Experimenteel onderzoek van secundaire Flow Structures Stroomafwaarts van een Model Type IV Stent Niet in een 180 ° Gebogen Artery proefvak
19 juli 2016
Stentimplantaten in vernauwde arteriële bochten zijn vatbaar voor "Type IV"-storingen waarbij de volledige transversale breuk van stents en lineaire verplaatsing van de gebroken delen betrokken zijn. We presenteren een protocol voor de detectie van secundaire stroming (vorticale) structuren in een gebogen slagadermodel, stroomafwaarts van klinisch relevante "Type IV" stentstoringen.
Deze video laat zien hoe Particle Image Velocimetry en Coherent Structure Detection kunnen worden gebruikt om secundaire stroming of worticale structuren in een gebogen arteriemodel te detecteren, om de klinische relevantie van Type IV stentfalen beter te begrijpen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in cardiovasculaire hemodynamica. Bijvoorbeeld, hoe stents, die na verloop van tijd kunnen verslechteren en uiteindelijk breken, het bloedstroompatroon kunnen beïnvloeden en de ziekteprogressie bij vasculair remodelleren kunnen beïnvloeden.
Het grote voordeel van deze techniek is dat het de onderzoeking van in-vivo en in-vitro metingen in complexe fysiologische arteriële stromingen, waarbij stents en stentbreuken betrokken zijn, vergemakkelijkt. De procedure zal worden gedemonstreerd door Mohammad Najjari, een afgestudeerde student, en Jessica Hinke, een studente in de bacheloropleiding. Bereid een bloed-analoge oplossing voor, bestaande uit 79%verzadigde natriumjodide-oplossing, 20%glycerol en 1%gedeïoniseerd water.
Begin met verzadigd natriumjodide-oplossing en voeg vervolgens de glycerol toe in kleine incrementen met behulp van een spuit tot het volledige volume glycerol is toegevoegd. Wacht tussen toevoegingen totdat de oplossing zichtbaar homogeen is en noteer het volume van elke glyceroltoevoeging. Voeg vervolgens het vereiste volume water toe en blijf roeren tot de bloed-analoge oplossing zichtbaar homogeen is.
Voeg tenslotte zeer kleine hoeveelheden natriumthiosulfaat toe met behulp van een spatel tot de oplossing optisch helder is. Om te beginnen, maak hoge resolutie STL-bestanden van de rechte en gebogen stent Cad-modellen. Selecteer Export en Model in het bestandsmenu van de software.
Kies de STL-optie, stel de Chord Height in op nul en stel de Angle Control in op één. De waarde van de hoekcontrole regelt de hoeveelheid tessellatie langs het oppervlak met kleine straal, en de instelling kan worden aangepast tussen nul en één. Klik vervolgens op OK om het STL-bestand te maken.
Fabriceer vervolgens de stentmodellen op een Rapid Prototyping-machine. Om dit te doen, start u de 3D-printsoftware en klikt u op Invoegen om het STL-bestand op de computer van de 3D-printer te lokaliseren. Selecteer vervolgens het gewenste bestand en plaats het STL-bestand op een virtueel platform op het scherm door de muis te bewegen.
Installeer vervolgens, met behulp van de 3D-geprinte onderdelen, de stent in het gebogen arterietestgedeelte om een geïdealiseerde Type IV-breukscenario na te bootsen. Dit omvat een volledige transversale breuk van stents en lineaire verplaatsing van gefragmenteerde delen. Assembleer nu de opstelling op een optische tafel.
Verbind de rechte acrylbuizen met de inlaat en uitlaat van een 180-graads gebogen arterietestgedeelte. Om te beginnen, pas de positie van de laser grof aan door een klein stukje papier te verlichten. Maak de laserplaat ongeveer 2 mm dik door de focus aan te passen.
Richt vervolgens de laserplaat langs het 90-gradengedeelte van het meetgebied met de plaat loodrecht op de tafel. Plaats vervolgens een camera in de buurt van de nul- of 180-graadslocatie om het dwarsdoorsnedegebied te bekijken dat wordt verlicht door de laserplaat. Pas geleidelijk de uitlijning van de laser en camera aan, zodat de camera de cirkelvormige dwarsdoorsnede van de gebogen arterie bekijkt met minimale deeltjesvervorming, wat wordt beoordeeld met behulp van de Grab-functie in de software.
