הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

Meso-גודל החלקיקים תמונה Velocimetry מחקרים של נוירו-וסקולריים זורם במבחנה

7.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/58902

⸱

3 בדצמבר 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of California, Riverside, 2Division of Interventional Neuroradiology, University of California, Los Angeles, 3Materials Science and Engineering Program, University of California, Riverside, 4Department of Bioengineering, University of California, Riverside

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

כאן אנו מציגים שיטות מפושטת בדיית שקוף נוירו-וסקולריים פאנטום ואפיון הזרימה בו. עלינו להדגיש מספר פרמטרים חשובים, להדגים את הקשר שדה דיוק.

תקציר

Velocimetry תמונה של חלקיקים (PIV) משמש במגוון רחב של תחומים, בגלל ההזדמנות שהיא מספקת בדיוק להמחיש וכימות זורם על פני טווח זמן-מרחבי גדול. עם זאת, יישומה בדרך כלל דורש השימוש במכשור מיוחד ויקר, אשר מגביל את השירות שלה רחב יותר. יתר על כן, בתוך השדה של בביו-הנדסה, במבחנה זרימה ויזואליזציה מחקרים הם לעתים קרובות גם נוסף מוגבל על-ידי העלות הגבוהה של רקמות מסחרית מתוצרת פאנטום זה מסכם את הדברים הרצויים מבנים אנטומיים, במיוחד עבור אלה אשר להקיף את המשטר mesoscale (כלומר, submillimeter כדי פיסיקליות מילימטר). במסמך זה, אנו מציגים את פרוטוקול נסיוני פשוטה שפותחה כדי לטפל מגבלות אלו, אשר המרכיבים העיקריים של כלול 1) שיטה יחסית נמוכים עבור בדיית mesoscale רקמות פאנטום באמצעות הדפסה תלת-ממדית, יציקת סיליקון, ו- 2) ניתוח פתוח תמונה ומסגרת עיבוד המפחיתה את דרישה המכשור למדידת זרמי mesoscale (כלומר, מהירויות עד עשרות מילימטרים/שניה). באופן קולקטיבי, שילוב זה מפחית את חסם כניסה עבור nonexperts, על-ידי מינוף המשאבים כבר לרשותם של חוקרים רבים בביו-הנדסה. אנחנו אחת הישימות של פרוטוקול זה בהקשר של נוירו-וסקולריים זרימה אפיון; עם זאת, הוא צפוי להיות רלוונטי מגוון רחב יותר של יישומים mesoscale בביו-הנדסה ומעבר.

מבוא

PIV הוא בשימוש נרחב ב מכניקת הזורמים ניסיוני הדמיית זרימה וחקירות כמותית של נוזלים משתנים בקנה מידה אורך מן האטמוספירה זורם microcirculatory1,2,3. בעוד הפרטים של יישומה יכול להשתנות באותו האופן כמו היישומים שלה, היבט אחד משותף כמעט כל הלימודים PIV הוא השימוש של הסרטונים הדמיה של חלקיקים מעקב נזרע בתוך הנוזל לעבוד, ואחריו ניתוח pair-wise של מסגרות תמונה רצופים כדי לחלץ את מאפייני הזרימה הרצויה. בדרך כלל, זו מושגת על ידי הראשון סוגייה משפטית כל מסגרת התמונה לאזורים קטנים יותר כינה החקירה windows. כתוצאה מכך העמדות אקראי של החלקיקים התפזרו, כל חלון החקירה מכיל בהתפלגות ייחודי של פיקסל עוצמות. אם קצב רכישת חלון וגודל נתוני נבחרו כראוי, קרוס-המתאם של האות בעוצמה בכל חלון ניתן להעריך העקירה הממוצע באזור הזה. בסופו של דבר, בהתחשב בכך רמת ההגדלה ואת קצב מסגרות ידועים פרמטרים ניסיוני, שדה וקטורי המהירות מיידי יכול להיות בקלות מחושב.

יתרון גדול של PIV על טכניקות מדידה נקודה אחת היא היכולת שלה מיפוי שדות וקטוריים על פני שני - או תלת ממדית תחום. יישומים והמודינמיקה, בפרט, שיפרו את מצבן של יכולת זו, שכן הוא מאפשר חקירה יסודית של תזרימי המקומי, אשר ידועים לשחק תפקיד משמעותי מחלת כלי דם או שיפוץ (למשל, טרשת עורקים, אנגיוגנזה) 4 , 5 , 6. זה גם היה נכון על ההערכה של נוירו-וסקולריים תזרימי, ויכול האינטראקציות שלו עם מכשירים endovascular (למשל, זרימה diverters, סטנטים, סלילי intrasaccular), מאז הרלוונטיות-פיסיקליות ביישומים כאלה לעיתים קרובות להקיף פעם אחת או יותר סדרי גודל (למשל, מ מיקרומטר כדי מילימטר), התקן גאומטריה, השמה יכולה להשפיע באופן משמעותי את מכניקת הזורמים מקומיים7.

