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方法文章

血流动力学的粒子图像测速法研究 通过 主动脉模型

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DOI：

10.3791/63492

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2022年2月25日

 , 
1Interdisciplinary Program in Biohealth-Machinery Convergence Engineering, Kangwon National University

本文内容

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 实验装置结合粒子图像测速技术（PIV）已广泛应用于医学领域以测定流速6,7,8。因此，通过模拟患者的心率与血压、血液黏度及窦部几何结构等条件，并对这些参数进行精确控制，体外 实验与PIV技术足以确定需要报告的各项参数。

在本研究中， 体外 建立实验装置并采用粒子图像测速技术（PIV）研究经导管主动脉瓣植入术（TAVI）后主动脉窦内的血流情况。本方案详细描述了用于PIV实验的主动脉模型、TAVI操作、数据采集过程以及后续的血流分析流程。从中提取多种血流动力学参数，包括流速、血流停滞、涡流、涡量及粒子停留时间。结果表明 体外 设置和PIV帮助研究主动脉窦内的血流动力学特征。

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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）安装至亚克力鼻窦模型的压力接口，以接收来自另一台计算机的压力信号。
    注意：压力测孔位于窦管交界处（STJ）远端140 mm处。
  8. 通过混合生理盐水和甘油来配制工作液（参见 材料表60:40 的质量比。
    注意：使用粘度计和折光仪测量工作流体的粘度和折射率。粘度约为 4 cp，折射率为 1.45，密度为 1,100 kg/m³。3.
  9. 将储液器、活塞泵和丙烯酸鼻窦模型用硅胶管连接（参见 材料表).
  10. 经导管主动脉瓣（TAV）的绑扎（参见 材料表) 与由3D打印机打印并带有螺纹的天然小叶瓣片11.
  11. 将固定的TAV与丙烯酸窦模型上的天然小叶结合。
    注意：此处使用的经导管主动脉瓣（TAV，商业获得）直径分别为23 mm和26 mm，高度分别为18 mm和20 mm12对于TAV（23 mm），植入深度和自体瓣叶长度分别为1.8 mm和9 mm；对于TAV（26 mm），分别为2.0 mm和10 mm。考虑到患者的瓣环尺寸，自体瓣叶的内径为21 mm。
    警告：若未保存在生理盐水中，TAV 会变干。即使在与天然瓣叶缝合后，仍需保持其处于液体环境中。
  12. 将工作液（步骤1.8）注入 体外 系统
    ​注意：避免在丙烯酸鼻窦模型中产生气泡，因为这会影响PIV结果。

2. PIV 实验装置

  1. 将激光器安装在另一个光学平台和一维导轨上。
    注意：该激光器为连续波 Nd:YAG 激光器，发射波长为 532 nm 的光，输出功率最高可达 10 W（参见材料表）。激光片经过光学元件后，距离亚克力鼻窦模型 1 m。
  2. 将高速相机安装在二维平移台上，并移动平移台。
    警告：高速相机需垂直于激光片和平面亚克力鼻窦模型。
  3. 为高速相机安装镜头。
    注意：安装在高速相机上的微距镜头焦距为 105 mm，光圈为 f/2.8。
  4. 在储液池中加入示踪粒子（参见材料表）。
    注意：该粒子为中空玻璃微球，平均直径为 10 µm，密度为 1,090 kg/m3。储液池为矩形结构，内部宽度、长度和高度分别为 23 cm、23 cm 和 35 cm。上部设有固定孔。盖子也设有固定孔和螺纹孔，用于安装球囊泵以施加压力。
  5. 使用开源电子原型平台 Arduino 编程设置外部触发信号（参见材料表）。
    注意：当活塞泵移动至预设距离时，Arduino 输出信号变为 1，并传输至高速相机作为拍摄触发信号。
  6. 运行相机控制软件（参见材料表），点击当前会话参考（CSR），并取下镜头盖。
  7. 开启激光器，将其功率设置为 7 W，并将激光片对准 TAV 的中心位置。
  8. 拍摄一张快照，检查示踪粒子的密度和直径。
    注意：为减少误差，需确认每个 interrogation window（ interrogation 区域）内有约 8–10 个粒子，粒子直径为 2–4 像素13。
  9. 在相机控制软件中设置参数，包括分辨率（1280 × 720）、随机帧率，以及根据随机帧率将曝光时间设为最大值。
  10. 首先点击电机控制软件中的启用按钮，然后点击系统工程软件中的启动按钮，以运行活塞泵。
  11. 拍摄图像，并检查粒子的最大位移是否小于 4–6 像素。
    注意：本研究中 interrogation window 的大小对应于 16 像素的矢量间距，即 50% 重叠率。interrogation window 内粒子的最大位移应限制在 8 像素以内。
  12. 重复步骤 2.11，通过调节每秒帧数（fps）确保最大粒子位移处于该范围内：若超过 6 像素则提高帧率，若低于 4 像素则降低帧率。

