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
2016年7月19日
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。
このビデオでは、粒子画像速度測定とCoherent Structure Detectionを使用して、湾曲した動脈モデルの二次フローまたは子宮構造を検出し、IV型ステント障害の臨床的関連性をより深く理解する方法を示します。この方法は、心血管血行動態における重要な質問に答えるのに役立ちます。例えば、ステントは時間の経過とともに劣化し、最終的には骨折する可能性があり、血流パターンに影響を与え、血管リモデリングにおける疾患の進行に影響を与えることがあります。
この技術の主な利点は、ステントおよびステント骨折が関与する複雑な生理学的動脈の流れにおける生体内および生体内測定の調査を容易にすることです。デモンストレーションの手順は、大学院生のMohammad Najjariと学部生のJessica Hinkeです。79%飽和ヨウ化ナトリウム溶液、20%グリセロール、および1%脱イオン水からなる血液類似体溶液を調製します。
飽和ヨウ化ナトリウム溶液から始めて、次に、グリセロールの全量が追加されるまで、シリンジを使用してグリセロールを少しずつ追加します。添加の合間に、溶液が目に見えて均質化されるのを待ち、各グリセロール添加の量に注意してください。次に、必要な量の水を加え、血液アナログ溶液が目に見える形で均質になるまで攪拌を続けます。
最後に、溶液が光学的に透明になるまで、へらを使用して非常に少量のチオ硫酸ナトリウムを追加します。まず、直線および曲線のステントCADモデルから高解像度のSTLファイルを作成します。ソフトウェアで、ファイルメニューから[エクスポートとモデル]を選択します。
STL オプションを選択し、Chord Height を 0 に設定し、Angle Control を 1 に設定します。角度制御値は、小さな半径でサーフェスに沿ったテッセレーションの量を調整し、設定を 0 から 1 の間で調整できます。次に、[OK]をクリックしてSTLファイルを作成します。
次に、ラピッドプロトタイピングマシンでステントモデルを製作します。これを行うには、3D印刷ソフトウェアを起動し、[挿入]をクリックして、3Dプリンターコンピューター上のSTLファイルを見つけます。次に、目的のファイルを選択し、マウスを動かして、STLファイルを画面上の仮想プラットフォームに配置します。
次に、3Dプリントされた部品を使用して、ステントを湾曲した動脈テストセクションに取り付け、理想的なIV型骨折シナリオを再現します。ステントの完全な横方向の破壊と断片化された部品の線形変位を伴います。次に、光学テーブルでセットアップを組み立てます。
まっすぐなアクリルパイプを180度湾曲した動脈テストセクションの入口と出口に接続します。まず、小さな紙を照らしてレーザーの位置を大幅に調整します。レーザーシートをピントを合わせて約2mm厚にします。
次に、レーザーシートを測定領域の90度部分に沿ってターゲットにし、シートをテーブルに対して垂直にします。次に、0度または180度の位置の近くにカメラを配置します view レーザーシートによって照らされた断面領域。レーザーとカメラの位置合わせを段階的に調整して、カメラが湾曲した動脈の円形断面を最小限の粒子歪みで見るようにします。これは、ソフトウェアのグラブ機能を使用して評価されます。
カメラとレーザーが所定の位置に配置されたら、二次流れ場の画像を取得します。まず、プログラム可能なポンプをオンにします。ポンプ機器制御プログラムで、Amplitudeを1ボルトに設定します。
DC オフセットを 0 ボルトに設定します。時間指定のステップ数を 1000 に設定し、期間を 4 秒に設定します。その他の設定については、テキストプロトコルで説明します。
次に、電圧時間波形の値を含むテキストファイルをロードし、血液アナログ流体を実験に供給するプログラムを実行します。PIV Data Acquisitionプログラムで、[New Recordings]タブをクリックした後、[Settings]セクションでデバイスを選択し、レーザーが適切な出力設定で[On]に設定されていることを確認します。レーザーコントロールに移動して、値を確認します。
[Timing] に移動し、[External Cyclic Trigger] に設定します。[Acquisit]をクリックし、[Table Scan]、[Edit Table Scan]、[Append Scan]の順に選択し、収縮期の減速を表す開始時間を入力してスキャン設定を入力します。PIVデータ取得の時間増分と終了時間。
基準時間、DT1、またはレーザーパルス間の時間を調整する必要があります。次に、[閉じる]をクリックします。「Acquisit」で「image acquisition」をクリックし、画像の数を「200」と入力。
これで、PIV システムはデータを取得する準備が整いました。「録音開始」を選択すると、ポンプ計器制御からのトリガー信号を使用して位相方向の測定値を集録できます。その後、各時間インスタンスと事前に設定された90度のテストセクション位置で設定された平面または速度フィールドの数が取得されます。