רוב הקבוצות מבוססת-PIV מחקרים והמודינמיקה צריכים לסמוך על set-ups ניסיוניים המחקים חלק החקירות המוקדם של סטנט השפעה על זרימת הדם7,8מקרוב. בדרך כלל, אלה כוללים) פעמו לייזרים ומצלמות מהירות גבוהה, כדי ללכוד זורם במהירות גבוהה; b) המסנכרנים, כדי למנוע החלקה בין תדירות הדופק לייזר את קצב המסגרות של רכישת המצלמה; ג) אופטיקה גלילי, כדי ליצור גיליון אור, לפיכך, למזער את רקע זריחה של חלקיקים מעקב מעל ומתחת המטוס החקירה; ד) במקרה של מערכות מפתח הפעלה מסחריות, חבילות תוכנה קניינית, כדי לבצע את ניתוח קרוס-המתאם. עם זאת, בעוד חלק מהיישומים מחייבים את הביצועים ו/או רב-תכליתיות קולקטיבי המוענקת על ידי רכיבים אלה, ורבים אחרים עושים לא. יתר על כן, העלות הגבוהה של רקמות מסחרית מתוצרת פאנטום זה מסכם את הדברים הרצויים מבנים כלי הדם יכול להוכיח גם הגבלת למחקרים רבים במבחנה , במיוחד עבור מטוסי פאנטום עם כולל את הגשר הזה, המשטר mesoscale (> 500 USD / פנטום). במסמך זה, אנחנו מדווחים על התפתחות פרוטוקול פשוטה ליישום PIV עבור הפריט במבחנה החזותי של נוירו-וסקולריים תזרימי, אשר בדרך כלל שקר שניהם במרחב ובתוך חנותם המשטר mesoscale (קרי, פיסיקליות החל מ submillimeter מ מ, מהירויות עד עשרות מילימטרים/שניה). הפרוטוקול שואפת למנף את המשאבים כבר לרשותם של חוקרים רבים בביו-הנדסה, ובכך להקטין את חסם כניסה עבור nonexperts.

הרכיב הראשון של פרוטוקול זה כרוכה בשימוש שיטת הליהוק השקעות כדי לאפשר הזיוף שבאתר של שקוף, polydimethylsiloxane (PDMS)-מבוסס רקמות מטוסי פאנטום מטייסת מודפס ממד 3 תבניות ההקרבה. באמצעות מינוף הזמינות הגוברת של מדפסות תלת-ממדי בשנים האחרונות, במיוחד אלה במתקנים משותפים/מולטי-משתמש (למשל, מתקנים מוסדיים או makerspaces ציבורית), מתודולוגיה זו חותך בעלויות באופן משמעותי (למשל, < USD 100/פנטום בתיק המוצגים כאן), תוך מתן אפשרות של תגובה מהיר להרכבת מגוון רחב של עיצובים וגיאומטריה. בפרוטוקול הנוכחי, תצהיר מאוחה מידול מערכת עם styrene טבעי בוטאדיאן (ABS) משמש חומרי הבנייה, והוא החלק המודפס משמש תבנית ההקרבה לליהוק פנטום עוקבות. הנסיון מראה כי ABS הוא מתאים היטב עבור שימוש כזה מאז הוא מסיס ממיסים משותף (למשל, אצטון), וזה מספיק חוזק, קשיחות כדי לשמור על שלמות עובש לאחר הסרת החומר תמיכה (למשל, למנוע את דפורמציה או שבר של תכונות עובש זעיר). בפרוטוקול הנוכחי, עובש תקינות נוספות מובטחת באמצעות דגמים מודפסים מוצק, למרות שזה בא על חשבון זמן פירוק מוגבר. השימוש של מודלים חלול ייתכן גם במקרים מסוימים, כדי לשפר את הגישה הממס, ובכך גם להפחית זמן פירוק. עם זאת, זהיר להתחשב על אפקט זה ייתכן יושרה עובש. לבסוף, בעוד הרוחות מפוברק, והאירועים מתבססת על ייצוגים אידאלית של מבנים נוירו-וסקולריים שנוצר באמצעות חבילת תוכנה נפוצה של תכנון בעזרת מחשב (CAD), הפרוטוקול צפוי להיות מקובל הזיוף של מורכבות יותר , החולה הספציפי גיאומטריות כמו גם (למשל, באמצעות השימוש של מודל קבצים שנוצרו על-ידי ההמרה של נתונים קליניים הדמיה. STL תבנית קובץ בשימוש על ידי רוב מדפסות תלת-ממדי). פרטים נוספים על תהליך ייצור דמה ניתנים בסעיף 2 של הפרוטוקול.

