Name: 在180°弧形动脉试验段的二次流动结构下游的型号IV型支架失败的实验研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: 了解如何使用粒子图像测速法和相干结构检测技术，在弯曲动脉模型中检测IV型支架断裂后的二次流结构。该方法有助于深入理解心血管血流动力学中支架失效对血流模式的影响。

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作者感谢美国国家科学基金会（NSF）资助项目 CBET-0909678 以及乔治华盛顿大学仿生与生物启发工程中心（COBRE）提供的经费支持。我们感谢实验室中的学生 Christopher Popma 先生、Leanne Penna 女士、Shannon Callahan 女士、Shadman Hussain 先生、Mohammed R. Najjari 先生和 Jessica Hinke 女士提供的帮助，并感谢 Mathieu Barraja 先生在 CAD 绘图方面的协助。

<ol><li>Dean, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Note+on+the+motion+of+a+fluid+in+a+curved+pipe%5BTitle%5D)+AND+%22Phil+Mag%22%5BJournal%5D)">Note on the motion of a fluid in a curved pipe.</a> Phil Mag. 7, 208-223 (1927).</li>
<li>Dean, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+streamline+motion+of+a+fluid+in+a+curved+pipe%5BTitle%5D)+AND+%22Phil+Mag%22%5BJournal%5D)">The streamline motion of a fluid in a curved pipe.</a> Phil Mag. 7, 673-695 (1928).</li>
<li>Lyne, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unsteady+viscous+flow+in+a+curved+pipe%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid.+Mech%22%5BJournal%5D)">Unsteady viscous flow in a curved pipe.</a> J. Fluid. Mech. 45, part 1 13-31 (1970).</li>
<li>Glenn, A. L., Bulusu, K. V., Shu, F., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Secondary+flow+structures+under+stent-induced+perturbations+for+cardiovascular+flow+in+a+curved+artery+model%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Heat+Fluid+Fl%22%5BJournal%5D)">Secondary flow structures under stent-induced perturbations for cardiovascular flow in a curved artery model.</a> Int. J. Heat Fluid Fl. 35, 76-83 (2012).</li>
<li>Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Secondary+flow+morphologies+due+to+model+stent-induced+perturbations+in+a+180%C2%B0+curved+tube+during+systolic+deceleration%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Secondary flow morphologies due to model stent-induced perturbations in a 180° curved tube during systolic deceleration.</a> Exp. Fluids. 54, 1493(2013).</li>
<li>Bulusu, K. V., Hussain, S., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+secondary+flow+morphologies+by+wavelet+analysis+in+a+curved+artery+model+with+physiological+inflow%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Determination of secondary flow morphologies by wavelet analysis in a curved artery model with physiological inflow.</a> Exp. Fluids. 55, 1832(2014).</li>
<li>Womersley, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Method+for+the+calculation+of+velocity%2C+rate+of+flow+and+viscous+drag+in+arteries+when+the+pressure+gradient+is+known%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known.</a> J. Physiol. 127, 553-563 (1955).</li>
<li>Sheriff, J., Bluestein, D., Girdhar, G., Jesty, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-shear+stress+sensitizes+platelets+to+subsequent+low-shear+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">High-shear stress sensitizes platelets to subsequent low-shear conditions.</a> Ann. Biomed. Eng. 38 (4), 1442-1450 (2010).</li>
<li>Popma, J. J., Tiroch, K., Almonacid, A., Cohen, S., Kandzari, D. E., Leon, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+qualitative+and+quantitative+angiographic+analysis+of+stent+fracture+late+following+sirolimus-eluting+stent+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Cardiol%22%5BJournal%5D)">A qualitative and quantitative angiographic analysis of stent fracture late following sirolimus-eluting stent implantation.</a> Am. J. Cardiol. 103 (7), 923-929 (2009).</li>
<li>Kim, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fractured+sirolimus-eluting+stent+with+a+coronary+aneurysm%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Thorac.+Surg%22%5BJournal%5D)">A fractured sirolimus-eluting stent with a coronary aneurysm.</a> Ann. Thorac. Surg. 88, 664-665 (2009).</li>
