Eksperymentalne badanie wtórnych struktur przepływu za modelowym uszkodzeniem stentu typu IV w odcinku testowym tętnicy zakrzywionej pod kątem 180°

W niniejszym filmie pokazano, jak wykorzystać obrazowanie prędkości cząstek (Particle Image Velocimetry) oraz detekcję struktur spójnych (Coherent Structure Detection) do wykrywania przepływów wtórnych lub struktur wirowych w modelu zakrzywionej tętnicy, aby lepiej zrozumieć kliniczne znaczenie usterek stentów typu IV. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu hemodynamiki układu sercowo-naczyniowego, takie jak wpływ stentów, które z czasem mogą ulegać degradacji i ostatecznie pękać, na wzorce przepływu krwi oraz postęp choroby w procesie przebudowy naczyń.

Główną zaletą tej techniki jest to, że ułatwia ona przeprowadzanie pomiarów in-vivo oraz in-vitro w złożonych fizjologicznych przepływach tętniczych z uwzględnieniem stentów oraz pęknięć stentów. Procedurę zademonstrują Mohammad Najjari, student studiów magisterskich, oraz Jessica Hinke, studentka studiów licencjackich. Przygotować roztwór analogu krwi składający się z 79% nasyconego roztworu jodku sodu, 20% glicerolu i 1% wody dejonizowanej.

Zacznij od nasyconego roztworu jodku sodu, następnie dodawaj glicerol małymi porcjami za pomocą strzykawki, aż do dodania całej objętości glicerolu. Pomiędzy kolejnymi porcjami odczekaj, aż roztwór stanie się widocznie homogeniczny, i zapisuj objętość każdej dodanej porcji glicerolu. Następnie dodaj wymaganą objętość wody i kontynuuj mieszanie, aż roztwór analogu krwi stanie się widocznie homogeniczny.

Na koniec, dodając odrobiny tiosiarczanu sodu za pomocą szpatułki, doprowadź do uzyskania optycznie klarownego roztworu. W pierwszej kolejności utwórz pliki STL o wysokiej rozdzielczości z modeli CAD stentów prostych i zakrzywionych. W oprogramowaniu wybierz Eksportuj i Model z menu plik.

Wybierz opcję STL, ustaw wysokość cięciwy (Chord Height) na zero, a sterowanie kątem (Angle Control) na jeden. Wartość sterowania kątem reguluje stopień teselacji wzdłuż powierzchni o małych promieniach; ustawienie to można dostosować w zakresie od zera do jednego. Następnie kliknij OK, aby utworzyć plik STL.

Następnie wykonaj modele stentów na urządzeniu do szybkiego prototypowania. W tym celu uruchom oprogramowanie do druku 3D i kliknij Wstaw, aby zlokalizować plik STL na komputerze drukarki 3D. Następnie wybierz odpowiedni plik i za pomocą myszy umieść plik STL na wirtualnej platformie na ekranie.

Następnie, wykorzystując wydrukowane w technologii 3D elementy, zainstaluj stent w zakrzywionym odcinku testowym tętnicy, aby odtworzyć zidealizowany scenariusz złamania typu IV. Wiąże się to z całkowitym złamaniem poprzecznym stentów oraz liniowym przemieszczeniem pofragmentowanych części. Teraz zamontuj cały układ na stole optycznym.

Podłącz proste rurki akrylowe do wlotu i wylotu zakrzywionej pod kątem 180 stopni sekcji testowej tętnicy. Na początek dokonaj wstępnej regulacji pozycji lasera, oświetlając niewielki kawałek papieru. Dostosuj ostrość tak, aby grubość arkusza laserowego wynosiła około 2mm.

Następnie skieruj arkusz laserowy wzdłuż 90-stopniowej części obszaru pomiarowego, tak aby arkusz był prostopadły do stołu. Następnie umieść kamerę w pobliżu lokalizacji 0 stopni lub 180 stopni, aby obserwować obszar przekroju oświetlony arkuszem laserowym. Stopniowo koryguj ustawienie lasera i kamery, aż kamera uchwyci okrągły przekrój poprzeczny zakrzywionej tętnicy z minimalnym zniekształceniem cząstek, co ocenia się za pomocą funkcji Grab w oprogramowaniu.

Po ustawieniu kamery i lasera należy zarejestrować obrazy wtórnych pól przepływu. Najpierw włącz pompę programowalną. W programie sterującym pompą ustaw amplitudę na wartość jeden wolt.

Ustaw przesunięcie stałoprądowe (DC Offset) na zero voltów. Ustaw liczbę kroków czasowych na 1000, a okres czasu na cztery sekundy. Dodatkowe ustawienia zostały omówione w protokole tekstowym.

Następnie wczytaj plik tekstowy zawierający wartości przebiegu napięcia w czasie i uruchom program w celu podania płynu imitującego krew do układu eksperymentalnego. W programie PIV Data Acquisition, po kliknięciu karty New Recordings, wybierz urządzenie w sekcji Settings i upewnij się, że laser jest włączony (On) z odpowiednimi ustawieniami mocy. Przejdź do sterowania laserem, aby potwierdzić wartości.

