方法論記事

180°湾曲動脈テストセクションにおけるモデルIV型ステントの失敗の下流に二次流れ構造に関する実験的研究

DOI：

10.3791/51288

⸱

2016年7月19日

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

この記事について

サマリー

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

ステントインプラントは、ステントの完全な横骨折と骨折した部分の線形変位を伴う「タイプIV」の故障を起こしやすいです。臨床的に関連する「タイプIV」ステント障害の下流にある湾曲した動脈モデルにおける二次流(渦状)構造を検出するためのプロトコルを提示します。

要約

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

人間の血管系における動脈ネットワークは、複雑な形状（支店、曲率や蛇行）に普遍的に存在する血管で構成されています。二次流れ構造は、遠心力、逆圧力勾配と流入特性の複合作用に湾曲した動脈に生じる旋回流パターンです。 7 -このような流れの形態は、1を流れる大幅に拍動性および生理学的流入条件の複数の高調波の影響を受けず、非生理的（定常および振動）と比較してサイズ強度・形状特性に大きく変化しています。

二次流れ構造は、最終的にアテローム性動脈硬化症、再狭窄、血小板の感作および血栓症4の進行に向かって血液由来の粒子の壁せん断応力と露出時間に影響を与える可能性がある- 6、8から13したがって、実験室の下にこれらの構造を検出し、特徴づける能力。 -controlled条件はprecursですまたはさらなる臨床試験へ。

アテローム性動脈硬化症に共通の外科的治療は、遮るもののない血流のために狭窄した動脈を開くために、ステント移植です。しかしによるステントのインストールに付随する流れの乱れは、マルチスケール二次流れの形態4になる- 。6、このような一貫性の非対称性や損失として次第に高次の複雑さは、向かい合っ非摂動流れ5未満の方続くステントの失敗によって誘導することができます。これらのステントの障害は、障害の考慮事項と臨床的重症度14に基づいて、「タイプI・ツー・IV」に分類されています。

本研究では、湾曲した動脈モデルに骨折した部分の横ステント骨折と直線変位（「IV型」）を完了することにより、複雑な二次流れ構造の実験的調査のためのプロトコルを提示します。実験方法は、粒子画像速度測定の実施を含む（2C-2D PIV）典型的な頸動脈流入波形の技術は、屈折率が相平均で測定15のための血液アナログ作動流体マッチ- 。18、二次流れ構造の定量的識別が流れ物理学の概念を使用して達成された、臨界点の理論と小説26 -実験PIVデータ5、6、19に適用されるアルゴリズムをウェーブレット変換。

概要

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

二次流れ構造は、このような湾曲したパイプやチャネルなどの曲率を持つ内部流ジオメトリで発生する旋回流パターンです。これらの渦構造は、遠心力による、逆圧力勾配および流入特性の複合作用により生じます。一般的には、二次流れ構造は着実に流入下対称ディーン型渦と振動流入条件1の下で、対称ディーンとLyneの型渦のような湾曲したパイプの平面断面に現れる- 。3セカンダリフロー形態が大きく脈動の影響を受けています拍動性の複数の高調波、生理的な流入条件。これらの構造は、1流れ、非生理的な（安定した振動）と比較して顕著に異なるサイズ強度形状特性を取得- 6動脈のアテローム性動脈硬化症の発生は、地域内の高周波剪断振動の存在によって影響され、低平均剪断27,28を体験します

アテローム性動脈硬化症への一般的な治療法は、閉塞性病変により動脈の狭窄が生じる合併症は、ステントの移植です。ステント骨折はステント血栓症や動脈瘤形成9は、このようなステント内再狭窄（ISR）などのさらなる合併症につながる移植したステントの構造的な障害です- 。13ステント骨折は、さまざまな障害"タイプI・ツー・IV」に分類されています、ここで「IV型」が最も高い臨床的重症度を特徴付け、ステント断片14の直線変位に伴ってステントストラットの完全な横骨折のように定義されている。本研究で提示されたプロトコルは、エクスペリについて説明します湾曲した動脈モデルにおける理想化された「IV型」ステント骨折の下流の二次流れ構造の可視化lの方法。

提案したプロトコルは、以下の4つの基本的な特徴を持っています。

設計および実験室規模のステントモデルの製造：ステントの幾何学的な説明は、ニチノールワイヤ29（ニッケルとチタンの合金）を使用して自己拡張型螺旋（スプリングまたはらせん）のセットと絡み合っ関連付けることができます。ステントの長さとその支柱の直径は、臨床移植の5中に発生した動脈病変の長さスケールに依存します。パラメトリック支柱の直径の変化と巻線（又はピッチ）の立ち上がりは、様々な幾何学的構成のステントをもたらします。 3D印刷のために選択されたステントの設計パラメータの概要を表1に示します。