<li>Adlakha, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stent+fracture+in+the+coronary+and+peripheral+arteries%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Interv.+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Stent fracture in the coronary and peripheral arteries.</a> J. Interv. Cardiol. 23 (4), 411-419 (2010).</li>
<li>Alexopoulos, D., Xanthopoulou, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coronary+stent+fracture%3A+How+frequent+it+is%3F+Does+it+matter%5BTitle%5D)+AND+%22Hellenic+J.+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Coronary stent fracture: How frequent it is? Does it matter.</a> Hellenic J. Cardiol. 52, 1-5 (2011).</li>
<li>Nair, R. N., Quadros, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coronary+stent+fracture%3A+A+review+of+the+literature%5BTitle%5D)+AND+%22Cardiac.+Cath.+Lab+Director%22%5BJournal%5D)">Coronary stent fracture: A review of the literature.</a> Cardiac. Cath. Lab Director. 1, 32-38 (2011).</li>
<li>Jaff, M., Dake, M., Popma, J., Ansel, G., Yoder, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standardized+evaluation+and+reporting+of+stent+fractures+in+clinical+trials+of+noncoronary+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Catheter+Cardiovasc.+Interv%22%5BJournal%5D)">Standardized evaluation and reporting of stent fractures in clinical trials of noncoronary devices.</a> Catheter Cardiovasc. Interv. 70, 460-462 (2007).</li>
<li>Holdsworth, D., Norley, C. J., Frayne, R., Steinman, D. A., Rutt, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+common+carotid+artery+blood-flow+waveforms+in+normal+human+subjects%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Meas%22%5BJournal%5D)">Characterization of common carotid artery blood-flow waveforms in normal human subjects.</a> Physiol. Meas. 20 (3), 219-240 (1999).</li>
<li>Deutsch, S., Tarbell, J. M., Manning, K. B., Rosenberg, G., Fontaine, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+fluid+mechanics+of+pulsatile+artificial+blood+pumps%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Experimental fluid mechanics of pulsatile artificial blood pumps.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 65-86 (2006).</li>
<li>Yousif, M. Y., Holdsworth, D. W., Poepping, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+blood-mimicking+fluid+for+particle+image+velocimetry+with+silicone+vascular+models%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">A blood-mimicking fluid for particle image velocimetry with silicone vascular models.</a> Exp. Fluids. 50, 769-774 (2011).</li>
<li>Budwig, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Refractive+index+matching+methods+for+liquid+flow+investigations%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Refractive index matching methods for liquid flow investigations.</a> Exp. Fluids. 17, 350-355 (1994).</li>
<li>Hunt, J. C. R., Wray, A. A., Moin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eddies%2C+stream%2C+and+convergence+zones+in+turbulent+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Center+for+Turbulence+Research%22%5BJournal%5D)">Eddies, stream, and convergence zones in turbulent flows.</a> Center for Turbulence Research. , Report CTR-S88 (1988).</li>
<li>Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+and+interpretation+of+instantaneous+turbulent+velocity+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields.</a> Exp. Fluids. 29, 275-290 (2000).</li>
<li>Chong, M., Perry, A. E., Cantwell, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+general+classification+of+three-dimensional+flow+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids+A%22%5BJournal%5D)">A general classification of three-dimensional flow fields.</a> Phys. Fluids A. 2 (5), 765-777 (1990).</li>
<li>Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanisms+for+generating+coherent+packets+of+hairpin+vortices+in+channel+flow%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow.</a> J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).</li>
<li>Haller, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+objective+definition+of+a+vortex%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">An objective definition of a vortex.</a> J. Fluid Mech. 525, 1-26 (2005).</li>