録音が完了したら、レーザーの電源を切ります。ポンプの電源を切り、カメラの電源を切り、レンズカバーを元に戻します。補足コード ファイルを使用して、Phase Averaged フィールドと RMS Secondary Flow Velocities、Vorticity、および Swirling Strength フィールドを計算します。
ソフトウェアで、定義されたスケールに関する設定を初期化し、マスク定義に送信します。詳細については、補足コードファイルを確認してください。ソフトウェアで、任意のPIVデータを右クリックし、バッチ処理を開始します。
操作 ベクトル統計 を選択し、グループ統計からベクトル場結果を選択し、ダイアログボックスのパラメータをクリックします。[ベクトル場]セクションで平均VとRMSVのオプションを切り替えます。次に、グループExtract Scalar Fields Rotation and Shearから操作Vorticityを選択します。
これにより、平面断面の2次元の渦度が求められます。次に、プロジェクトウィンドウの下にある任意のPIVデータを右クリックし、[Hyperloop All Sets]を選択して処理を開始します。二次流れ構造を検出するための渦巻き強度フィールドを計算するには、任意のPIVデータを右クリックし、ツリーで速度ベクトルフィールドを選択して、バッチ処理を開始します。
次に、グループExtract Scalar Fields Rotation and Shearから操作Swirling Strengthを選択し、Closeをクリックします。次に、同じ Velocity Vector Field を右クリックし、Hyperloop All Sets を選択して、以前と同様に Batch Processing のパラメータを調整します。最後に、Swirling Strength フィールドの計算を実行します。
90度の断面位置での二次流速データは、2C 2D PIVシステムから取得しました。理想化されたIV型ステント骨折で湾曲した動脈検査セクションに供給された流入条件は、頸動脈の波形でした。Secondary Flow Velocityフィールドデータは、ポンプ機器制御コンピュータによって生成されたTriggerの同期により、PIV技術を使用して生成されました。
データの後処理をピクセル化されたデータに適用して、収縮期減速中のQ基準と旋回強度またはランディスCI基準を決定しました。渦巻き強度とQ基準に基づく流れ場を比較しました。Dean-Lynn-Lynn型およびWall型DLWの変形したDLWの波形パターンの代表であるDLW文字でマークされた波形パターン、およびひずみが優勢な領域を、収縮期減速時の4つの異なる断面位置で調べた。
連続ウェーブレット変換ベースの手法を二次流渦度フィールドに適用し、形状、サイズ、強度をより詳細に渦検出することを可能にしました。最後に、Q 基準、旋回強度、およびウェーブレット変換ベースの流れ場を比較しました。ウェーブレット変換ベースの方法では、サイズ、スケール、および強度が非常に詳細に描かれた複雑なワーティカルパターンの存在が明らかになりました。
この手法を習得すれば、モデルステントを3Dプリンターでプリントした後、PIVデータの取得と後処理を含めて、約8時間で完了することができます。この手順を試行する際には、微量のチオ硫酸ナトリウムを使用して血液類似体液の屈折率が適切に一致していることを確認することを忘れないでください。将来的には、パラセオリーの結果精度を向上させ、光学的歪みを最小限に抑えるために、このようなPIVキャリブレーションマップを使用する予定です。
この手順の後、病理学的状態に関連する追加の質問に答えるために、患者固有の血管の流れを評価することができ、補綴物、ステントインプラント、および骨折したステントの血行動態への前例のないアクセスが可能になります。
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概要
本研究では、曲がった動脈モデルにおける二次流れ構造、特にタイプIVステント不具合に関連する構造を検出するためのプロトコルを提示します。本手法は、ステントの破断が血流パターンや疾患の進行にどのような影響を及ぼすかについての理解を深めることを目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 心血管血行動態
- ステント故障解析
- 血管系における流体力学
背景
- 狭窄した動脈内のステントでは、完全な横方向の破断が生じることがあります。
- タイプIVの故障では、破断したステント部位の著しい変位が伴います。
- 破断後の流れのパターンを理解することは、臨床結果にとって極めて重要です。
- 粒子画像流速測定法（PIV）は、流れの解析における重要な手法です。
研究目的
- ステント破断が血流に及ぼす影響を調査する。
- 血流検出のために高度なイメージング技術を利用する。
- 心血管疾患の進行に関する知見を提供する。
使用方法