血液アナログ作動流体の調製が一致します湾曲した動脈検査部への光アクセスは、非侵襲的な速度測定を行うために必要とされる：血液の動粘度及び検査部の屈折率を有します。したがって、血管モデルの屈折率は、理想的には、動的粘度、ヒト血液を正確な血流測定16得るために使用される一致するニュートン血液模倣作動流体- 。18、30本研究で使用した作動流体が報告されましたドイツらによる。 （2006）、（体積で）79％飽和水性ヨウ化ナトリウム（NaI）、20％純粋グリセロール、および1％水16からなること。

二成分系、二次元粒子画像速度測定（2C-2D PIV）を使用してコヒーレント二次流れ構造を検出するための実験装置：実験は、下流の様々な平面断面位置で位相平均二次流れの速度データを取得するように設計されましたSTRの組み合わせよしと理想的な「IV型」ステント骨折5、6、9、14を具現湾曲ステントセクション。粒子画像速度測定を用いた二次流れの速度場の取得に関連するプロトコルのステップ（PIV）技術がで構成PIVシステムを含みますレーザ（光シート）源、流れの領域を集中し、照明する光学系、特殊な相互相関の電荷結合素子（CCDセンサーまたはカメラ）とトレーサー粒子は、短い時間間隔（ΔT内の光シートによって照明されます; 表4）31、32 を参照してください。

ダブルフレーム、シングル露光記録によって画像を評価する二成分、2次元（2C-2D）PIVシステムの最初に、較正された、実験のセットアップ：プロトコルの手順は、次のことを前提としています。次に、図2C-2D PIVシステムは、各記録時に取得された2つの画像フレーム間の相互相関を実行することによって、トレーサ粒子の平均変位を算出します。 BRPIV仕様と画像取得ソフトウェアの概要IEF資機材表に示されています。第三に、レーザーを操作するために必要なすべての安全注意をホスト機関により提供されたガイドラインに従って訓練を受けた実験室が続いています。著者は、参考文献を示唆しています。 、エアロ水力やマイクロ流体力学、相関ピーク検出及び変位推定、材料およびトレーサー粒子の密度と、測定ノイズと精度の実装、機能性とPIV技術の適用の総合的な理解のために31と32。また、レーザとカメラがPIVデータ収集コンピュータ（ 図3A）およびデータ処理ソフトウェアによって制御することができることに注意してください。

コヒーレント構造検出のためのデータ取得および後処理：2C-2D PIVを用いた位相平均二次流れ速度の測定は、以下のプロトコルの記述を使用して生成しました。ポストプロセス 、連続ウェーブレット変換を：データのingは、次の3つの方法を使用してコヒーレント二次流れ構造検出を関与しましたfigure-introduction-1 24 26 - 5、6、19。

著者らは、速度勾配テンソルは、基本的に3×3の行列であることに注意してください、
figure-introduction-2 。

プロトコルは、（2C-2D PIV手法から）2次元の実験測定を取得する方法を提示しています。したがって、速度勾配テンソルへの完全な実験的なアクセスは、この方法を使用して達成可能ではありません。画素毎の速度勾配テンソルfigure-introduction-3 PIV画像のfigure-introduction-4 2×2の行列でなければなりません、 figure-introduction-5 。 z成分渦度quation 6 "SRC =" /ファイル/ ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/>各画素についてfigure-introduction-6速度勾配テンソルの反対称部分を使用して計算されます。 figure-introduction-7 。その結果、渦の2次元配列となりますfigure-introduction-8その輪郭プロットで視覚化することができます。著者は強く文献を示唆しています。渦消散、ひずみ速度とコヒーレント構造検出の知識を高めることに向かって速度勾配テンソルに雄弁な議論の実験的アクセスのための25。さらに、著者らは、前述のコヒーレント構造の検出方法との間の相互関係を調査し、参考文献を提案しようとしないでください。そのテーマに関する包括的な議論のための23、24。

プロトコルのステップの焦点は、二次流れ（渦）番目の定量的同定であります（また、コヒーレント構造として知られている）ructures。コヒーレント構造検出すなわち3つの方法。、 figure-introduction-9ウェーブレットは渦度を形質転換しましたfigure-introduction-10理想的な「IV型」ステント破壊の下流の二次流れ構造のマルチスケール、マルチ強度の発生の​​検出に向けて速度場データに適用されます。

ザ figure-introduction-11 、渦度テンソルのユークリッドノルムを株19、23の割合で、24【選択速度勾配行列は対称（ひずみ速度）および反対称（回転）の部分に分解される。支配する空間領域として渦を規定しますひずみ速度行列の固有値が計算されます。 figure-introduction-12 。ひずみ速度のノルムが計算されます。 ）その後、計算されます。ザfigure-introduction-13最終的に計算されます。 figure-introduction-14 。セット全体の等高線図figure-introduction-15の等領域を有しますfigure-introduction-16 、二次流れ構造19を示します。

