微观粒子图像测速技术，微血液流动的速度剖面测量
April 25th, 2013
微观粒子图像测速（μPIV）是用来配对接种于血流量，给出一个准确的流速剖面互相关微颗粒的图像可视化。剪切速率下，最大速度，速度分布图的形状，和流速，每个都具有临床应用，可以是来自于这些测量。
该程序的总体目标是使用微粒 Image LOC 对称性测量血液溶液在微通道中的速度分布。这是通过首先在微通道中使用牛顿解校准系统来实现的，以设置比例、调整图像、定时并找到通道的中心平面。第二步是将血液溶液引入通道设置中，并确保没有微气泡。
接下来，使用来自脉冲相机的成对图像或来自高速相机的视频，在通道中的所需平面对血流进行成像。最后一步是在图像对或视频序列之间进行互相关，以获得通道内的位移矢量场。最终，可以在通道和测量时间范围内对位移矢量场进行平均，以获得指示性速度曲线。
此配置文件可以进一步分析或用于计算。这种方法可以回答生物医学和生物流体领域的关键问题，例如速度分布的形状和微血管壁的绝对速率。通常，这种方法的新手会遇到使用生物样品（如血液）所涉及的困难以及进行准确测量所涉及的复杂性。
第一步是在聚甲基 SUBOXANE 或 PDMS 中获得微通道。本实验中的微通道深约 50 微米，宽约 150 微米。暴露 PDMS 的流体接触侧和载玻片，载玻片将与含氧等离子体粘合 45 秒。
然后将它们牢牢地压在一起以实现永久粘合。在这个实验中，使用了新鲜收集的孔隙征血。准备时，将 0.5 克 EDTA 加入 2 毫升水中。
然后将溶液加入 1 升温热的全血中，轻轻搅拌 10 次，当血液处于室温时，使其冷却至室温。以 3000 RPM 的速度离心 50 mLL 血液样品 10 分钟。完成后，使用移液管去除血浆。
然后慢慢引入移液管以去除血沉棕黄层，以免在去除血沉棕黄层后将其重新混入血液中。在大约 20 毫升磷酸盐缓冲盐水或 PBS 中轻轻混合，重复离心，去除血浆和血沉棕黄层，再添加 PBS 两次。最后一次离心后，去除 PBS 和剩余的血沉棕黄层。
取清洁后的红细胞，以所需浓度悬浮在 PBS 或血浆中。这里的样本有 10% 的红细胞或血细胞比容为 10。然后以所需浓度向血样中加入 1 微米荧光示踪颗粒，在该系统中每 1 毫升血液中加入约 30 微升。
此外，此时，用去离子水和荧光颗粒制备校准溶液。该实验的数据是使用带有脉冲相机的 lavis 激光成像系统收集的。这与 ND YAG 激光器耦合。
在收集数据之前，请为激光工作采取所有必要的安全预防措施。使用此处尽可能小的注射器、50 微升和最短的管道量，将其连接到注射器系统，以制备微芯片。用胶水 PDMS 或凡士林将管道密封在芯片中的注射器上，以减少液体泄漏和进气。
小心避免液体可能受到污染 要首先校准系统，请使用校准溶液填充微量注射器。首先，在标准注射器中加入水和荧光颗粒的溶液。从微型注射器中取出柱塞。
使用标准注射器将校准溶液注入微通道的输出端。这将导致液体充满微型注射器并逸出其开口端。继续注入液体，直到微芯片管或微型注射器中没有微气泡。
要验证是否存在微气泡，请更换微型注射器柱塞并用显微镜检查系统。此处显示了微气泡的示例：当系统中没有微气泡时，拔下标准注射器的插头并用注射器替换它以收集流出。接下来，将装有校准液的微型注射器连接到注射泵上并调平泵。
所以管子是水平的。将注射泵编程为所需的流速。将微芯片放在倒置显微镜载物台上。
现在校准系统。首先，测量通道中心的速度分布。还要校准脉冲图像之间的时间。
粒子应在帧之间移动 5 到 10 个像素。为了获得良好的相关性，请小心在通道中间进行测量。校准完成后，取出微量注射器、柱塞和流出注射器，并用清水冲洗系统。
然后使用标准注射器将准备好的血液注入系统，将其注射到微通道的输出中。继续直到显微镜确认没有微气泡。然后更换微型注射器柱塞。
接下来，将装有血液的微型注射器放入注射泵中并调平。保持泵设置不变。将微芯片放在显微镜载物台上并启动泵。
开始收集数据以防止红细胞沉淀在注射器中，每 1 次或 2 次运行后重新填充。收集完所有数据后，图像如下所示。这是在 10% 红细胞浓度和每小时 10 微升流速下获得的原始数据。
顶部图像是第一个图像。底部图像是拍摄的 100 分之一秒。后。这些图像经过预处理，以在预处理后去除背景噪声。
图像之间的互相关是为了获得速度场。这是使用 10% 红细胞且流速为每小时 10 微升的系统获得速度曲线结果的示例。请注意，垂直轴是速度。
通过使用不同的相机和数据采集系统，可以拍摄高速图像。这对于可视化通道中的无像元层和量化聚集非常有用。这些图像是上图中含有 20% 红细胞的样品。
流速为每小时 1 微升，血细胞悬浮在 PBS 中，这会消除它们的聚集能力。在底部图像中。流速为每小时 0.5 微升，血细胞悬浮于天然血浆中。
在这种情况下，聚合是可见的。在尝试此过程时，请务必记住，在焦点上，清晰的图像将导致后续图像对之间的最佳相关性。观看此视频后，您应该更好地了解如何将微粒图像速度对称性应用于血液微流，尽管血液作为工作流体存在固有的困难。
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概述
本文讨论了使用微粒子图像测速法（μPIV）来测量微通道内血液流动的速度分布。该技术涉及成像血液溶液并分析生成的图像以推导出重要的流动特征。
关键研究组成部分
科学领域
- 流体动力学
- 生物医学工程
- 微流体学
背景
- 微粒子图像测速法（μPIV）是一种用于可视化流体流动的技术。
- 它在研究微通道内的血流特别有用。
- 了解血液流动动力学具有重要的临床意义。
- 准确的速度分布可以为医学诊断和治疗提供信息。
研究目的
- 测量微通道内血液溶液的速度分布。
- 从测量结果中推导剪切速率、最大速度和流量。
- 增强对受控环境中血液流动特性的理解。
使用的方法
- 使用牛顿溶液对系统进行校准。
- 将血液溶液引入微通道。
- 使用脉冲或高速相机的图像对成对图像进行成像以测量血液流动。
- 对图像对进行交叉相关以获得位移向量场。
主要结果
- 成功测量了血液流动的速度分布。
- 推导出关键的流动特性，如剪切速率和最大速度。
- 可视化了微通道内的流动动力学。
- 建立了一种在受控环境中分析血液流动的方法。
结论
- μPIV是一种用于研究微通道内血流的有效技术。
- 该方法为血流动力学提供了宝贵的见解。
