Artículo de método

Investigación experimental de estructuras secundarias de flujo aguas abajo de una Falla Modelo Tipo IV stent en una sección de prueba 180 ° de la arteria curvada

DOI:

10.3791/51288

⸱

19 de julio de 2016

 , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los implantes de stents en curvaturas arteriales estenosadas son propensos a fallos de "Tipo IV" que implican la fractura transversal completa de los stents y el desplazamiento lineal de las partes fracturadas. Presentamos un protocolo para la detección de estructuras de flujo secundario (vórtices) en un modelo de arteria curvada, aguas abajo de los fracasos de los stents "Tipo IV" clínicamente relevantes.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La red arterial en la vasculatura humana comprende de forma ubicua presentes vasos sanguíneos con geometrías complejas (ramas, curvaturas y tortuosidad). estructuras de flujo secundarias son los patrones de flujo de torbellino que se producen en las arterias curvas debido a la acción combinada de fuerzas centrífugas, gradientes de presión adversos y las características de flujo de entrada. Tales morfologías de flujo se ven afectados en gran medida por la pulsatilidad y múltiples armónicos de condiciones de flujo de entrada fisiológicos y varían en gran medida en las características de tamaño de resistencia-forma en comparación con no fisiológica (constante y oscilatorio) los flujos 1-7.

Estructuras de flujo secundarias pueden en última instancia, influir en el tiempo de la tensión de cizallamiento y la exposición de las partículas transmitidas por la sangre hacia la progresión de la aterosclerosis, restenosis, la sensibilización de las plaquetas y la trombosis 4-6, 8-13 Por lo tanto, la capacidad de detectar y caracterizar estas estructuras en condiciones de laboratorio. condiciones controladas por es precurso para promover las investigaciones clínicas.

Un tratamiento quirúrgico común de la aterosclerosis es la implantación del stent, para abrir las arterias con estenosis de flujo sanguíneo sin obstrucciones. Pero las perturbaciones de flujo concomitantes debido a las instalaciones de stent dan lugar a morfologías de flujo secundarias multi-escala. 4 - 6 complejidades de orden progresivamente más altas, tales como la asimetría y la pérdida de coherencia pueden ser inducidas por los consiguientes fallos de stent vis-à-vis los cuales son menores flujos no perturbadas 5. Estos fallos de stent han sido clasificados como "Tipos I-a-IV", basada en consideraciones de fallo y la gravedad clínica 14.

Este estudio presenta un protocolo para la investigación experimental de las estructuras de flujo secundaria complejos debido a completar fractura stent transversal y el desplazamiento lineal de las partes fracturadas ( "Tipo IV") en un modelo de arteria curvada. El método experimental implica la aplicación de velocimetría de imágenes de partículas (2C-2D PIV) técnicas con una forma de onda de entrada de la arteria carótida arquetípico, un índice de refracción corresponde sangre analógico fluido de trabajo para las mediciones de fase promediada 15 -. 18 se logró la identificación cuantitativa de las estructuras de flujo secundarias utilizando los conceptos de la física de flujo, teoría del punto crítico y una novela transformada wavelet algoritmo aplicado a los datos de PIV experimental 5, 6, 19-26.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

estructuras de flujo secundarias son los patrones de flujo de torbellino que se producen en las geometrías de flujo interno con curvaturas tales como tubos y canales curvos. Estas estructuras de torbellino surgen debido a la acción combinada de fuerzas centrífugas, gradientes de presión adversos y las características de flujo de entrada. En general, las estructuras de flujo secundarias aparecen en planares secciones transversales de los tubos curvados como vórtices de tipo Dean simétricas bajo flujo constante y, simétricos vórtices de Dean y Lyne de tipo bajo condiciones de flujo de entrada oscilatorios 1 - 3. Morfologías de flujo secundarias se ven afectadas en gran medida por la pulsatilidad y múltiples armónicos de pulsátil, condiciones de flujo de entrada fisiológicos. Estas estructuras adquieren marcadamente diferentes características de tamaño de resistencia-forma en comparación con no fisiológica (constante y oscilatorio) fluye 1 -. 6 desarrollo de la lesión aterosclerótica en las arterias se ve afectada por la existencia de oscilaciones de cizalla de alta frecuencia en las regiones que experimentan baja cizalladura media 27, 28

Un tratamiento común para la aterosclerosis, una complicación que resulta en un estrechamiento de las arterias por lesiones obstructivas, es la implantación de stents. Las fracturas de stents son las fallas estructurales de stents implantados que conducen a otras complicaciones médicas tales como la reestenosis en el stent (ISR), trombosis del stent y la formación de aneurismas. 9 - 13 fracturas de stents se han clasificado en distintas deficiencias "Tipos I-a-IV", en el que "Tipo IV" caracteriza a la más alta gravedad clínica y se define como la fractura transversal completa de los puntales del stent junto con desplazamientos lineales de los fragmentos de stent 14. el protocolo presentado en este estudio describe un Experimental método de visualización de las estructuras de flujo secundarias aguas abajo de un "Tipo IV" fractura stent idealizada en un modelo de arteria curvada.

