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 Coherent Structure Detection verwendet werden können, um sekundäre Fluss- oder wortische Strukturen in einem gekrümmten Arterienmodell zu erkennen und die klinische Relevanz von Stentversagen vom Typ IV besser zu verstehen. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen der kardiovaskulären Hämodynamik zu beantworten. Zum Beispiel, wie Stents, die sich im Laufe der Zeit verschlechtern und schließlich frakturieren können, die Blutflussmuster beeinflussen und das Fortschreiten der Krankheit beim Gefäßumbau beeinflussen können.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Untersuchung von in-vivo- und in-vitro-Messungen in komplexen physiologischen arteriellen Strömungen mit Stent- und Stentfrakturen erleichtert. Das Verfahren wird von Mohammad Najjari, einem Doktoranden, und Jessica Hinke, einer Studentin, demonstriert. Bereiten Sie eine blutanaloge Lösung vor, die aus 79 % gesättigter Natriumiodidlösung, 20 % Glycerin und 1 % deionisiertem Wasser besteht.

Beginnen Sie mit gesättigter Natriumiodidlösung und fügen Sie dann das Glycerin in kleinen Schritten mit einer Spritze hinzu, bis das gesamte Volumen des Glycerins hinzugefügt wurde. Warten Sie zwischen den Zusätzen, bis die Lösung sichtbar homogenisiert ist, und notieren Sie sich das Volumen jeder Glycerinzugabe. Fügen Sie dann die erforderliche Menge Wasser hinzu und rühren Sie weiter, bis die blutanaloge Lösung sichtbar homogenisiert ist.

Zum Schluss fügen Sie mit einem Spatel sehr kleine Mengen Natriumthiosulfat hinzu, bis die Lösung optisch klar ist. Erstellen Sie zunächst hochauflösende STL-Dateien aus den geraden und gekrümmten Stent-CAD-Modellen. Wählen Sie in der Software im Dateimenü die Option Exportieren und Modellieren.

Wählen Sie die Option STL, setzen Sie die Sehnenhöhe auf Null und setzen Sie die Winkelsteuerung auf eins. Der Winkelsteuerwert reguliert das Ausmaß der Tessellation entlang der Oberfläche mit kleinen Radien, und die Einstellung kann zwischen null und eins eingestellt werden. Klicken Sie dann auf OK, um die STL-Datei zu erstellen.

Stellen Sie als Nächstes die Stentmodelle auf einer Rapid-Prototyping-Maschine her. Starten Sie dazu die 3D-Drucksoftware und klicken Sie auf Einfügen, um die STL-Datei auf dem 3D-Druckercomputer zu finden. Wählen Sie dann die gewünschte Datei aus und fahren Sie mit der Maus, um die STL-Datei auf einer virtuellen Plattform auf dem Bildschirm zu platzieren.

Als nächstes setzen Sie den Stent mit den 3D-gedruckten Teilen in den Testabschnitt der gekrümmten Arterie ein, um ein idealisiertes Typ-IV-Frakturszenario nachzubilden. Dies führt zu einem vollständigen Querbruch der Stents und einer linearen Verschiebung der fragmentierten Teile. Bauen Sie nun das Setup auf einem optischen Tisch zusammen.

Verbinden Sie die geraden Acrylrohre mit dem Einlass und Auslass einer um 180 Grad gekrümmten Arterienteststrecke. Passen Sie zunächst die Position des Lasers grob an, indem Sie ein kleines Blatt Papier beleuchten. Machen Sie das Laserblech ca. 2 mm dick, indem Sie den Fokus einstellen.

Richten Sie dann das Laserblech entlang des 90-Grad-Teils des Messbereichs aus, wobei das Blatt senkrecht zum Tisch steht. Platzieren Sie dann eine Kamera in der Nähe der Null-Grad- oder 180-Grad-Position, um den vom Laserblatt beleuchteten Querschnittsbereich anzuzeigen. Passen Sie die Ausrichtung von Laser und Kamera schrittweise so an, dass die Kamera den kreisförmigen Querschnitt der gekrümmten Arterie mit minimaler Partikelverzerrung betrachtet, was mit der Grab-Funktion in der Software bewertet wird.

Sobald die Kamera und der Laser in Position sind, erfassen Sie Bilder der sekundären Strömungsfelder. Schalten Sie zunächst die programmierbare Pumpe ein. Stellen Sie im Steuerungsprogramm des Pumpeninstruments die Amplitude auf ein Volt ein.

Stellen Sie den DC-Offset auf null Volt ein. Legen Sie die Anzahl der zeitgesteuerten Schritte auf 1000 und den Zeitraum auf vier Sekunden fest. Zusätzliche Einstellungen werden im Textprotokoll erläutert.

Laden Sie dann die Textdatei mit den Werten für die Spannungs-Zeit-Wellen-Form, und führen Sie das Programm aus, um das Blutanalogöl dem Experiment zuzuführen. Wählen Sie im PIV-Datenerfassungsprogramm nach dem Klicken auf die Registerkarte Neue Aufnahmen das Gerät im Abschnitt Einstellungen aus und vergewissern Sie sich, dass der Laser mit den entsprechenden Leistungseinstellungen auf Ein eingestellt ist. 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 Erfassen, wählen Sie Table Scan, Edit Table Scan, Append Scan und füllen Sie die Scan-Einstellungen aus, indem Sie die Startzeit eingeben, die für die systolische Verzögerung repräsentativ ist. Zeitinkrement und Endzeit der PIV-Datenerfassung.