<li>Chakraborty, P., Balachander, S., Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+relationships+between+local+vortex+identification+schemes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">On the relationships between local vortex identification schemes.</a> J. Fluid Mech. 535, 189-214 (2005).</li>
<li>Wallace, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Twenty+years+of+experimental+and+direct+numerical+simulation+access+to+the+velocity+gradient+tensor%3A+What+have+we+learned+about+turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Twenty years of experimental and direct numerical simulation access to the velocity gradient tensor: What have we learned about turbulence.</a> Phys. Fluids. 21, 021301(2009).</li>
<li>Farge, M., Guezennec, Y., Ho, C. M., Meneveau, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+wavelet+analysis+of+coherent+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Center+for+Turbulence+Research%2C+Proceedings+of+the+Summer+Program%22%5BJournal%5D)">Continuous wavelet analysis of coherent structures.</a> Center for Turbulence Research, Proceedings of the Summer Program. , 331-348 (1990).</li>
<li>Himburg, H. A., Friedman, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correspondence+of+Low+Mean+Shear+and+High+Harmonic+Content+in+the+Porcine+Iliac+Arteries%5BTitle%5D)+AND+%22ASME+J.+Biomedical+Eng%22%5BJournal%5D)">Correspondence of Low Mean Shear and High Harmonic Content in the Porcine Iliac Arteries.</a> ASME J. Biomedical Eng. 128, 852-856 (2006).</li>
<li>Dai, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distinct+endothelial+phenotypes+evoked+by+arterial+waveforms+derived+from+atherosclerosis-susceptible+and+-resistant+regions+of+human+vasculature%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Distinct endothelial phenotypes evoked by arterial waveforms derived from atherosclerosis-susceptible and -resistant regions of human vasculature.</a> PNAS. 101 (41), 14871-14876 (2004).</li>
<li>Hanus, J., Zahora, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+and+comparison+of+mechanical+properties+of+nitinol+stents%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+Scripta%22%5BJournal%5D)">Measurement and comparison of mechanical properties of nitinol stents.</a> Physica Scripta. 118, 264-267 (2005).</li>
<li>Segur, J. B., Oberstar, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscosity+of+glycerol+and+its+aqueous+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem%22%5BJournal%5D)">Viscosity of glycerol and its aqueous solutions.</a> Ind. Eng. Chem. 43, 2117-2120 (1951).</li>
<li>Adrian, R. J., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAdrian%2C+RJ+%22Particle+image+velocimetry%22">Particle image velocimetry</a>. , Cambridge University Press. NY. (2011).</li>
<li>Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+image+velocimetry+-+A+practical+guide%2C+2nd+ed%22">Particle image velocimetry - A practical guide, 2nd ed</a>. , Springer. Berlin. (2007).</li>
<li>Moisy, F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMoisy%2C+F+%22PIVmat+3.01+software%22">PIVmat 3.01 software</a>. , Laboratoire FAST., University Paris Sud, University Pierre et Marie Curie. CNRS. 91405 Orsay Cedex, France. (2013).</li>
<li>Ruppert-Felsot, J. E., Praud, O., Sharon, E., Swinney, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extraction+of+coherent+structures+in+a+rotating+turbulent+flow+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment.</a> Physical Review E. 72, 016311(2005).</li>
<li>Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shannon+entropy-based+wavelet+transform+methods+for+autonomous+coherent+structure+identification+in+fluid+flow+field+data%5BTitle%5D)+AND+%22Entropy%22%5BJournal%5D)">Shannon entropy-based wavelet transform methods for autonomous coherent structure identification in fluid flow field data.</a> Entropy. 17 (10), 6617-6642 (2015).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