El protocolo sugerido tiene las siguientes cuatro características esenciales:

Diseño y fabricación de modelos de stent a escala de laboratorio: Descripción geométrica de los stents puede estar asociada con un conjunto de espirales autoexpandibles (muelles o hélices) entrelazados usando Nitinol (una aleación de níquel y titanio) cables 29. La longitud del stent y su diámetro puntal depende de la escala de longitud de las lesiones arteriales encontradas durante la implantación clínica 5. variación paramétrica de diámetro puntal y el levantamiento de la liquidación (o tono), que lleva a los stents de diferentes configuraciones geométricas. Un resumen de los parámetros de diseño de stent elegidas para la impresión 3D se presentan en la Tabla 1.

Preparación de un fluido análogo de sangre de trabajo coincidecon la viscosidad cinemática de la sangre y el índice de refracción de la sección de prueba: se requiere el acceso óptico a la sección de prueba de la arteria curvada con el fin de hacer mediciones de velocidad no invasivos. En consecuencia, un sangre-imitación newtoniano fluido de trabajo con el índice de refracción del modelo vascular e idealmente, una viscosidad dinámica, a juego de la sangre humana se utiliza para obtener las mediciones de flujo de sangre precisa 16 -. 18, 30 se informó El fluido de trabajo utilizado en este estudio por Deutsch et al. (2006), que consta de yoduro de 79% de sodio saturado acuoso (NaI), 20% de glicerol puro, y 1% de agua (en volumen) 16.

Disposición experimental para la detección de estructuras de flujo secundarias coherentes usando una de dos componentes, de dos dimensiones velocimetría de imágenes de partículas (2C-2D PIV): experimentos fueron diseñados para adquirir datos de la velocidad de flujo secundario de fase promediada en varios lugares de la sección transversal planas aguas abajo de una combinación de straight y secciones de stent curvas que incorpora un idealizada "Tipo IV" stent fractura 5, 6, 9, 14. El protocolo pasos relacionados con la adquisición de campos de velocidad de flujo secundaria utilizando la técnica de imagen de partículas velocimetría (PIV) implica un sistema de PIV que comprende de un láser (hoja luz) fuente, la óptica para enfocar e iluminar las regiones de partículas trazadoras flujo, un dispositivo de carga especial de correlación cruzada (CCD-sensor o cámara) y al ser iluminada por la lámina de luz dentro de un corto intervalo de tiempo (Dt ; véase la Tabla 4) 31, 32.

Los pasos en el protocolo supone lo siguiente: En primer lugar, un calibrado, puesta en marcha experimental de un sistema de PIV de dos componentes, de dos dimensiones (2D-2C) que evalúa las imágenes haciendo doble marco, las grabaciones de una sola exposición. En segundo lugar, el sistema de 2C-2D PIV calcula los desplazamientos medios de partículas trazadoras mediante la realización de correlación cruzada entre dos cuadros de imagen adquiridos durante cada grabación. Un brResumen del IEF PIV especificaciones y software de adquisición de imágenes se presenta en la tabla de materiales y equipos. En tercer lugar, todas las precauciones de seguridad necesarias para operar el láser son seguidos por personal de laboratorio experto de acuerdo con las directrices proporcionadas por la institución de destino. Los autores sugieren Refs. 31 y 32 para una comprensión holística de la aplicación, la funcionalidad y la aplicación de la técnica de PIV en la dinámica de aeroestructuras, hidro y microfluidos, detección de pico de correlación y de estimación de desplazamiento, material y densidad de las partículas trazadoras y, ruido de medición y precisión. Tenga en cuenta también que el láser y la cámara pueden ser controlados por el ordenador de adquisición de datos de PIV (Figura 3A) y el software de procesamiento de datos.

Adquisición de datos y post-procesamiento para la detección de estructura coherente: mediciones de la velocidad de flujo secundario de fase promediada utilizando un PIV 2C-2D se generaron utilizando la descripción del protocolo que sigue. Proceso después de ción de los datos de detección involucrado estructura de flujo secundario coherente utilizando los tres métodos siguientes: la transformada continua, figure-introduction-1 5, 6, 19 a 24, 26.

Los autores señalan que el tensor de gradiente de velocidad es esencialmente, una matriz de 3 x 3,
figure-introduction-2 .

El protocolo se presenta un método de adquisición de mediciones experimentales de dos dimensiones (de técnica 2C-2D PIV). Por lo tanto, un acceso completo experimental para el tensor de gradiente de velocidad no será alcanzable mediante este método. El tensor gradiente de velocidad para cada píxel figure-introduction-3 de la imagen PIV figure-introduction-4 debe ser una matriz de 2 x 2, figure-introduction-5 . La vorticidad componente zquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> para cada píxel figure-introduction-6 se calcula utilizando la parte anti-simétrica del tensor de gradiente de velocidad figure-introduction-7 . El resultado será una matriz 2D de la vorticidad figure-introduction-8 que pueden ser visualizados en un gráfico de contorno. Los autores sugieren fuertemente Ref. 25 para una discusión elocuente acceso experimental para el tensor gradiente de velocidad hacia la mejora del conocimiento de la disipación de la vorticidad, velocidades de deformación y la detección estructura coherente. Por otra parte, los autores no intentan explorar las interrelaciones entre los métodos de detección antes mencionados estructura coherente y sugerir Ref. 23, 24 para una discusión completa sobre este tema.