ザfigure-introduction-17また、「旋回強さ」として知られている臨界点の局所速度勾配テンソルの分析とそれに対応する固有値20による渦識別方法であって、 - 24 計算されます。固有値は、形式でなければなりません。 figure-introduction-18 。の等高線図figure-introduction-19の等領域を有しますfigure-introduction-20 22 -二次流れ構造20を示します。

この方法は、物理的およびスペクトル空間での滑らかさを持つ解析機能（またはウェーブレット）を利用許容され（またはゼロ平均を持っている）と有限を持っているウェーブレット変換figure-introduction-21 5、6、26、拡張したり、2Dの渦度場とウェーブレット契約し、ウェーブレット変換された渦を畳み込むことにより、 figure-introduction-22フィールドには、cを発生させますスケール及び長所5、6、26の広い範囲でコヒーレント構造のomprising。二次元ウェーブレット変換渦フィールドのシャノンエントロピーはすべて、コヒーレント構造が適切に解決される最適なウェーブレットスケールを推定するために計算されます。このエントロピーの推定確率のセットを含みますfigure-introduction-23各画素についてfigure-introduction-24そのようなfigure-introduction-25 、正規化された正方形の位置mにおけるピクセルに関連した渦の弾性率、nは5、6。処理手順を図6にグラフで提示されている。ウェーブレットの選択に設定された制限は、文献に詳細に示されています。 26.このプロトコルのステップは、2Dリッカーウェーブレットを用いたコヒーレント構造検出のための手順を説明します。このワットを使用するための正当化渦巻きパターンマッチングのためのaveletは、文献に提示されています。 5、6およびそこに引用されている適切な参照。

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プロトコル

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

1.設計とステントモデルの作製

注：以下の手順は、直線と曲線のステントの実験室規模のモデルを作成するために従っています。 2ステントモデルのインストールは、「IV型」破壊（断片化と骨折ステント部品の線形変位）を体現します。

注：著者は、ステントの幾何学的形状のCADモデルを作成するための研究の時点でのPro / ENGINEERのソフトウェアを使用していました。以下の手順は、一般化され、使用されるCADソフトウェアへの一般的な用語を含まなくてもよいです。使用可能な他のCADパッケージを使用することもできます。次の手順は、著者らは、研究の時に使用し、製造元のWebサイトから適応されているCADソフトウェアに適用可能です。著者が使用するラピッドプロトタイピングマシンの更なる説明のための材料のリストを参照してください。ステント設計のためのパラメトリック方程式と初期化された値は、Taの中で提示されていますBLE 1および図1Dおよび1Eは、ラピッドプロトタイピングの後にストレートと湾曲ステントモデルの一例です。

  1. （ 表1）パラメトリック方程式を定義し、デカルト（XYZ）座標系で左右らせんのパラメータを初期化することによってストレートステントジオメトリを作成します。
    1. 10等間隔のセットを生成式を用いて、直線状の基準線またはZ軸周り平面円形配列でヘリックスを回転左。 1、2、3、および5ターンの数の初期化値を用いて、 表1に示します
      （ figure-protocol-1 ）、ピッチ、ステントワイヤの太さ（ figure-protocol-2 ）ステントの公称直径（ figure-protocol-3 ）（ 図1Aおよび表1）。
    2. 式を使用して手順を繰り返し1.1.1。図1、図2、図4及び図5は、生成します10等間隔左らせんの円形パターン（ 図1A）。
    3. 組み合わせや組み立て左と右の共通の軸（ 図1A）についてヘリックスを回してストレートステントジオメトリを生成します。
  2. 円筒形（R-β-X）座標系でまたは曲線基準線（ 表1）について、左右らせんのパラメータをパラメトリック方程式を定義し、初期化することによって、湾曲したステントのジオメトリを作成します。式を使用して、以前に初期化パラメータで1.1.2 - を繰り返して、1.1.1を繰り返します。図1、図2、図6、図7。
    1. 湾曲したステントの幾何学的形状の組み合わせや組み立て左と右の共通の軸（R）については、湾曲ヘリックスを回すと角度をサブテンディングを生成しますfigure-protocol-4原点（ 図1B）で。
  3. ストレートと湾曲したステントのCADモデルからの高解像度ステレオリソグラフィー（STL）ファイルを作成します。
    1. 」を選択[ファイル]メニューの[ ''から 'エクスポート>モデル。 「STL」オプションを選択します。 1.に0を設定し「角制御 'に'弦の高さ 'を設定STLファイルを作成するために「OK」を適用します。注：「角制御」の値が小さい半径を有する表面に沿ってテッセレーションの量を調節し、設定値が0と1の間とすることができます。
  4. 資機材の表に記載された材料を使用して、 図1Cに示されているラピッドプロトタイピングマシンにステントモデルを製作。
    1. （材料リストを参照してください）​​3Dプリンティングソフトウェアを起動します。 3Dプリンタのコンピュータ上でSTLファイルを検索し、目的のファイルを選択するために、「挿入」をクリックします。画面上の仮想プラットフォーム（ 'トレイ'）にSTLファイルの3Dレンダリングを配置するために、画面上でマウスをドラッグします。
    2. ファイルメニュータブから： 'ミリメートル'（ 'ミリメートル'または 'インチ'オプション）などの適切な単位を選択します。 「マット」として、最終製品の品質を選択します（オプション：「マット」または「光沢」）。 「トレイの設定>検証 'ファイルメニューからタブを選択します。
    3. 次のステップに続行する」の検証が成功した」というメッセージを探してください。検証が1.3で失敗の繰り返しステップである場合 - 1.4.2成功した検証が達成されるまで。
    4. 製造のための3Dプリンタにファイルを送信するために、ファイルメニューから「トレイの設定]> [ビルド]タブを選択します。
      注：「弦高さ」の値は、モデル表面のテッセレーションの度合いを制御します。これは、モデルの精度とファイルサイズが自動的に最小値に置き換えられます影響します。弦の高さの小さな値は、ファイルサイズのトレードオフと実際の部品形状から以下の偏差につながります。検証チェックは、部品が連続し、製造段階中の任意の構造異常の無効であることを確認するために必要とされます。

