Name: 通过主动脉幻影进行血液动力学的粒子图像测速 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-02-25T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 26 s
Description: 学习使用粒子图像测速技术测量主动脉窦血流速度场，分析经导管主动脉瓣植入后的血液动力学特征。该方法有助于改进人工心脏瓣膜设计并优化患者治疗效果。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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。

1. 体外 设置
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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.</li>
	<li>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。</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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。</li>
	<li>将工作液（步骤1.8）注入 体外 系统 
	&#8203;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。</li>
</ol>
2. PIV 实验装置
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 血流动力学研究
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>打开高速相机，并运行相机控制软件。</li>
	<li>点击 CSR 并取下镜头盖。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>检查 Arduino 串口绘图器中触发信号是否正常工作。</li>
	<li>连续采集 14 个周期的粒子图像，并重复总共七次。 
	&#8203;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。</li>
</ol>
4. 数据处理
<ol>
	<li>使用相机控制软件将 .cine 文件转换为 .tiff 文件。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用基于 MATLAB 的开源工具 PIVlab 进行 PIV 分析15（参见材料表）。
	<ol>
		<li>导入通过时间分辨法或成对法保存的粒子图像。</li>
		<li>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。</li>
		<li>导入掩膜并将其应用于所有粒子图像。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>执行平滑处理，包括以下步骤：
	<ol>
		<li>使用 MATLAB 内置的 &#34;isoutlier&#34; 函数将异常值替换为 &#34;NaN&#34;。</li>
		<li>使用 MATLAB 中的 &#34;inpaint_nans&#34; 函数对 NaN 值进行插值修复15。</li>
		<li>根据帧率和爆发周期，将单位从 &#34;pixel/frame&#34; 转换为 &#34;m/s&#34;。 
		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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用 0.59 的平滑因子，运行基于 DCT-PLS 的 &#34;smoothn&#34; 函数15,17。 
		&#8203;注意：&#34;smoothn&#34; 和 &#34;inpaint_nans&#34; 函数均包含在 PIVlab 中。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 数据分析
<ol>
	<li>将PIV数据导入MATLAB。</li>
	<li>提取 &#34;u&#34; 和 &#34;v&#34; PIV 数据中的分量。</li>
	<li>计算速度场18 （公式 1， 补充文件 1).</li>
	<li>使用自研代码和内置函数推导血流动力学参数19.
	<ol>
		<li>使用 MATLAB 内置函数推导涡量 &#34;卷曲&#34;18 （公式 2， 补充文件 1).</li>
		<li>使用内部代码推导静止状态20 （公式 3， 补充文件 1).</li>
		<li>使用自编代码推导 Γ121 （公式 4， 补充文件 1).</li>
		<li>使用自编代码推导颗粒停留时间19 （公式 5， 补充文件 1).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Carabello, B. A., Paulus, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aortic+stenosis%5BTitle%5D)+AND+%22The+Lancet%22%5BJournal%5D)">Aortic stenosis.</a> The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).</li>
<li>Jakobsen, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Short-and+long-term+mortality+and+stroke+risk+after+transcatheter+aortic+valve+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22The+American+Journal+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Short-and long-term mortality and stroke risk after transcatheter aortic valve implantation.</a> The American Journal of Cardiology. 121 (1), 78-85 (2018).</li>
<li>Koo, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computed+tomography+features+of+cuspal+thrombosis+and+subvalvular+tissue+ingrowth+after+transcatheter+aortic+valve+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22The+American+Journal+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Computed tomography features of cuspal thrombosis and subvalvular tissue ingrowth after transcatheter aortic valve implantation.</a> The American Journal of Cardiology. 125 (4), 597-606 (2020).</li>
<li>Midha, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+fluid+mechanics+of+transcatheter+heart+valve+leaflet+thrombosis+in+the+neosinus%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation%22%5BJournal%5D)">The fluid mechanics of transcatheter heart valve leaflet thrombosis in the neosinus.</a> Circulation. 136 (17), 1598-1609 (2017).</li>