El enfoque de los pasos en el protocolo es la identificación cuantitativa de flujo secundario (vortical) structures (también conocidos como estructuras coherentes). Tres métodos de detección coherente viz estructura., figure-introduction-9 y wavelet transforma vorticidad figure-introduction-10 se aplican a los datos de campo velocidad hacia la detección de múltiples escalas, ocurrencias múltiples de resistencia de las estructuras secundarias de flujo aguas abajo de la idealizada "Tipo IV" fractura del stent.

los figure-introduction-11 , Define un vórtice como una región espacial donde la norma euclidiana del tensor de vorticidad domina la de la tasa de deformación 19, 23, 24 matriz de gradiente de velocidad .La se descompone en simétrico (velocidad de deformación) y partes anti-simétricas (rotación). Valores propios de la matriz de la velocidad de deformación se calculan; figure-introduction-12 . A continuación se calcula la norma de la velocidad de deformación; "Ecuación ), Entonces se calcula. los figure-introduction-14 es finalmente computarizada; figure-introduction-15 . Un gráfico de contorno de todo el conjunto de figure-introduction-16 con iso-regiones figure-introduction-17 , Indicará estructuras de flujo secundario 19.

los figure-introduction-18 , También conocida como "fuerza de remolino 'es un método de identificación de vórtice realizado por el análisis crítico de punto del tensor gradiente de velocidad local y sus correspondientes valores propios 20-24 se calculan. Los valores propios deben ser de la forma, figure-introduction-19 . Un gráfico de contorno de figure-introduction-20 con iso-regiones figure-introduction-21 indicará estructuras de flujo secundarios 20 a 22.

Transformada wavelet método utiliza una función de análisis (o wavelets) que tiene la suavidad en los espacios físicos y espectrales, es admisible (o tiene media cero) y tiene una finita figure-introduction-22 5, 6, 26. Por la convolución de una dilatada o contraída wavelet con un campo de vorticidad 2D, transformada wavelet vorticidad figure-introduction-23 campo es generado comprising de estructuras coherentes con una amplia gama de escalas y fortalezas 5, 6, 26. entropía de Shannon del campo de vorticidad wavelet transformadas 2D se calcula para estimar la escala wavelet óptimo en el que todas las estructuras coherentes se resuelven adecuadamente. Esta estimación entropía consiste en un conjunto de probabilidades figure-introduction-24 para cada píxel figure-introduction-25 de tal manera que figure-introduction-26 , El módulo normalizado cuadrado de la vorticidad asociado con el píxel en la posición m, n 5, 6. Los pasos de procedimiento se presentan gráficamente en la Figura 6. Las restricciones impuestas a la elección de la wavelet se presentan en detalle en la Ref. 26. Este paso protocolo describe el procedimiento para la detección de estructura coherente utilizando un wavelet 2D Ricker. La justificación para el uso de esta wavelet la coincidencia de patrón de vórtice se presenta en la Ref. 5, 6 y las referencias pertinentes citadas en el mismo.

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Protocolo

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1. Diseño y fabricación de modelos de stents

Nota: Los siguientes pasos se han seguido para crear modelos a escala de laboratorio de los stents rectos y curvos. La instalación de los dos modelos de stent incorporará una fractura "Tipo IV" (fragmentación y el desplazamiento lineal de las piezas de stent fracturados).

Nota: Los autores utilizaron software Pro / Engineer en el momento de la investigación para la creación de modelos CAD de la geometría del stent. El siguiente procedimiento es generalizado y no puede incluir términos genéricos para el software de CAD utilizado. Otros paquetes de CAD disponibles también se pueden utilizar. Los pasos que siguen son aplicables para el software de CAD que los autores utilizaron en el momento de la investigación y se han adaptado a partir de la página del fabricante. Para una descripción más detallada de la máquina de prototipado rápido utilizado por los autores véase la Lista de materiales. Las ecuaciones paramétricas y valores inicializados para el diseño del stent se presentan en TaBLE 1 y Figura 1D y 1E son ejemplos de los modelos rectos y curvos del stent tras la creación rápida de prototipos.