הרכיב השני של הפרוטוקול כרוכה בשימוש פתוח התוספת עבור ImageJ לנהל את הצלב-המתאם ניתוחים9. זה זה משולב עם היישום של ערכת סף סטטיסטית פשוטה (קרי, עוצמת מיצוי)10 כדי לשפר את האות התמונה לפני הצלב-קורלציה, כמו גם ערכת אימות וקטור postcorrelation, מנורמל בדיקת חציון (nmt ב), כדי לחסל וקטורים כדין דרך השוואה של כל השכנים הקרובה שלה11. באופן קולקטיבי, הדבר מאפשר הדמיה להתבצע באמצעות ציוד מתמקמות במעבדות בביו-הנדסה רבים, ובכך מבטל את הצורך עבור רכישת רבים של רכיבי מערכות PIV טיפוסי (למשל, לייזר פעמו, יקר מסנכרן אופטיקה גלילי, תוכנה קניינית). פרטים נוספים על אוסף הווידאו, עיבוד תמונה, ניתוח נתונים ניתנים בסעיפים 5 ו- 6 של הפרוטוקול.

איור 1 מדגימה את הסידור PIV בשימוש פרוטוקול זה, אשר נשענת על מיקרוסקופ פלורסצנטיות מצויד with a מצלמה במהירות גבוהה עבור הדמיה, כמו גם חיצוני, רציף מקור אור לבן (כלומר, מטאל-הליד) עבור תאורה הנפחי דרך המטרה. משאבה מהירות משתנה הציוד משמש להטיל את הזרימה recirculating של פתרון שקוף דם מדומה דרך הרוחות רקמות נוירו-וסקולריים. הפתרון מורכב תערובת מתקפל 60: 40 של יונים גליצרול, המהווה תחליף נפוץ עבור דם והמודינמיקה מחקרים12,13,14, בשל ומים (DI)) שלה צפיפות, צמיגות (כלומר, דומה 1,080 kg/m3 ו cP 3.5 לעומת 1,050 kg/m3 ו- 3-5 cP לדם)15,16; b) שקיפותו בטווח גלוי; ג) שלה דומה מקדם שבירה כמו PDMS (1.38 אינץ לעומת 1.42 עבור PDMS)17,18,19,20, אשר מצמצם את עיוות אופטי; ד) הקלות שבה שיוכל התנהגות לא-ניוטונים, במידת הצורך, באמצעות התוספת של xanthane21. לבסוף, חרוזי פוליסטירן פלורסנט משמשים חלקיקים מעקב (מיקרומטר 10.3 בקוטר; 480 ננומטר/501 nm עירור/פליטה). בעוד חרוזים נייטרליים קליל הם הרצויה, לחיזוי מעקב חלקיקים עם אופטימלית תכונות מכניות נוזלים (למשל, צפיפות, גודל, קומפוזיציה) ואת פליטת הגל יכול להוכיח מאתגר. לדוגמה, החרוזים הסעיפים הם מעט פחות צפוף מאשר הפתרון גליצרול (1,050 kg/m3 לעומת 1,080 kg/m3). עם זאת, ההשפעות hydrodynamic, ממנו הם זניחים, בהתחשב בכך משך ניסוי טיפוסי הוא קצר יותר ציר הזמן המשויכת ציפה אפקטים (כלומר, 5 דקות, 20 דקות, בהתאמה). עוד פרטים בנוגע דם מדומה פתרון ניסוח ו במבחנה מערכת הדם קביעת ניתנים בסעיפים 3 ו- 4 של הפרוטוקול.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. ייצור ABS המבוסס על תבנית ההקרבה

  1. עיצוב דגם ההופכי של הפאנטום הרקמה הרצויה באמצעות תוכנות CAD.
  2. הדפס את הדגם בעזרת מדפסת תלת-ממדי עם ABS כמו חומרי הבנייה.

