血流动力学的粒子图像测速法研究 通过 主动脉模型

摘要

本方案描述了用于研究通过窦部的血流的粒子图像测速（PIV）测量方法 体外 经导管主动脉瓣（TAV）的置入设置。同时测定基于速度的血流动力学参数。

摘要

最近有报道称，经导管主动脉瓣植入术（TAVI）患者可出现主动脉瓣功能障碍和卒中。人们怀疑这与血流动力学改变导致主动脉窦和新生窦内形成血栓有关。体外实验有助于研究那些在体内评估受限情况下的血流动力学特征。此外，体外实验具有更高的稳健性，且变量参数易于控制。粒子图像测速技术（PIV）是体外研究中常用的测速方法，可提供高分辨率的速度场，从而能够观察到小尺度的流动特征。本研究旨在展示如何利用PIV技术研究TAVI术后主动脉窦内的流场。文中描述了用于PIV实验的主动脉模型体外装置、TAVI操作流程、数据采集过程以及后续的流动分析方法。研究中提取了包括速度、血流停滞、涡旋、涡量及粒子停留时间在内的多种血流动力学参数。结果证实，体外实验结合PIV技术有助于深入探究主动脉窦内的血流动力学特征。

引言

主动脉瓣狭窄是老年人群中一种常见疾病，其特征是主动脉瓣无法正常开放，导致血流减少。该病症由主动脉瓣增厚或钙化引起¹。因此，改善血流并减轻心脏负荷是必要的治疗措施。治疗方式包括对主动脉瓣进行重塑或以人工瓣膜替换。本研究聚焦于经导管主动脉瓣植入术（TAVI），即通过导管将功能异常的主动脉瓣替换为人工瓣膜。

对于手术风险较高的患者，经导管主动脉瓣植入术（TAVI）已被推荐使用，且其死亡率也较低²。最近有报道称，TAVI术后患者发生血栓，导致瓣膜功能障碍和卒中^3,4。主动脉窦和新生窦内可能存在血栓，其原因可能是TAVI引起血流动力学改变所致。TAVI术保留了患者原有的瓣叶组织，这些残留瓣叶可能干扰窦部血流，从而增加血栓形成的风险⁵。

确定经导管主动脉瓣植入术（TAVI）如何影响血流以及如何在患者体内诱发血栓形成具有较大难度。阐明血流与血栓形成之间的 体内 关系具有重要意义。然而，由于缺乏可用于测量血流的实用技术，这一研究面临挑战。相比之下，体外 技术具有优势，可通过限制需研究的参数来监测血流变化。体外 实验装置结合粒子....

方案

1. 体外 设置

1. 在光学平台上准备实验装置，包括活塞泵、数据采集设备（DAQ）以及配备所需系统工程软件和电机控制软件的计算机（参见 材料表) (图1).
   注意：活塞泵已预先测试并校准，由电机、电机驱动器和直线执行器组成⁹.
2. 将包含流量信息的电子表格文件导入系统工程软件。
   注意：例如，心率为60次/分钟，最大流量为20升/分钟，心输出量为4.8升/分钟，每搏输出量为70毫升。
3. 在系统工程软件中设置参数，例如DAQ输入和输出通道；采样时钟为1,000，反馈迭代为10。
4. 在电机控制软件中设置参数：丝杠长度为10 mm，模拟输入和输出为14.5 mm/电压。
5. 将止回阀和节流阀安装到储液罐上¹⁰.
   注意：单向阀作为系统入口连接至活塞泵，球阀作为系统出口连接至亚克力鼻窦模型。
6. 固定丙烯酸鼻窦模型（图2使用方形铝条将）固定到光学平台上。
   注意：丙烯酸鼻窦模型的尺寸在文中给出 表1.
7. 将压力表（~0-15 psi）安装至....