2.動粘度 - 及び屈折での準備DEX-マッチしたブラッド・アナログ流体

注：以下の手順は、血液アナログ溶液約600ミリリットルが得られます。溶液の調製に使用される関連特性を有する化学試薬および溶媒の要約は、材料リストに提示されています。関連する材料特性は、示唆実験装置および体積計算のためのガイドラインは、それぞれ、 表2,3及び4に示されています。

  1. ヨウ化ナトリウム（NaIを）の飽和溶液を調製します。
    1. 2000ミリリットルのビーカーに脱イオンH 2 Oの500ミリリットルを注ぎます。マグネチックスターラー上ビーカーを置きます。
    2. ゼロ化された重量バランス上のNaI≈860グラムを測定し、攪拌し、完全に次を追加する前に溶解する電流加算を待っている間、ビーカーに100グラムずつを追加します。 NaIを脱イオンH 2 Oの飽和のプロセスは若干exotあるので、各添加の温度を記録しますhermic。冷蔵RT（≈25℃）で、それを維持するのに必要な溶液。
    3. 溶液が飽和するまで、20グラムまでの小規模のNaIの増分（≈5-10グラム）を追加します。各添加の質量と温度を記録します。行っマグネチックスターラーから飽和のNaI溶液でビーカーを削除します。
  2. （飽和のNaI溶液の密度を測定しますfigure-protocol-5 ）。
    1. 気泡がないことを確認すること、注射器（またはメスピペット）を使用して、ゼロ化されたスケールで50ミリリットルのビーカーにステップ2.1から飽和のNaI溶液10mlを加えます。レコード質量と体積が追加されました。
    2. 式を用いて、各添加の密度を計算します。 8（ 表3参照）。このステップを約4〜5回繰り返します。記録密度を平均します。ステップ2.1で調製した飽和のNaI溶液をバッチに解決策を返します。
  3. 血液模倣溶液の総量を推定します。 <オール>
  4. （ステップ2.1で調製した飽和のNaI溶液の質量を測定し、その体積を計算figure-protocol-6 ）式を使用。 9.見積もり血液模倣溶液の総量（ figure-protocol-7 ）およびグリセロールの部分体積（ figure-protocol-8 ）および脱イオン水（ figure-protocol-9 ）式後に追加されます。 10、11および12（ 表3参照）。
  • 血液アナログソリューションを準備します。
    1. 均質化し、磁気スターラー上混合を通じて（体積比）79％飽和のNaI溶液を、20％グリセロール、1％の脱イオン水からなる血液類似体溶液を準備します。
    2. （マグネチックスターラー上飽和のNaI溶液でビーカーを置き、少しずつグリセロールを追加88 / 51288eq38.jpg "/>）、グリセロールの全体積まで）注射器（または卒業または体積のピペットを用いて、（ figure-protocol-10 ）ステップ2.3で算出さが追加されます。それぞれについて、 figure-protocol-11反復は、追加されたボリュームを記録し、溶液がグリセロールの次の増分を追加する前に、目に見えて均質化するまで待ちます。
    3. 飽和のNaI溶液及びグリセロールの完全な均質化の後、追加figure-protocol-12注射器（またはメスまたは容積ピペット）を使用。血液 - アナログソリューションは目に見えて均質化されるまで、マグネチックスターラーで攪拌し続けます。
  • 標準の周囲温度及び圧力（25℃、1気圧）で血液アナログ流体を特徴付けます。
    1. 標準ウベローデ粘度計または同等の測定器を用いて、動粘度（ν）を測定します 。動粘度は、メス又はメスピペットを使用して、グリセロールの小さい、測定量を添加することによって調整することができます。
    2. 屈折計を用いて屈折率（n）を測定します 。屈折率は、スパチュラを用いてチオ硫酸ナトリウム無水物の微量を添加することによって調整することができます。
      注：著者は、動粘度を報告し、ν= 3.55センチストークス （3.4％±）（3.55×10 -6 m 2で2.8％±秒-1）および血液アナログ流体の屈折率n = 1.45 5、6。

