömungs Morphologien erkannt. Gleichung 68 detektiert Bereiche mit hoher Verformungsgeschwindigkeit, die in den wandnahen Regionen normalerweise angetroffen werden. Kontinuierliche Wavelet-Transformation Algorithmus, um die groß angelegte Sekundärströmungsstrukturen in guter Übereinstimmung mit unthresholded entdeckt Gleichung 67 . Die 2D-Ricker-Wavelet-Kernel behoben zusätzlich mehrere low-Kreislauf, Multiskalensekundärströmung morpholo gien, die mit unentdeckt wurden Gleichung 69 und unthresholded Gleichung 70 . Eine Kombination dieser drei Metriken holistically Nebenstrom verwirbelte und Stamm dominierten Strukturen identifiziert.

    Abbildung 1
    Abbildung 1. Design, Fertigung und Montage von geraden und gebogenen Stents. (A) CAD - Modell gerade Stentkonfiguration eine Kombination von links und rechts drehen Helices verwenden. (B) CAD - Modell des gebogenen Stent - Konfiguration. (C) 3D - Drucker für die Herstellung der Stents verwendet. (D) und (E) Gerade und gebogene Stents nach 3D - Druck. (F) Stents in der Teststrecke 180 ° gekrümmten Arterie installiert.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Figur 2
    . Figur 2. Schematische Darstellung der Particle Image Velocimetry (PIV) -System Die folgenden Systemkomponenten sind angegeben: 1. Nd-YAG - Laser mit einer Laseroptik Blatt und 2. CCD - Kamera zu erzeugen , das durch die PIV-Datenerfassung gesteuert wird , Computer, 3. Pumpe Gerätesteuerungscomputer, der die Spannung-Zeit-Wellenform an die Pumpe und die Synchronisierung auslöst zur PIV-Datenerfassungscomputer, Raten physiologische Strömung erzeugt, geschlossen 5. Ein Schleifenabschnitt, 4. Programmierbarer Zahnradpumpe liefert, experimentelle Test Einlass- und Auslassrohre, 180 ° gekrümmten Arterie Meßstrecke und ein Reservoir für das Blut-Analog-Flüssigkeit. Kleines Bild: Verschiedene planare Querschnitte, wo PIV-Messungen sein kanngemacht. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Figur 3
    Figure 3. Experimentelle Anordnung von PIV-System mit dem Standort der Stentinstallation. (A) Die Anordnung des PIV - System auf dem optischen Tisch mit verschiedenen Systemkomponenten. (B) Schematische Darstellung der 180 ° gekrümmten Arterie Teststrecke mit den wichtigen Dimensionen, die Lage der geraden und gebogenen Stent, der von der "Typ IV" Stentfraktur und der Abstand zwischen den Bruchstentteile (d Raum) verkörpern. Bitte klicken Sie hier eine größere Version dieser Figur zu sehen.


    Abbildung 4. Die physiologische Wellenform durch die programmierbare Pumpe besitzt die Eigenschaften Features wie systolischen Peak zum Zeitpunkt t erzeugt / T = 0,19. (A) Durchfluss (ml / s) gemessen vor dem 180 ° gekrümmten Arterie Teststrecke über 20 Wellenformzyklen . (B) Durchfluss - Wellenform mit den Standardabweichungen bei verschiedenen Instanzen der Zeit gemessen über 20 Wellenformzyklen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Abbildung 5
    Abbildung 5. Reihenfolge der PIV - Messungen und die Detektion von Sekundärströmungsstrukturen in der 180 ° gekrümmten Arterie Testabschnitt. (A >) Erzeugung von Sekundärströmungsgeschwindigkeit Felddaten der PIV-Technik über die Synchronisation des Abzugs von der Pumpe Instrument Steuercomputer erzeugt werden. (B) Post-Processing - Sequenz , die Sekundärströmungsfelddaten unter Verwendung von die pixelig Bilder Behandlung (oder Matrizen) für Q- und λ ci -. Kriterien und Wavelet-transformierten vorticity (Ω ') Bitte hier klicken , um eine größere Version zu sehen diese Figur.