<li>Abubakar, H., Ahmed, A. S., Subahi, A., Yassin, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thrombus+in+the+Right+Coronary+Sinus+of+Valsalva+Originating+From+the+Left+Atrial+Appendage+Causing+Embolic+Inferior+Wall+Myocardial+Infarction%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Investigative+Medicine+High+Impact+Case+Reports%22%5BJournal%5D)">Thrombus in the Right Coronary Sinus of Valsalva Originating From the Left Atrial Appendage Causing Embolic Inferior Wall Myocardial Infarction.</a> Journal of Investigative Medicine High Impact Case Reports. 6, 2324709618792023(2018).</li>
<li>Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro%2C+time-resolved+PIV+comparison+of+the+effect+of+stent+design+on+wall+shear+stress%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress.</a> Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).</li>
<li>Hariharan, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inter-laboratory+characterization+of+the+velocity+field+in+the+FDA+blood+pump+model+using+particle+image+velocimetry+%28PIV%29%5BTitle%5D)+AND+%22Cardiovascular+Engineering+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Inter-laboratory characterization of the velocity field in the FDA blood pump model using particle image velocimetry (PIV).</a> Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (4), 623-640 (2018).</li>
<li>Lim, W., Chew, Y., Chew, T., Low, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsatile+flow+studies+of+a+porcine+bioprosthetic+aortic+valve+in+vitro%3A+PIV+measurements+and+shear-induced+blood+damage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Pulsatile flow studies of a porcine bioprosthetic aortic valve in vitro: PIV measurements and shear-induced blood damage.</a> Journal of Biomechanics. 34 (11), 1417-1427 (2001).</li>
<li>Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsatile+flow+pump+based+on+an+iterative+controlled+piston+pump+actuator+as+an+in-vitro+cardiovascular+flow+model%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+%26+Physics%22%5BJournal%5D)">Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model.</a> Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).</li>
<li>Moore, B. L., Dasi, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coronary+flow+impacts+aortic+leaflet+mechanics+and+aortic+sinus+hemodynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Coronary flow impacts aortic leaflet mechanics and aortic sinus hemodynamics.</a> Annals of Biomedical Engineering. 43 (9), 2231-2241 (2015).</li>
<li>Evans, B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEvans%2C+B+%22Practical+3D+printers%3A+The+science+and+art+of+3D+printing%22">Practical 3D printers: The science and art of 3D printing</a>. , Apress. (2012).</li>
<li>Yudi, M. B., Sharma, S. K., Tang, G. H., Kini, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coronary+angiography+and+percutaneous+coronary+intervention+after+transcatheter+aortic+valve+replacement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+College+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Coronary angiography and percutaneous coronary intervention after transcatheter aortic valve replacement.</a> Journal of the American College of Cardiology. 71 (12), 1360-1378 (2018).</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. (2011).</li>
<li>Deen, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+image+pre-processing+for+PIV+of+single-and+two-phase+flows+over+reflecting+objects%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">On image pre-processing for PIV of single-and two-phase flows over reflecting objects.</a> Experiments in Fluids. 49 (2), 525-530 (2010).</li>