2. PDMS המבוססת על ייצור דמה כלי דם

  1. ערבוב
    1. לערבב את הבסיס prepolymer PDMS ואת הסוכן ריפוי על יחס 10:1 (לפי משקל); תערובת 66 g מספק חומר מספיק עבור הזיוף של פאנטום עם אמצעי אחסון עד 50 ס מ3.
    2. מקם את התערובת desiccator ואקום במשך 60 דקות דגה ולצמצם את מלכודת בועות. השתמש לחץ ציקלי/לחצים כדי להקל על קרע בועה.
  2. הליהוק
    1. הר כייר ABS המודפס על משטח זכוכית באמצעות דבק פלסטיק כדי לאטום את הממשק.
    2. בזהירות שופכים את התערובת PDMS לתבנית בעת ניסיון למזער את מלכודת בועות. בועות משתרכים יכול להיות ידני נקרע באמצעות מחט.
    3. לרפא את הפאנטום יצוקה בטמפרטורת החדר (25 ° C) במשך לפחות 24 שעות.
      הערה: בטמפרטורות גבוהות יותר, תהליך זה יכול להיות מואצת22.
  3. Demolding
    1. להמיס את שרירי הבטן על ידי השוקע הפאנטום של אצטון sonicating למשך 15 דקות לפחות, באמצעות כוחות עד 70 W.
      התראה: אצטון יש לחץ אדים בטמפרטורת החדר, נקודת הבזק נמוכה. כתוצאה מכך, תמיד לעבוד תחת ברדס fume מן המקורות האפשריים. להצתה. ללבוש ציוד מגן אישי המתאים (למשל, משקפי מגן או הפנים מגן, חלוק המעבדה, כפפות עמידים אצטון).
    2. שטפים היטב את הפאנטום עם אלכוהול איזופרופיל, אז די מים כדי להסיר שאריות ממס.
      הערה: PDMS מתנפח בתגובה לחשיפה אצטון; עם זאת, הנפיחות שוככת, ברגע הפאנטום שוטפים ומייבשים מספיק23.
  4. אישור של אמינות פנטום באמצעות מיקרוסקופ אופטי
    1. שימוש במיקרוסקופ אופטי עם המצלמה המצורפת, תוכנה ללכידת תמונות, תלכוד תמונה של תכונה קריטית בתוך הפאנטום תחת הגדלה שימקסם את התכונה בתוך שדה הראייה.
    2. ללכוד את התמונה של כיול המתאים reticle על ההגדלה אותו.
    3. לטעון גם תמונות לתוך ImageJ על-ידי גרירתם על הכלים.
    4. לחצו על התמונה reticle כיול כדי להפוך אותה לפעילה, ולאחר מכן, בחר בכלי קו . באמצעות העכבר, ציירו קו לאורך תכונה של מרחק ידוע ו בחר נתח > קנה מידה מוגדר ' מתפריט ' ImageJ.
      הערה: בחלון ' קבע קנה מידה ', השדה עם התווית מרחק בפיקסלים צריך ניתן לאכלס מראש עם האורך של קו שצויר ביחידות של פיקסלים.
    5. להזין את האורך של התכונה בשדה הנקרא מרחק ידועויחידת שלה בשדה הנקרא אורך של יחידה. סמן את התיבה עם התווית עולמי להחלת גורם כיול זה כל התמונות פתוח.
    6. להפוך את התמונה של התכונה קריטי הפאנטום פעיל, השתמש בכלי שורת כדי לצייר קו לאורך תכונה של עניין. מתפריט ' ImageJ ', בחר נתח > מדד (או הקש Ctrl + M) כדי למדוד את האורך של הקו.
    7. השווה את הערך צפוי נגד הערך בעמודה מסומן אורך בחלון תוצאות לאשר נאמנות פנטום.

3. ללעוג ניסוח פתרון דם

  1. מערבבים DI מים והגליצרול על יחס מתקפל 60: 40 (לפי נפח).
    הערה: אמצעי אחסון 100 מ ל זה מספיק עבור במבחנה מערכת הדם כפי שיתואר בהמשך.
  2. להוסיף 1 מ"ל של 2.5% פתרון של פלורסנט חרוז פוליסטירן w/v (קרי, מעקב חלקיקים) הפתרון דם מדומה.
  3. Homogenize את התערובת על צלחת מגנטית stir ב 400 סל ד למשך 10 דקות.

4. הגדרת מערכת הדם במבחנה

  1. משאבה הקמה
    1. להשתמש בכלי חשפנית תיל לנתק את התקע DC-end ממקור חשמל מתאם AC-זרם ישר.
    2. להפשיט את ציפוי לו את החשמל, קרקע חוטי ולהתחבר אותם הטרמינל קלט וסת המתח החשמלי אפנון (PWM) רוחב פולס.
    3. לחבר את חוטי חשמל ועפר מן מנוע DC של המשאבה הטרמינל פלט וסת המתח החשמלי PWM.
      הערה: הצג 7-קטע של PWM פלטי את המחזור (0% - 100%) המשמש להשגת מתח משתנה כדי מנוע DC.
  2. משאבה כיול
    1. להכין 200 מ של דם מדומה פתרון (ראו סעיף 3).
    2. מקום לצנרת מן הים משאבת כשהספל מחזיק את הפתרון דם מדומה.
    3. במקום אבובים מהשפך משאבת גביע ריק.
    4. בחר נקודה ערכת מחזור חובה הרצוי (0% - 100%). לחץ על הלחצן על ולהתחיל שעון עצר.
    5. לעצור את שעון העצר, ברגע המשאבה העבירה את כל נפח דם מדומה פתרון. תנצל את הזמן כדי לחשב את ספיקה.
    6. חזור על שלבים 4.2.1 - 4.2.5 נקודות לפחות חמישה חובה שונים מחזור סט להקים עיקול רגרסיה ריבועים.
      הערה: מומלץ מינימום של שלוש נקודות שכפל לכל מחזור החובה שנקבעה מראש. קשר זה יכול לשמש כדי להתאים את קצב הזרימה הרצויה מחזור חיים PWM הנדרש.

