Artykuł metodologiczny

Monitorowanie mechaniki ścianek podczas wprowadzania stentu do naczynia

8.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/3945

⸱

8 maja 2012

 ,  , 
1Department of Mechanical and Materials Engineering, University of Nebraska-Lincoln

W tym artykule

Podsumowanie

Rozkłady odkształceń tętnicy wywołane przez stent są charakteryzowane przy użyciu optycznego systemu pomiaru odkształceń powierzchniowych. Ta technika wizualizacji jest wykorzystywana w celu uzyskania wiedzy na temat wpływu implantacji stentu na naczynie gospodarza.

Streszczenie

Badania kliniczne wykazały różne wskaźniki restenozy dla różnych konstrukcji stentów1. Przypuszcza się, że indukowane przez stent koncentracje odkształceń na ścianie tętnicy prowadzą do uszkodzenia tkanek, co inicjuje restenozę2-7. Hipoteza ta wymaga dalszych badań, w tym lepszej kwantyfikacji niejednorodnego rozkładu odkształceń w tętnicy po implantacji stentu. W niniejszej pracy przedstawiono bezkontaktową metodę pomiaru odkształceń powierzchniowych stentu w tętnicy. Stereooptyczny system pomiaru odkształceń powierzchniowych ARAMIS wykorzystuje dwie optyczne kamery wysokiej prędkości do rejestracji ruchu każdego punktu referencyjnego i wyznaczania trójwymiarowych odkształceń na odkształcającej się powierzchni8,9. Podczas wprowadzania stentu siatkowego do naczynia lateksowego z naniesionym na powierzchnię zewnętrzną losowym wzorem kontrastowym, odkształcenie powierzchniowe jest rejestrowane w każdej chwili deformacji. Obliczone rozkłady odkształceń mogą być następnie wykorzystane do zrozumienia lokalnej odpowiedzi zmiany chorobowej, walidacji modeli obliczeniowych oraz sformułowania hipotez do dalszych badań in vivo.

Protokół

1. Przygotowanie naczynia lateksowego

  1. Przymocuj oba końce lateksowego naczynia do kolców przyłączeniowych węża, które są zamocowane na stabilnym stole warsztatowym.
  2. Wyznacz obszar zainteresowania na lateksowym naczyniu, aby określić pole widzenia. Obszar zainteresowania dla testu stentu powinien znajdować się centralnie między kolcami przyłączeniowymi i obejmować około jednego cala z każdej strony stentu, aby umożliwić obserwację odkształceń poza obszarem stentowanym.
  3. Zapisz odległość od zewnętrznej krawędzi jednego kolca przyłączeniowego do punktu środkowego między kolcami, który stanowi również przybliżone centrum lateksowego naczynia. Przenieś tę odległość na cewnik, mierząc od środka stentu wzdłuż cewnika. Następnie zaznacz cewnik markerem.
  4. Zdejmij lateksowe naczynie z kolców przyłączeniowych.
  5. Przygotuj lateksowe naczynie, rozpylając na obszarze zainteresowania stochastyczny wzór z białej i czarnej farby w sprayu lub zaznaczając ten obszar losowymi kropkami za pomocą permanentnego markera. W przypadku mniejszych próbek wymagany jest drobniejszy wzór stochastyczny.

2. Układ testowy in vitro oraz kalibracja systemu ARAMIS

  1. Wybierz panel kalibracyjny, który jest nieco większy niż obszar zainteresowania zmierzony w kroku 1.
  2. Umieść panel kalibracyjny pomiędzy złączami węży w obszarze zainteresowania i upewnij się, że obszar ten jest odpowiednio oświetlony.
  3. Dostosuj odległość między dwiema kamerami, odległość od próbki oraz wysokość kamer w zależności od wybranego panelu kalibracyjnego. Każdy panel kalibracyjny jest inny, dlatego w celu ustalenia tych odległości należy skonsultować się z instrukcją obsługi systemu ARAMIS.
  4. Otwórz nowy projekt w programie ARAMIS, wybierając „File”, a następnie „New Project”. Następnie kliknij kartę „Sensor” i wybierz „Calibration”, a potem „Full Calibration”.
  5. Oprogramowanie ARAMIS przeprowadzi teraz użytkownika przez kolejne kroki kalibracji kamer.
  6. Przy w pełni otwartej przysłonie obiektywu ustaw ostrość kamery na panelu kalibracyjnym, luzując śrubę blokującą w kamerze i obracając obiektyw. Po ustawieniu ostrości dokręć śrubę blokującą i przymknij przysłonę.
  7. Wykonaj pierwszy obraz w procesie kalibracji. Przesuń lub obróć panel kalibracyjny zgodnie z instrukcją wyświetlaną na komputerze, aż obraz na ekranie stanie się ostry. Wykonaj drugi obraz. Powtarzaj ten proces dla pozostałych obrazów kalibracyjnych.
  8. Po wykonaniu wszystkich obrazów kalibracyjnych oprogramowanie do analizy obrazu ARAMIS obliczy ustawienia kalibracji. Proces kalibracji należy powtórzyć, jeśli odchylenie kalibracji jest większe niż 0,04. Wszelkie korekty ostrości kamery lub odległości między kamerami spowodują unieważnienie procesu kalibracji.
  9. Usuń panel kalibracyjny i umieść pomalowane naczynie lateksowe z powrotem na złączach węży.