<li>Thielicke, W., Stamhuis, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PIVlab-towards+user-friendly%2C+affordable+and+accurate+digital+particle+image+velocimetry+in+MATLAB%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Open+Research+Software%22%5BJournal%5D)">PIVlab-towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB.</a> Journal of Open Research Software. 2 (1), (2014).</li>
<li>Pizer, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+histogram+equalization+and+its+variations%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Vision%2C+Graphics%2C+and+Image+Processing%22%5BJournal%5D)">Adaptive histogram equalization and its variations.</a> Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 39 (3), 355-368 (1987).</li>
<li>Garcia, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+smoothing+of+gridded+data+in+one+and+higher+dimensions+with+missing+values%5BTitle%5D)+AND+%22Computational+Statistics+%26+Data+Analysis%22%5BJournal%5D)">Robust smoothing of gridded data in one and higher dimensions with missing values.</a> Computational Statistics & Data Analysis. 54 (4), 1167-1178 (2010).</li>
<li>Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., Roberson, J. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aElger%2C+DF+%22Engineering+Fluid+Mechanics%22">Engineering Fluid Mechanics</a>. , John Wiley & Sons. (2020).</li>
<li>Raghav, V., Sastry, S., Saikrishnan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+assessment+of+flow+fields+associated+with+heart+valve+prostheses+using+particle+image+velocimetry+%28PIV%29%3A+recommendations+for+best+practices%5BTitle%5D)+AND+%22Cardiovascular+Engineering+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Experimental assessment of flow fields associated with heart valve prostheses using particle image velocimetry (PIV): recommendations for best practices.</a> Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 273-287 (2018).</li>
<li>Ncho, B., Sadri, V., Ortner, J., Kollapaneni, S., Yoganathan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-Vitro+Assessment+of+the+Effects+of+Transcatheter+Aortic+Valve+Leaflet+Design+on+Neo-Sinus+Geometry+and+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">In-Vitro Assessment of the Effects of Transcatheter Aortic Valve Leaflet Design on Neo-Sinus Geometry and Flow.</a> Annals of Biomedical Engineering. 49 (3), 1046-1057 (2021).</li>
<li>Graftieaux, L., Michard, M., Grosjean, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+PIV%2C+POD+and+vortex+identification+algorithms+for+the+study+of+unsteady+turbulent+swirling+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Combining PIV, POD and vortex identification algorithms for the study of unsteady turbulent swirling flows.</a> Measurement Science and Technology. 12 (9), 1422(2001).</li>
<li>Yap, C. H., Saikrishnan, N., Tamilselvan, G., Yoganathan, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+measurement+of+dynamic+fluid+shear+stress+on+the+aortic+surface+of+the+aortic+valve+leaflet%5BTitle%5D)+AND+%22Biomechanics+and+Modeling+in+Mechanobiology%22%5BJournal%5D)">Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 11 (1), 171-182 (2012).</li>
<li>Toninato, R., Salmon, J., Susin, F. M., Ducci, A., Burriesci, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physiological+vortices+in+the+sinuses+of+Valsalva%3A+an+in+vitro+approach+for+bio-prosthetic+valves%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves.</a> Journal of Biomechanics. 49 (13), 2635-2643 (2016).</li>