    Figur 6
    Abbildung 6. algorithmische Darstellung der kontinuierlichen Wavelet - Transformation Ansatz für die arterielle sekundäre Strömungsstruktur Erkennung Einschübe:. 2D-Ricker Wavelet bei einer willkürlichen Skala (ℓ), ein Beispiel für 2D - vorticity Feld, Shannon - Entropie Variation mit Wavelet - Skala (ℓ). com / files / ftp_upload / 51288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    7
    . Abbildung 7. Sekundärströmungsstrukturen in der 180 ° gekrümmten Arterie Teststrecke im 45 °, 90 °, 135 ° und 180 ° ebenen Stellen und Zeitpunkten, t / T = 0,23, 0,27, während der systolische Verzögerung Einschübe: Schematische Darstellung der Darstellung die Messstellen ein Vergleich der Q- und λ ci - Kriterien, und Wavelet-transformierten vorticity (Ω ') Datenfelder an jeder planaren Stellen und Instanzen während des systolischen Verzögerung Farbbalken Angabe der Wertebereich der von der Q- und λ ci erworben - Kriterien und Wavelet-transformierten vorticity (Ω ') Daten und deren Interpretation. pg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Parameter Gleichung Nr. initialisierten Wert Stent - Modell Kategorie Beschreibung
    θ = 360 n dreht t 1 n dreht = 4 Gerade; Gebogen Anzahl der Windungen der Wendel
    (n Umdrehungen)
    Tabelle 1 Gleichung 1 2 pitch = 22.225 mm pro Umdrehung Gerade; Gebogen Steigung der Wendel
    (Tonhöhe)
    Lage 1 Gleichung 2 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288tbl2.jpg "/> 3 D = 11,84 mm Gerade Nenndurchmesser des Stents
    (D)
    Tabelle 1 Gleichung 3 4 D = 11,84 mm Gerade Nenndurchmesser des Stents
    (D)
    Tabelle 1 Gleichung 5 5 pitch = 22.225 mm pro Umdrehung Gerade Steigung der Wendel
    (Tonhöhe)
    Länge des geraden Stent-Modell (z)
    Tabelle 1 Gleichung 6 6 l7.jpg "/> Gebogen Radius von 180 ° gebogen Arterienmodell
    R Bogen
    β = 180 t 7 β = 45 Gebogen Winkel, der durch den gekrümmten Stent an dem Krümmungsmittelpunkt
    d Draht - d Draht = 0,85 mm Gerade; Gebogen Der Durchmesser der Stentstrebe
    L gerade = z - L gerade = 88,9 mm Gerade Länge des geraden Stent-Modell

    Tabelle 1 Parametergleichungen der linken und rechten Helices und initialisiert Parameterwerte.

    mmer "> Chemische Lösungsmittel und Reagenzien Chemische Formel Dichte bei 20 ° C
    (g / cm 3)
    Brechungsindex Kinematische Viskosität
    (m 2 / sec) x 10 -6
    Bilden CAS Registry Nummer Natriumiodid Nal 3,67 1,7745 - kristallin 7681-82-5 Glycerol C 3 H 8 O 3 1,262 1,4746 ≈1115 ein Flüssigkeit 56-81-5 Entionisiertes Wasser H 2 O 1 1,333 1,002 Flüssigkeit - NatriumThiosulfat wasserfrei Na 2 O 3 S 2 1.01 - - Pulver 7772-98-7 eine Messung von Segur und Oberstar berichtet 16

    Tabelle 2. Beschreibung von chemischen Lösungsmitteln und Reagenzien bei der Erstellung der Blut-Analog - Lösung.

    Parameter Gleichung Nr. Beschreibung Empfohlene Laborgeräte
    Tabelle 3 Gleichung 100 8 Dichte von gesättigten Natriumiodidlösung (NaI) wird durch Messen der Masse des so berechnetenlösung und die in kleinen Mengen in ein 50 ml Becherglas gegeben Volumen. 1. Becherglas (50 ml)
    2. Waagen
    3. Abschluss oder Dosierpipette
    Tabelle 3 Gleichung 101 9 Volumen der gesamten Charge von gesättigten Natriumiodid-Lösung hergestellt 1. Becher mit gesättigter Nal-Lösung (2000 ml)
    2. Waage
    Tabelle 3 Gleichung 102 10 Das Gesamtvolumen des Blutes analoge Lösung nach dem volumetrischen Lösung Vorbereitung erwartet 1. Becher mit gesättigter Nal-Lösung (2000 ml) mit Glycerin und DI-Wasser zu mischen.
    2. Waage
    Tabelle 3 Gleichung 103 11 Gesamtvolumen von Glycerin zu gesättigten Natriumiodidlösung zuzugebenden 1. Becher mit gesättigter Nal-Lösung (2000 ml)
    2. Waage
    3. Becherglas (100 ml) Glycerin zu gesättigten NaI-Lösung zu übertragen
    Tabelle 3 Gleichung 104 12 Gesamtvolumen von DI-Wasser zu der Lösung von gesättigtem NaI und Glycerin zugesetzt werden, 1. Abschluss oder Dosierpipette DI-Wasser zu Lösung von gesättigten Nal und Glycerin zu übertragen

    Tabelle 3. Tabelle der Percentage-by-Volumenberechnungen für Blut-Analog - Lösung: 79% NaI, 20% Glycerin und 1% DI Wasser.