  1. Crear la geometría del stent directo mediante la definición de las ecuaciones paramétricas e inicializar los parámetros de las hélices izquierda y derecha en un sistema de coordenadas cartesianas (XYZ) (Tabla 1).
    1. Generar un conjunto de 10 hélices girando a la izquierda equidistantes en un conjunto circular plana sobre una línea de referencia recta o eje z, utilizando la Ec. 1, 2, 3 y 5 muestran en la Tabla 1, con valores inicializados de número de vueltas
      ( figure-protocol-1 ), El tono, el grosor del alambre del stent ( figure-protocol-2 ) Y el diámetro nominal de la endoprótesis ( figure-protocol-3 ) (Figura 1A y Tabla 1).
    2. Repita el paso 1.1.1 usando la Ec. 1, 2, 4 y 5 para generar unapatrón circular de 10 hélices izquierda equiespaciados (Figura 1A).
    3. Generar la geometría del stent recto o mediante la combinación de montaje de la izquierda y giro a la derecha hélices alrededor de un eje común (Figura 1A).
  2. Crear la geometría del stent curvada definiendo ecuaciones paramétricas e inicializar los parámetros de las hélices izquierda y derecha en el cilíndrica (R-β-X) sistema de coordenadas o alrededor de una línea de referencia curva (Tabla 1). Repita los pasos 1.1.1 - 1.1.2 con los parámetros previamente inicializados utilizando la Ec. 1, 2, 6 y 7.
    1. Generar una geometría curvada stent o la combinación de montaje de la izquierda y giro a la derecha hélices curvada alrededor de un eje común (R) y que subtiende un ángulo figure-protocol-4 en el origen (Figura 1B).
  3. Crear de alta resolución de la estereolitografía (STL) archivos de los modelos CAD stent rectas y curvas.
    1. Seleccione 'Exportar> Modelo 'en el menú' Archivo '. Elija la opción 'STL'. Set 'altura de cuerda' a 0. Set 'de control de ángulo "a 1. Aplicar' OK 'para crear el archivo STL-A. Nota: El valor de "control del ángulo 'regula la cantidad de teselación largo de la superficie con pequeños radios y la configuración puede estar entre 0 y 1.
  4. Fabricar los modelos de stent en una máquina de prototipado rápido se muestra en la Figura 1C utilizando materiales enumerados en la tabla de materiales y equipos.
    1. Ejecutar el software de impresión en 3D (véase la Lista de Materiales). Haga clic en "Insertar" para localizar el TEL-archivo en el equipo 3D-impresora y seleccionar el archivo deseado. Arrastrar el ratón en la pantalla para colocar la representación 3D de la STL-archivo en una plataforma virtual ( 'bandeja') en la pantalla.
    2. Seleccionar unidades apropiadas como "mm" (Opciones: "mm" o "pulgadas") de las pestañas del menú archivo. Seleccione la calidad de producto terminado como 'Mate' (Opciones: 'mate' o 'brillo'). Seleccione 'configuración de las bandejas> Validación' ficha desde el menú de archivo.
    3. Busque el mensaje 'Validación tuvo éxito' para continuar con el siguiente paso. Si la validación es repetir los pasos fallidos en 1.3 - 1.4.2 hasta que se consigue la validación exitosa.
    4. Seleccione 'configuración de las bandejas> Build' ficha desde el menú, para enviar el archivo a la impresora 3D para la fabricación.
      Nota: El valor de la "altura de cuerda 'controla el grado de teselación de la superficie del modelo. Afecta a la precisión y tamaño de archivo del modelo se sustituye por un valor mínimo de forma automática. Pequeños valores de altura de cuerda conduce a una menor desviación de la geometría de la pieza real con el tamaño del archivo de compensación. comprobación de validación es necesaria para asegurarse de que la pieza se encuentra contigua y el vacío de la existencia de anomalías estructurales durante la etapa de fabricación.

2. Preparar cinemática de la viscosidad y de refracción enLíquido de la sangre analógico-DEX-emparejado

Nota: El siguiente procedimiento se producirá aproximadamente 600 ml de solución de sangre analógica. Un resumen de los reactivos químicos y disolventes con propiedades correspondientes utilizados en la preparación de la solución se presentan en la Lista de materiales. Propiedades de los materiales pertinentes, equipos de laboratorio sugerido y las directrices para cálculos volumétricos se presentan en las Tablas 2, 3 y 4, respectivamente.

  1. Preparar una solución saturada de yoduro de sodio (NaI).
    1. Verter 500 ml de H2O desionizada en un vaso de precipitados de 2000 ml. Colocar el vaso de precipitados en el agitador magnético.
    2. Medir ≈860 g de NaI en una balanza de peso puesto a cero y añadir incrementos de 100 g en el vaso mientras se agita y esperar a que la adición de corriente se disuelva completamente antes de añadir el siguiente. Registrar la temperatura a cada adición, ya que el proceso de saturación de H2O desionizada con NaI es ligeramente exotHermic. Refrigerar la solución según sea necesario para mantenerlo a RT (≈ 25 ° C).
    3. Añadir NaI incrementos pequeños (≈5-10 g) hasta 20 g, hasta que se saturó la solución. Se registra la masa y la temperatura de cada adición. Retirar el vaso con una solución saturada de NaI del agitador magnético cuando haya terminado.
  2. Medir la densidad de la solución saturada NaI ( figure-protocol-5 ).
    1. Añadir 10 ml de solución saturada de NaI desde el paso 2.1 a un vaso de precipitados de 50 ml en una escala a cero usando una jeringa (o una pipeta volumétrica), asegurándose de que no haya burbujas de aire. Registro de masa y el volumen añadido.
    2. Calcular la densidad de cada adición usando la Ec. 8 (véase la Tabla 3). Repita este paso alrededor de 4-5 veces. La media de los densidades grabados. Devolver la solución para el lote de solución de NaI saturado preparado en la etapa 2.1.
  3. Estimar el volumen total de la solución de imitación de sangre. < ol>
  4. Medir la masa de la solución de NaI saturado preparado en la etapa 2.1 y calcular su volumen ( figure-protocol-6 ) Usando la Ec. 9. Estimación del volumen total de la solución de imitación de sangre ( figure-protocol-7 ) Y los volúmenes parciales de glicerina ( figure-protocol-8 ) Y agua desionizada ( figure-protocol-9 ) Que se añade siguiente ecuación. 10, 11 y 12 (véase la Tabla 3).
  • Preparar la solución de sangre analógica.
    1. Preparar una solución de análogo de sangre que comprende de 79% solución saturada de NaI, 20% de glicerol y 1% de agua desionizada (en volumen) a través de la mezcla homogeneizada en un agitador magnético.
    2. Colocar el vaso de precipitados con la solución de NaI saturado en el agitador magnético y añadir glicerol en pequeños incrementos (88 / 51288eq38.jpg "/>), usando una jeringa (o graduado o una pipeta volumétrica) hasta que todo el volumen de glicerol ( figure-protocol-10 ) Calculado en el paso 2.3 se añade. Para cada figure-protocol-11 iteración, registrar el volumen agregado y esperar hasta que la solución es visiblemente homogeneizada antes de la adición de la siguiente incremento de glicerol.
    3. Después de la homogeneización completa de la solución de NaI saturado y glicerol, añadir figure-protocol-12 usando una jeringa (o graduado o una pipeta volumétrica). Se continúa agitando en el agitador magnético hasta que la solución de sangre analógica es visiblemente homogeneizada.
  • Caracterizar el fluido análogo de la sangre a temperatura ambiente y presión estándar (25 ° C, 1 atm).
    1. Medir la viscosidad cinemática (ν) usando un viscosímetro Ubbelohde estándar o instrumento de medición equivalente.La viscosidad cinemática se puede ajustar mediante la adición de pequeñas cantidades, medidas de glicerol usando una pipeta graduada o volumétrico.
    2. Medir el índice de refracción (n) usando un refractómetro. El índice de refracción se puede ajustar mediante la adición de pequeñas cantidades de anhidro de tiosulfato de sodio con una espátula.
      Nota: Los autores informan de la viscosidad cinemática, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 seg -1 ± 2,8%) y el índice de refracción del fluido análogo de sangre, n = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Organizar experimento para la medición de Secundaria Velocidad del Flujo campos hacia abajo de un "Tipo IV" El fracaso de stent

