Etude expérimentale des structures de flux secondaire en aval d'un échec Modèle Type IV Stent dans une section d'essai de 180 ° Artère Curved

Summary

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to “Type IV” failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant “Type IV” stent failures.

Abstract

Le réseau artériel dans le système vasculaire humain comprend des ubiquitaire présents vaisseaux sanguins avec des géométries complexes (branches, les courbures et la tortuosité). les structures d'écoulement secondaires sont des modèles d'écoulement tourbillonnaire qui se produisent dans les artères courbes grâce à l'action combinée des forces centrifuges, les gradients de pression négatifs et des caractéristiques de débit entrant. Ces morphologies d'écoulement sont grandement affectées par pulsatilité et harmoniques multiples de conditions d'afflux physiologiques et varient grandement dans les caractéristiques de taille de force en forme par rapport à la non-physiologique (stable et oscillatoire) circule ^1-7.

Des structures secondaires d'écoulement peuvent éventuellement influer sur la contrainte de cisaillement de paroi et le temps d' exposition des particules de sang vers la progression de l' athérosclérose, la resténose, la sensibilisation des plaquettes et la thrombose ^{4 – 6, 8 – 13} Par conséquent, la capacité de détecter et de caractériser ces structures sous laboratoire. conditions contrôlées par est precursou de poursuivre les investigations cliniques.

Un traitement chirurgical commun à l'athérosclérose est l'implantation du stent, pour ouvrir les artères sténosées pour la circulation sanguine sans obstacle. Mais les perturbations de flux concomitants due aux installations de stent conduisent à multi-échelles morphologies d'écoulement secondaire ^{4 -. 6} complexités d'ordre plus en plus élevés , tels que l' asymétrie et la perte de cohérence peuvent être induites par des défaillances de stent qui ont suivi vis-à-vis de ceux qui dans les flux non perturbés ^5. Ces échecs stent ont été classés comme «Types I à IV» fondées sur des considérations de défaillance et la sévérité clinique ^14.

Cette étude présente un protocole pour l'étude expérimentale des structures complexes d'écoulement secondaire en raison de compléter transversale fracture de stent et de déplacement linéaire de parties fracturées ( "de type IV") dans un modèle d'artère courbe. La méthode expérimentale implique la mise en œuvre de l'image de particules vélocimétrie (2C-2D PIV) techniques avec une archétypale artère carotide entrée de forme d' onde, un indice de réfraction adapté sang analogique fluide de travail pour les mesures d'élimination moyenne de ^{15 -. 18} identification quantitative des structures d'écoulement secondaire a été réalisé en utilisant les concepts de la physique de l' écoulement, la théorie du point critique et un roman transformée en ondelettes algorithme appliqué aux données expérimentales PIV ^{5, 6, 19-26.}

Introduction

structures d'écoulement secondaires sont des modèles de flux tourbillonnaires qui se produisent dans des géométries d'écoulement internes avec des courbures tels que des tuyaux et des canaux courbes. Ces structures tourbillonnaires se posent en raison de l'action combinée des forces centrifuges, des gradients de pression négatifs et des caractéristiques de débit entrant. En général, les structures d'écoulement secondaires apparaissent dans les sections planes de tubes courbes comme symétriques tourbillons de type Dean sous afflux régulier et, tourbillons symétriques de Dean et Lyne type dans des conditions d'encaissement oscillatoires ^{1 -. 3} morphologies d'écoulement secondaires sont grandement affectées par pulsatility et de multiples harmoniques de pulsatile, les conditions d'afflux physiologiques. Ces structures acquièrent nettement différentes caractéristiques taille résistance en forme par rapport à la non-physiologique (stable et oscillatoire) flux ^{1 -. 6} développement des lésions athérosclérotiques dans les artères est affectée par l'existence de haute fréquence des oscillations de cisaillement dans les régions ayant un faible moyen de cisaillement ^{27, 28} </sup>. des structures secondaires d'écoulement peut influer sur l'évolution de maladies telles que l'athérosclérose et, éventuellement, servir de médiateur de la réponse endothéliale due à la circulation sanguine pulsatile en modifiant les contraintes de cisaillement des parois et des temps d'exposition des particules véhiculées par le sang.

