Indagine sperimentale di strutture flusso secondario a valle di una mancata Modello Tipo IV stent in una sezione di prova a 180 ° curvo Artery

Questo video mostra come utilizzare la velocimetria a immagine di particelle e il rilevamento di strutture coerenti per individuare flussi secondari o strutture vorticosi in un modello di arteria curva, al fine di comprendere meglio la rilevanza clinica dei fallimenti di stent di tipo IV. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali nell’emodinamica cardiovascolare, come ad esempio in che modo gli stent, che possono degradarsi nel tempo e alla fine fratturarsi, possano influenzare i modelli di flusso sanguigno e l’evoluzione della malattia nel rimodellamento vascolare.

Il principale vantaggio di questa tecnica è che facilita l'indagine di misurazioni in vivo e in vitro in flussi arteriosi fisiologici complessi che coinvolgono stent e fratture di stent. La procedura verrà dimostrata da Mohammad Najjari, uno studente laureando, e da Jessica Hinke, una studentessa non laureata. Preparare una soluzione analoga al sangue composta da soluzione satura di ioduro di sodio al 79%, glicerolo al 20% e acqua deionizzata all'1%.

Iniziare con una soluzione satura di ioduro di sodio, quindi aggiungere il glicerolo a piccoli incrementi utilizzando una siringa finché non sarà stato aggiunto l'intero volume di glicerolo. Tra un'aggiunta e l'altra, attendere che la soluzione risulti visibilmente omogenea e annotare il volume di ciascuna aggiunta di glicerolo. Successivamente, aggiungere il volume richiesto di acqua e continuare a mescolare finché la soluzione analoga al sangue non risulti visibilmente omogenea.

Infine, aggiungere quantità molto piccole di tiosolfato di sodio, utilizzando una spatola, fino a quando la soluzione non diventa otticamente trasparente. Per iniziare, creare file STL ad alta risoluzione a partire dai modelli CAD dello stent dritto e curvo. Nel software, selezionare Esporta e Modello dal menu File.

Scegliere l'opzione STL, impostare l'altezza della corda a zero e impostare il controllo dell'angolo a uno. Il valore del controllo dell'angolo regola la quantità di tassellatura lungo la superficie con raggi piccoli, e l'impostazione può essere regolata tra zero e uno. Quindi, fare clic su OK per creare il file STL.

Successivamente, realizzare i modelli di stent su una macchina di prototipazione rapida. A tale scopo, avviare il software di stampa 3D e fare clic su Inserisci per individuare il file STL sul computer della stampante 3D. Quindi, selezionare il file desiderato e spostare il mouse per posizionare il file STL su una piattaforma virtuale sullo schermo.

Successivamente, utilizzando i componenti stampati in 3D, installare lo stent nella sezione curva dell'arteria di prova per ricreare uno scenario ideale di frattura di Tipo IV. Questo comporta una frattura trasversale completa degli stent e lo spostamento lineare delle parti frammentate. Ora, assemblare il dispositivo su un tavolo ottico.

Collegare i tubi in acrilico dritti all'ingresso e all'uscita di un tratto di arteria di prova curvato di 180 gradi. Per iniziare, regolare grossolanamente la posizione del laser illuminando un piccolo pezzo di carta. Regolando il fuoco, ottenere un foglio laser di spessore pari a circa 2 mm.

Successivamente, indirizzare il foglio laser lungo la porzione di 90 gradi della regione di misura, con il foglio perpendicolare al tavolo. Quindi, posizionare una telecamera vicino alla posizione a zero gradi o a 180 gradi per visualizzare la sezione trasversale illuminata dal foglio laser. Regolare progressivamente l'allineamento del laser e della telecamera in modo che la telecamera visualizzi la sezione trasversale circolare dell'arteria curva con una distorsione minima delle particelle, valutata utilizzando la funzione Grab nel software.

Una volta posizionata la telecamera e il laser, acquisire immagini dei campi di flusso secondario. Innanzitutto, accendere la pompa programmabile. Nel programma di controllo dello strumento della pompa, impostare l'ampiezza a un volt.

Impostare l'offset in corrente continua a zero volt. Impostare il numero di passi temporizzati a 1000 e il periodo di tempo a quattro secondi. Ulteriori impostazioni sono descritte nel protocollo testuale.

Quindi, caricare il file di testo contenente i valori della forma d'onda della tensione nel tempo ed eseguire il programma per fornire il fluido analogo al sangue all'esperimento. Nel programma di acquisizione dati PIV, dopo aver fatto clic sulla scheda Nuove Registrazioni, selezionare il dispositivo nella sezione Impostazioni e verificare che il laser sia impostato su Acceso con le opportune impostazioni di potenza. Accedere al controllo del laser per confermare i valori.

Passare a Temporizzazione e impostarla su Trigger Ciclico Esterno. Fare clic su Acquisizione, selezionare Scansione Tabella, Modifica Scansione Tabella, Aggiungi Scansione e compilare le impostazioni di scansione inserendo il tempo iniziale rappresentativo della decelerazione sistolica, l'incremento temporale e il tempo finale di acquisizione dei dati PIV.