3. Test wstępny w celu uniknięcia nadmiernego szumu tła

  1. Określ pożądaną liczbę klatek na sekundę dla badania. Zwiększenie liczby klatek na sekundę pozwoli uzyskać bardziej jednorodne wyniki odkształcenia.
  2. Ustaw czas naświetlania tak, aby uzyskać mniej niż 1 klatkę na sekundę i aby na obrazie nie pojawiały się czerwone obszary.
  3. Wykonaj 5 obrazów.
  4. Wyznacz punkty startowe na serii obrazów i oblicz wyniki badania.
  5. Przytrzymując klawisz „ctrl”, kliknij w środek próbki, aby sprawdzić poziom szumu tła. Jeśli szum przed badaniem przekracza 75 microstrain, proces kalibracji należy powtórzyć.

4. Implantacja stentu

  1. Wybierz liczbę obrazów, które mają zostać wykonane podczas testu. Dla rozprężania stentu wystarczy 200 obrazów.
  2. Stopniowo wprowadź cewnik do lateksowego naczynia, korzystając z oznacznika na cewniku w celu naprowadzania stentu, aż dotrze on do centralnej lokalizacji.
  3. Rozpocznij wykonywanie obrazów za pomocą systemu ARAMIS.
  4. W przypadku stentu rozprężanego balonem stopniowo zwiększaj ciśnienie w balonie, aby rozprężyć stent, aż balon zostanie w pełni rozszerzony; następnie stopniowo zmniejszaj ciśnienie w balonie do zera, aż balon zostanie całkowicie opróżniony z powietrza i wycofany wraz z cewnikiem.
  5. W przypadku stentu samorozprężalnego stopniowo usuwaj osłonkę, aż stent zostanie w pełni rozprężony; następnie stopniowo wycofaj cewnik.

5. Analiza obrazów

  1. Historia odkształcenia w konkretnym punkcie naczynia
    1. Utwórz punkt pomiarowy, przytrzymując klawisz „ctrl” i klikając w obszar zainteresowania.
    2. Wybierz pożądany typ odkształcenia, np. odkształcenie w osi X, Y, XY, odkształcenie główne maksymalne, odkształcenie główne minimalne lub odkształcenie według Misesa.
    3. Wykres w prawym dolnym rogu wyświetli odkształcenie w wybranym punkcie w czasie trwania testu.
  2. Przestrzenne odkształcenie wzdłuż określonej ścieżki naczynia
    1. Utwórz linię wielopunktową, klikając w zakładkę „sections”, a następnie „create section”. Wybierz na obrazie linię równoległą do osi X przy Y równym zero. Spowoduje to utworzenie serii punktów pomiarowych w linii.
    2. Po utworzeniu linii wielopunktowej wykres w dolnym rogu wyświetli serię linii na jednym wykresie. Każda linia reprezentuje odkształcenie w danej chwili wzdłuż długości przekroju.
  3. Tworzenie cylindra dopasowanego metodą najmniejszych kwadratów w celu analizy szybkości rozszerzania i promienia naczynia
    1. Na górnym pasku narzędzi wybierz „primitives”, a następnie „best fit cylinder”.
    2. Wybierz niewielki fragment obrazu, korzystając z narzędzia „select through surface” na prawym pasku narzędzi.
    3. Oprogramowanie ARAMIS wygeneruje trójwymiarowy dopasowany cylinder.
    4. Następnie można przełączać obrazy, aby zaobserwować, jak zmienia się średnica lateksowego naczynia.
  4. Ocena odległości między dwoma punktami
    1. W zakładce „analysis” kliknij „point to point distance”.
    2. Wybierz na obrazie odcinek do analizy poprzez zaznaczenie dwóch punktów.
    3. Następnie można przełączać obrazy, aby zaobserwować zmianę odległości między dwoma punktami w czasie.

6. Reprezentatywne wyniki

Przesmyki stentu rozszerzają ścianę naczynia na zewnątrz, w związku z czym odkształcenia będą zazwyczaj wyższe w obrębie lokalizacji stentu. Rysunek 1 przedstawia przykład mapowania odkształceń podczas procesu recoilu stentu rozszerzalnego balonikiem, a także historię głównego odkształcenia w jednym konkretnym punkcie. Czarne kropki na Rysunku 1 to punkty odniesienia, które zostały wykorzystane przez kamery wysokiej rozdzielczości do rejestracji i śledzenia przemieszczeń tych punktów odniesienia na przewodzie. Na podstawie zarejestrowanego ruchu punktów odniesienia oprogramowanie zostanie następnie wykorzystane do obliczenia odkształceń przewodu lub każdego innego wybranego obiektu. Główne odkształcenie, nazywane również maksymalnym odkształceniem głównym, oblicza się w następujący sposób:

Równanie transformacji odkształcenia, analiza naprężenie-odkształcenie materiału, wzór matematyczny.