结果

速度场显示了不同的窦部血流结构，该结构取决于图4中瓣膜直径的变化。对于23 mm的经导管主动脉瓣（TAV），从收缩早期到收缩峰值期间，TAV与窦管交界（STJ）之间的速度高于0.05 m/s，此时瓣膜通过前向射流开启。在收缩晚期，高速区域则集中在支架附近的狭窄范围内。舒张期速度低于0.025 m/s，并出现两个低速涡流。对于26 mm的TAV，当瓣膜开启时，在STJ处测得高速血流；除收缩早期外，窦部内的速度分布均低于0.05 m/s。特别是，在收缩晚期的速度低于其他时相。舒张期时，在原生瓣叶上方可观察到一个呈椭圆形的单向涡流。

通过速度导出的血流动力学参数如图5和表2所示。在TAV（23 mm）中的峰值速度高于TAV（26 mm）。除向前射流进入窦部外，窦内可见血流停滞现象。TAV（23 mm）中形成的停滞区域较广，但停滞所占比例较低。舒张期的涡流和涡量在速度场中未得到明确证实。对于TAV（23 mm），在原生瓣叶上方和下方均观察.......

讨论

由于TAVI术后窦部几何结构的不同，窦部血流发生了改变。主动脉瓣开启与收缩期前向射流的相互作用形成了涡流²²。在一项关于无原生瓣叶的人工外科瓣膜的研究中，收缩期在窦部区域观察到的涡流属于正常现象²³。本研究则发现，在舒张期，前向射流减少并进入窦部，从而形成了涡流。窦部血流遇到原生瓣叶后，在瓣叶下方顺时针分流，在瓣叶上方逆时针分流。这表明，TAVI术后的患者与无血栓形成的健康个体存在差异。因此，TAVI术后窦部血流发生改变，可能影响窦部血栓的形成。

血栓形成是由于红细胞受到剪切应力、滞流以及支架等外部物质（如TAV²⁴）的作用而被破坏所致。本研究考虑了由滞流引起的血栓形成，该现象通过血流动力学参数（如流动停滞和粒子停留时间）得以证实。天然瓣叶在物理上阻碍了窦部血流，并限制了窦部区域的范围。靠近瓣环处的窦部血流变得更加受限，从而加剧了血流停滞。在粒子停留方面，位于天然瓣叶上方的粒子迅速离开该区域，而位于下方的粒子则无法快速排出。红细胞在窦部聚集.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印机	Prusa Research		Original Prusa i3 MK2；FDM 打印机
铝制方条	APSPRO	KHP-3030, KHP-6060	尺寸：30 mm × 30 mm，60 mm × 60 mm
球囊泵	Skyhope		MHL-1
相机控制软件	Phantom	PCC 3.4 软件	该软件用于控制高速相机
单向阀	HANJU STEEL PIPE		单向阀；1/2 英寸（15A）
数据采集设备	National Instruments		USB-6001
甘油	ANU Korea		用于配制工作流体
高速相机	Phantom		Phantom VEO 710E-L
激光器	长春新产业光电技术		MGL-W-532；连续波 Nd:YAG 激光器
直线执行器	THOMSON		PC-40；将旋转运动转换为直线运动
微距镜头	Nikon		VR Micro-NIKKOR 105mm，f/2.8 G
电机	KOLLMORGEN		AKM33H-ANCNR-00；直流伺服电机
电机控制软件	KOLLMORGEN		Kollmorgen 软件；用于控制电机驱动器
电机驱动器	KOLLMORGEN		AKD-B00606-NBAN-0000
开源电子原型平台	Arduino	A000066	Arduino Uno R3。用于生成外部触发信号
光学平台	SMTECH		1800（宽）× 900（深）× 800（高）
示踪粒子	Dantec Dynamics	80A6011	中空玻璃微球。平均直径：10 µm，密度：1090 kg/m3
PIVlab	PIVlab		基于 MATLAB 的开源算法 https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui
压力表	OMEGA		PX309-015A5V。测量范围：0~15 psi
折射仪	ATAGO	2350	R-5000。手持式折射仪；测量范围：1.333–1.520
阻力阀	HANJU STEEL PIPE		球阀；1/2 英寸（15A）
生理盐水	DAI HAN PHARM		用于配制工作流体以及保存经导管主动脉瓣（TAV）
硅胶软管	HSW		内径 26 mm，外径 30 mm；入口段长度 5 m，出口段长度 1.5 m
系统工程软件	National Instruments		LabVIEW 软件。该软件用于控制数据采集设备（DAQ）
经导管主动脉瓣（TAV）（23 mm）和 TAV（26 mm）	Edwards Lifesciences		SAPIEN3 23 mm，SAPIEN3 26 mm。由首尔峨山医学中心提供支持
粘度计	Brookfield		DVELV；测量范围：1–2×109 cp