Eksperymentalne badanie wtórnych struktur przepływu za modelowym uszkodzeniem stentu typu IV w odcinku testowym tętnicy zakrzywionej pod kątem 180°
19 lipca 2016
Implanty stentów w zwężonych krzywiznach tętnic są podatne na awarie "typu IV" polegające na całkowitym złamaniu poprzecznym stentów i liniowym przemieszczeniu złamanych części. Przedstawiamy protokół wykrywania struktur przepływu wtórnego (wirowego) w modelu tętnicy zakrzywionej, po klinicznie istotnych awariach stentów "typu IV".
Ten film pokazuje, jak używać szybkości obrazu cząstek i wykrywania struktury koherentnej do wykrywania przepływu wtórnego lub struktur bortowych w modelu zakrzywionej tętnicy, aby lepiej zrozumieć kliniczne znaczenie uszkodzeń stentów typu IV. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące hemodynamiki układu sercowo-naczyniowego. Na przykład, w jaki sposób stenty, które z czasem mogą ulec zniszczeniu i ostatecznie pękać, mogą wpływać na wzorce przepływu krwi i wpływać na postęp choroby w przebudowie naczyń.
Główną zaletą tej techniki jest to, że ułatwia ona badanie pomiarów in vivo i in vitro w złożonych fizjologicznych przepływach tętniczych obejmujących złamania stentów i stentów. Procedurę zademonstrują Mohammad Najjari, doktorant i Jessica Hinke, studentka studiów licencjackich. Przygotuj roztwór analogowy krwi składający się z 79% nasyconego roztworu jodku sodu, 20% glicerolu i 1% wody dejonizowanej.
Zacznij od nasyconego roztworu jodku sodu, a następnie dodawaj glicerol małymi porcjami za pomocą strzykawki, aż zostanie dodana cała objętość glicerolu. Pomiędzy dodatkami poczekaj, aż roztwór stanie się widocznie homogenizowany i zwróć uwagę na objętość każdego dodatku glicerolu. Następnie dodaj wymaganą objętość wody, kontynuuj mieszanie, aż roztwór analogu krwi będzie widocznie homogenizowany.
Na koniec dodaj bardzo małe ilości tiosiarczanu sodu, używając szpatułki, aż roztwór będzie optycznie przezroczysty. Aby rozpocząć, utwórz pliki STL o wysokiej rozdzielczości z prostymi i zakrzywionymi modelami Cad stentów. W oprogramowaniu wybierz opcję Eksportuj i model z menu plik.
Wybierz opcję STL, ustaw Wysokość cięciwy na zero i ustaw Sterowanie kątem na jeden. Wartość kontrolna kąta reguluje stopień teselacji wzdłuż powierzchni o małych promieniach, a ustawienie można regulować w zakresie od zera do jednego. Następnie kliknij przycisk OK, aby utworzyć plik STL.
Następnie wyprodukuj modele stentów na maszynie do szybkiego prototypowania. Aby to zrobić, uruchom oprogramowanie do drukowania 3D i kliknij Wstaw, aby zlokalizować plik STL na komputerze drukarki 3D. Następnie wybierz żądany plik i naciśnij mysz, aby umieścić plik STL na platformie wirtualnej na ekranie.
Następnie, korzystając z części wydrukowanych w 3D, zainstaluj stent w sekcji testowej zakrzywionej tętnicy, aby odtworzyć wyidealizowany scenariusz złamania typu IV. Pociąga to za sobą całkowite złamanie poprzeczne stentów i liniowe przemieszczenie rozdrobnionych części. Teraz zmontuj zestaw na stole optycznym.
Podłącz proste rury akrylowe do wlotu i wylotu zakrzywionej o 180 stopni sekcji testowej tętnicy. Na początek mocno dostosuj położenie lasera, oświetlając małą kartkę papieru. Spraw, aby arkusz laserowy miał grubość około 2 mm, regulując ostrość.
Następnie skieruj arkusz laserowy wzdłuż 90-stopniowej części obszaru pomiaru, tak aby arkusz był prostopadły do stołu. Następnie umieść kamerę w pobliżu punktu zerowego stopnia lub 180 stopni, aby view obszar przekroju poprzecznego oświetlony arkuszem laserowym. Stopniowo dostosowuj ustawienie lasera i kamery, aby kamera widziała okrągły przekrój zakrzywionej tętnicy z minimalnym zniekształceniem cząstek, które jest oceniane za pomocą funkcji Grab w oprogramowaniu.
Gdy kamera i laser znajdą się na swoim miejscu, uzyskaj obrazy wtórnych pól przepływu. Najpierw włącz programowalną pompę. W programie sterowania przyrządem pompy ustaw amplitudę na jeden wolt.
Ustaw przesunięcie DC na zero woltów. Ustaw liczbę kroków z ograniczeniem czasu na 1000 i ustaw przedział czasu na cztery sekundy. Dodatkowe ustawienia są omówione w Protokole tekstowym.