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、<img alt="Q 和 λ&lt;sub&gt;ci&lt;/sub&gt; 判据方程；适用于物理分析和优化方法。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 1">）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...

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流结构。
建议的实验方案具有以下四个关键特征：
实验室规模支架模型的设计与制备：支架的几何描述可与一组自膨胀螺旋结构（弹簧或螺旋线圈）相关联，这些螺旋结构由 Nitinol（镍钛合金）丝相互缠绕而成29。支架的长度及其杆径取决于临床植入过程中所遇到动脉病变的尺度5。通过调节杆径以及螺旋上升高度（即螺距）的参数变化，可获得多种几何构型的支架。用于3D打印的支架设计参数汇总见表1。
配制与血液运动粘度及测试段折射率相匹配的血液模拟工作流体：为了进行无创速度测量，需要对弯曲动脉测试段实现光学通路。因此，使用一种具有血管模型折射率且动力粘度与人体血液相匹配的理想牛顿型血液模拟工作流体，以获得准确的血流测量结果16 - 18, 30。本研究中所使用的工作流体由Deutsch et al.（2006）报道，其组成为79%饱和水溶液碘化钠（NaI）、20%纯甘油和1%水（按体积计）16。
利用二维双分量粒子图像测速技术（2C-2D PIV）检测相干二次流结构的实验装置：实验设计旨在获取理想化的“IV型”支架断裂5, 6, 9, 14处由直段与弯曲支架段组合后下游多个平面横截面上的相位平均二次流速度数据。采用粒子图像测速技术（PIV）获取二次流速度场的实验步骤，涉及一套PIV系统，该系统包括激光（片光源）源、用于聚焦和照亮流场区域的光学元件、一种特殊的互相关电荷耦合器件（CCD传感器或相机），以及在短时间内（Δt；见表4）被光片照亮的示踪粒子31, 32。
本方案中的步骤基于以下假设：首先，采用经过校准的双组分二维（2C-2D）粒子图像测速（PIV）系统，该系统通过双帧单次曝光记录方式对图像进行评估。其次，该2C-2D PIV系统通过对每次记录中获取的两幅图像帧进行互相关运算，计算示踪粒子的平均位移。PIV系统的相关技术参数及图像采集软件的简要说明见材料与设备表。第三，经过培训的实验室人员须依照所在机构提供的安全指南，严格遵守操作激光器所需的所有安全预防措施。作者建议参考文献31和32，以全面了解PIV技术在空气动力学、水动力学及微流体动力学中的实施、功能与应用，互相关峰值检测与位移估算方法，示踪粒子的材料与密度选择，以及测量噪声与精度等问题。另请注意，激光器和相机可由PIV数据采集计算机（图3A）及数据处理软件进行控制。
相干结构检测的数据采集与后处理： 使用以下所述方案，通过2C-2D粒子图像测速（PIV）技术获取相位平均的二次流速度测量数据。数据的后处理采用以下三种方法进行相干二次流结构的检测：连续小波变换、<img alt="Q 和 λ&lt;sub&gt;ci&lt;/sub&gt; 判据方程；用于物理分析和优化方法。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 1"> 5, 6, 19 - 24, 26。
作者指出，速度梯度张量本质上是一个 3 × 3 矩阵， 
<img alt="偏导数矩阵，流体动力学，雅可比矩阵，矢量微积分方法，教学示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 2">。
该方案介绍了一种获取二维实验测量数据的方法（来自2C-2D PIV技术）。因此，使用此方法无法完全获得速度梯度张量的实验信息。PIV图像中每个像素<img alt="静力平衡 ΣFx=0 示意图；动态系统分析；力平衡物理研究。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 3">的速度梯度张量<img alt="静力平衡示意图；ΣFx=0；工程物理分析；力学稳定性研究。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 4">应为一个2×2矩阵<img alt="静力平衡，二维梯度矩阵，数学方程，偏导数示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 5">。每个像素<img alt="静力平衡；ΣFx=0；工程示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 7">的z分量涡量<img alt="涡量方程 ω_mn^z 示意图，流体动力学分析，显示速度的偏导数。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 6">通过速度梯度张量的反对称部分<img alt="物理方程中的动态变量 (Ω̅mn)，用于教育研究分析。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 8">计算得出。结果将得到一个二维涡量数组<img alt="静力平衡公式 (ω)，旋转运动分析中的数学符号。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 9">，可通过等高线图进行可视化。作者强烈推荐参考文献25，其中对实验获取速度梯度张量的方法进行了清晰阐述，有助于加深对涡量耗散、应变率及相干结构检测的理解。此外，作者未尝试探讨上述相干结构检测方法之间的相互关系，建议参阅参考文献23和24以获得关于该主题的全面讨论。
本实验方案的重点是定量识别二次流（涡旋）结构（也称为相干结构）。将采用三种相干结构检测方法，即<img alt="Q, λᵢ - 判据；方程符号；学术研究符号。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 10">和小波变换后的涡量<img alt="带帽子的数学符号 Omega，用于物理方程中，表示符号概念。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq11.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 11">，应用于速度场数据，以检测理想化的“IV型”支架断裂下游区域中多尺度、多强度的二次流结构出现情况。