    Nota: La sección de prueba de la arteria curvada 180 ° se compone de dos bloques de acrílico pegadas entre sí, 180 ° canal curvado mecanizada en cada bloque y el suministro para los tubos de entrada y salida como se muestra en las figuras 1F, 3A y 5, 6 (véase la Tabla 2).

    1. Instalar los stents fabricados en el paso 1 en la sección de prueba de la arteria curvada hecha de acrílico para encarnar una fractura tipo IV escenario idealizado, lo que implica una fractura transversal completa de stents y desplazamiento lineal de partes fragmentadas (ver Figuras 1F, 3A y 3B).
      1. Colocar el stent recta aguas arriba de la sección de prueba de la arteria curvada (ver Figuras 1F y 3B). Para asegurarse de que la separación entre el recto y los stents curvas es "3 veces 'el diámetro de la (tubo D = 12,7 mm) del tubo, colocar el 45 ° stent curvado dentro de la curvatura con un extremo en la entrada al tubo curvado ( Figura 2B).
    2. montar THe instalación experimental mediante la conexión de las tuberías de acrílico directamente a la entrada y la salida de la sección de prueba de la arteria curvada 180 ° como se muestra en la vista general esquemática de la disposición experimental (Figura 2) en una mesa óptica (Figura 3A).

    4. Adquirir de campos de velocidad de flujo secundario

    Nota: La siguiente descripción en el protocolo se refiere a la adquisición de campos de velocidad de flujo secundario utilizando la técnica de imágenes de partículas velocimetría (PIV) Figura 3B (dibujo esquemático) muestra que hay cuatro lugares (45 °, 90 °, 135 ° y 180 °). con muescas angulares para facilitar la proyección de hoja de láser y hacer la velocidad del flujo secundario de la sección transversal plana. Los pasos del protocolo se refieren a medidas adquiridas para la ubicación 90 °. Si la hoja de láser se coloca a 45 ° ubicación, la cámara se coloca en el lugar 135 ° para obtener acceso óptico para flujo secundario measurements en el lugar de 45 °.

    Nota: El siguiente procedimiento es generalizado y no puede incluir términos genéricos para la adquisición de imágenes y software de procesamiento de correos y el software de control de instrumento utilizado (ver Lista de Materiales). Otros paquetes de imagen y de adquisición de datos disponibles también se pueden utilizar en el protocolo.

