Experimentelle Untersuchung von Sekundärströmungsstrukturen hinter einem Modell Typ IV Stent Failure in einem 180 ° Curved Artery Test Sektion

Dieses Video zeigt, wie die Particle-Image-Velocimetry und die Erkennung kohärenter Strukturen genutzt werden können, um Sekundärströmungen oder wirbelartige Strukturen in einem Modell einer gekrümmten Arterie nachzuweisen, um die klinische Relevanz von Stentversagen vom Typ IV besser zu verstehen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der kardiovaskulären Hämodynamik zu beantworten. Zum Beispiel, wie Stents, die sich im Laufe der Zeit verschlechtern und letztlich brechen können, die Strömungsmuster des Blutes beeinflussen und den Krankheitsverlauf bei der Umgestaltung des Gefäßsystems beeinträchtigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Untersuchung von In-vivo- und In-vitro-Messungen bei komplexen physiologischen arteriellen Strömungen ermöglicht, an denen Stents und Stentfrakturen beteiligt sind. Den Demonstrationsvorgang werden Mohammad Najjari, ein Doktorand, und Jessica Hinke, eine Studentin im Grundstudium, durchführen. Bereiten Sie eine blutähnliche Lösung vor, die aus 79 % gesättigter Natriumiodidlösung, 20 % Glycerin und 1 % entionisiertem Wasser besteht.

Beginnen Sie mit einer gesättigten Natriumiodidlösung und geben Sie anschließend das Glycerin in kleinen Portionen mit einer Spritze hinzu, bis das gesamte Volumen an Glycerin zugegeben wurde. Warten Sie zwischen den Zugaben, bis die Lösung sichtbar homogenisiert ist, und notieren Sie das Volumen jeder einzelnen Glycerinzugabe. Danach geben Sie das erforderliche Wasservolumen hinzu und rühren weiter, bis die blutähnliche Lösung sichtbar homogenisiert ist.

Fügen Sie schließlich mit einem Spatel sehr kleine Mengen Natriumthiosulfat hinzu, bis die Lösung optisch klar ist. Erstellen Sie zunächst hochauflösende STL-Dateien aus den CAD-Modellen des geraden und gekrümmten Stents. Wählen Sie in der Software im Dateimenü die Optionen „Export“ und „Modell“.

Wählen Sie die STL-Option, setzen Sie die Sehnenhöhe auf null und stellen Sie die Winkelsteuerung auf eins ein. Der Wert der Winkelsteuerung regelt das Maß der Tessellierung entlang der Oberfläche bei kleinen Radien, und die Einstellung kann zwischen null und eins angepasst werden. Klicken Sie anschließend auf OK, um die STL-Datei zu erstellen.

Als Nächstes stellen Sie die Stent-Modelle auf einer Rapid-Prototyping-Maschine her. Starten Sie dazu die 3D-Drucksoftware und klicken Sie auf „Einfügen“, um die STL-Datei auf dem Computer des 3D-Druckers zu suchen. Wählen Sie anschließend die gewünschte Datei aus und bewegen Sie mit der Maus die STL-Datei auf eine virtuelle Plattform auf dem Bildschirm.

Als Nächstes unter Verwendung der 3D-gedruckten Teile den Stent in den gekrümmten arteriellen Prüfabschnitt einbauen, um ein idealisiertes Frakturszenario vom Typ IV nachzubilden, das einen vollständigen transversalen Bruch der Stents und eine lineare Verschiebung der Fragmentteile beinhaltet. Danach den Aufbau auf einem optischen Tisch montieren.

Verbinden Sie die geraden Acrylrohre mit dem Einlass und dem Auslass eines 180-Grad-gekrümmten arteriellen Testabschnitts. Beginnen Sie damit, die Position des Lasers grob einzustellen, indem Sie ein kleines Stück Papier beleuchten. Stellen Sie die Dicke des Laserstrahls durch Fokussierung auf etwa 2 mm ein.