Un traitement commun à l'athérosclérose, une complication entraînant un rétrécissement des artères par des lésions obstructives, est l'implantation de stents. Fractures de stent sont des échecs structurels de stents implantés qui conduisent à des complications médicales telles que resténose intra-stent (ISR), la thrombose de stent et formation d' un anévrisme ^{9 -. 13} fractures de stent ont été classés en différents échec "Types I-à-IV», dans laquelle " de type IV» caractérise la plus haute et la sévérité clinique est définie comme la rupture transversale complète des entretoises d'endoprothèse vasculaire ainsi que les déplacements linéaires des fragments d'endoprothèse ^14. le protocole présenté dans cette étude décrit un experimental procédé de visualisation des structures secondaires d'écoulement en aval d'un idéalisée "de type IV" stent fracture dans un modèle d'artère courbe.

Le protocole proposé a les quatre caractéristiques essentielles suivantes:

Conception et fabrication de modèles de stent échelle du laboratoire: Description géométrique des stents peut être associé à un ensemble de spirales auto-expansible (ressorts ou hélices) entrelacées en utilisant Nitinol (alliage de nickel et de titane) ²⁹ fils. La longueur du stent et son diamètre dépendent de l' entretoise sur l'échelle de longueur des lésions artérielles rencontrées lors de l' implantation clinique ^5. variation Parametric du diamètre de la jambe et le soulèvement de l'enroulement (ou pas) conduit à des stents de différentes configurations géométriques. Un résumé des paramètres de conception de stent choisis pour l' impression 3D sont présentés dans le tableau 1.

Préparation d'un fluide de travail analogue de sang adaptéavec une viscosité cinématique de sang et d' indice de réfraction de la section d'essai: l' accès optique à la section d'essai de l' artère incurvée est nécessaire pour effectuer des mesures de vitesse non invasives. En conséquence, un sang mimant newtonienne du fluide de travail à l'indice de réfraction du modèle vasculaire et , idéalement, une viscosité dynamique, ce qui correspond le sang humain est utilisé pour obtenir des mesures de débit de sang précis . ^{16 – 18 30} Le fluide de travail utilisé dans cette étude a été rapportée par Deutsch et al. (2006), qui comprend de l' iodure de 79% de sodium saturée aqueuse (Nal), 20% de glycérol pur et 1% d' eau (en volume) ^16.

Dispositif expérimental pour la détection des structures secondaires d'écoulement cohérentes en utilisant un bicomposant image bidimensionnelle de particules vélocimétrie (2C-2D PIV): Des expériences ont été conçues pour acquérir des données de vitesse d'écoulement secondaire en phase moyennée à divers endroits planes transversales en aval de une combinaison de straight et sections de stent courbes incarnant une idéalisé "Type IV" stent fracture ^{5, 6, 9, 14.} Le protocole-étapes relatives à l'acquisition de champs de vitesse d'écoulement secondaire à l' aide d' images de particules (PIV) technique implique un système de PIV qui comprend des un laser (feuille de lumière) de la source, l'optique de se concentrer et éclairer les régions du flux, un dispositif charge spéciale de corrélation croisée couplé (capteur CCD ou une caméra) et des particules de traceurs pour être éclairé par la nappe de lumière dans un court intervalle de temps (At ; voir le tableau 4) ^{31, 32.}

Les étapes du protocole supposent ce qui suit: d'abord, un calibré, expérimental d'un bi-composant, à deux dimensions (2C-2D) système PIV qui évalue les images en double-cadre, les enregistrements mono-exposition. En second lieu, le système 2C-2D PIV calcule les déplacements moyennes des particules de traceur en effectuant une corrélation croisée entre deux trames d'image acquises au cours de chaque enregistrement. A brRésumé IEF de PIV spécifications et acquisition d'image logiciel est présenté dans le matériel et l'équipement table. Troisièmement, toutes les précautions de sécurité nécessaires au fonctionnement du laser sont suivies par le personnel de laboratoire formé selon les lignes directrices fournies par l'établissement d'accueil. Les auteurs suggèrent Refs. 31 et 32 ​​pour une compréhension globale de la mise en œuvre, la fonctionnalité et de l'application de la technique PIV dans la dynamique aéro-, bures et microfluidiques, détection de pic de corrélation et de déplacement estimation, matériau et la densité des particules de traceur, et le bruit de mesure et de précision. Veuillez également noter que le laser et la caméra peuvent être commandées par l'ordinateur d'acquisition de données de PIV (figure 3A) et un logiciel de traitement de données.