    1. Encienda el láser utilizando los interruptores ON / OFF situado en la fuente de energía láser. Iluminar un pequeño trozo de papel para visualizar la hoja de láser. Ajuste el espesor de la lámina de láser (de aproximadamente 2 mm) visualmente, girando la hoja de láser óptica de enfoque situados en la fuente de láser.
    2. Coloque la hoja de láser a lo largo de la región de medición 90 ° de manera que la hoja es perpendicular a la mesa óptica. Coloque la cámara cerca de la ubicación 0 ° o 180 ° para obtener acceso óptico de la vista en sección transversal iluminado por la lámina de láser.
    3. Alinear láser y la cámara utilizando el software de procesamiento de adquisición de imágenes y de destino para compensarel campo de visión de la cámara para capturar suficientemente la imagen de la sección transversal circular de la arteria curvada (véase la figura 3A) y la reducción de la distorsión de partículas. Realizar la alineación por "ensayo y error" mediante la inspección de la imagen generada por el software del campo de visión. Apagar el láser utilizando los interruptores de control situados en la fuente de energía láser y asegurarse de que la cámara se enciende con la tapa del objetivo eliminado.
    4. Iniciar la adquisición de imágenes y software de post-procesamiento en el equipo de adquisición de datos PIV e inicie sesión como "usuario experto". Crear un nuevo proyecto en el menú archivo, especifique un "Nombre del proyecto" y la opción "PIV" seleccione el marco del "Tipo de proyecto '. Seleccione "Nuevo" en el menú archivo para iniciar una nueva sesión de grabación de PIV. Seleccione "Dispositivo" en la sección "Configuración" en la adquisición de imágenes y software de procesamiento posterior.
    5. Navegue a la caja de diálogo 'Grabación' en la pantalla,activar la casilla de verificación "Cámara 1" y seleccione "Single Frame (T1A) 'opción. 'Botón de opción' Seleccionar láser para estar en ON en los ajustes del software de procesamiento de adquisición de imágenes y postales. Activar el modo de alimentación externa de la fuente de potencia del láser pulsando 'EXT' y 'interruptores de alta potencia' ubicados en la fuente de energía láser.
    6. Seleccione 'Grab' en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post para comenzar a adquirir imágenes PIV observar en la pantalla del ordenador. Mover la cámara con ligeros ajustes manuales en la mesa óptica y ajustar el enfoque para optimizar la ubicación de la cámara para maximizar el campo de visión, reducir la borrosidad y distorsión de la imagen.
    7. Seleccione el botón de radio 'Stop' de la configuración de software de adquisición de imágenes y el procesamiento posterior de cesar la adquisición de datos de PIV y no hacen más ajustes de la cámara. El procedimiento de alineación se completa en esta etapa.
      Nota: Los pulsos de láser en esta etapa son controladas por la imagensoftware de adquisición y el procesamiento posterior y se puede controlar aún más mediante la variación de la frecuencia de sincronización, o bien 'Exposición' en la configuración del software. El láser se detendrá automáticamente, ya que está controlada por la adquisición de imágenes y el software de procesamiento posterior. No cierre el software de procesamiento de adquisición de imágenes y puesto como el proyecto actual se utilizará para adquirir datos de PIV en los pasos que siguen.
    8. Adquirir imágenes de los campos de flujo secundarias que utilizan el sistema PIV-2C 2D siguiendo los pasos a continuación para asegurar que los datos de fase de PIV-sabia se generan utilizando impulsos de activación temporal del ordenador de control de instrumentos de la bomba que se sincronizan con el láser de pulso dual y cámara.
      Nota: La bomba programable está conectado al ordenador de control de instrumentos de la bomba y es controlada por el programa de software de control de instrumentos. Los pasos que siguen implican la creación de módulos de control de software en el ordenador usando PIV la adquisición de imágenes y después de la elaboración y la bomba equipo de control de instrumentos nosing software de control de instrumentos.
      1. Encienda la bomba programable mediante el interruptor ON / OFF situado en la bomba. El lanzamiento del programa de control de instrumentos en el equipo de control de instrumentos de la bomba.
      2. Cargar el archivo de texto que tiene los valores de la forma de onda de tensión-tiempo con un gatillo de referencia (t / T = 0), que representa la (arteria carótida) fisiológica forma de onda de velocidad de flujo en el software de control de instrumentos el mantenimiento de un número de Womersley fisiológico figure-protocol-13 y, Reynolds máximo figure-protocol-14 y Dean figure-protocol-15 números (Figura 4A).
      3. Set 'Amplitud' a 1 (voltios), 'DC offset' a 0 (voltios), 'Número de pasos de tiempo' de 1000 y 'Periodo de tiempo' a 4 (segundos) en la pantalla de la interfaz del software de control del instrumento.
      4. Confirmar que el polo externomodo de r de la fuente de potencia del láser en el paso 4.5, todavía está activado. Pulse 'EXT' y 'alta energía' interruptores situados en la fuente de potencia del láser, si es necesario.
      5. Seleccionar una unidad más después de hacer clic en "Nueva grabación" en la sección "Configuración" en la adquisición de imágenes y software de procesamiento posterior. Navegue hasta la caja de diálogo 'grabación' en la adquisición de imágenes y software de procesamiento posterior (equipo PIV), activar 'la cámara 1' casilla de verificación y seleccione 'del marco doble (T1A + T1B)' opción para configurar el láser para disparar en el pulso dual modo.
      6. Seleccionar la opción 'Momento' en el cuadro de diálogo 'Grabación' en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y registro, seleccione "Fuente de disparo 'y la puso a' disparador cíclico externa 'para sincronizar con gatillo señales desde el módulo de control de instrumentos de la bomba. Seleccione 'Aquisit' en la sección "Configuración" en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post para sel establecimiento de la tarta hasta la adquisición de PIV.
      7. Vaya a la caja de diálogo "secuencia de grabación" en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post. Añadir una subcategoría 'recorrido de tabla "en" secuencia de grabación con el uso de la ficha correspondiente proporcionada en la interfaz de software. Rellenar la tabla creado usando 'recorrido de tabla Editar', 'Anexar Scan' y los valores de tiempo de entrada a partir de 0 milisegundos y terminando con 4.000 milisegundos en intervalos de 40 milisegundos. Dt-valores de entrada correspondientes a cada entrada en la tabla de tiempo. Presione "Enter" en el teclado después de cada valor introducido.
      8. Vaya a la caja de diálogo "secuencia de grabación" en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post. Añadir subcategoría 'Adquisición de imágenes "en" exploración de tabla' creado en el paso 4.8.7. En la opción '' Número de imágenes a 200, active la casilla de verificación "Mostrar imágenes durante la grabación" y seleccione "Iniciar de inmediato '.
      9. select 'Dispositivo' en la sección 'Configuración' y confirme que el láser está ajustado a "ON" con los ajustes de potencia adecuados. Navegue a 'láser de control' para confirmar. El sistema de PIV está ahora listo para la adquisición de datos.
      10. Seleccione el botón "RUN" en la interfaz de software de control de instrumentos en el equipo de control de instrumentos de la bomba para suministrar fluido al experimento utilizando las entradas proporcionadas en el paso 4.8.2-4.8.3 junto con un impulso de disparo cada 4 segundos.
      11. Seleccione "Iniciar grabación" para la adquisición de las mediciones de fase a gota utilizando disparador de señal del control de instrumentos de la bomba hasta que el número predeterminado de campos de velocidad de superficie (200, adecuada para alcanzar la convergencia estadística 5, 6, 31, 32) en cada instante de tiempo establecido en el recorrido de tabla (ver paso 4.8.7) en la posición 90 ° se hace.
      12. Presione "Stop" de la fuente de potencia del láser una vez que la grabación se realiza. Apagar la bomba y la cámara, y colocar la lente de la cámara cover. Seleccione el botón "Stop" de radio en la interfaz de software de control de instrumentos en el equipo de control de instrumentos de la bomba.
      13. inspeccione visualmente montaje experimental para calibrar el nivel de fugas, se reúnen el sulfato, si es necesario, para asegurar que todos los dispositivos se han apagado o se puede dejar en espera, según sea el caso. Cierre la sesión de grabación en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post.