根据 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0, ΣFy=0；数学分析；教学示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq12.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 12">，涡旋被定义为涡量张量的欧几里得范数占主导地位的区域，超过应变率张量的范数19, 23, 24。速度梯度矩阵被分解为对称部分（应变率）和反对称部分（旋转）。计算应变率矩阵的特征值；<img alt="特征值方程 \(eig(S_{mn})=(s_1,s_2)\)，数学公式，矩阵分析。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq13.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 13">。然后计算应变率的范数；<img alt="特征值公式，静力平衡，表示向量范数计算方法的方程。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq14.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 14">。涡量由反对称部分计算得出。涡量的平方或z分量涡量的平方（即涡量强度，<img alt="数学表达式，显示方程形式中带下标mn的Ω的平方范数。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq15.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 15">）随后被计算。最后计算Q准则<img alt="Q准则方程，流体动力学，稳定性分析，临界点判定，教学用途。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq16.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 16">；<img alt="谱分析方程中Qmn的公式。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq17.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 17">。对全部<img alt="热力学系数Qmn方程；静力平衡分析；教学示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq18.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 18">进行等值线绘图，并标出<img alt="化学稳定性分析，方程Qmn&gt;0，热力学公式，教学用途。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq19.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 19">的等值区域，可揭示二次流动结构19。
被称为“涡旋强度”的 <img alt="静力平衡公式 ΣFx=0，力矢量分析示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq20.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 20"> 是一种通过分析局部速度梯度张量及其对应特征值的临界点来识别涡旋的方法20 - 24。 计算每个像素处速度梯度张量的特征值 <img alt="静力平衡，ΣFx=0，公式，数学分析，与物理学研究相关。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq21.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 21">。这些特征值应具有如下形式：<img alt="特征值方程 λ=r±iλ_ci，公式图解，线性代数概念。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq22.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 22">。绘制 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0；关于力与平衡的图示；教育性物理概念。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq23.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 23"> 的等高线图，并标出 <img alt="含λ符号的方程，λ_ci &gt; 0，表示正条件概念。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq24.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 24"> 的等值区域，可显示二次流动结构20 - 22。
小波变换方法利用一种分析函数（或小波），该函数在物理空间和频谱空间中均具有平滑性，满足容许性条件（即均值为零），并具有有限的 <img alt="L² 范数方程；公式；数学；向量模长；欧几里得距离；教学示意图。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq25.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 25">5, 6, 26。通过将经过膨胀或收缩的小波与二维涡量场进行卷积，可生成包含多种尺度和强度相干结构的经小波变换的涡量 <img alt="括号内的欧姆符号，表示电阻。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq26.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 26"> 场 5, 6, 26。通过计算二维小波变换涡量场的香农熵，可估计出能够充分解析所有相干结构的最佳小波尺度。该熵估计过程涉及为每个像素 <img alt="静力平衡；ΣFx=0，ΣFy=0，力矩=0；受力分析图；力与力矩分析。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq27.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 27"> 分配一组概率 <img alt="静力平衡，ΣFx=0，公式，数学分析，适用于物理学研究。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq21.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 21">，使得 <img alt="量子力学中的概率分布公式 p&lt;sub&gt;mn&lt;/sub&gt;=|ω&lt;sub&gt;mn&lt;/sub&gt;|&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;/||ω||&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq28.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 28">，即位于位置 m, n 处像素所对应的涡量的归一化平方模 5, 6。 操作步骤在 图6 中以图示方式呈现。关于小波选择所受限制的详细说明见参考文献26。本实验步骤描述了使用二维Ricker小波进行相干结构检测的流程。采用该小波进行涡旋模式匹配的理论依据见参考文献5、6及其中引用的相关文献。