- 流速測定のための粒子画像流速計（PIV）。
- 渦構造を特定するためのコヒーレント構造検出。
- 実験用血液模倣溶液の調製。
- 複雑な動脈流におけるインビボおよびインビトロ測定。
主な結果
- モデルにおける二次流れ構造の検出に成功した。
- ステント破断が血流力学にどのように影響を及ぼすかについての知見を得た。
- 提案した手法の実現可能性を実証した。
- ステント不具合の臨床的意義の理解に寄与した。
結論
- 本研究は、今後の研究に向けた有用なプロトコルを提供するものである。
- 血流力学を理解することで、ステント設計の改善に役立てることができる。
- ステント破断の長期的な影響を調査するためには、さらなる研究が必要である。
よくある質問
産業上の重要性
本手法では、ステント破断が再狭窄および血栓症に関連する血行動態環境をどのように変化させるかを定量化することで、心血管デバイスの性能におけるメカニズム的なリスク低減を可能にします。また、構造的な不全モードと機能的な血流障害を関連付けることで、前臨床モデルにおけるターゲットバリデーションを支援します。このアプローチは、血管デバイス開発におけるステント設計の反復的な改善およびポートフォリオの選別に対して、予測的な信頼性を提供します。
バイオ医薬品R&Dにおける戦略的応用
初期創薬およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：ステント破断の形態と、動脈硬化の進行に影響を与える二次的な血流変化を相関させることで、治療仮説を検証します。
- 運用的価値：生理学的に適切な拍動流入条件下で渦構造を再現性高く検出することにより、生物学的なリスク低減を可能にします。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値：ステント不全モデルにおける血行動態のベースライン表現型を確立することにより、後続の化合物スクリーニングに適した、検証済みの疾患関連システムを構築します。
- 運用的価値：定量的かつ標準化された出力（渦度、旋回強度）を提供し、アッセイの再現性と研究室間での比較可能性を実現します。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値：人間の血管系を模した湾曲動脈モデルにおいて、血流介在性の生物学的反応を特性評価することにより、発見から前臨床検証への橋渡しを行います。
- 運用の価値：血栓形成促進条件に関連する血行動態の閾値を特定することで、リスク調整後の推進決定を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、初期のターゲット検証から前臨床評価に至るディスカバリー・コンティニュアム（創薬・開発の連続的な流れ）に組み込まれており、血管プロテーゼの設計と改良の反復サイクルを可能にします。
- 発見生物学：メカニカルなステント不全が、内皮細胞の活性化および血小板の感作を調節する血流パターンをどのように誘発するかを明らかにすることで、仮説検証を支援します。
- スクリーニング：収縮期減速中の過渡的な血行動態イベントを捉える位相平均PIV測定により、アッセイへの移行準備を整えます。
- 分析：流れのコヒーレンスおよび渦強度の比較分析のため、マルチパラメトリックなリードアウト（Q-criterion、旋回強度、ウェーブレット変換フィールド）を生成します。
- トランスレーショナルリサーチ：ステント誘発性の血流乱れを、血管炎症およびリモデリングの確立されたバイオマーカーに結びつけることで、前臨床段階の連続性を確保します。
- エンタープライズ再利用：ステントの形状、不全モード、および動脈の曲率を問わず適用可能な、再利用可能な血行動態フェノタイピングプラットフォームを構築します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 血流介在性の病態形成における機序的な曖昧さを排除することで、ターゲットバリデーションにおける予測信頼性を提供する。
- 運用上の価値： 屈折率整合、位相平均化、および自動渦検出アルゴリズムを通じて、標準化と再現性を確保する。
- 戦略的価値： 血行動態リスクを早期に定量化することで、go/no-go判断を改善し、血管デバイス開発プログラムにおける後期の生物学的失敗を低減させる。
- ポートフォリオへの影響： 臨床結果に関連する血流乱れプロファイルに基づき、リスク調整後のステント設計の優先順位付けを可能にする。
実施上の検討事項
- 心血管流体力学、PIV計装、およびコヒーレント構造検出手法に関する専門知識が必要です。
- 高速レーザー、2台のカメラを用いたPIVシステム、および屈折率整合流体のハンドリング能力に依存します。
- 一貫した渦の同定を行うため、バイオエンジニアリング、イメージング、およびデータ解析チーム間でのクロスファンクショナルな標準化が必要です。
- 患者個別の形状や、異なるせん断速度下での非ニュートン血液模倣液に拡張する場合、適合に関する検討が含まれます。
- 実用上の制限として、曲率の高い試験セクションにおける光学的なアクセスの制約や、低速の二次流領域における信号対雑音比（S/N比）の課題があります。