    • 3.「IV型」ステントの失敗の下流に二次流れ速度場の測定のための実験を​​アレンジ

    注：180°湾曲した動脈試験部が一緒に接着されている2つのアクリルブロックで構成図1F、図3（a）に示すように、180°の湾曲したチャネルは、入口と出口パイプの各ブロックおよび規定に機械加工され、 ≈1.49145、6（ 表2を参照）のようにテストセクションで使用される材料の屈折率を報告しています。

    1. （ 図1F、図3Aおよび3Bを参照してください）ステントの完全な横骨折と断片化された部品の直線変位を伴う、理想化されたIV型骨折のシナリオを具体化するために、アクリル製の湾曲した動脈のテストセクションのステップ1で作製したステントをインストールします。
      1. （ 図1Fおよび図3Bを参照）の湾曲動脈試験部の上流側にストレートステントを配置します。ストレートと湾曲したステントとの間の間隔が「3回」、チューブの直径（D 管 = 12.7ミリメートル）は、（湾曲したチューブに入口に一端が湾曲の内側に45度曲がったステントを配置していることを確実にするために、 図2B）。
    2. 目を組み立て実験装置光学テーブル上で（ 図2）（ 図3A）の概略図に示すように180°の湾曲した動脈の試験部の入口と出口にまっすぐアクリルパイプを接続することにより、電子実験。

    二次流れ速度場の4獲得

    注：プロトコルにおける以下の説明は、粒子画像流速測定法（PIV）技術を用いた二次流れの速度場の買収に関連する図3B（模式図）は、その存在の4つの場所（45°、90°、135°、180°）を示しています。角度のノッチとレーザシート投影平面断面二次流速を製造を容易にします。プロトコルステップは、90°の位置については、取得した測定値に関連します。レーザーシートを45°の位置に配置されている場合、カメラは、二次流れのための光アクセスを得るために135°の位置に配置されている私45°の位置でasurements。

    注：以下の手順は、（材料リストを参照してください）​​一般化され、画像取得およびポスト処理ソフトウェアと使用される機器制御ソフトウェアへの一般的な用語を含まなくてもよいです。使用可能な他の画像データ取得パッケージは、プロトコルで使用することができます。