3. 血流动力学研究

  1. 检查亚克力鼻窦模型连接部位是否存在泄漏，或硅胶管是否发生折叠。
  2. 将存储了流量和 bpm 信息的 Excel 文件导入系统工程软件。
    注意：例如，心率为 60 bpm，最大流量为 20 L/min，心输出量为 4.8 L/min，每搏输出量为 70 mL（图 3A）。
  3. 确认系统工程软件参数，例如数据采集设备（DAQ）的输入和输出通道。采样时钟为 1,000，反馈迭代次数为 10。
  4. 确认电机控制软件参数，例如丝杠长度为 10 mm，模拟输入和输出为 14.5 mm/电压。
  5. 打开高速相机，并运行相机控制软件。
  6. 点击 CSR 并取下镜头盖。
  7. 设置相机控制软件参数，例如分辨率为 1280 x 720，帧速率为 300 fps，爆拍周期为 200 µs 和 150 µs，爆拍次数为 3，曝光时间（由爆拍周期强制设定）。
  8. 打开激光器，将其功率设置为 7 W，并将激光片光定位在 TAV 中心位置。通过调节镜头聚焦于激光片光平面。
  9. 调节储液罐的压力。
    注意：在活塞泵运行期间，瓣膜后平均压力为 100 mmHg（图 3B、C）。
  10. 首先点击电机控制软件中的 Enable 按钮，然后点击系统工程软件中的 Start 按钮，以启动活塞泵。
  11. 等待流量稳定。
    注意：流量根据活塞泵信号的差值进行计算，并执行负反馈调节，因此需要一定时间才能达到稳定状态。
  12. 检查 Arduino 串口绘图器中触发信号是否正常工作。
  13. 连续采集 14 个周期的粒子图像，并重复总共七次。
    ​注意：高速相机的存储容量与分辨率及粒子图像数量相关。根据步骤 3.7 设置的参数，每次仅能拍摄 14 个周期的图像。