Il tempo di riferimento, DT1, ovvero il tempo tra gli impulsi laser, deve essere regolato. Quindi, fare clic su Chiudi. In Acquisit, fare clic su acquisizione immagine e inserire il numero di immagini pari a 200.

Ora il sistema PIV è pronto per acquisire i dati. Selezionare Avvia Registrazione per acquisire misurazioni per fasi, utilizzando il segnale di trigger proveniente dal controllo dello strumento della pompa. Verrà quindi acquisito il numero prestabilito di piani o campi di velocità per ogni istante temporale e nella posizione predefinita di 90 gradi della sezione di prova.

Al termine della registrazione, spegnere il laser. Spegnere la pompa, spegnere la telecamera e rimettere il tappo dell'obiettivo. Utilizzando il file di codice supplementare, calcolare i campi delle velocità di flusso secondario mediate per fase e RMS, la vorticità e la forza di swirl.

Nel software, inizializzare l'impostazione relativa alla scala definita e inviarla alla Definizione della Maschera. Consultare il file di Codice Supplementare per i dettagli. Nel software, fare clic con il tasto destro su qualsiasi dato PIV e avviare l'Elaborazione in Blocco.

Selezionare l'operazione Vector Statistics, Vector Field Results dal gruppo Statistics e fare clic su Parameter nella finestra di dialogo. Attivare le opzioni average V e RMSV nella sezione Vector Field. Quindi, selezionare l'operazione Vorticity dal gruppo Extract Scalar Fields Rotation and Shear.

Questo calcola la vorticità bidimensionale nella sezione trasversale piana. Ora, avviare l'elaborazione effettuando un clic con il tasto destro su un qualsiasi dato PIV presente nella finestra del Progetto e selezionando Hyperloop All Sets. Per calcolare i campi di Swirling Strength al fine di rilevare le strutture del flusso secondario, fare clic con il tasto destro su un qualsiasi dato PIV, selezionare Velocity Vector Field nell'albero gerarchico e avviare l'elaborazione in batch.

Quindi, selezionare l'operazione Swirling Strength dal gruppo Estrai campi scalari Rotazione e Shear e fare clic su Chiudi. Ora, fare clic con il tasto destro sullo stesso campo vettoriale di velocità, selezionare Hyperloop All Sets e regolare i parametri per l'elaborazione batch come in precedenza. Infine, eseguire il calcolo dei campi di Swirling Strength.

I dati sulla velocità del flusso secondario nella sezione trasversale a 90 gradi sono stati acquisiti dal sistema PIV 2C 2D. La condizione di ingresso fornita alla sezione di prova dell'arteria curva con una frattura dello stent di tipo IV idealizzata era rappresentata dal profilo d'onda dell'arteria carotidea. I dati del campo di velocità del flusso secondario sono stati generati mediante la tecnica PIV, attraverso la sincronizzazione del trigger prodotto dal computer di controllo dello strumento della pompa.

È stato applicato un post-processing dei dati ai dati pixelati, al fine di determinare il criterio Q e la forza vorticosa o criterio ci di Landis durante la decelerazione sistolica. Sono stati confrontati i campi di flusso basati sulla forza vorticosa e sul criterio Q. I modelli vorticosi contrassegnati con i caratteri DLW, rappresentativi di modelli vorticosi DLW di tipo Dean-Lynn-e Wall deformati, e le regioni dominate dalla deformazione, sono stati esaminati in quattro posizioni trasversali distinte durante la decelerazione sistolica.

È stato applicato il metodo basato sulla trasformata wavelet continua al campo della vorticità del flusso secondario, consentendo la rilevazione dei vortici con maggiore dettaglio riguardo forma, dimensione e intensità. Infine, sono stati confrontati il criterio Q, la forza di rotazione e i campi di flusso basati sulla trasformata wavelet. Il metodo basato sulla trasformata wavelet ha rivelato la presenza di complessi schemi vorticosi con notevole dettaglio nelle dimensioni, scale e intensità.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in circa otto ore, compresa l'acquisizione e la post-elaborazione dei dati PIV, dopo che i modelli di stent sono stati stampati sulla stampante 3D. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di assicurarsi che l'indice di rifrazione del fluido analogo al sangue sia adeguatamente abbinato utilizzando piccole quantità di tiosolfato di sodio. In futuro, per migliorare l'accuratezza dei risultati della parateoria e ridurre al minimo la distorsione ottica, utilizzeremo una mappa di calibrazione PIV come questa.

Seguendo questa procedura, è possibile valutare i flussi all'interno di vasi sanguigni specifici per il paziente al fine di rispondere a ulteriori domande relative a condizioni patologiche, consentendo un accesso senza precedenti all'emodinamica di protesi, impianti di stent e stent fratturati.