180°弯曲动脉测试段中IV型支架失效模型下游二次流动结构的实验研究

摘要

在狭窄的动脉弯曲处植入支架后，容易发生涉及支架完全横向断裂及断裂部分线性位移的“IV型”失效。本文介绍了一种用于检测临床相关“IV型”支架失效下游弯曲动脉模型中二次流（涡旋）结构的实验方案。

摘要

人体血管系统中的动脉网络由普遍存在的、具有复杂几何结构（如分支、弯曲和扭曲）的血管组成。次级流动结构是由于离心力、逆向压力梯度和入口流动特性的共同作用而在弯曲动脉中出现的涡旋流动模式。这类流动形态受到生理流入条件的脉动性及多种谐波成分的显著影响，其在尺寸、强度和形状特征上与非生理条件（稳态和振荡流动）下的流动存在显著差异^{1 - 7}。

次级流动结构最终可能影响血流中颗粒物对血管壁剪切应力的暴露时间，从而促进动脉粥样硬化、再狭窄、血小板敏化及血栓形成^{4 - 6, 8 - 13}。因此，在实验室可控条件下检测并表征这些结构的能力，是开展进一步临床研究的前提。

动脉粥样硬化的一种常见外科治疗方法是支架植入术，用于扩张狭窄的动脉，以恢复无阻碍的血流。然而，支架植入所伴随的血流扰动会导致多尺度的次级血流形态^{4 - 6}。与未受扰动血流相比，后续的支架失效可能引发更高阶的复杂性，例如不对称性和流动相干性的丧失⁵。这些支架失效已根据失效机制和临床严重程度被分类为"Ⅰ至Ⅳ型"¹⁴。

本研究提出了一种用于实验研究弯曲动脉模型中因支架完全横向断裂及断裂部分线性移位（"IV型"）所引起的复杂次生流动结构的实验方案。该实验方法采用粒子图像测速技术（2C-2D PIV），结合典型的颈动脉入口流波形，并使用折射率匹配的血液模拟工作流体进行相位平均测量^{15 - 18}。通过对实验PIV数据应用流动物理学概念、临界点理论以及一种新颖的小波变换算法，实现了对次生流动结构的定量识别^{5, 6, 19 - 26}。

引言

二次流结构是在具有曲率的内流几何形状（如弯曲管道和通道）中出现的涡旋流动模式。这些涡旋结构的产生是由于离心力、逆压梯度和入口流动特性的共同作用。通常情况下，在稳态流入条件下，二次流结构在弯曲管道的平面横截面中表现为对称的迪恩型涡旋；而在振荡流入条件下，则表现为对称的迪恩型和莱恩型涡旋^{1 - 3}。脉动性以及脉动性生理流入条件的多个谐波成分会显著影响二次流形态。与非生理性的流动（稳态和振荡流动）相比，这些结构在尺寸、强度和形状特征上表现出明显差异^{1 - 6}。动脉中动脉粥样硬化病变的发展受到低平均剪切区域中高频剪切振荡存在的影响^{27, 28}。二次流结构可能通过改变壁面剪切应力以及血液携带颗粒在壁面的暴露时间，影响动脉粥样硬化等疾病的发展进程，并可能介导脉动血流引起的内皮细胞响应。

动脉粥样硬化是一种由阻塞性病变导致动脉狭窄的并发症，其常见治疗方法是植入支架。支架断裂是指植入支架发生的结构性失效，可导致进一步的医学并发症，如支架内再狭窄（ISR）、支架内血栓形成和动脉瘤形成^{9 - 13}。支架断裂已被分为多种失效类型（I至IV型），其中“IV型”具有最高的临床严重性，定义为支架梁发生完全的横向断裂，并伴有支架碎片的线性移位¹⁴。本研究中所描述的实验方案，旨在可视化弯曲动脉模型中理想化“IV型”支架断裂下游的二次....