Als Nächstes richten Sie die Laserlichtebene entlang des 90-Grad-Bereichs der Messregion aus, wobei die Ebene senkrecht zur Tischfläche steht. Dann platzieren Sie eine Kamera in der Nähe der 0-Grad- oder 180-Grad-Position, um den von der Laserlichtebene beleuchteten Querschnittsbereich zu beobachten. Passen Sie die Ausrichtung von Laser und Kamera schrittweise an, sodass die Kamera den kreisförmigen Querschnitt der gekrümmten Arterie mit minimaler Partikeldistortion erfasst, was mithilfe der „Grab“-Funktion der Software bewertet wird.

Nachdem die Kamera und der Laser positioniert sind, nehmen Sie Bilder der sekundären Strömungsfelder auf. Schalten Sie zunächst die programmierbare Pumpe ein. Stellen Sie im Steuerprogramm des Pumpengeräts die Amplitude auf einen Volt ein.

Stellen Sie den DC-Offset auf null Volt ein. Stellen Sie die Anzahl der zeitgesteuerten Schritte auf 1000 ein und setzen Sie die Zeitdauer auf vier Sekunden. Weitere Einstellungen werden im Textprotokoll erläutert.

Laden Sie dann die Textdatei mit den Werten für die Spannungs-Zeit-Wellenform und führen Sie das Programm aus, um die blutähnliche Flüssigkeit dem Experiment zuzuführen. Öffnen Sie im PIV-Datenerfassungsprogramm nach dem Klicken auf die Registerkarte Neue Aufnahmen das Gerät im Abschnitt Einstellungen, und vergewissern Sie sich, dass der Laser mit der entsprechenden Leistungseinstellung auf Ein steht. Navigieren Sie zur Lasersteuerung, um die Werte zu bestätigen.

Navigieren Sie zu „Timing“ und stellen Sie es auf „Externer zyklischer Trigger“ ein. Klicken Sie auf „Acquisit“, wählen Sie „Table Scan“, „Edit Table Scan“, „Append Scan“ und füllen Sie die Scan-Einstellungen aus, indem Sie eine Startzeit eingeben, die der systolischen Verzögerung entspricht. Zeitinkrement und Endzeit der PIV-Datenaufnahme.

Die Referenzzeit, DT1, oder die Zeit zwischen den Laserimpulsen sollte angepasst werden. Klicken Sie anschließend auf Schließen. Klicken Sie unter Acquisit auf Bildaufnahme und geben Sie die Anzahl der Bilder mit 200 an.

Jetzt ist das PIV-System bereit, Daten aufzuzeichnen. Wählen Sie „Start Recording“, um phasenweise Messungen unter Verwendung des Triggersignals der Pumpeninstrumentensteuerung durchzuführen. Die festgelegte Anzahl von Ebenen oder Geschwindigkeitsfeldern zu jedem Zeitpunkt sowie an der vorab vereinbarten 90-Grad-Teststelle wird dann erfasst.

Wenn die Aufnahme abgeschlossen ist, schalten Sie den Laser aus. Schalten Sie die Pumpe aus, schalten Sie die Kamera aus und setzen Sie die Objektivabdeckung wieder auf. Mithilfe der ergänzenden Codedatei berechnen Sie die phasengemittelten und RMS-Werte der Sekundärströmungsgeschwindigkeiten, der Wirbelstärke und der Wirbelstärkefelder.

Initialisieren Sie in der Software die Einstellungen bezüglich der definierten Skala und senden Sie diese zur Maskendefinition. Weitere Einzelheiten finden Sie in der ergänzenden Codedatei. Klicken Sie in der Software mit der rechten Maustaste auf beliebige PIV-Daten und starten Sie die Stapelverarbeitung.

Wählen Sie die Operation Vektor-Statistik, Vektorfeld-Ergebnisse aus der Gruppe Statistik aus, und klicken Sie im Dialogfeld auf Parameter. Aktivieren Sie die Optionen für den mittleren V und RMSV im Abschnitt Vektorfeld. Wählen Sie anschließend die Operation Wirbelstärke aus der Gruppe Skalarfelder extrahieren Rotation und Scherung aus.