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

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

Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section

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&#34;Ⅰ至Ⅳ型&#34;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（&#34;IV型&#34;）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。

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（<img alt="静态平衡计算，方程 α ≈ 4.2–11.95，教学公式分析。" src="/files/ftp_upload/51288/51288eq55.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 55"> 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 <img alt="时间比方程 (t/T=0.23, 0.27)；科学背景下的公式分析。"...

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。

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

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（分支、弯曲和……）的血管组成

本视频展示了如何使用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry）和相干结构检测方法，在弯曲动脉模型中检测次级流动或涡旋结构，以更深入地理解IV型支架失效的临床意义。该方法有助于解答心血管血流动力学中的关键问题，例如：随时间推移可能发生退变甚至断裂的支架，如何影响血流模式并进而影响血管重塑过程中的疾病进展。该技术的主要优势在于能够促进对涉及支架及支架断裂的复杂生理动脉血流中体内和体外测量的研究。演示实验操作的人员为研究生 Mohammad Najjari 和本科生 Jessica Hinke。准备一种血液模拟液，其成分为 79% 饱和碘化钠溶液、20% 甘油和 1% 去离子水。首先使用饱和碘化钠溶液，然后用注射器逐次少量加入甘油，直至全部体积的甘油均被加入。每次添加之间，需等待溶液明显均一化，并记录每次甘油添加的体积。接着，加入所需体积的水，持续搅拌直至血液模拟溶液明显均一化。最后，使用刮勺加入极少量的硫代硫酸钠，直至溶液变为光学澄清。首先，从直型和弯型支架的CAD模型生成高分辨率的STL文件。在软件中，从文件菜单中选择“导出”和“模型”。选择 STL 选项，将弦高设置为零，并将角度控制设置为一。角度控制值用于调节在小半径表面上的细分程度，其设置范围可在零到一之间调整。然后，单击“确定”以生成 STL 文件。接下来，在快速成型机上制造支架模型。为此，启动3D打印软件，单击“插入”以在3D打印机计算机上找到STL文件。然后，选择所需的文件，并移动鼠标将STL文件放置在屏幕上的虚拟平台中。接下来，使用3D打印部件，将支架安装到弯曲动脉测试段中，以重建一种理想化的IV型骨折场景。该场景包括支架的完全横向断裂以及断裂部分的线性位移。现在，将装置组装到光学平台上。将直的亚克力管连接到180度弯曲动脉测试段的入口和出口。首先，通过照射一小片纸张粗略调整激光器的位置。通过调节焦距，使激光片的厚度约为2 mm。接下来，将激光片光源对准测量区域的90度位置，使光片垂直于桌面。然后，在0度或180度位置附近放置一台相机，以观察由激光片光源照亮的横截面区域。