5. אוסף הווידאו

  1. כיול תמונה
    1. לקבוע את יחס כיול ההדמיה וידאו (ראה סעיף 2).
  2. הגדרת המנגנון.
    1. במקום הפאנטום PDMS על השלב של המיקרוסקופ זריחה.
    2. התחבר הפאנטום הילוך המשאבה, להציג את הפתרון דם מדומה.
      הערה: לחלופין, prefill המודל עם אתנול כדי להקל על מלא להרטיב; לאחר מכן, לשטוף ולמלא את זה עם הפתרון דם מדומה. זה עשוי להיות מועיל במיוחד עבור דגמים עם כלי שיט קטנים יותר ו/או תכונות עיוור...
    3. להגדיר את בקר מנוע המשאבה עבור קצב הזרימה הרצויה בהתבסס על עקומת כיול משאבות.
    4. להפעיל את המשאבה למשך 1-5 דקות לפני הניסוי כדי להבטיח תנאים מצב יציב.
    5. הפעל את המנורה חיצוני כדי להאיר את שדה הראיה. בחר מסנן המתאים בהתבסס על אורך הגל עירור של חרוזים פלורסנט.
    6. להתאים את המטוס מוקד הדמיה כדי midplane כלי השיט.
      הערה: זו יכולה להיות מושגת באמצעות אורך מוקד שימקסם את חתך הרוחב כלי הדמיה (למשל, בעת השימוש פאנטום עם כלי עגול חתכי רוחב); ו/או יצירת אינדקס מחוץ תכונה פנטום שנועדה להקל על הזיהוי של המשטח האמצעי כלי.
  3. הקלטת וידאו
    1. בחר את הפרמטרים הקלטת וידאו כדי למטב את יחס אות לרעש (SNR). פרמטרים מרכזיים כוללים את זמן החשיפה, קצב מסגרות, ולהשיג.
      הערה: ב פרוטוקול זה, אנו משתמשים קצב 2,000 fps רווח של 1.0. עם זאת, פרמטרים אלה עשויות להשתנות בהתבסס על היישום (עיין בסעיף הדיון לפרטים נוספים).
    2. לאסוף את הווידאו ולשמור אותו בפורמט AVI.
  4. פנטום לנקות
    1. אם לאונרד-חרוז נצפית לאחר ניסוי, sonicate הפאנטום בתמיסה המימית דטרגנט באמצעות כוחות עד 70 W.