    5. Detectar estructuras coherentes de flujo secundario

    Nota: Utilice el software de adquisición de imágenes y procesamiento de correos y un conjunto de funciones de línea de comandos (caja de herramientas basadas en MATLAB, PIVMat 3.01) para importar, post-procesamiento y análisis de los campos 2- componentes vectoriales del sistema PIV 5, 6, 33.

    1. Crear una máscara que abarca la geometría es decir, flujo interno, la zona circular, plana en sección transversal.
      1. Seleccione el proyecto creado en el paso 4.4, que ahora tiene los datos adquiridos en cada PIVinstancia de tiempo especificado en el paso 4.8.7. Además, seleccione todos los datos en el cuadro de diálogo que contiene el conjunto completo de datos de PIV.
      2. Siga las instrucciones en el "Archivo Código Suplementario - la creación de una máscara".
    2. Crear una rutina de procesamiento posterior seleccionando el icono 'lotes' en el menú archivo en la ventana del proyecto, mientras que algunos conjunto de datos PIV se selecciona de forma predeterminada. Un cuadro de diálogo con una 'Operación lista' aparecerá que debe completarse en el mismo orden que se menciona en el siguiente paso.
      1. Siga las instrucciones en el "Archivo Código Suplementario - la creación de una rutina de post-procesamiento".
    3. campos de fase promediada de cómputo y RMS de velocidad de flujo secundario, y vorticidad.
      1. Seleccionar las «estadísticas vector: vector de resultado de campo 'operación de' estadísticas 'del grupo y haga clic en' Parámetros 'en el cuadro de diálogo. Activar 'V Media' y 'V RMS' casillas de verificación under la sección '' Los campos vectoriales. Seleccione la operación 'rot-z Eyx - Exy' del grupo 'extraer campo escalar: rotación y cizalladura' para determinar la vorticidad de dos dimensiones en la sección transversal plana.
    4. Comience posterior procesamiento de los datos completos de PIV y generar magnitudes de fase promediada de la velocidad, la velocidad RMS, vorticidad y la fuerza con remolinos de operaciones creados en los pasos 5.3 y 5.4.
      1. 'Haga clic' sobre cualquier dato de PIV bajo la ventana de proyecto, seleccione 'HYPERLOOP> Todos los conjuntos', y seleccione la opción "Añadir todo" bajo el título «fija disponible: 'sección para asegurarse de que se selecciona todo el conjunto de datos de PIV.
      2. Seleccione 'Parámetros' en el menú desplegable bajo el "Filtro: 'sección. Seleccione la opción "procesamiento por lotes" bajo la "Operación: 'sección. Haga clic en "Ejecutar" para iniciar el procesamiento posterior 'Hyperloop' de los datos de PIV.
    5. remolino de cómputofuerza figure-protocol-16 campos) para detectar estructuras de flujo secundarias utilizando el software de adquisición de imágenes y procesamiento posterior. Seleccione la operación 'remolinos de la fuerza' del grupo 'extraer campo escalar: rotación y cizalladura'.
      1. Repita los pasos 5.4.1-5.4.2 para ejecutar el procesamiento posterior 'Hyperloop'.
    6. Detectar estructuras coherentes por figure-protocol-17 y transformada wavelet continua en el campo de vorticidad figure-protocol-18 mediante la creación de funciones de MATLAB definidos por el usuario y el uso de funciones de MATLAB basadas en 3,01 PIVmat (Ver "Archivo Suplementario Código - códigos de MATLAB", por ejemplo el código).
      1. Generar una matriz 2D de los datos de la siguiente ecuación que representa una wavelet 2D Ricker inicializando el factor de escala figure-protocol-19 en la ecuación. 13 a un valor arbitrario (Ver "Archivo Código Suplementario - códigos de MATLAB").
        figure-protocol-20
      2. Realizar convolución bidimensional de Fourier o la multiplicación de la vorticidad figure-protocol-21 los datos procedentes de la etapa 5.4, con función wavelet 2D Ricker (Ec. 13) para generar transformada wavelet campo de vorticidad figure-protocol-22 en el factor de escala inicializado figure-protocol-23 . (Ver "Código Suplementario Archivo - códigos de MATLAB").
      3. Calcular la entropía de Shannon figure-protocol-24 del campo de vorticidad transformada wavelet figure-protocol-25 representado por la ecuación. 14 (Ver "Archivo Código Suplementario - códigos de MATLAB").
        figure-protocol-26
      4. Cambiar el factor de escala para figure-protocol-27 y generar una nueva matriz 2D de datos que representan la wavelet 2D Ricker (Ec. 13) (véase la Figura 6).
      5. Repetir los pasos 5.6.1 - 5.6.4, para una gran variedad de factores de escala ( figure-protocol-28 , Ver bucle de retroalimentación en la Figura 6.
      6. Crear un gráfico de la entropía de Shannon figure-protocol-29 vs factor de escala wavelet figure-protocol-30 en el paso 5.6.5 (véase la Figura 6). Localizar una escala de onda óptima figure-protocol-31 , Por lo general corresponde a un mínimo local en la entropía de Shannon figure-protocol-32 . Repita el paso 5.6.4 en la escala óptima de ondas (SEe entropía de Shannon vs gráfico en escala wavelet en la Figura 6).
      7. Crear un gráfico de contorno de la transformada wavelet vorticidad figure-protocol-33 en el factor de escala wavelet correspondiente al valor óptimo de la entropía de Shannon figure-protocol-34 .