<li>Raghav, V., Midha, P., Sharma, R., Babaliaros, V., Yoganathan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcatheter+aortic+valve+thrombosis%3A+a+review+of+potential+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Royal+Society+Interface%22%5BJournal%5D)">Transcatheter aortic valve thrombosis: a review of potential mechanisms.</a> Journal of the Royal Society Interface. 18 (184), 20210599(2021).</li>
<li>Ramanathan, T., Skinner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coronary+blood+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Continuing+Education+in+Anaesthesia%2C+Critical+Care+%26+Pain%22%5BJournal%5D)">Coronary blood flow.</a> Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain. 5 (2), 61-64 (2005).</li>
<li>Nobach, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Limitations+of+accuracy+in+PIV+due+to+individual+variations+of+particle+image+intensities%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities.</a> Experiments in Fluids. 47 (1), 27-38 (2009).</li>
<li>Gülan, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+analysis+of+the+transcatheter+aortic+valve+implantation+on+blood+flow+hemodynamics%3A+An+optical+imaging-based+in+vitro+study%5BTitle%5D)+AND+%22Artificial+Organs%22%5BJournal%5D)">Performance analysis of the transcatheter aortic valve implantation on blood flow hemodynamics: An optical imaging-based in vitro study.</a> Artificial Organs. 43 (10), 282-293 (2019).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>3D 打印机</td><td>Prusa Research</td><td></td><td>Original Prusa i3 MK2；FDM 打印机</td></tr><tr><td>铝制方条</td><td>APSPRO</td><td>KHP-3030, KHP-6060</td><td>尺寸：30 mm × 30 mm，60 mm × 60 mm</td></tr><tr><td>球囊泵</td><td>Skyhope</td><td></td><td>MHL-1</td></tr><tr><td>相机控制软件</td><td>Phantom</td><td>PCC 3.4 软件</td><td>该软件用于控制高速相机</td></tr><tr><td>单向阀</td><td>HANJU STEEL PIPE</td><td></td><td>单向阀；1/2 英寸（15A）</td></tr><tr><td>数据采集设备</td><td>National Instruments</td><td></td><td>USB-6001</td></tr><tr><td>甘油</td><td>ANU Korea</td><td></td><td>用于配制工作流体</td></tr><tr><td>高速相机</td><td>Phantom</td><td></td><td>Phantom VEO 710E-L</td></tr><tr><td>激光器</td><td>长春新产业光电技术</td><td></td><td>MGL-W-532；连续波 Nd:YAG 激光器</td></tr><tr><td>直线执行器</td><td>THOMSON</td><td></td><td>PC-40；将旋转运动转换为直线运动</td></tr><tr><td>微距镜头</td><td>Nikon</td><td></td><td>VR Micro-NIKKOR 105mm，f/2.8 G</td></tr><tr><td>电机</td><td>KOLLMORGEN</td><td></td><td>AKM33H-ANCNR-00；直流伺服电机</td></tr><tr><td>电机控制软件</td><td>KOLLMORGEN</td><td></td><td>Kollmorgen 软件；用于控制电机驱动器</td></tr><tr><td>电机驱动器</td><td>KOLLMORGEN</td><td></td><td>AKD-B00606-NBAN-0000</td></tr><tr><td>开源电子原型平台</td><td>Arduino</td><td>A000066</td><td>Arduino Uno R3。用于生成外部触发信号</td></tr><tr><td>光学平台</td><td>SMTECH</td><td></td><td>1800（宽）× 900（深）× 800（高）</td></tr><tr><td>示踪粒子</td><td>Dantec Dynamics</td><td>80A6011</td><td>中空玻璃微球。平均直径：10 &amp;micro;m，密度：1090 kg/m&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>PIVlab</td><td>PIVlab</td><td></td><td>基于 MATLAB 的开源算法&lt;br/&gt; https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui</td></tr><tr><td>压力表</td><td>OMEGA</td><td></td><td>PX309-015A5V。测量范围：0~15 psi</td></tr><tr><td>折射仪</td><td>ATAGO</td><td>2350</td><td>R-5000。手持式折射仪；测量范围：1.333–1.520</td></tr><tr><td>阻力阀</td><td>HANJU STEEL PIPE</td><td></td><td>球阀；1/2 英寸（15A）</td></tr><tr><td>生理盐水</td><td>DAI HAN PHARM</td><td></td><td>用于配制工作流体以及保存经导管主动脉瓣（TAV）</td></tr><tr><td>硅胶软管</td><td>HSW</td><td></td><td>内径 26 mm，外径 30 mm；入口段长度 5 m，出口段长度 1.5 m</td></tr><tr><td>系统工程软件</td><td>National Instruments</td><td></td><td>LabVIEW 软件。该软件用于控制数据采集设备（DAQ）</td></tr><tr><td>经导管主动脉瓣（TAV）（23 mm）和 TAV（26 mm）</td><td>Edwards Lifesciences</td><td></td><td>SAPIEN3 23 mm，SAPIEN3 26 mm。由首尔峨山医学中心提供支持</td></tr><tr><td>粘度计</td><td>Brookfield</td><td></td><td>DVELV；测量范围：1–2×10&lt;sup&gt;9 &lt;/sup&gt;cp</td></tr></tbody></table>