Zodra de camera en laser op hun plaats staan, verkrijg afbeeldingen van de secundaire stromingsvelden. Schakel eerst de programmeerbare pomp in. Stel in het besturingsprogramma van de pomp de Amplitude in op één volt.
Stel de DC-offset in op nul volt. Stel het aantal getimede stappen in op 1000 en stel de tijdsduur in op vier seconden. Aanvullende instellingen worden besproken in het tekstprotocol.
Laad vervolgens het tekstbestand met de waarden voor de spanningsgolfvorm en voer het programma uit om de bloed-analoge vloeistof naar het experiment te voeren. In het PIV-gegevensverwervingsprogramma, na het klikken op de tab Nieuwe opnames, selecteert u het apparaat onder de sectie Instellingen en bevestigt u dat de laser is ingesteld op Aan met de juiste machtigingen. Navigeer naar laserbesturing om de waarden te bevestigen.
Navigeer naar Timing en stel deze in op Externe cyclische trigger. Klik op Acquisit, selecteer Table Scan, Edit Table Scan, Append Scan en vul scaninstellingen in door de starttijd te vermelden, representatief voor systolische deceleratie. Tijdsverhogingen en eindtijd van PIV-gegevensverwerving.
Referentietijd, DT1, of de tijd tussen laserpulsen moet worden aangepast. Klik vervolgens op Sluiten. Klik onder Acquisit op afbeeldingsverwerving en voer het aantal afbeeldingen in als 200.
Nu is het PIV-systeem klaar om gegevens te verwerven. Selecteer Start opname om fasegewijze metingen te verwerven, met behulp van het triggersignaal van het pompbesturingsprogramma. Het ingestelde aantal vlak- of snelheidsvelden op elk tijdstip, en op de vooraf geregeld geplaatste 90-gradentestsectielocatie, zal dan worden verworven.
Wanneer de opname is voltooid, zet de laser uit. Schakel de pomp uit, zet de camera uit en vervang de lensdop. Gebruik het aanvullende codebestand om de fasegemiddelde en RMS-secundaire stromingssnelheden, voortsnelheid en wervelkrachtvelden te berekenen.
Initialiseer in de software instellingen met betrekking tot gedefinieerde schaal en verzend deze naar Mask Definition. Bekijk het aanvullende codebestand voor details. Klik in de software met de rechtermuisknop op gegevens van een willekeurige PIV en start Batch Processing.
Selecteer de bewerking Vectorstatistieken, Vectorveldresultaten uit de groep Statistieken en klik op Parameter in het dialoogvenster. Schakel de opties Gemiddelde V en RMSV onder het Vectorveldgedeelte in. Selecteer vervolgens de bewerking Voortsnelheid uit de groep Extract Scalar Fields Rotatie en Schering.
Dit vindt de tweedimensionale voortsnelheid in de vlakke dwarsdoorsnede. Start nu de verwerking door met de rechtermuisknop op gegevens
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een protocol voor het detecteren van secundaire stroomstructuren in een gebogen arteriemodel, in het bijzonder in de context van Type IV stentfalen. De methode is erop gericht het begrip te vergroten van hoe stentfracturen de bloedstroompatronen en de progressie van de ziekte kunnen beïnvloeden.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Cardiovasculaire hemodynamiek
- Analyse van stentfalen
- Vloeistofdynamica in vasculaire systemen
Achtergrond
- Stents in gestenoseerde arteriën kunnen volledige transversale fracturen ondergaan.
- Type IV-falen gaat gepaard met een aanzienlijke verschuiving van de gefractureerde stentdelen.
- Het begrijpen van stroompatronen na een fractuur is cruciaal voor de klinische uitkomsten.
- Particle Image Velocimetry is een sleuteltechniek voor stroomanalyse.
Doel van de studie
- Om de impact van stentfracturen op de bloedstroom te onderzoeken.
- Om geavanceerde beeldvormingstechnieken voor stroomdetectie te benutten.
- Om inzicht te verschaffen in de progressie van cardiovasculaire aandoeningen.
Gebruikte methoden
- Particle Image Velocimetry voor stromingsmeting.
- Coherent Structure Detection voor het identificeren van vorticale structuren.
- Bereiding van een bloedanaloge oplossing voor experimenteel gebruik.
- In-vivo en in-vitro metingen in complexe arteriële stromingen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle detectie van secundaire stromingsstructuren in het model.
- Inzichten in hoe stentfracturen de hemodynamiek beïnvloeden.