    1. レーザ電源上にあるON / OFFスイッチを使用して、レーザーをオンにします。レーザーシートを視覚化するために、紙の小片を照らします。レーザー源に位置集束光学系レーザーシートを回転させることにより、視覚的に（約2ミリメートルまで）レーザーシートの厚さを調整します。
    2. シートは、光学テーブルに垂直になるように90°の測定領域に沿ってレーザーシートを配置します。レーザーシートによって照明断面を光学的アクセスを得るために0°または180°の場所の近くにカメラを置きます。
    3. 調整する画像取得とポスト処理ソフトウェアを用いたレーザーとカメラの位置を合わせますカメラの視野が十分に湾曲した動脈の円形断面の画像を撮像する（ 図3A参照 ）、粒子の歪みを低減します。視野のソフトウェアで生成された画像を検査することにより、「試行錯誤」によりアライメントを行います。レーザ電源に配置された制御スイッチを用いたレーザーのスイッチを切り、カメラを取り外すレンズカバーでオンになっていることを確認してください。
    4. PIVデータ取得コンピュータに画像取得とポスト処理ソフトウェアを起動し、「エキスパートユーザーとしてログインします。 「プロジェクト名」を指定し、ファイルメニューから新しいプロジェクトを作成し、「プロジェクトの種類」の下に「PIV」オプションを選択します。新しいPIVのレコーディング・セッションを初期化するために、ファイルメニューから「新規作成」を選択します。画像取得とポスト処理ソフトウェアの「設定」セクションの下の[デバイス]を選択します。
    5. 画面上の「録音」ダイアログボックスに移動し、「カメラ1」のチェックボックスを有効にし、「シングルフレーム（T1A）」オプションを選択します。画像取得とポスト処理ソフトウェアの設定でONに設定するレーザー]ラジオボタン」を選択します。 「EXT」とレーザ電源上にある「ハイパワー」のスイッチを押すことにより、レーザ電源の外部電源モードを有効にします。
    6. コンピュータの画面上で観察するPIV画像の取得を開始するために、画像取得およびポスト処理ソフトウェアの「グラブ」を選択します。光学テーブル上のわずかな手動調整してカメラを移動し、視野を最大化するために、カメラの位置を最適化するために、焦点を調整し、ボケや画像の歪みを低減。
    7. PIVデータを取得中止して任意のさらなるカメラの調整を行わない画像取得とポスト処理ソフトウェアの設定に「停止」のラジオボタンを選択します。アライメント手順は、この段階で完了しました。
      注：この段階でのレーザパルスは、画像によって制御されます。取得及び後処理ソフトウェア、さらにソフトウェアの設定でパルス周波数または「露出」を変えることによって制御することができます。それは、画像取得およびポスト処理ソフトウェアによって制御されているので、レーザーは自動的に停止します。現在のプロジェクトは、次の手順でPIVデータを取得するために使用されるように接近していない画像の取得とポスト処理ソフトウェアを実行してください。
    8. フェーズごとのPIVデータはデュアルパルスレーザーとカメラと同期されたポンプ、計測器制御コンピュータからの時間的なトリガパルスを使用して生成されることを保証するには、以下の手順に従うことによって、2C-2D PIVシステムを用いた二次流れ場の画像を取得します。
      注：プログラム可能なポンプは、ポンプ装置の制御用コンピュータに接続され、機器制御ソフトウェアプログラムによって制御されます。次の手順は、画像取得処理および後処理とポンプ装置制御コンピュータ私たちを使用してPIVコンピュータ上のソフトウェア制御モジュールを設定関与します計測器制御ソフトウェアをる。
      1. ポンプに位置してON / OFFスイッチを使用してプログラム可能なポンプをオンにします。ポンプの計測器制御コンピュータ上の機器の制御プログラムを起動します。
      2. 基準トリガでの電圧 - 時間波形の値が（トン/ T = 0）、それは生理的（頸動脈）を表す生理Womersley番号を維持し、機器制御ソフトウェアへの速度波形を流れているテキスト・ファイルをロードしますfigure-protocol-13そして、最大レイノルズfigure-protocol-14ディーンfigure-protocol-15数字（ 図4A）。
      3. 計測器制御ソフトウェアのインターフェース画面上のセット1（ボルト）に「振幅」、0（ボルト）に「DCオフセット」、「時間ステップの数 '1000 4（秒）に「期間」。
      4. 外部ポウことを確認しますステップ4.5において、レーザ電源のRモードがまだ起動されます。押して「EXT」とレーザ電源上にある「ハイパワー」スイッチ、必要な場合。
      5. 画像取得とポスト処理ソフトウェア上の[設定]セクションの下に「新記録」をクリックした後、[デバイス]を選択します。 、画像取得およびポスト処理ソフトウェアの「録音」ダイアログボックス（PIVコンピュータ）に移動し、デュアルパルスで火にレーザーを設定するには、「カメラ1 ''ダブルフレーム（T1A + T1B） 'をチェックボックスをオンにして選択オプションを有効モード。
      6. 画像取得とポスト処理ソフトウェアの「録音」ダイアログボックスの「タイミング」オプションを選択し、「トリガソース」を選択し、ポンプ機器コントロールモジュールからのトリガ信号と同期するように「外部サイクリックトリガ」に設定します。 sの画像取得とポスト処理ソフトウェア上の[設定]セクションの下にある「Aquisit]を選択しますPIVの買収を設定タルト。
      7. 画像取得とポスト処理ソフトウェアの「記録系列」ダイアログボックスに移動します。ソフトウェアインターフェイス上に設けられた適切なタブを使用して、「録音・シーケンス」の下にある「表スキャン」サブカテゴリを追加します。テーブルには、0ミリ秒から始まり、40ミリ秒間隔で4000ミリ秒で終わる」の編集表スキャン」、「追加スキャン」と入力時間値を使用して作成し移入します。表中の各タイムエントリに対応する入力Δtの値。すべての値を入力した後Enterキーを押して、キーボードのEnterキーを。
      8. 画像取得とポスト処理ソフトウェアの「記録系列」ダイアログボックスに移動します。ステップ4.8.7で作成された 'テーブルスキャン」の下に「画像取得」サブカテゴリを追加します。 、200に「画像の数を「セット」録画中に表示する画像]チェックボックスをアクティブにし、「即時開始」を選択します。
      9. セレctの[設定]セクションの下の[デバイス]とは、レーザが適切な電源設定で「ON」に設定されていることを確認します。確認するために、「レーザーコントロール」に移動します。 PIVシステムは、現在のデータを取得する準備ができています。
      10. 4秒ごとにトリガパルスと一緒にステップ4.8.2-4.8.3に供給された入力を用いた実験に流体を供給するためのポンプ、計測器制御コンピュータ上の計測器制御ソフトウェアのインターフェイス上で「RUN」のラジオボタンを選択します。
      11. 設定されている各時間インスタンスで（統計収束5、6、31、32を達成するために十分な200）平面速度場の所定の数まで、ポンプ機器コントロールからのトリガ信号を用いて位相ごとの測定値を取得するための「記録開始」を選択します表スキャンで90°の位置で行われる（ステップ4.8.7を参照）。
      12. レーザ電源を押して「停止」記録が行われた後。ポンプとカメラの電源をオフにし、カメラのレンズの共同を配置版ポンプの計測器制御コンピュータ上の計測器制御ソフトウェアのインターフェイス上で「停止」のラジオボタンを選択します。
      13. 視覚的には、漏れのレベルをゲージ、必要に応じて漏れた流体を収集し、すべてのデバイスの電源がオフにされているか適切な方、スタンバイ状態に残すことができることを確実にするためにするための実験のセットアップを検査します。画像取得とポスト処理ソフトウェアで記録セッションを閉じます。