- 研究结果在理解血液相关疾病方面具有潜在的临床应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Micro-particle image velocimetry (μPIV) enables quantitative velocity profiling of blood flows in microchannels, addressing the challenge of accurately characterizing non-Newtonian microcirculatory dynamics. This capability supports predictive confidence in early-stage target validation and informs risk-adjusted decisions for vascular and hematological model systems. μPIV-derived velocity data underpin translational continuity from discovery biology to preclinical assessment in biopharma R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of blood flow dynamics in physiologically relevant microenvironments.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying shear rate and velocity profiles in disease-relevant systems.
- Provides functional validation of microvascular targets through direct measurement of flow parameters.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated microfluidic systems for compound screening under controlled flow conditions.
- Delivers reproducible, quantitative velocity outputs for assay standardization and benchmarking.
- Enables reliable evaluation of candidate interventions on microvascular flow characteristics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro microchannel flow models with in vivo microcirculatory phenomena for translational biomarker development.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by providing quantitative flow metrics.
- Reduces biological risk by enabling predictive assessment of intervention effects on microvascular function.
Pipeline & Workflow Integration
μPIV-based velocity profiling integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing quantitative flow data for hypothesis testing, assay development, and translational modeling.
- Discovery Biology: Quantifies velocity and shear rate to clarify microvascular mechanisms and support target validation.
- Screening: Standardizes microfluidic assay conditions and enables reproducible compound evaluation.
- Analytics: Provides cross-correlated velocity fields and profile measurements for comparative analysis.
- Translational Research: Bridges in vitro and in vivo flow dynamics for biomarker and model alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for microvascular flow assessment across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in microvascular research.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable velocity measurements.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by de-risking early-stage models.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of vascular and hematological assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, imaging, and quantitative data analysis.
- Demands access to pulsed or high-speed cameras and laser imaging systems.
- Necessitates rigorous calibration and cross-team standardization for reproducibility.
- Must adapt protocols for different blood compositions and microchannel geometries.
- Accuracy depends on focal depth, particle concentration, and system compliance as detailed in the protocol.