4. 数据处理

  1. 使用相机控制软件将 .cine 文件转换为 .tiff 文件。
  2. 计算所有粒子图像在时间上的平均图像。通过减去平均图像来去除壁面或 TAV 处激光反射所对应的区域14。
  3. 通过划分待分析区域与需舍弃区域来生成掩膜。
    注意：本研究中使用了两个掩膜，一个用于单独分析窦部区域，另一个用于分析包含 STJ 之后区域的整个区域。
  4. 使用基于 MATLAB 的开源工具 PIVlab 进行 PIV 分析15（参见材料表）。
    1. 导入通过时间分辨法或成对法保存的粒子图像。
    2. 执行对比度受限的自适应直方图均衡化（CLAHE）16。
      注意：CLAHE 是一种图像预处理方法，通过重新分配粒子图像的对比度，使激光反射出粒子强度的增减变化。粒子图像被划分为 20 像素大小的窗口进行处理。
    3. 导入掩膜并将其应用于所有粒子图像。
    4. 设置多级查询窗口。
      注意：查询窗口从 64 × 64 逐步减小至 32 × 32，重叠率为 50%。两个矢量之间的距离对应 16 像素。
    5. 对通过快速傅里叶变换（FFT）13 转换到频域的粒子图像对执行互相关运算13。
    6. 在互相关结果中使用 2 × 3 高斯拟合方法寻找峰值。
      注意：高斯拟合中选定的峰值决定了粒子的位移距离。
  5. 执行平滑处理，包括以下步骤：
    1. 使用 MATLAB 内置的 "isoutlier" 函数将异常值替换为 "NaN"。
    2. 使用 MATLAB 中的 "inpaint_nans" 函数对 NaN 值进行插值修复15。
    3. 根据帧率和爆发周期，将单位从 "pixel/frame" 转换为 "m/s"。
      注意：该转换与由帧率和爆发周期决定的时间间隔相关。具体而言，时间分辨法的系数由帧率决定，而成对法的系数由爆发周期决定。
    4. 使用加权因子合并成对法与时间分辨法的结果。
      注意：加权因子取决于速度大小，在每一区域中总和为 1。当速度大小超过某一阈值时，成对法的权重高于时间分辨法。
    5. 使用 0.59 的平滑因子，运行基于 DCT-PLS 的 "smoothn" 函数15,17。
      ​注意："smoothn" 和 "inpaint_nans" 函数均包含在 PIVlab 中。

5. 数据分析

  1. 将PIV数据导入MATLAB。
  2. 提取 "u" 和 "v" PIV 数据中的分量。
  3. 计算速度场18 （公式 1， 补充文件 1).
  4. 使用自研代码和内置函数推导血流动力学参数19.
    1. 使用 MATLAB 内置函数推导涡量 "卷曲"18 （公式 2， 补充文件 1).
    2. 使用内部代码推导静止状态20 （公式 3， 补充文件 1).
    3. 使用自编代码推导 Γ121 （公式 4， 补充文件 1).
    4. 使用自编代码推导颗粒停留时间19 （公式 5， 补充文件 1).
  5. 计算血流动力学参数的平均值和标准差（表 2).
    注意：峰值速度、涡量 Γ1 和停滞时间共计算了 98 个周期。通过指数拟合粒子停留百分比获得衰减曲线。每 14 个周期设为一组数据，共计算七次，取平均值和标准差。

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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...

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由韩国国家研究基金会的基础科学研究中心项目资助，该项目由韩国教育部资助（NRF-2021R1I1A3040346 和 NRF-2020R1A4A1019475）。本研究还获得了江原国立大学2018年度研究基金（PoINT）的支持。

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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 ResearchOriginal Prusa i3 MK2；FDM 打印机
铝制方条APSPROKHP-3030, KHP-6060尺寸：30 mm × 30 mm，60 mm × 60 mm
球囊泵SkyhopeMHL-1
相机控制软件PhantomPCC 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 InstrumentsUSB-6001
甘油ANU Korea用于配制工作流体
高速相机PhantomPhantom 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THOMSONPC-40；将旋转运动转换为直线运动
微距镜头NikonVR Micro-NIKKOR 105mm，f/2.8 G
电机KOLLMORGENAKM33H-ANCNR-00；直流伺服电机
电机控制软件KOLLMORGENKollmorgen 软件；用于控制电机驱动器
电机驱动器KOLLMORGENAKD-B00606-NBAN-0000
开源电子原型平台ArduinoA000066Arduino Uno R3。用于生成外部触发信号
光学平台SMTECH1800（宽）× 900（深）× 800（高）
示踪粒子Dantec Dynamics80A6011中空玻璃微球。平均直径：10 µm，密度：1090 kg/m3
PIVlabPIVlab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OMEGAPX309-015A5V。测量范围：0~15 psi
折射仪ATAGO2350R-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 InstrumentsLabVIEW 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 LifesciencesSAPIEN3 23 mm，SAPIEN3 26 mm。由首尔峨山医学中心提供支持
粘度计BrookfieldDVELV；测量范围：1–2×109 cp

参考文献

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