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    Resultados

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    Los resultados presentados en la Figura 7A-D fueron generados después de los datos de velocidad de procesamiento de poste de flujo secundario (véanse las figuras 5, 6) adquirido de sistema de 2C-2D PIV muestra en la Figura 3A. La condición de flujo de entrada suministrada a la sección de prueba de la arteria curvada con una fractura "Tipo IV" stent idealizada era la forma de onda de la arteria carótida se muestra en la Figura 4B....

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    Discusión

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    El protocolo presentado en este documento se describe la adquisición de alta fidelidad datos experimentales utilizando la técnica de velocimetría de imágenes de partículas (PIV) y métodos de detección estructura coherente, a saber., La transformada continua, figure-discussion-1 , Adecuado para la identificación de vórtice y los flujos de cizalla dominada. Análisis de los datos experimentales de los flujos fisiológicos en la presencia de una fractura idealizada "Tipo IV" reve...

    Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

    Divulgaciones

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    No hay conflictos de interés declarado.

    Agradecimientos

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    Los autores reconocen el apoyo de NSF subvención CBET-0909678 y la financiación del Centro de Biomimética GW y Bioinspirada Ingeniería (COBRE). Agradecemos a los estudiantes, el Sr. Christopher Popma, Sra. Leanne Penna, la Sra Shannon Callahan, el Sr. Shadman Hussain, Mohammed R. NAJJARI, y la Sra. Jessica Hinke en busca de ayuda en el laboratorio y el Sr. Mathieu Barraja destinados a contribuir a dibujos CAD.

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    Materiales

    Lista de materiales utilizados en este artículo
    NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
    Tubos y láminas acrílicasMcMaster-Carr Supply CompanyTubos de entrada y salida y material de la sección de prueba de la arteria curva
    Impresora 3D de escritorio Object24StratasysMáquina de prototipado rápido de
    VeroWhitePlus Material opaco Material deStratasyspara la impresora 3D de sobremesa Object24
    Fullcure 705StratasysFotopolímero gelatinoso no tóxico Material de soporte para la impresora 3D de escritorio Object24
    Viscosímetro UbbelohdeCole ParmerYO-98934-12Hacia la medición de la viscosidad cinemática del fluido análogo de la sangre
    VELP scientifica - Agitador ESP VELP ScientificaF206A0179Agitador magnético
    Ohaus Scout Pro SP 601 The Lab DepotSP4001Báscula de pesaje
    RefractómetroAtagoPAL-RIHacia la medición del índice de refracción de fluidos análogos de la sangre
    Vasos, pipetas, jeringas y espátulaSigma-Aldrich CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216Hacia el manejo de materiales necesarios para la preparación de soluciones análogas a la sangre
    Yoduro de sodioSigma-Aldrich383112-2.5KG cristalino
    GlicerolSigma-AldrichG5516-1L
    Agua desionizada--
    Tiosulfato de sodio líquido anhidroSigma-Aldrich72049-250GPolvo
    PIV Medio de grabaciónLaVisionImager Intense 10HzPIV Adquisición de imágenes Cámara CCD PIV
    Fuente de iluminaciónNew Wave ResearchSolo III-15Fuente láser PIV, láser Nd:YAG, 532 nm, doble pulso 70 mJ/pulso
    PIV Software de imagenLaVisionDaVis 7.2PIV Adquisición de datos y control de instrumentos
    PIV Material de siembraTermocientífico   Flouro-Max(≈ 7 µ m); Las microesferas fluorescentes de poliestireno teñido en seco (DVB) emiten colores brillantes y distintos cuando se iluminan con la luz de más cortos. longitudes de onda que la longitud de onda de emisión.
    escritorio. http://www.stratasys.com construcción líquidaMicroesferas de polímero fluorescente rojo

    Referencias

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