Następnie załaduj plik tekstowy, który zawiera wartości fali czasowej napięcia i uruchom program, aby dostarczyć płyn analogowy krwi do eksperymentu. W programie PIV Data Acquisition po kliknięciu w zakładkę New Recordings należy wybrać urządzenie w sekcji Settings (Ustawienia) i potwierdzić, że laser jest ustawiony na On z odpowiednimi ustawieniami mocy. Przejdź do sterowania laserem, aby potwierdzić wartości.
Przejdź do Timing i ustaw go na External Cyclic Trigger. Kliknij Acquisit, wybierz Skanowanie tabel, Edytuj skanowanie tabeli, Dołącz skanowanie i wypełnij ustawienia skanowania, wprowadzając czas rozpoczęcia reprezentatywny dla spowolnienia skurczowego. Przyrost czasu i czas zakończenia akwizycji danych PIV.
Należy dostosować czas odniesienia, DT1 lub czas między impulsami lasera. Następnie kliknij Zamknij. W sekcji Acquisit kliknij pobieranie obrazów i wprowadź liczbę obrazów jako 200.
Teraz system PIV jest gotowy do pozyskiwania danych. Wybierz opcję Rozpocznij nagrywanie, aby uzyskać pomiary fazowe przy użyciu sygnału wyzwalającego ze sterownika przyrządu pompy. Następnie zostanie uzyskana ustawiona liczba pól płaszczyzny lub prędkości w każdym wystąpieniu czasowym oraz w ustalonej lokalizacji sekcji testowej pod kątem 90 stopni.
Po zakończeniu nagrywania wyłącz laser. Wyłącz pompę, wyłącz aparat i załóż osłonę obiektywu. Korzystając z pliku kodu uzupełniającego, oblicz pola Uśrednione fazowo i Wtórne prędkości przepływu RMS, Wirowość i Siła wirowania.
W oprogramowaniu zainicjuj ustawienie odnoszące się do zdefiniowanej skali i wyślij do Definicji maski. Zapoznaj się z plikiem kodu uzupełniającego, aby uzyskać szczegółowe informacje. W oprogramowaniu kliknij prawym przyciskiem myszy dowolne dane PIV i rozpocznij przetwarzanie wsadowe.
Wybierz operację Statystyka wektorowa, Wyniki pola wektora z grupy Statystyki, a następnie kliknij Parametr w oknie dialogowym. Przełącz opcje średniej V i RMSV w sekcji Pole wektorowe. Następnie należy wybrać operację Wirowość z grupy Wyodrębnij pola skalarne Rotacja i ścinanie.
W ten sposób znajduje się dwuwymiarowa wirowość w płaskim przekroju poprzecznym. Teraz rozpocznij przetwarzanie, klikając prawym przyciskiem myszy dowolne dane PIV w oknie projektu i wybierając Hyperloop All Sets. Aby obliczyć pola siły wirowania do wykrywania wtórnych struktur przepływowych, kliknij prawym przyciskiem myszy dowolne dane PIV, wybierz Pole wektora prędkości w drzewie i rozpocznij przetwarzanie wsadowe.
Następnie wybierz operację Siła wirowania z grupy Wyodrębnij pola skalarne Obrót i ścinanie i kliknij Zamknij. Teraz kliknij prawym przyciskiem myszy to samo pole wektora prędkości, wybierz Hyperloop All Sets i dostosuj parametry przetwarzania wsadowego jak poprzednio. Na koniec wykonaj obliczenia pól siły wirowania.
Dane dotyczące prędkości przepływu wtórnego w położeniu przekroju poprzecznego 90 stopni uzyskano z systemu PIV 2C 2D. Warunkiem dopływu dostarczanym do odcinka testowego tętnicy zakrzywionej z wyidealizowanym złamaniem stentu typu IV była postać fali tętnicy szyjnej. Dane pola wtórnej prędkości przepływu zostały wygenerowane przy użyciu techniki PIV, poprzez synchronizację wyzwalacza wytworzonego przez komputer sterujący przyrządem pompy.
Przetwarzanie końcowe danych zastosowano do danych z pikselami, aby określić kryterium Q i kryterium siły wirowania lub kryterium ci Landisa podczas spowolnienia skurczowego. Porównano siły wirowania i pola przepływu oparte na kryterium Q. Wzorce bóżdżkowe oznaczone znakami DLW, reprezentujące zdeformowane wzorce brzegowe DLW typu Dean-Lynn i Walla oraz regiony zdominowane przez odkształcenie, badano w czterech różnych lokalizacjach przekroju poprzecznego podczas spowolnienia skurczowego.
Metoda oparta na ciągłej transformacji falkowej została zastosowana do pola wirowości przepływu wtórnego, co umożliwiło wykrywanie wirów z większą szczegółowością kształtu, rozmiaru i siły. Na koniec porównano kryterium Q, siłę wirowania i pola przepływu oparte na transformacji falkowej. Metoda oparta na transformacji falkowej ujawniła obecność złożonych wzorów bartowych z dużą szczegółowością pod względem rozmiaru, skali i siły.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu około ośmiu godzin, wliczając w to akwizycję danych PIV i przetwarzanie końcowe, po wydrukowaniu stentów modelu na drukarce 3D. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby upewnić się, że indeks załamania światła płynu analogowego do krwi jest odpowiednio dopasowany przy użyciu niewielkich ilości tiosiarczanu sodu. W przyszłości, aby poprawić dokładność wyników parateorii i zminimalizować zniekształcenia optyczne, będziemy używać mapy kalibracyjnej PIV, takiej jak ta.