Przejdź do sekcji Timing i ustaw ją na External Cyclic Trigger. Kliknij Acquisit, wybierz Table Scan, następnie Edit Table Scan, Append Scan i skonfiguruj ustawienia skanowania, wpisując czas początkowy odpowiadający deceleracji skurczowej. Określ przyrost czasu oraz czas końcowy akwizycji danych PIV.

Należy dostosować czas referencyjny, DT1, lub czas pomiędzy impulsami lasera. Następnie kliknij Zamknij. W sekcji Acquisit kliknij image acquisition i wprowadź liczbę obrazów wynoszącą 200.

System PIV jest teraz gotowy do akwizycji danych. Wybierz Start Recording, aby przeprowadzić pomiary fazowe, wykorzystując sygnał wyzwalający z układu sterowania pompą. Następnie zostanie zarejestrowana ustalona liczba płaszczyzn lub pól prędkości dla każdego punktu czasowego i w zaplanowanym miejscu przekroju badawczego pod kątem 90 stopni.

Po zakończeniu rejestracji wyłącz laser. Wyłącz pompę, wyłącz kamerę i załóż osłonę obiektywu. Używając dodatkowego pliku z kodem, oblicz pola średnich fazowych i RMS prędkości przepływu wtórnego, wirowości oraz natężenia wirowania.

W oprogramowaniu należy zainicjować ustawienia dotyczące zdefiniowanej skali i przesłać je do Mask Definition. Szczegóły znajdują się w pliku Supplemental Code. W oprogramowaniu należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na dowolne dane PIV i uruchomić Batch Processing.

Wybierz operację Vector Statistics, Vector Field Results z grupy Statistics, a następnie kliknij Parameter w oknie dialogowym. Zaznacz opcje average V oraz RMSV w sekcji Vector Field. Następnie wybierz operację Vorticity z grupy Extract Scalar Fields Rotation and Shear.

Operacja ta pozwala wyznaczyć dwuwymiarową wirowość w przekroju płaskim. Aby rozpocząć przetwarzanie, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na dowolne dane PIV w oknie Project i wybrać Hyperloop All Sets. W celu obliczenia pól natężenia wirowania (Swirling Strength) do detekcji struktur przepływu wtórnego, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na dowolne dane PIV, wybrać Velocity Vector Field w drzewie i uruchomić przetwarzanie wsadowe.

Następnie z grupy Extract Scalar Fields Rotation and Shear wybierz operację Swirling Strength i kliknij Close. Teraz kliknij prawym przyciskiem myszy na tym samym polu Velocity Vector Field, wybierz Hyperloop All Sets i dostosuj parametry dla Batch Processing w taki sam sposób jak wcześniej. Na koniec wykonaj obliczenia pól Swirling Strength.

Dane dotyczące prędkości przepływu wtórnego w przekroju poprzecznym pod kątem 90 stopni zostały pozyskane za pomocą systemu 2C 2D PIV. Warunkiem wlotowym dostarczonym do zakrzywionego odcinka tętnicy z idealizowanym pęknięciem stentu typu IV był przebieg fali tętnicy szyjnej. Dane pola prędkości przepływu wtórnego wygenerowano techniką PIV poprzez synchronizację wyzwalacza generowanego przez komputer sterujący pompą.

W celu określenia kryterium Q oraz natężenia wirowości (Swirling Strength) lub kryterium ci Landisa podczas deceleracji skurczowej zastosowano postprocessing danych spikselowanych. Porównano pola przepływu oparte na natężeniu wirowości oraz kryterium Q. W czterech różnych przekrojach poprzecznych podczas deceleracji skurczowej zbadano wzorce wirowe oznaczone symbolami DLW, reprezentujące zdeformowane wzorce wirowe typu Deana-Lynna i Walla (DLW), a także obszary zdominowane przez odkształcenie.

Metodę opartą na ciągłej transformacie falkowej zastosowano do pola wirowości przepływu wtórnego, co umożliwiło wykrycie wirów z większą szczegółowością pod względem kształtu, rozmiaru i natężenia. Na koniec porównano pola przepływu określone za pomocą kryterium Q, natężenia wirowości (Swirling Strength) oraz transformaty falkowej. Metoda oparta na transformacie falkowej ujawniła obecność złożonych struktur wirowych z dużą szczegółowością w zakresie rozmiaru, skali i natężeń.

Po opanowaniu techniki, procedura ta zajmuje około ośmiu godzin, wliczając akwizycję danych PIV oraz postprocessing, po wydrukowaniu stentów modelowych na drukarce 3D. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o zapewnieniu odpowiedniego dopasowania współczynnika załamania światła płynu analogicznego do krwi, używając niewielkich ilości tiosiarczanu sodu. W przyszłości, aby poprawić dokładność wyników parateorii i zminimalizować zniekształcenia optyczne, będziemy stosować mapę kalibracji PIV taką jak ta.

Po zastosowaniu tej procedury można ocenić przepływy w naczyniach krwionośnych konkretnego pacjenta, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące stanów patologicznych, co umożliwia bezprecedensowy wgląd w hemodynamikę protez, implantów stentowych oraz pękniętych stentów.