逐步调整激光器和相机的对准，使相机能够观察到弯曲动脉的圆形横截面，并通过软件中的“Grab”功能评估粒子形变程度，以确保形变最小。相机和激光器就位后，采集二次流场的图像。首先，打开可编程泵。在泵的仪器控制程序中，将振幅设置为1伏特。将直流偏移设为0伏。将定时步数设为1000，时间周期设为4秒。其他设置详见文本方案。然后，加载包含电压时间波形数值的文本文件，并运行程序以向实验供给血液模拟流体。在 PIV 数据采集程序中，单击“New Recordings”选项卡后，在“Settings”部分选择设备，并确认激光器已设置为开启状态且具有适当的功率设置。进入激光器控制界面以确认相关参数值。导航至“定时”并将其设置为外部循环触发。点击“采集”，选择“表格扫描”，编辑表格扫描，追加扫描，并通过输入代表收缩期减速的开始时间来填充扫描设置。输入PIV数据采集的时间增量和结束时间。应调整参考时间 DT1，即激光脉冲之间的时间间隔。然后，单击“关闭”。在 Acquisit 菜单下，单击图像采集，并将图像数量设置为 200。现在，PIV 系统已准备就绪，可以开始采集数据。选择“开始记录”以使用泵仪器控制发出的触发信号，分阶段采集测量数据。系统将按设定数量，在每个时间点以及预先设定的90度测试段位置，采集平面或速度场数据。录制完成后，关闭激光器电源。关闭泵浦，关闭相机，并重新盖上镜头盖。使用补充代码文件，计算相位平均和均方根二次流速度、涡量以及涡旋强度场。在软件中，初始化与定义尺度相关的设置，并发送至掩模定义。有关详细信息，请参阅补充代码文件。在软件中，右键单击任意PIV数据，然后启动批处理。在“统计”组中选择“矢量统计”下的“矢量场结果”操作，然后在对话框中点击“参数”。在“矢量场”部分下，勾选平均 V 和均方根速度（RMSV）选项。然后，在“提取标量场：旋转与剪切”组中选择“涡度”操作。这可以计算平面横截面上的二维涡量。现在，通过在“项目”窗口中的任意PIV数据上单击右键，然后选择“批量处理所有数据集”来开始处理。为了计算用于检测二次流结构的涡旋强度场，请在任意PIV数据上单击右键，从树状菜单中选择“速度矢量场”，然后启动批处理。然后，从“提取标量场：旋转与剪切”组中选择“涡旋强度”操作，然后单击“关闭”。现在，右键单击相同的“速度矢量场”，选择“超环所有集合”，并像之前一样调整批量处理的参数。最后，执行涡旋强度场的计算。在90度横截面位置获取的二次流速度数据来自2C 2D PIV系统。向带有理想化IV型支架断裂的弯曲动脉测试段提供的流入条件为颈动脉波形。通过泵仪器控制计算机产生的触发信号同步，采用PIV技术生成了二次流速度场数据。对像素化数据进行了后处理，以确定收缩期减速阶段的Q准则和涡旋强度（Swirling Strength）或Landis ci准则。比较了基于涡旋强度和Q准则的流场。在收缩期减速阶段，于四个不同的横截面位置处，分析了以DLW字符标记的涡旋模式，这些模式代表了变形的Dean-Lynn-and Wall型（DLW）涡旋模式以及以应变为主导的区域。基于连续小波变换的方法被应用于二次流涡量场，从而能够更详细地检测涡旋的形状、尺寸和强度。最后，对Q准则、涡旋强度和基于小波变换的流场进行了比较。基于小波变换的方法揭示了复杂涡旋结构的存在，并在尺寸、尺度和强度方面呈现出极高的细节分辨率。一旦掌握，该技术可在约八小时内完成，包括在3D打印机上打印模型支架后的PIV数据采集和后期处理。在实施该过程时，需注意确保使用微量硫代硫酸钠使血液模拟流体的折射率充分匹配。未来，为了提高理论模拟结果的准确性并最大限度减少光学畸变，我们将使用类似的PIV校准图。通过此操作，可评估患者特异性血管中的血流情况，以回答与病理状态相关的其他问题，从而前所未有地获取假体、支架植入物及断裂支架的血流动力学信息。

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科研

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Bioengineering

生物工程

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