6. תמונה עיבוד וניתוח נתונים

  1. התמונה preprocessing
    1. גרור את הקובץ AVI השמור אל החלון ImageJ כדי לייבא אותו. בחר בתיבה המסומנת המר לגווני אפור.
    2. מתפריט ' ImageJ ', בחר נתח > ליצור היסטוגרמה (או הקש Ctrl + H) כדי ליצור היסטוגרמה של התמונה פיקסל עוצמות. שימו וסטיית עבור התמונה לא מעובד.
      הערה: במחירים מסגרת גבוהה, זה לא יוצא דופן עבור ההתפלגות להיות מוטה בכבדות לכיוון האפס (קרי, אין קליטה).
    3. מתפריט ' ImageJ ', בחר תמונה > התאם > בהירות וחדות (או הקש Shift + Ctrl + H) כדי להחיל מסנן בהירות/חדות.
    4. בתפריט הבהירות והניגודיות , לחץ על לחצן הגדר כדי להגדיר את גבולות התמונה. הגדר את הערך המינימלי להיות את הערך הממוצע בתוספת סטיית תקן אחת, הערך המרבי להיות העוצמה המקסימלית של התמונה (שניהם מבוסס על סטטיסטיקה שהושג בשלב 6.1.2).
      הערה: זה בדרך כלל מבטל הכל חוץ-10% העליונים של עוצמות פיקסל. מספר סטיות תקן יכול להיות מגוונים בהתאם להתפלגות הרצוי של עוצמות פיקסל. קובץ script מותאם אישית מאקרו לביצוע עוצמת מיצוי מבצע ניתנת תוספת חומרים.
    5. מתפריט ' ImageJ ', בחר תהליך > רעש > Despeckle כדי להפחית את מספר הפיקסלים רוויים.
      הערה: פעולה זו והמפותל מאת הפוטנציאל מוגברת פיקסל רוויה לאורך אופטימיזציה של הבהירות והחדות, אשר ניתן להפיק וקטורים כדין במהלך צלב עוקבות-המתאם.
    6. מתפריט ' ImageJ ', בחר תהליך > מסננים > Gaussian Blur עם רדיוס של 1.5 להפחית לכלוכים הנובעים הסרת פיקסלים מואר בשכונה 3 x 3 מפעם לפעם על ידי ראש המנזר despeckling מבצע.
    7. לחץ על הכלי מצולע ולאחר מכן, לחץ על התמונה כדי לחלק לרמות את האזור של הריבית (ROI).
    8. מתפריט ' ImageJ ', בחר עריכה > ברור בחוץ כדי להסיר חיישן רעש במקומות איפה אין אות צפוי (למשל, אזורים מגבולות קיר הספינה), אשר יכול להפחית את SNR הכללית.
  2. חישוב PIV
    הערה: חלק זה של הפרוטוקול מעסיקה PIV חיצוני של יישום plug-in עבור ImageJ, אשר נשענת על שיא-התאמה לפי עקומת גאוס כדי לאפשר הערכה של עקירה עם subpixel דיוק.
    1. מתפריט ' ImageJ ', בחר תוספים > פקודות מאקרו > הפעל. ונווט אל המאקרו שנשמרו קוד משלים 2 ijjm לתאם בין צמדי תמונות רצופות.
      הערה: המאקרו ממשיך כדלקמן. 1) צלב-מתאם של עוצמת השדה בתוך תמונות רצופות מתבצע קודם כדי לקבוע העקירה המקומי של חלקיקים מעקב advected (כלומר, התמונה הראשונה זוג מורכב התמונות הראשון והשני, הזוג השני תמונה מכיל השני והשלישי תמונות, וכו '). 2) הערכה מולטי שני שלבים ואז מתבצע באמצעות חקירה התחלתי וסופי מידות החלון של 256x256 פיקסלים, 128x128 פיקסלים, בהתאמה. לבסוף, 3) המאקרו מבצע ממוצע הטמפורלי כדי לצמצם עוד יותר את המראה של וקטורים כדין.
  3. מבחן מנורמל החציוני (nmt)
    1. מתפריט ' ImageJ ', בחר תוספים > פקודות מאקרו > הפעל. ונווט אל המאקרו שנשמרו קוד משלים 3 ijjm כדי לאמת את מהירות שדות באמצעות הבדיקה החציוני מנורמל.
      הערה: המאקרו ממשיך כדלקמן. 1) כל וקטור ב שדה וקטורי מיידי קודם לעומת שכנותיה הקרוב שמונה לחישוב הערך החציוני. 2) מערך של שגיאות שיורית לאחר מכן מחושב כהפרש בין כל וקטור שכנות החציון מחושב. 3) ההבדל בין הווקטור תחת חקירה הערך החציוני וקטור השכן ואז מנורמל מאת החציון של שנשאר משהו. 4) זה ואז לעומת ערך סף (בדרך כלל, 0.2 פיקסלים), אשר יכולים להיות מגוונים בהתבסס על ידע אפריורי של רעש במהלך רכישת התמונה. לבסוף, 5) ממוצע הטמפורלי של כל השדות המאומת וקטור מיידי מבוצעת כדי לייצר שדה ללא הפרדות צבע, כמו זה הוכח להגדיל את שדה וקטורי באיכות24.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 2 מדגים את תהליך ייצור דמה רקמות PDMS. הפאנטום תוכנן בזאת מיועדים לחקר זרימה אידאלית מפרצות צוואר רחב, saccular, תוך גולגולתי, כמו גם צינתור העורקים מנקב מסעף. נושא נוסף חשוב כולל 1) מאגר משותף המתנקזים אל, כל כלי כדי להבטיח מכבידות נוזלים יציאה מן הרוח - אחרת, היווצרות droplet שעשויים להופיע שקעים כלי קטן יותר; 2) מלכודת בועות, כדי להקל על הסרת בועה; 3) חלל הקיר החיצוני, כדי להבטיח ההקבלה של כלי השיט במישור האופקי, כמו גם הגדרה מדויקת של לוח הסופית הפנט...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הפרוטוקול המפורטים להלן מתאר שיטה פשוטה לביצוע מחקרים PIV להמחיש נוירו-וסקולריים זורם המימדים הרלוונטיים מבחינה פיזיולוגית, תנאי זרימה בתוך חוץ גופית. בעשותו כן, הוא משמש כדי להשלים פרוטוקולים שדווחו על-ידי אחרים גם התמקדו פישוט כימות של שדות וקטוריים, אך בתוך בהקשרים שונים הדורשים שהשיקול של אורך גדול יותר קשקשים25 או זרימה נמוכה יותר שיעורי26,27 (למשל, זורם עם אווירה או microcirculatory), לפיכך, ועם מהסתמכות תוכניות שאי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים יש ריהצהל.