Dies ermittelt die zweidimensionale Wirbelstärke im ebenen Querschnitt. Beginnen Sie nun die Verarbeitung, indem Sie einen Rechtsklick auf beliebige PIV-Daten im Projekt-Fenster ausführen und „Hyperloop All Sets“ auswählen. Um die Swirling-Strength-Felder zur Detektion sekundärer Strömungsstrukturen zu berechnen, führen Sie einen Rechtsklick auf beliebige PIV-Daten durch, wählen „Velocity Vector Field“ im Baummenü aus und starten die Batch-Verarbeitung.

Danach wählen Sie die Operation Wirbelstärke aus der Gruppe Skalarfelder extrahieren Rotation und Scherung aus und klicken Sie auf Schließen. Klicken Sie nun mit der rechten Maustaste auf dasselbe Geschwindigkeitsvektorfeld, wählen Sie Hyperloop alle Sätze aus und passen Sie die Parameter für die Stapelverarbeitung wie zuvor an. Führen Sie abschließend die Berechnung der Wirbelstärkenfelder durch.

Die Daten zur Sekundärströmungsgeschwindigkeit an der Querschnittsstelle im 90-Grad-Winkel wurden mit dem 2C-2D-PIV-System erfasst. Als Zuflussbedingung für den gekrümmten arteriellen Prüfabschnitt mit einer idealisierten Stentfraktur vom Typ IV wurde das Wellenprofil der Arteria carotis verwendet. Die Feldmessdaten der Sekundärströmungsgeschwindigkeit wurden mithilfe der PIV-Technik generiert, indem die durch den Pumpensteuerrechner erzeugten Trigger synchronisiert wurden.

Die Nachbearbeitung der Daten wurde auf die pixelbasierten Daten angewendet, um das Q-Kriterium und die Wirbelstärke oder das Landis ci-Kriterium während der systolischen Verzögerung zu bestimmen. Die auf dem Wirbelstärken- und Q-Kriterium basierenden Strömungsfelder wurden verglichen. Die mit DLW-Zeichen markierten Wirbelmuster, die repräsentativ für deformierte Dean-Lynn-und Wall-Typ-DLW-Wirbelmuster sind, sowie die deformationsdominierten Bereiche wurden an vier unterschiedlichen Querschnittslagen während der systolischen Verzögerung untersucht.

Die auf der kontinuierlichen Wavelet-Transformation basierende Methode wurde auf das Wirbelfeld der Sekundärströmung angewandt, wodurch eine Wirbelerkennung mit größerer Detailgenauigkeit hinsichtlich Form, Größe und Stärke ermöglicht wurde. Schließlich wurden das Q-Kriterium, die Swirling Strength und die auf der Wavelet-Transformation basierenden Strömungsfelder miteinander verglichen. Die auf der Wavelet-Transformation basierende Methode zeigte das Vorhandensein komplexer Wirbelmuster mit hoher Detailgenauigkeit hinsichtlich Größe, Skalierung und Stärken auf.

Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann sie in etwa acht Stunden durchgeführt werden, einschließlich der PIV-Datenaufnahme und der Nachbearbeitung, nachdem die Modell-Stents auf dem 3D-Drucker gedruckt wurden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, darauf zu achten, dass der Brechungsindex der blutanalogen Flüssigkeit durch geringe Mengen Natriumthiosulfat ausreichend angeglichen wird. Zukünftig werden wir zur Verbesserung der Genauigkeit der Paratheorie-Ergebnisse und zur Minimierung der optischen Verzerrung eine PIV-Kalibrierungskarte wie diese verwenden.

Mit diesem Verfahren können Strömungen in patientenspezifischen Blutgefäßen untersucht werden, um zusätzliche Fragen zu pathologischen Zuständen zu beantworten und ermöglichen bisher ungeahnten Zugang zur Hämodynamik von Prothesen, Stent-Implantaten und frakturierten Stents.