L' acquisition de données et de post-traitement pour la détection de structure cohérente: les mesures de vitesse d'écoulement secondaire de phase moyennée à l' aide d' un PIV 2C-2D ont été générés en utilisant la description du protocole qui suit. Post-processus tion des données implique la détection de la structure de flux secondaire cohérente en utilisant les trois méthodes suivantes: transformées en ondelettes continues, ^{5, 6, 19 – 24, 26.}

Les auteurs notent que le tenseur de gradient de vitesse est essentiellement une matrice 3 x 3,
.

Le protocole présente un procédé d'acquisition de mesures expérimentales deux dimensions (technique de 2C-2D PIV). Par conséquent, un accès complet expérimental pour le tenseur de gradient de vitesse ne sera pas réalisable en utilisant cette méthode. Le tenseur de gradient de vitesse pour chaque pixel de l'image PIV doit être une matrice 2 x 2, . La composante z vorticitéquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> pour chaque pixel est calculée à l'aide de la partie anti-symétrique du tenseur de gradient de vitesse . Le résultat sera un tableau 2D de vorticité qui peuvent être visualisées dans un tracé de contour. Les auteurs suggèrent fortement Ref. 25 pour une discussion accès expérimental éloquent du tenseur du gradient de vitesse vers l'amélioration de la connaissance de la vorticité dissipation, des vitesses de déformation et de détection de structure cohérente. En outre, les auteurs ne cherchent pas à explorer les inter-relations entre les méthodes de détection de structure cohérente ci-dessus et de proposer Réf. 23, 24 pour une discussion approfondie sur ce sujet.

L'objectif des étapes du protocole est l'identification quantitative des flux secondaire (tourbillonnaire) structures (également connu sous le nom des structures cohérentes). Trois méthodes de détection cohérente à savoir de la structure., et ondelettes vorticité transformé sont appliquées aux données du champ de vitesse vers la détection des multi-échelles, des événements multi-résistance des structures d'écoulement secondaire en aval du idéalisé "Type IV" stent fracture.

le , Définit un tourbillon comme une région de l' espace où la norme euclidienne du tenseur de tourbillon domine celle du taux de déformation ^{19, 23, 24} .Matrice du gradient de vitesse est décomposé en symétrique (vitesse de déformation) et (rotation) parties antisymétriques. Eigenvalues ​​de la matrice de la vitesse de déformation sont calculées; . Norm de la vitesse de déformation est alors calculée; <img alt = "src" "equation 14" = "/ files / ftp_upload / 51288 / de 51288eq14.jpg" />. Vorticity est calculée à partir de la partie symétrique anti. Enstrophie ou carré de z-composante vorticité, ) Est ensuite calculée. le est finalement calculée; . Un tracé de contour de l'ensemble des avec des iso-régions , Indiquera les structures d'écoulement secondaire ^19.

le Également connu sous le nom de force de tourbillonnement "est une méthode d'identification de vortex effectuée par analyse au point critique du tenseur de gradient de vitesse locale et ses valeurs propres correspondantes ^20-24 <strong>. Eigenvalues ​​du tenseur de gradient de vitesse à chaque pixel sont calculés. Les valeurs propres doivent être de la forme, . Un tracé de contour de avec des iso-régions indiquera les structures d'écoulement secondaire ^{20 – 22.}