תודות

המחברים להכיר תמיכה חלקית עבור פרויקט זה מסופק על ידי מענק זרע שיתופי של Office של מחקר ופיתוח כלכלי ב UC Riverside.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
סולידוורקס 2015דאסו מערכותלא ישים עםתוכנת CAD
דאו קורנינג סילגארד 184 ערכתאלסוורת' דבק184 SIL ELAST KIT 3.9 ק"גערכת PDMS
Stratasys Dimension EliteStratasys9180-00105מדפסת תלת מימד
P430 דגם חומר מחסניתStratasys340-21202ABS חומר בנייה 
P400 SR מסיס חומר תמיכה מחסניתStratasys340-30200חומר תמיכה
CleanStation DT3PM3 Technologies00-00300Rאמבט בסיס
לינדברג כחול M LGO Box תנור תנורLB305745M Thermo Scientific
21G BD PrecisionGlide NeedleBetcon DickensonBD 305167מסתעף מחורר פלח עובש
מייבש (ואקום)Polylab55205Desiccator
Branson 1800 ניקוי אוטרסוניברנסוןCPX-952-116Rסוניקטור
אצטוןפישר כימיA9494אצטון
איזופרופול אלכוהולפישר כימיקלA4514איזופרופול אלכוהול
גליצרולפישר כימיקלGW33500גליצרול
10um פוליסטירן צהוב-ירוק חלקיקים פלואורסצנטייםMagspherePSF-010UMחרוזים פלואורסצנטיים
פנטום מירו Vision ResearchMiro M310מצלמה במהירות גבוהה
Micropump Cole-Parmer81101משאבת מחזור
Leica DM2000Leica MicrosystemsDM2000מיקרוסקופ פלואורסצנטי
Leica 10X ObjectiveLeica Microsystems506259Objective for perforator
Leica 2.5X ObjectiveLeica Microsystems11506083Objective מפרצת שק
Leica קוביית מסנן כחולה L5Leica Microsystems513840קוביית מסנן כחולה
Leica EL6000Leica Microsystems11504115מקור אור
AlconoxAlconox Inc1104-1חומר ניקוי
ImageJNIHN/Aתוכנה לניתוח תמונות בקוד פתוח
https://imagej.nih.gov/ij/
Particle Image Velocimetry תוסף PIVQingson Tsenghttps://sites.google.com/site/qingzongtseng/piv