血流动力学的粒子图像测速法研究 通过 主动脉模型

Particle Image Velocimetry Investigation of Hemodynamics via Aortic Phantom

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。

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...

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。

主动脉瓣功能障碍和卒中最近已在经导管主动脉瓣植入术（TAVI）患者中被报道。主动脉窦内血栓……

速度信息对于评估瓣膜血流至关重要。本方案可获取瞬时速度场，从而实现对血流动力学的详细分析。该方案的主要优势在于，能够在植入人工心脏瓣膜的主动脉窦内获取瞬时速度场，而这一数据在体内实验中难以获得。目前的方案将有助于表征经导管主动脉瓣植入术后异常的血流动力学。基于所获得的血流动力学数据，研究人员将能够开发出更优良的心脏瓣膜。获取用于粒子图像测速的优质粒子图像过程较为复杂。对于初学者，建议以不同的帧率采集粒子图像，并比较每种结果。首先，在光学平台上准备实验装置，包括活塞泵、数据采集设备以及安装有相应系统工程软件和电机控制软件的计算机。将包含流速信息的电子表格文件导入系统工程软件中。使用方形铝条将丙烯酸鼻窦模型固定在光学平台上。用硅胶管连接储液器、活塞泵和丙烯酸鼻窦模型。将固定的TAV与天然瓣叶结合，并安装到丙烯酸鼻窦模型上。将高速相机置于双轴移动平台上并移动该平台。打开激光器，将其功率设为七瓦，并将激光片置于TAV中心。拍摄一张图像，检查最大粒子间距是否小于四到六个像素。设置相机控制软件参数，起始分辨率为 1,280 × 720，帧速率为每秒 300 帧，曝光时间由爆发电路周期强制设定，爆发计数为 3 次，爆发周期分别为 200 微秒和 150 微秒。连续采集 14 个周期的粒子图像，并重复此过程共 7 次。通过将需要分析的区域与需舍弃的区域分离，制作掩膜。使用基于 MATLAB 的开源工具 PIVlab，通过导入时间分辨法或成对方法保存的示踪粒子图像来执行粒子图像测速（PIV）。导入掩膜并将其应用于所有示踪粒子图像。对通过快速傅里叶变换转换到频域的示踪粒子图像对执行限幅自适应直方图均衡化，并进行互相关计算。设置多遍搜索窗口，利用二维三高斯拟合在互相关结果中寻找峰值。计算速度场，并使用自编代码和内置函数推导血流动力学参数。对于23毫米的人工主动脉瓣（TAV），从收缩早期到收缩峰值期间，在人工主动脉瓣与窦管交界之间区域的速度高于0.05米/秒。舒张期的速度低于 0.025 米每秒，并出现两个低速涡流。对于 26 毫米 TAV，在除早期收缩期以外的时相，窦部内的速度分布均低于 0.05 米每秒。特别是在收缩晚期，其速度低于其他时相。23毫米TAV中的峰值流速高于26毫米TAV。在23毫米TAV中形成的血流停滞区域较广，但停滞分数较低。在23毫米TAV的天然瓣叶上方和下方均观察到两个相似的涡流。然而，对于26毫米的TAV，顺时针涡流不清晰，而逆时针涡流呈椭圆形。涡量的分布结果与涡流相似。粒子滞留时间的快照显示了窦区两秒内的粒子分布情况，而粒子滞留百分比则显示了窦区在14秒内残留粒子的比例。26毫米TAV的下降速度比23毫米TAV更快，但两种情况下颗粒的释放并不相同。速度场的推导是最关键的步骤。前述步骤均为推导速度场的处理过程，适用于PIV。该方案可用于研究各种心血管系统中的血流动力学，例如狭窄的动脉和心脏瓣膜。

particle-image-velocimetry-investigation-hemodynamics-via-aortic

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

通过主动脉幻影进行血液动力学的粒子图像测速

高频多普勒超声是一种用于评估局部心肌功能的新型技术。本研究首次证明了这种多功能成像平台在缺血-再灌注（IR）小鼠心脏中重复测量心肌应变、dp/dt及二尖瓣反流的可行性。...