- De haalbaarheid van de voorgestelde methoden is aangetoond.
- Bijgedragen aan het begrip van de klinische relevantie van stentfalen.
Conclusies
- De studie biedt een waardevol protocol voor toekomstig onderzoek.
- Inzicht in stromingsdynamiek kan bijdragen aan verbeteringen in het ontwerp van stents.
- Verdere studies zijn nodig om de langetermijneffecten van stentfracturen te onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Deze methode maakt mechanische risicoreductie van de prestaties van cardiovasculaire hulpmiddelen mogelijk door te kwantificeren hoe stentfracturen de hemodynamische omgevingen beïnvloeden die verband houden met restenose en trombose. Het ondersteunt targetvalidatie in preklinische modellen door structurele faalmodi te koppelen aan functionele flowverstoringen. Deze aanpak biedt voorspellende zekerheid voor de iteratie van stentontwerpen en portfoliotriage bij de ontwikkeling van vasculaire hulpmiddelen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door de morfologie van stentbreuken te correleren met veranderingen in de secundaire stroming die de atherosclerotische progressie beïnvloeden.
- Operationele waarde: Maakt biologische risicoreductie mogelijk door middel van reproduceerbare detectie van vortexstructuren onder fysiologisch relevante pulserende instroom.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde, ziekterelevante systemen voor op downstream compound-screening door baseline hemodynamische fenotypes vast te stellen in modellen van stentfalen.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve, gestandaardiseerde resultaten (vorticiteit, wervelingssterkte) die de reproduceerbaarheid van de assay en de vergelijkbaarheid tussen laboratoria mogelijk maken.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Slaat een brug tussen ontdekking en preklinische validatie door het karakteriseren van stroomgemedieerde biologische responsen in gebogen arteriemodellen die de menselijke vasculatuur nabootsen.
- Operationele waarde: Ondersteunt risico-gecorrigeerde beslissingen over voortgang door hemodynamische drempelwaarden te identificeren die geassocieerd zijn met pro-trombotische condities.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van vroege targetvalidatie tot preklinische beoordeling, waardoor iteratieve cycli van ontwerp en verfijning voor vasculaire prothesen mogelijk worden gemaakt.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten door te onthullen hoe mechanisch stentfalen stroompatronen induceert die endotheliale activatie en plaatjessensitisatie moduleren.
- Screening: Levert assay-gereedheid via fase-gemiddelde PIV-metingen die transiënte hemodynamische gebeurtenissen tijdens systolische deceleratie vastleggen.
- Analytics: Genereert multiparametrische read-outs (Q-criterium, swirling strength, wavelet-getransformeerde velden) voor comparatieve analyse van stroomcoherentie en vortexsterkte.
- Translational Research: Verbinding met preklinische continuïteit door stent-geïnduceerde stroomverstoringen te koppelen aan gevestigde biomarkers voor vasculaire inflammatie en remodellering.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar hemodynamisch fenotyperingsplatform dat toepasbaar is op diverse stentgeometrieën, faalmodi en arteriële krommingen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Biedt voorspellende zekerheid bij de validatie van targets door mechanistische ambiguïteit in stroomgemediate pathogenese te verminderen.
- Operationele waarde: Garandeert standaardisatie en reproduceerbaarheid door middel van refractive index matching, fase-gemiddelden en geautomatiseerde algoritmen voor vortexdetectie.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door hemodynamische risico's vroegtijdig te kwantificeren, waardoor biologisch falen in een laat stadium bij vasculaire device-programma's wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van stentontwerpen mogelijk op basis van stroomverstoringsprofielen die gekoppeld zijn aan klinische resultaten.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in cardiovasculaire stromingsleer, PIV-instrumentatie en methodologieën voor het detecteren van coherente structuren.
- Afhankelijk van high-speed lasers, dual-camera PIV-systemen en mogelijkheden voor het hanteren van vloeistoffen met een overeenstemmende brekingsindex.
- Necessiteert crossfunctionele standaardisatie tussen teams voor bioengineering, beeldvorming en data-analyse voor een consistente vortexidentificatie.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen bij uitbreiding naar patiëntspecifieke geometrieën of niet-Newtoniaanse bloedanaloga onder variërende afschuifsnelheden.
- Praktische beperkingen omvatten beperkingen in de optische toegang in sterk gekromde testsecties en uitdagingen met de signaal-ruisverhouding in secundaire stroomgebieden met lage snelheid.