Po tej procedurze można ocenić przepływy w naczyniach krwionośnych specyficznych dla pacjenta, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące stanów patologicznych, umożliwiając bezprecedensowy dostęp do hemodynamiki protez, implantów stentowych i złamanych stentów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół wykrywania struktur przepływu wtórnego w modelu zakrzywionej tętnicy, szczególnie w kontekście niepowodzeń stentów typu IV. Metoda ma na celu zwiększenie zrozumienia, w jaki sposób pęknięcia stentów mogą wpływać na wzorce przepływu krwi i progresję choroby.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Hemodynamika układu krążenia
- Analiza niepowodzeń stentów
- Dynamika płynów w układach naczyniowych
Tło
- Stenty w zwężonych tętnicach mogą doświadczyć całkowitych pęknięć poprzecznych.
- Niepowodzenia typu IV obejmują znaczne przemieszczenie złamanych części stentów.
- Zrozumienie wzorców przepływu po pęknięciu jest kluczowe dla wyników klinicznych.
- Technika Particle Image Velocimetry jest kluczowa dla analizy przepływu.
Cel badania
- Zbadanie wpływu pęknięć stentów na przepływ krwi.
- Wykorzystanie zaawansowanych technik obrazowania do wykrywania przepływu.
- Dostarczenie wglądu w progresję choroby układu krążenia.
Zastosowane metody
- Particle Image Velocimetry do pomiaru przepływu.
- Wykrywanie spójnych struktur do identyfikacji wirów strukturalnych.
- Przygotowanie roztworu analogicznego do krwi do użycia eksperymentalnego.
- Pomiar in-vivo i in-vitro w złożonych przepływach tętniczych.
Główne wyniki
- Skuteczne wykrycie struktur przepływu wtórnego w modelu.
- Wgląd w to, jak pęknięcia stentów zmieniają hemodynamikę.
- Wykazanie wykonalności zaproponowanych metod.
- Wniósł do zrozumienia klinicznej istotności niepowodzeń stentów.
Wnioski
- Badanie zapewnia cenny protokół dla przyszłych badań.
- Zrozumienie dynamiki przepływu może poprawić projektowanie stentów.
- Potrzebne są dalsze badania, aby zbadać długoterminowe skutki pęknięć stentów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This method enables mechanistic de-risking of cardiovascular device performance by quantifying how stent fractures alter hemodynamic environments linked to restenosis and thrombosis. It supports target validation in preclinical models by linking structural failure modes to functional flow disruptions. The approach provides predictive confidence for stent design iteration and portfolio triage in vascular device development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by correlating stent fracture morphology with secondary flow alterations that influence atherosclerotic progression.
- Operational Value: Enables biological de-risking through reproducible detection of vortical structures under physiologically relevant pulsatile inflow.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated disease-relevant systems for downstream compound screening by establishing baseline hemodynamic phenotypes in stent-failure models.
- Operational Value: Delivers quantitative, standardized outputs (vorticity, swirling strength) enabling assay reproducibility and cross-laboratory comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery to preclinical validation by characterizing flow-mediated biological responses in curved artery models mimicking human vasculature.
- Operational Value: Supports risk-adjusted advancement decisions by identifying hemodynamic thresholds associated with pro-thrombotic conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical assessment, enabling iterative design-refinement cycles for vascular prosthetics.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by revealing how mechanical stent failure induces flow patterns that modulate endothelial activation and platelet sensitization.
- Screening: Delivers assay readiness via phase-averaged PIV measurements that capture transient hemodynamic events during systolic deceleration.
- Analytics: Generates multi-parametric readouts (Q-criterion, swirling strength, wavelet-transformed fields) for comparative analysis of flow coherence and vortex strength.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by linking stent-induced flow disturbances to established biomarkers of vascular inflammation and remodeling.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable hemodynamic phenotyping platform applicable across stent geometries, failure modes, and arterial curvatures.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in flow-mediated pathogenesis.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through refractive index matching, phase-averaging, and automated vortex detection algorithms.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by quantifying hemodynamic risk early, reducing late-stage biological failure in vascular device programs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of stent designs based on flow disturbance profiles linked to clinical outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiovascular fluid dynamics, PIV instrumentation, and coherent structure detection methodologies.
- Dependent on high-speed lasers, dual-camera PIV systems, and refractive index-matched fluid handling capabilities.
- Necessitates cross-functional standardization between bioengineering, imaging, and data analysis teams for consistent vortex identification.
- Involves adaptation considerations when extending to patient-specific geometries or non-Newtonian blood analogs under varying shear rates.
- Practical limitations include optical access constraints in highly curved test sections and signal-to-noise challenges in low-velocity secondary flow regions.