    PIV - System - Spezifikation Geometrie oder Kennwert Beschreibung
    Strömungsgeometrie Kreisquerschnitt parallel zum Lichtbogen Gebogene Arterie Teststrecke
    Maximum in der Ebene liegende Geschwindigkeit 0,16 m sec -1 Sekundärströmungsgeschwindigkeit Skala
    Bildgröße x 1.376 Pixel y 1.040 Pixel PIV-Kamera CCD-Array Größe
    Das Zeitintervall zwischen den Laserpulsen (At) 600 - 3200 & mgr; s Eingang in PIV Bildaufnahme-Software (DaVis 7.2)
    Endzahl von Vektoren x 86, y 65 Die Ausgabe von PIV Daten Nachbearbeitung (DaVis 7.2)

    Tabelle 4. Spezifikationen der zwei componhno, zweidimensionale (2C-2D) PIV-System.

    Supplement 1
    Ergänzenden Code - Datei 1. Erstellen der Maske. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.

    Ergänzung 2
    Ergänzenden Code - Datei 2. einen Beitrag Verarbeitungsroutine anlegen. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.

    Ergänzung 3
    Ergänzenden Code File . 3: MATLAB Codes Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.

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    Discussion

    Das Protokoll in diesem Papier beschreibt den Erwerb von High-Fidelity-experimentellen Daten Particle Image Velocimetry Technik (PIV) und kohärente Struktur Nachweisverfahren unter Verwendung, dh., Kontinuierliche Wavelet-Transformationen, Gleichung 1 , Geeignet für die Identifizierung von Wirbel und Strömungen schub dominiert. Analyse der experimentellen Daten von physiologischen Zuflüsse in Gegenwart eines idealisierten "Typ IV" fracture zeigt, dass sekundäre Strömungsstrukturen mit komplizierten hydrodynamischen Effekte wie Strömungsstruktur Asymmetrie und Variation in räumlich-zeitlichen Verteilungen, die nicht von der einfachen fluiddynamische Theorien vorhergesagt werden kann.

    Es gibt vier wichtige Schritte bei der Durchführung dieses Protokolls viz., (I) Konstruktion und Herstellung von Labormaßstab Stent Modelle, (ii) Herstellung eines Blut analogen Arbeitsflüssigkeit zusammengebracht mit kinematischen Viskosität von Blut und refracchungsindex des gekrümmten Arterienmodell, (iii) Nicht-invasive Versuchsanordnung (2C-2D-PIV) und (iv) Erweiterte kohärente Struktur Detektionsverfahren für Muster arteriellen Blutflusses zu identifizieren.

    Womersley Zahl ist ein dimensionsloser Parameter, der pulsierenden Fluss Frequenz viskosen Effekte 7 bezieht. Reynolds-Zahl bezieht Trägheitskräfte zu viskosen Strömungskräfte. Dean - Zahl bezieht zentripetalen Kräfte, die in Strömungs durch gekrümmte Rohre entstehen zu Trägheits- und Reibungskräfte 1, 2. Einzelheiten zur Skalierung der physiologischen Wellenform mit Womersley und Reynolds - Zahlen betreffen , sind in 5 dargestellt, 6. Der Zufluss Wellenform in dieser Studie verwendet wurde , rekonstruiert aus archetypischen Durchflussmessungen A. carotis (gemittelt) von 17 bis 20 gesunden Patienten durch Holdworth et al. 15. Die Rohre der gekrümmten Arterie Testabschnitt führen, sind lang genug, um den Fluss zu ermöglichen, vollständig so entwickelt werden, dass die pulsierenden Fluss Bedingen am Einlass zu dem Abschnitt gekrümmten Arterie Test sind in Phase mit der Pumpe (3a, 3b und 4a). Wiederholbarkeit der gelieferten physiologischen Wellenform , indem axiale PIV Messungen der Fließgeschwindigkeit und Massengeschwindigkeit stromaufwärts zum Modell Arterie mit einem 2C-2D - PIV - System (siehe Abb. 4b) sichergestellt wurde.

    Die hydrodynamischen Impulse aus arteriellen Hämodynamik zu den oben genannten klinischen Komplikationen sind nicht gut bekannt. Physiologische Ströme beteiligt Stent und Stentfrakturen darstellen Komplexitäten für in vivo und in vitro - Messungen. Das Protokoll hier vorgestellten kann die Einhaltung in den Rohren so modifiziert werden, um den Einfluss der arteriellen Sekundärströmungsstrukturen unter nicht idealen und realistischere-Flow-Szenarien zu untersuchen. Solche Experimente werden zusätzliche Herausforderungen in der Mess- und Nachverarbeitung von Daten darstellen. Die Verwendung von Stereo- oder tomographischen-PIV-Techniken, der fähig Mapping dreidimensionalen velocity Felder können unser Verständnis der Dynamik von sekundären Strömungsstrukturen erheblich verbessern.