    5.コヒーレント二次流れ構造を検出

    注：インポート後処理およびPIVシステム5、6、33からの2-成分ベクトルのフィールドを分析するための画像取得とポスト処理ソフトウェアとコマンドライン機能のセット（MATLABベースのツールボックス、PIVMat 3.01）を使用します。

    1. 内部流動形状、すなわち 、円形、平面断面積を含むマスクを作成します。
      1. 今それぞれで取得されたPIVデータを持っていることを、ステップ4.4で作成したプロジェクトを選択しますステップ4.8.7で指定された時間のインスタンス。また、全体のPIVデータのアンサンブルを含むダイアログボックス内の任意のデータを選択します。
      2. 「 - マスクを作成する補足コードファイル」の指示に従ってください。
    2. 一部のPIVデータセットがデフォルトで選択されている間、プロジェクトウィンドウのファイルメニューから「バッチ」アイコンを選択することにより、後処理ルーチンを作成します。 「操作一覧」との対話ボックスには、次のステップで述べたように同じ順序ですべきことであるが表示されます。
      1. 「 - ポスト処理ルーチンを作成する補足コードファイル」の指示に従ってください。
    3. 計算位相平均とRMS二次流速、および渦度フィールド。
      1. グループ「統計」からとダイアログボックスでの「Parameter」をクリックしてください： 'ベクトル場の結果をベクトル統計」操作を選択します。 「平均V」と「RMS V 'のチェックボックスウントをアクティブにer」とベクトルフィールドのセクション。操作「腐敗-Z Eyx - 高価な 'を選択し、グループから'のスカラー場を抽出：回転とせん断を「平面の断面における2次元渦度を決定します。
    4. 全体PIVデータを処理後起動し、手順5.3および5.4で作成された操作と速度、RMS速度、渦度と旋回強度の位相平均量を生成します。
      1. 下の「すべてを追加」を選択し、プロジェクトウィンドウの下のPIVデータに「ハイパーループ>すべてのセット」、および選択オプション]を右クリックして ''利用可能な設定： 'セクションには、全体のPIVデータアンサンブルが選択されていることを確認します。
      2. セクション：[フィルタ]の下のプルダウンメニューから「パラメータ」を選択します。セクション：「バッチ処理 ''操作」でオプションを選択します。 PIVデータの「ハイパーループ」事後処理を開始するために「実行」をクリックします。
    5. 計算旋回力figure-protocol-16 ）フィールドは、画像取得及び後処理ソフトウェアを使用して二次流れ構造を検出します。グループからの操作「旋回強さ」を選択して「スカラー場を抽出：回転とせん断を」。
      1. 繰り返して、「ハイパーループ」後処理を実行するために5.4.1-5.4.2を繰り返します。
    6. によってコヒーレント構造を検出figure-protocol-17そして、連続ウェーブレットは、渦フィールドに変換しますfigure-protocol-18ユーザ定義MATLAB関数を作成し、PIVmat 3.01ベースのMATLAB関数を使用して、（ - 例のコードのための「MATLABコードを補足コードファイル」を参照してください）​​。
      1. スケール係数を初期化することによって、2Dリッカーウェーブレットを表す次式からのデータの2次元配列を生成しますfigure-protocol-19式の。任意の値に13（「補足コードファイル - MATLABコード」を参照してください）​​。
        figure-protocol-20
      2. 渦度の2次元コンボリューションまたはフーリエ乗算を行いますfigure-protocol-21 2Dリッカーウェーブレット関数（式13）を用いて、ステップ5.4からのデータは、ウェーブレット変換された渦のフィールドを生成しますfigure-protocol-22初期化されたスケールファクタでfigure-protocol-23 。 （ " - MATLABコード補足コードファイル」を参照してください）​​。
      3. シャノンエントロピーを計算figure-protocol-24ウェーブレット変換された渦度場のfigure-protocol-25式で表されます。 14（「補足コードファイル - MATLABコード」を参照してください）​​。
        figure-protocol-26
      4. にスケールファクタを変更figure-protocol-27 2次元リッカーウェーブレット（式13）を表すデータの新たな2次元配列を生成する（ 図6参照）。
      5. （スケールファクタの大規模な範囲のために、5.6.4 - を繰り返して、5.6.1の手順figure-protocol-28 、 図6のフィードバック・ループを参照してください。
      6. シャノンエントロピーのプロットを作成します。 figure-protocol-29ウェーブレットスケールファクタ対figure-protocol-30ステップ5.6.5で（ 図6を参照）。最適なウェーブレットスケールの位置を確認しますfigure-protocol-31通常、シャノンのエントロピーの極小値に対応しますfigure-protocol-32 。最適なウェーブレットスケールでの手順を繰り返し5.6.4（SE図6のウェーブレットスケールプロット対電子シャノンエントロピー）。
      7. ウェーブレット変換された渦の等高線図を作成します。 figure-protocol-33シャノンエントロピーの最適値に対応するウェーブレットのスケール係数でfigure-protocol-34 。