מקורות

  1. Grant, I. Particle image velocimetry: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (1997).
  2. Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J. Micro-Particle Image Velocimetry (µPIV): Recent developments, applications, and guidelines. Lab on a Chip. 9 (17), 2551(2009).
  3. Hove, J. R., et al. Intracardiac fluid forces are an essential epigenetic factor for embryonic cardiogenesis. Nature. 421, 172(2003).
  4. Ando, J., Yamamoto, K. Vascular Mechanobiology. Circulation Journal. 73 (11), 1983-1992 (2009).
  5. Conway, D. E., et al. Fluid Shear Stress on Endothelial Cells Modulates Mechanical Tension across VE-Cadherin and PECAM-1. Current Biology. 23 (11), (2013).
  6. Kuhlencordt, P. J., et al. Accelerated Atherosclerosis, Aortic Aneurysm Formation, and Ischemic Heart Disease in Apolipoprotein E/Endothelial Nitric Oxide Synthase Double-Knockout Mice. Circulation. 104 (4), 448-454 (2001).
  7. Lieber, B. B., Stancampiano, A. P., Wakhloo, A. K. Alteration of hemodynamics in aneurysm models by stenting: Influence of stent porosity. Annals of Biomedical Engineering. 25 (3), 460-469 (1997).
  8. Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180° Curved Artery Test Section. Journal of Visualized Experiments. (113), e51288(2016).
  9. Tseng, Q., et al. Spatial organization of the extracellular matrix regulates cell-cell junction positioning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (5), 1506-1511 (2012).
  10. Shavit, U., Lowe, R. J., Steinbuck, J. V. Intensity Capping: a simple method to improve cross-correlation PIV results. Experiments in Fluids. 42 (2), 225-240 (2007).
  11. Raffel, M., Willert, C. E., Werely, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: a Practical Guide. , Springer. New York, NY. (2007).
  12. Kerl, H. U., et al. Implantation of Pipeline Flow-Diverting Stents Reduces Aneurysm Inflow Without Relevantly Affecting Static Intra-aneurysmal Pressure. Neurosurgery. 74 (3), 321-334 (2014).
  13. Lieber, B. B., Livescu, V., Hopkins, L. N., Wakhloo, A. K. Particle Image Velocimetry Assessment of Stent Design Influence on Intra-Aneurysmal Flow. Annals of Biomedical Engineering. 30 (6), 768-777 (2002).
  14. Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress. Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).
  15. Rand, P. W., Lacombe, E., Hunt, H. E., Austin, W. H. Viscosity of normal human blood under normothermic and hypothermic conditions. Journal of Applied Physiology. 19 (1), 117-122 (1964).
  16. Kenner, T., Leopold, H., Hinghofer-Szalkay, H. The continuous high-precision measurement of the density of flowing blood. Pflügers Archiv European Journal of Physiology. 370 (1), 25-29 (1977).
  17. Hoyt, L. F. New Table of the Refractive Index of Pure Glycerol at 20°C. Industrial & Engineering Chemistry. 26 (3), 329-332 (1934).
  18. Cai, Z., Qiu, W., Shao, G., Wang, W. A new fabrication method for all-PDMS waveguides. Sensors and Actuators A: Physical. 204, 44-47 (2013).
  19. Bouillot, P., et al. Particle imaging velocimetry evaluation of intracranial stents in sidewall aneurysm: hemodynamic transition related to the stent design. PloS ONE. 9 (12), 113762(2014).
  20. Trager, A. L., Sadasivan, C., Lieber, B. B. Comparison of the in vitro hemodynamic performance of new flow diverters for bypass of brain aneurysms. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (8), 084505(2012).
  21. Clauser, J., et al. A Novel Plasma-Based Fluid for Particle Image Velocimetry (PIV): In-Vitro Feasibility Study of Flow Diverter Effects in Aneurysm Model. Annals of Biomedical Engineering. 46 (6), 841-848 (2018).
  22. Johnston, I. D., McCluskey, D. K., Tan, C. K. L., Tracey, M. C. Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (3), 035017(2014).
  23. Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Analytical Chemistry. 75 (23), 6544-6554 (2003).
  24. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields. Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285(2000).
  25. Bosbach, J., Kühn, M., Wagner, C., Raffel, M., Resagk, C. Large-Scale Particle Image Velocimetry of Natural and Mixed Convection. 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. , (2006).
  26. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Experiments in Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
  27. Lima, R., et al. In vitro blood flow in a rectangular PDMS microchannel: experimental observations using a confocal micro-PIV system. Biomedical Microdevices. 10 (2), 153-167 (2008).
  28. Kuo, C. -C., Mao, R. -C. Development of a Precision Surface Polishing System for Parts Fabricated by Fused Deposition Modeling. Materials and Manufacturing Processes. 31 (8), 1113-1118 (2016).
  29. Kang, K., Oh, S., Yi, H., Han, S., Hwang, Y. Fabrication of truly 3D microfluidic channel using 3D-printed soluble mold. Biomicrofluidics. 12 (1), 014105(2018).
  30. Prasad, A. K. Particle Image Velocimetry. Current Science. 79 (1), 51-60 (2000).
  31. Dellenback, P. A., Macharivilakathu, J., Pierce, S. R. Contrast-enhancement techniques for particle-image velocimetry. Applied Optics. 39 (32), 5978-5990 (2000).
  32. Cowen, E. A., Monismith, S. G. A hybrid digital particle tracking velocimetry technique. Experiments in Fluids. 22 (3), 199-211 (1997).
  33. Gruen, A. W. Adaptive least squares correlation: a powerful image matching technique. South African Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Cartography. 14 (3), 175-187 (1985).
  34. Nogueira, J., Lecuona, A., Rodríguez, P. A. Data validation, false vectors correction and derived magnitudes calculation on PIV data. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1493-1501 (1997).
  35. Loudon, C., Tordesillas, A. The Use of the Dimensionless Womersley Number to Characterize the Unsteady Nature of Internal Flow. Journal of Theoretical Biology. 191 (1), 63-78 (1998).
  36. Drost, S., De Kruif, B. J., Newport, D. Arduino control of a pulsatile flow rig. Medical Engineering and Physics. 51, 67-71 (2017).
  37. Tsai, W., Savaş, Ö Flow pumping system for physiological waveforms. Medical & Biological Engineering & Computing. 48 (2), 197-201 (2010).
  38. Kato, T., et al. Contrast-enhanced 2D cine phase MR angiography for measurement of basilar artery blood flow in posterior circulation ischemia. American Journal of Neuroradiology. 23 (8), 1346-1351 (2002).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

ImageJPDMS
Meso-גודל החלקיקים תמונה Velocimetry מחקרים של נוירו-וסקולריים זורם במבחנה
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.