    Die Grenzen der Versuchsanordnung liegen in der mangel Auflösung in der wandnahen (Modell-artery lumen) Regionen und das Fehlen optischer Zugang zu dem Blutfluss in den Stents implantierte Bereiche. Diese Einschränkungen stellen jedoch elegante Erweiterungen des Protokolls vorgestellt. Die Verwendung von optisch klaren Material für 3D-Druck von Stents, realistisch und patientenspezifische arteriellen Geometrien würde einen beispiellosen Zugang zu Hämodynamik von Stent-Implantaten und gebrochen-Stents zu ermöglichen.

    Eine erweiterte Ergebnis des bezieht präsentiert Protokoll hier auf die Auswahl der "besten" Wavelet-Skala für eine kohärente Struktur Erkennung. Die Schritte 5.6.3 - 5.6.7 sind eine vorgeschlagene Lösung für das Problem der "besten" Wavelet-Skala (oder Basisfunktion) in kohärenten Strukturerkennung. Die Autoren fanden, dass folgende Schritte 5.6.3 - 5.6.7 Entschlossenheitd alle großen zusammenhängenden Strukturen und zusätzlich erfasst kleineren Maßstab kohärente Strukturen, die bisher Experimente in gekrümmten Arterienmodell unentdeckt waren. Die Autoren schlagen vor, Ref. 34, 35, wobei Shannon Entropie verwendet, um die "beste" -Basis in einer diskreten Wavelet-Paket-Transformation (DWPT) -Algorithmus in Richtung Erfassung kohärenter Strukturen in einem turbulenten Strömungsexperiment zu bewerten. Für weitere Informationen über die zu einem kontinuierlichen Wavelet Bezug Ansatz Transformationsalgorithmus, schlagen die Autoren Ref. 5, 6, 35 und die darin zitierten Referenzen.

    Die Inzidenz von Frakturen bei Stent-Implantate und die gleichzeitige Strömungsstörungen führen in sekundären Strömungsstrukturen mit komplexen, multi-Skala Morphologien und unterschiedlicher Größe-Festigkeitseigenschaften. Bedeutung der Methoden wie Particle Image Velocimetry (PIV) in Kombination mit kohärenten Strukturerkennung insbesondere Wavelet-Transformationen ermöglicht Auflösung von Multi-Skalen- und Multi-Stärke NEBENTy Strömungsstrukturen unter Stents und Stent-Bruch-induzierte-Flow-Szenarien. Das Protokoll vorgestellt ebnet hier den Weg zur Untersuchung medizinischer Komplikationen wie in-Stent - Restenose (ISR), Stent - Thrombose und Aneurysmabildung 8, 11 bis 14 aufgrund von Sekundärströmungen. Zusätzlich dazu neigen, die Bewegung und die Belichtungszeit von hämatogenen Partikel wie Thrombozyten Sekundärströmung vortical Muster angetroffen in den Kernregionen zu beeinflussen, so dass sie zur Aktivierung in Richtung Thrombose sensibilisieren. Der Stamm dominierten in der Nähe von Wand (Lumen) Sekundärströmungsstrukturen letztlich Wandschubspannung beeinflussen, die in engem Zusammenhang mit der Atherogenese zusammenhängt, vor allem im arteriellen Krümmungen.

    . Die Analyseverfahren Sekundärströmung (vortical) Strukturen sind kompliziert und erfordern Navier-Stokes - Gleichungen in toroidalen Koordinaten und asymptotisch Theorien 1 vorherzusagen - 3, 7 Eine Kombination von Experimenten und höherer Ordnung analytischen Methoden neue Erkenntnisse fördern wird indie Hämodynamik von gekrümmten Arterien anfällig für verschiedene Herz-Kreislauf-Erkrankungen und klinische Komplikation im Zusammenhang mit Stentimplantationen und Stent-Frakturen.

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    Disclosures

    Keine Interessenkonflikte erklärt.

    Acknowledgments

    Die Autoren danken für die Unterstützung von NSF Zuschuss CBET-0909678 und Finanzierung von der GW-Zentrum für Bionik und Bioinspirierte Engineering (COBRE). Wir danken den Studenten, Herr Christopher Popma, Frau Leanne Penna, Frau Shannon Callahan, Herr Shadman Hussain, Herr Mohammed R. NAJJARI und Frau Jessica Hinke um Hilfe im Labor und Herr Mathieu Barraja für die Unterstützung in CAD-Zeichnungen.

    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).
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    Bioengineering Heft 113 Typ-IV-Stent Ausfälle Atherosclerosis Sekundärströmungsstrukturen Coherent Strukturerkennung Q - Kriterium λ kontinuierliche Wavelet-Transformationen Shannon-Entropie
    Experimentelle Untersuchung von Sekundärströmungsstrukturen hinter einem Modell Typ IV Stent Failure in einem 180 ° Curved Artery Test Sektion
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    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).

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