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    結果

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

    図7A-Dに示される結果は、後処理二流速データの後に生成された（ 図5を参照して、6） 図3（a）に示す2C-2D PIVシステムから取得しました。理想化された「IV型」ステント骨折を有する湾曲動脈試験部に供給される流入条件は、 図4（b）に示す頸動脈波形ました。我々の以前の研究では、Womersley番号の一定の範囲内で拍動流入波形の様々な減速条件に二次流れ構造の感度を実証していますfigure-results-1 4 - 6により、時間インスタンスfigure-results-2 図7A-Dに示される結果から、頚動脈流入の収縮減速W相に対応するように選択されましたavefor...

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    ディスカッション

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

    本論文で提示プロトコルは、粒子画像速度測定法（PIV）とコヒーレント構造の検出方法、すなわち、連続ウェーブレット変換を用いた高忠実度の実験データの取得を説明しますfigure-discussion-1 、渦とせん断支配フローの識別に適しています。理想化された「タイプIV」骨折の存在下での生理的な流入からの実験データの分析は、このような単純な流体力学の理論から予測することはできません時空間分布のフロー構造の非対称性や変動などの複雑な流体力学的効果を伴う二次流れ構造ことが明らかになりました。

    このプロトコルすなわちの実行における4つの重要なステップがあります。、（ⅰ）設計および実験室規模のステントモデルの製作、血液およびrefracの動粘度に合わせた血液アナログ作動流体の（ii）の準備的に湾曲した動脈モデルのインデックス、（III）非侵襲実験装置（2C-2D PIV）および（iv）動脈血流パターンを識別するための高度なコヒーレント構造の検出方法。

    W...

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    開示事項

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

    利害の衝突が宣言されていません。

    謝辞

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

    著者らは、バイオミメティクスとバイオインスパイアード・エンジニアリングのためのGWセンター（COBRE）からNSFのグラントCBET-0909678および資金調達の支援を認めます。我々は内支援するための実験室および氏マチューBarrajaのヘルプのための学生さん、クリストファーPopma、氏リアンペンナさん、シャノンキャラハン氏Shadmanフセイン氏、モハメド・R. Najjari、と女史ジェシカHinkeに感謝しますCAD図面。

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    材料

    この記事で使用された材料の一覧
    名前会社カタログ番号コメント
    アクリルチューブとシートMcMaster-Carr Supply Company曲動脈テストセクションの入口と出口のパイプと材料
    Object24 デスクトップ 3D プリンターStratasysDesktop ラピッド プロトタイピング マシン
    http://www.stratasys.com VeroWhitePlus 不透明な材料StratasysObject24 デスクトップ 3D プリンター
    Fullcure 705用建材StratasysObject24 デスクトップ 3D プリンター
    Ubbelohde 粘度計Cole ParmerYO-98934-12血液アナログ流体
    VELP scientifica - ESP stirrer VELP ScientificaF206A0179マグネティックスターラー
    Ohaus Scout Pro SP 601 ラボデポSP4001重量計
    計愛宕PAL-RI血液アナログ流体の屈折率の測定に向けて
    ビーカー、ピペット、シリンジ、スパチュラSigma-Aldrich CLS710110, CLS10031L、CLS71015、CLS71011 Z193216血液アナログ溶液調製に必要な材料の取り扱いに向けて
    ヨウ化ナトリウムSigma-Aldrich383112-2.5KG 結晶
    グリセロールSigma-AldrichG5516-1L液体
    脱イオン水-液体
    チオ硫酸ナトリウム 無水Sigma-Aldrich72049-250G粉末
    PIV 記録媒体LaVisionイメージャー インテンス 10HzPIV 画像取得 CCDカメラ
    PIV 照明源ニューウェーブ研究ソロ III-15PIVレーザー光源、Nd:YAGレーザー、532 nm、デュアルパルス70 mJ /パルス
    PIVイメージングソフトウェアLaVisionDaVis 7.2PIVデータ収集および機器制御
    PIVシーディング材料Thermo-scientific  Flouro-MaxRed蛍光ポリマー微小球(≈ 7 µm);乾染ポリスチレン(DVB)蛍光マイクロスフィアは、ショートの光に照らされると明るくはっきりとした色を発します。発光波長よりも波長。
    湾屈折

    参考文献

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