Die Referenzzeit, DT1 oder die Zeit zwischen den Laserpulsen sollte angepasst werden. Klicken Sie dann auf Schließen. Klicken Sie unter Erfassen auf Bilderfassung und geben Sie die Anzahl der Bilder als 200 ein.

Jetzt ist das PIV-System bereit, Daten zu erfassen. Wählen Sie Aufzeichnung starten, um phasenweise Messungen unter Verwendung des Triggersignals von der Steuerung des Pumpeninstruments zu erfassen. Die eingestellte Anzahl von Ebenen- oder Geschwindigkeitsfeldern für jede Zeitinstanz und an der vorher vereinbarten Position des Testabschnitts um 90 Grad 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. Berechnen Sie mithilfe der ergänzenden Codedatei die Felder Phase Averaged und RMS Secondary Flow Velocities, Vorticity und Swirling Strength.

Initialisieren Sie in der Software die Einstellung für die definierte Skala und senden Sie sie an die Maskendefinition. Weitere Informationen finden Sie in der Datei mit dem ergänzenden Code. Klicken Sie in der Software mit der rechten Maustaste auf beliebige PIV-Daten und starten Sie die Stapelverarbeitung.

Wählen Sie die Operation Vektorstatistik, Vektorfeldergebnisse aus der Gruppe Statistik und klicken Sie im Dialogfeld auf Parameter. Schalten Sie die Optionen für durchschnittliches V und RMSV im Abschnitt Vektorfeld um. Wählen Sie dann die Operation Vorticity aus der Gruppe Skalare Felder extrahieren, Rotation und Scherung aus.

Dadurch wird die zweidimensionale Vorticity im planaren Querschnitt gefunden. Starten Sie nun die Verarbeitung, indem Sie mit der rechten Maustaste auf beliebige PIV-Daten im Projektfenster klicken und Hyperloop All Sets auswählen. Um die Wirbelstärkefelder für die Erkennung von Sekundärströmungsstrukturen zu berechnen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf beliebige PIV-Daten, wählen Sie Geschwindigkeitsvektorfeld in der Struktur aus und starten Sie die Stapelverarbeitung.

Wählen Sie dann die Operation Swirling Strength aus der Gruppe Extract Scalar Fields Rotation and Shear aus und klicken Sie auf Schließen. Klicken Sie nun mit der rechten Maustaste auf dasselbe Velocity Vector Field, wählen Sie Hyperloop All Sets und passen Sie die Parameter für die Stapelverarbeitung wie zuvor an. Führen Sie abschließend die Berechnung der Felder "Wirbelnde Stärke" durch.

Die Daten der sekundären Strömungsgeschwindigkeit an der 90-Grad-Querschnittsposition wurden aus dem 2C 2D-PIV-System erfasst. Die Zuflussbedingung, die der Testsektion der gekrümmten Arterie mit einer idealisierten Stentfraktur vom Typ IV zugeführt wurde, war die Wellenform der Halsschlagader. Die Felddaten für die sekundäre Strömungsgeschwindigkeit wurden unter Verwendung der PIV-Technik durch Synchronisierung des Triggers generiert, der vom Steuercomputer des Pumpeninstruments erzeugt wurde.

verpixelten Daten wurden nachbearbeitet, um das Q-Kriterium und das Swirling Strength bzw. Landis ci-Kriterium während der systolischen Verzögerung zu bestimmen. Es wurden die auf der Drallstärke und dem Q-Kriterium basierenden Strömungsfelder verglichen. Die mit DLW-Merkmalen markierten Wortmuster, die für deformierte DLW-Wortmuster vom Dean-Lynn- und Wall-Typ repräsentativ sind, und dehnungsdominierte Regionen wurden an vier verschiedenen Querschnittsstellen während der systolischen Verzögerung untersucht.

Die auf kontinuierlicher Wavelet-Transformation basierende Methode wurde auf das sekundäre Strömungswirbelfeld angewendet, das eine Wirbeldetektion mit größerer Detailgenauigkeit in Form, Größe und Stärke ermöglichte. Schließlich wurden die auf dem Q-Kriterium, die Wirbelstärke und die Wavelet-Transformation-basierten Strömungsfelder verglichen. Die Wavelet-Transformed-basierte Methode zeigte das Vorhandensein komplexer wortischer Muster mit vielen Details in Größe, Maßstab und Stärke.

Sobald diese Technik gemeistert ist, kann sie in etwa acht Stunden durchgeführt werden, einschließlich PIV-Datenerfassung und Nachbearbeitung, nachdem die Modell-Stents auf dem 3D-Drucker gedruckt wurden. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, sicherzustellen, dass der Brechungsindex der Blutanalogflüssigkeit mit winzigen Mengen an Natriumthiosulfat angemessen angepasst wird. Um die Genauigkeit der paratheoretischen Ergebnisse zu verbessern und die optische Verzerrung zu minimieren, werden wir in Zukunft eine PIV-Kalibrierungskarte wie diese verwenden.

Nach diesem Verfahren können die Strömungen in patientenspezifischen Blutgefäßen ausgewertet werden, um zusätzliche Fragen zu pathologischen Zuständen zu beantworten und so einen bisher unerreichten Zugang zur Hämodynamik von Prothesen, Stentimplantaten und frakturierten Stents zu ermöglichen.