方案

1. 支架模型的设计与制备

注意：以下步骤已用于创建直形和弯曲支架的实验室规模模型。两种支架模型的安装将体现“IV型”骨折（支架断裂部分的碎裂和线性移位）。

注意：作者在研究期间使用 Pro/Engineer 软件创建支架几何结构的 CAD 模型。以下步骤为通用流程，可能不包含所用 CAD 软件特有的术语。也可使用其他可用的 CAD 软件包。后续步骤适用于作者在研究期间所使用的 CAD 软件，相关内容已根据制造商网站信息进行调整。有关作者所用快速成型设备的进一步说明，请参见材料清单。支架设计的参数方程及初始化数值见表 1，图 1D 和1E 为快速成型后直型和弯曲型支架模型的示例。

1. 通过在笛卡尔（X-Y-Z）坐标系中定义参数方程，并初始化左右螺旋线的参数，创建直型支架几何结构（表1）。
   1. 使用表1中所示的公式1、2、3和5，围绕一条直线基准线或z轴，在平面圆形阵列中生成一组10条等距排列的左旋螺旋线，初始化参数包括圈数
      (

结果

图 7A-D 中展示的结果是基于从图 3A 所示的二维双分量粒子图像测速系统（2C-2D PIV）获取的二次流速度数据经后处理后生成的（参见图 5, 6）。向带有理想化“IV 型”支架断裂的弯曲动脉测试段施加的流入条件为图 4B 所示的颈动脉波形。我们先前的研究已表明，在特定 Woemersey 数范围（ ^{4 - 6}）内，多种脉动流入波形的减速阶段对二次流结构具有敏感性。因此，图 7A-D 所示结果选取的时间点

讨论

本文所述方案介绍了利用粒子图像测速技术（PIV）和相干结构检测方法（例如连续小波变换、）获取高保真实验数据的方法，适用于识别涡流和以剪切为主导的流动。对理想化“IV型”骨折存在条件下生理流入的实验数据分析表明，存在具有复杂水动力效应的二次流动结构，例如流动结构的非对称性以及时空分布的变化，这些现象无法通过简单的流体动力学理论预测。

执行本方案有四个关键步骤，即：（i）实验室规模支架模型的设计与制备，（ii）配制与血液运动粘度及弯曲动脉模型折射率相匹配的血液模拟工作流体，（iii）非侵入式实验装置（二维双分量粒子图像测速技术，2C-2D PIV），以及（iv）用于识别动脉血流模式的先进相干结构检测方法。

沃默斯利数（Womer.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
丙烯酸管和片材	McMaster-Carr 供应公司		弯曲动脉测试段的进出口管道及材料
Object24 桌面式 3D 打印机	Stratasys		桌面型快速成型机。http://www.stratasys.com
VeroWhitePlus 不透明材料	Stratasys		Object24 桌面 3D 打印机的构建材料
Fullcure 705	Stratasys		适用于Object24桌面式3D打印机的无毒凝胶状光敏聚合物支撑材料
乌贝尔霍德黏度计	Cole Parmer	YO-98934-12	测量血液模拟流体运动粘度的方法
VELP scientifica - ESP 搅拌器	VELP Scientifica	F206A0179	磁力搅拌器
Ohaus Scout Pro SP 601	实验室用品公司	SP4001	电子天平
折射仪	Atago	PAL-RI	血液模拟液折射率测量方法研究
烧杯、移液管、注射器和刮勺	Sigma-Aldrich	CLS710110  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216	用于血液模拟液配制所需材料的处理
碘化钠	Sigma-Aldrich	383112-2.5KG	晶体
甘油	Sigma-Aldrich	G5516-1L	液体
去离子水	-	-	液体
无水硫代硫酸钠	Sigma-Aldrich	72049-250G	粉末
PIV 记录介质	LaVision	Imager Intense 10Hz	PIV 图像采集 CCD 相机
PIV 照明光源	新波研究公司	Solo III-15	PIV 激光光源，Nd:YAG 激光器，532 nm，双脉冲，70 mJ/脉冲
PIV 图像处理软件	LaVision	DaVis 7.2	PIV 数据采集与仪器控制
PIV示踪粒子材料	赛默飞世尔科技	Flouro-Max	红色荧光聚合物微球（≈ 7 µ微米）；干燥的染色聚苯乙烯（DVB）荧光微球在较短波长光照射下会发出明亮且清晰的颜色  比发射波长更短的波长。