高频高分辨率超声心动图：非侵入性重复测量缺血-再灌注小鼠心脏心肌应变、收缩力及二尖瓣反流的首次证据

本文描述了一种能够获取光学不透明流体中或通过光学不透明几何结构的二维速度场的回声粒子图像测速（EPIV）系统，并报道了在管道流动中的验证性测量结果。...

回声粒子图像测速法

微粒图像测速技术（μPIV）用于可视化血流中示踪微粒的成对图像，通过互相关分析获得精确的速度分布。剪切速率、最大流速、速度分布形态及流量等参数均可由这些测量结果推导得出，这些参数均具有临床应用价值。...

微粒子图像测速法用于微小血流速度分布测量

本文介绍了一种利用高分辨率、高速粒子图像测速技术（PIV）研究边界附近瞬态流动的方法。PIV是一种非侵入式测量技术，通过优化图像与记录特性、激光片光源特性以及分析算法等多个参数约束，可应用于任何光学可访问的流动研究。...

近表面高速粒子图像测速技术

肺动脉高压（PAH）是一种累及肺小动脉的疾病，可导致肺小动脉闭塞并引发右心室衰竭。啮齿类动物PAH模型对于理解PAH的病理生理机制至关重要。本文展示了在小鼠和大鼠中通过右心导管术和超声心动图进行血流动力学表征的方法。...

肺动脉高压啮齿类动物模型的血流动力学表征

本文介绍一种用于超声弹性成像测试的动脉瘤样主动脉组织模拟体模的制备方法。通过结合计算机辅助设计（CAD）与三维（3D）打印技术，可制造出具有可预测复杂几何结构的主动脉体模，从而通过受控实验验证弹性成像算法。...

制造用于超声弹性成像验证的腹主动脉水凝胶组织模拟体模

本文介绍了制备透明神经血管仿体及其内部流动表征的简化方法。我们强调了若干关键参数，并展示了这些参数与测量场准确度之间的关系。...

中尺度粒子图像测速法在神经血管血流研究中的应用 体外

本方案展示了如何应用超快超声多普勒成像来量化血流。在持续1秒的采集后，实验者可以获得整个视场的动态影像，每≈0.3毫秒（取决于超声飞行时间）获取每个像素的轴向速度值。...

超快多普勒血流成像

本方案介绍了在麻醉小鼠中获取和分析脑包被周细胞的荧光钙成像以及邻近血管血流数据的步骤。这些技术可用于壁细胞生理学研究，并可调整用于研究任何细胞类型的钙瞬变。...

转基因小鼠脑周细胞钙成像与血流动力学成像 体内

主动脉瓣反流是一种主动脉瓣心脏疾病。本论文展示了如何利用四维流动磁共振成像评估主动脉瓣反流 体外...

体外 四维血流磁共振成像评估主动脉瓣反流

本方案介绍了一种利用光片荧光显微镜进行定量整体三维血管成像的快速方法。该方法的有效性通过鸡胚模型的咽弓动脉系统加以验证，并对血流动力学力进行了量化。 通过...

小型动物血管系统的快速全组织高分辨率成像用于定量研究

学习使用粒子图像测速技术测量主动脉窦血流速度场，分析经导管主动脉瓣植入后的血液动力学特征。该方法有助于改进人工心脏瓣膜设计并优化患者治疗效果。

血流动力学的粒子图像测速法研究通过主动脉模型

探索更多视频

血流动力学的粒子图像测速法研究 通过 主动脉模型

探索更多视频

血流动力学的粒子图像测速法研究通过主动脉模型