méthode transformée en ondelettes utilise une fonction d'analyse (ou ondelettes) qui a la douceur dans les espaces physiques et spectrales, est admissible (ou a une moyenne nulle) et a un fini ^{5, 6, 26.} Par convolution un dilatée ou contractée ondelettes avec un champ de vorticité 2D, ondelettes transformé vorticité champ est généré comprising des structures cohérentes avec une large gamme d'échelles et les points forts ^{5, 6, 26.} Shannon entropie du champ de vorticité ondelettes transformée 2D est calculée pour estimer l'échelle de ondelette optimale à laquelle toutes les structures cohérentes sont correctement résolus. Cette estimation de l'entropie implique un ensemble de probabilités pour chaque pixel, tel que , Le module normalisé carré de la vorticité associée au pixel à l' emplacement m, n ^{5, 6.} Les étapes de la procédure sont présentés dans le graphique 6. Les restrictions imposées sur le choix de l'ondelette sont présentés en détail dans Réf. 26. Cette étape de protocole décrit la procédure de détection de structure cohérente en utilisant une ondelette 2D Ricker. La justification de l'utilisation de ce wavelet pour tourbillonnaire pattern matching est présenté dans Réf. 5, 6 et les références pertinentes qui y sont citées.

Protocol

1. Conception et fabrication de modèles de stent Remarque: Les étapes suivantes ont été suivies pour créer des modèles à l'échelle laboratoire de stents droites et courbes. L'installation des deux modèles de stent incarnera une fracture "Type IV" (fragmentation et déplacement linéaire de pièces de stent fracturées). Note: Les auteurs ont utilisé le logiciel Pro / Engineer au moment de la recherche pour la création de modèles CAO de…

Representative Results

Les résultats présentés sur la figure 7A-D ont été générées après les données de vitesse d'écoulement secondaire de post-traitement (voir les figures 5, 6) acquises par le système 2C-2D PIV représenté sur la figure 3A. La condition d'entrée fournie à la section courbe de test de l' artère avec un idéalisée " de type IV" stent rupture est la forme d' onde de l' artère carotide représenté…

Discussion

Le protocole présenté dans le présent document décrit l'acquisition de haute fidélité des données expérimentales en utilisant une technique d'image de particules de vélocimétrie (PIV) et des méthodes de détection de structures cohérentes, à savoir., Transformées en ondelettes continues, , Adapté pour l'identification des tourbillons et des flux de cisaillement dominé. L'analyse des données…

Materials

Acrylic tubes and sheet	McMaster-Carr Supply Company		Inlet and outlet pipes and, material of the curved artery test section
Object24 Desktop 3D printer	Stratasys		Desktop rapid prototyping machine. http://www.stratasys.com/.
VeroWhitePlus Opaque material	Stratasys		Building material for Object24 Desktop 3D printer
Fullcure 705	Stratasys		Non-toxic gel-like photopolymer Support material for Object24 Desktop 3D printer
Ubbelhode viscometer	Cole Parmer	YO-98934-12	Toward measurement of kinematic viscosity of the blood-analog fluid
VELP scientifica – ESP stirrer	VELP Scientifica	F206A0179	Magnetic stirrer
Ohaus Scout Pro SP 601	The Lab Depot	SP4001	Weigh scale
Refractometer	Atago	PAL-RI	Toward measurement of refractive index of blood-analog fluid
Beakers, pipettes, syringes and spatula	Sigma-Aldrich	CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216	Toward handling materials required for blood-analog solution preparation
Sodium Iodide	Sigma-Aldrich	383112-2.5KG	Crystalline
Glycerol	Sigma-Aldrich	G5516-1L	Liquid
Deionized Water	–	–	Liquid
Sodium thiosulfate anhydrous	Sigma-Aldrich	72049-250G	Powder
PIV Recording medium	LaVision	Imager Intense 10Hz	PIV Image acquisition CCD camera
PIV Illumination source	New Wave Research	Solo III-15	PIV Laser source, Nd:YAG laser, 532 nm, dual pulse 70 mJ/pulse
PIV Imaging software	LaVision	DaVis 7.2	PIV data acquisition and instrument control
PIV Seeding material	Thermo-scientific	Flouro-Max	Red fluorescent polymer microspheres (≈ 7 µm); Dry dyed polystyrene (DVB) fluorescent microspheres emit bright and distinct colors when illuminated by the light of shorter  wavelengths than the emission wavelength.