Jasno wynika, że wszczepiony stent doprowadził do niejednorodnego rozkładu odkształceń na powierzchni naczynia. Można to wyjaśnić obciążeniem wynikającym z powrotu sprężystego lateksowego przewodu z ograniczonymi końcami oraz strukturą siatki stentu. To pole odkształceń odpowiada początkowej fazie recoilu stentu, co zostało zaznaczone czerwonym krzyżykiem na dolnym obrazie na Rysunku 1. Główna krzywa historii odkształceń dla konkretnego punktu 10 wykazała wyraźne etapy implantacji stentu. Ekspansja balonu następuje mniej więcej od 10 do 12 sekundy, a recoil stentu po spuszczeniu powietrza z balonu zachodzi między 12 a 14 sekundą.

Analiza równowagi statycznej; schemat i wykres rozkładu odkształceń; eksperyment naprężenia rozciągającego.
Rysunek 1. Układ eksperymentalny (góra); niejednorodny rozkład odkształceń na powierzchni przewodu ze stentem (środek); przebieg głównego odkształcenia w punkcie 10 (dół).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Stereowy optyczny system pomiaru odkształceń powierzchniowych służy do pomiaru lokalnych odkształceń na deformującej się powierzchni dla ruchów zarówno w płaszczyźnie, jak i poza nią, bez kontaktu z próbką. System ten wykorzystuje dwie szybkostrzelne kamery optyczne do fotografowania naniesionego na powierzchnię losowego wzoru kontrastowego w celu przeprowadzenia dokładnych pomiarów przemieszczeń każdego punktu, co pozwala na wysoką precyzję wyznaczania odkształceń powierzchniowych.

Należy zw...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Niniejsze badanie było częściowo finansowane przez NASA Nebraska Space Grant oraz National Science Foundation w ramach grantu nr 0926880.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
System kamer ARAMISGOM: Optical Measuring Techniques
Stent dróg żółciowych przezpośredniowych PALMAZ GenesisCordis CorporationPG5910BStent rozszerzalny balonowo
Cewnik do dylatacji balonowej Z-MEDB. Braun Medical Inc.PDZ336Cewnik do dylatacji balonowej

Bibliografia

  1. Fischman, D. L., Leon, M. B., Baim, D. S. A randomized comparison of coronary-stent placement and balloon angioplasty in the treatment of coronary artery disease. Stent Restenosis Study Investigators. N. Engl. J. Med. 331, 496-501 (1994).
  2. Abul Hasan Muhammad Bashar, T. K. Mechanical Properties of Various Z-Stent Designs: An Endovascular Stent-Grafting Perspective. Artificial Organs. 27, 714-721 (2003).
  3. Nuutinen, J. uha-P. ekka Mechanical properties and in vitro degradation of bioabsorbable self-expanding braided stents. Journal of Biomaterials Science -- Polymer Edition. , 255-266 (2003).
  4. C. Schulz, R. A. Coronary stent symmetry and vascular injury determine experimental restenosis. Heart. 83, 462-467 (2000).
  5. Jiménez, J. M., Davies, P. F. Hemodynamically Driven Stent Strut Design. Annals of Biomedical Engineering. 1483, (2009).
  6. Johnston, C. R. The Mechanical Properties of Endovascular Stents: An In Vitro Assessment. Cardiovascular Engineering: An International Journal. 10, 128-135 (2010).
  7. Mejia, J. uan Evaluation of the effect of stent strut profile on shear stress distribution using statistical moments. Biomedical Engineering Online. , 1-10 (2009).
  8. ARAMIS User Manual. , GOM mbH. Braunschweig, Germany. (2009).
  9. GOM mbH. (n.d.). New ARAMIS/PONTOS 12M and HS sensors available. , GOM: Optical Measuring Techniques. Available from: http://www.gom.com/news/history/single/article/new-aramispontos-12m-and-hs-sensors-available.html (2011).
  10. Chesler, N. C., Thompson-Figueroa, J., Millburne, K. Measurements of Mouse Pulmonary Biomechanics. Journal of Biomechanical Engineering. 126, 309-314 (2004).
  11. de Korte, C. L., Sierevogel, M. J., Mastik, F., Strijder, C., Schaar, J. A., Velema, E., Pasterkamp, G., Serruys, P. W., van der Steen, A. F. W. Identification of Atherosclerotic Plaque Components With Intravascular Ultrasound Elastography In Vivo A Yucatan Pig Study. Circulation. 105, 1627-1630 (2002).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Mechanika cian naczybezkontaktowy pomiar odkszta ceniasystem kamer ARAMISodkszta cenie wywo ane stentemmodel naczynia z lateksustent rozszerzalny balonikiemanaliza mapowania odkszta cerozk ad odkszta ce powierzchniowychproces cofania si stentu

Powiązane artykuły