Artigo de método

Investigação Experimental de Estruturas de fluxo secundário a jusante de uma falha Modelo Tipo IV Stent em uma seção de teste de 180 ° Curved Artéria

DOI:

10.3791/51288

⸱

19 de julho de 2016

 , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os implantes de stent em curvaturas arteriais estenosadas são propensos a falhas "Tipo IV" envolvendo a fratura transversal completa dos stents e o deslocamento linear das partes fraturadas. Apresentamos um protocolo para detecção de estruturas de fluxo secundário (vórtice) em um modelo de artéria curva, a jusante de falhas de stent "Tipo IV" clinicamente relevantes.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A rede arterial na vasculatura humana é composta por vasos sanguíneos ubiquamente presentes com geometrias complexas (ramos, curvaturas e tortuosidade). estruturas de fluxo secundário são padrões de fluxo de turbilhão que ocorrem nas artérias curvas, devido à acção combinada das forças centrífugas, gradiente de pressão adverso e características de afluxo. Tais morfologias de fluxo são bastante afetados pela pulsatilidade e múltiplas harmônicas de condições de afluência fisiológicas e variam muito em tamanho características-strength-forma em comparação com não-fisiológica (estável e oscilatório) flui 1-7.

Estruturas de fluxo secundário pode em última análise, influenciar o tempo de tensão de corte na parede e a exposição das partículas à base de sangue para a progressão da aterosclerose, a restenose, a sensibilização das plaquetas e trombose 4-6, 8-13 Por conseguinte, a capacidade de detectar e caracterizar estas estruturas em laboratório. condições controladas pelo é precursou para promover as investigações clínicas.

Um tratamento cirúrgico comum a aterosclerose é o implante de stent, para abrir artérias estenose para o fluxo de sangue desobstruídas. Mas as perturbações de fluxo concomitantes, devido a instalações de stent resultar em multi-escala morfologias de fluxo secundário. 4 - 6 complexidades Progressivamente de ordem superior, como assimetria e perda de coerência pode ser induzida por subsequentes falhas stent vis-à-vis os menores fluxos não perturbados 5. Estas falhas stent foram classificados como "Tipos I-to-IV", com base em considerações de falha e gravidade clínica 14.

Este estudo apresenta um protocolo para a investigação experimental das estruturas de fluxo secundário complexas devido ao completar fratura do stent transversal e deslocamento linear de peças fraturadas ( "Tipo IV") em um modelo de artéria curvada. O método experimental utilizado envolve a aplicação de velocimetria por imagem de partículas (2C-2D PIV) técnicas com uma forma de onda entrada artéria carótida arquetípica, um índice de refração combinados sangue-analógico fluido de trabalho para médias registradas ao longo de fase 15 -. 18 de identificação quantitativa de estruturas de fluxo secundário foi conseguido utilizando conceitos da física fluxo, teoria ponto crítico e um romance transformada wavelet algoritmo aplicados aos dados PIV experimental 5, 6, 19-26.

Introdução

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

estruturas de fluxo secundários são os padrões de fluxo de turbilhão que ocorrem em geometrias de fluxo interno com curvaturas, tais como tubos e canais curvos. Estas estruturas de turbilhão surgem devido à ação combinada de forças centrífugas, gradiente de pressão adverso e características de afluxo. Em geral, estruturas de fluxo secundário aparecem em seções transversais planas de tubos curvos como vórtices do tipo Dean simétricas sob fluxo constante e, simétricas vórtices Dean- e Lyne-tipo em condições de afluência oscilatórios 1 - 3. Morfologias de fluxo secundário são bastante afetados pela pulsatilidade e múltiplas harmônicas de pulsátil, condições de afluência fisiológicos. Estas estruturas adquirir marcadamente diferentes características de tamanho-força-forma em comparação com não-fisiológica (estável e oscilatório) flui. 1 - 6 desenvolvimento da lesão aterosclerótica nas artérias é afectada pela existência de oscilações de cisalhamento de alta frequência nas regiões com baixa média de corte 27, 28

Um tratamento comum para a aterosclerose, uma complicação resultante no estreitamento das artérias por lesões obstrutivas, é a implantação de próteses endovasculares. Fraturas do stent são falhas estruturais de stents implantados que levam a outras complicações médicas, como a reestenose intra-stent (ISR), trombose de stent e formação de aneurisma. 9 - 13 fraturas do stent foram categorizados em várias falhas "Tipos I-to-IV", em que "Tipo IV" caracteriza a maior severidade clínica e é definida como a fractura transversal completa de escoras do stent juntamente com movimentos lineares de os fragmentos do stent 14. o protocolo apresentado no presente estudo descreve um Experimental método de visualização das estruturas de fluxo secundário a jusante de um "Tipo IV" fratura do stent idealizada em um modelo de artéria curvo.

O protocolo sugerido tem as seguintes quatro características essenciais:

Projeto e fabricação de modelos de endoprótese em escala de laboratório: Descrição geométrica de stents pode ser associado a um conjunto de espirais de auto-expansível (molas ou hélices) entrelaçados usando nitinol (liga de níquel e titânio) fios 29. O comprimento do stent e o seu diâmetro escora dependem da escala de comprimento de lesões arteriais encontradas durante o implante 5 clínico. variação paramétrica de diâmetro bielas e o nascer do enrolamento (ou pitch) leva a stents de várias configurações geométricas. Um resumo dos parâmetros de concepção do stent escolhidas para impressão em 3D são apresentados na Tabela 1.

Preparação de um fluido analógico sangue trabalho combinadocom viscosidade cinemática de sangue e índice de refracção da secção de ensaio: o acesso óptico para a secção de teste da artéria curvo é necessária, a fim de fazer medições de velocidade não-invasivos. Por conseguinte, um newtoniano sangue-mimetização de fluido de trabalho com o índice de refracção do modelo vascular e, idealmente, uma viscosidade dinâmica, combinando sangue humano é utilizada para obter medições de fluxo de sangue precisas. 16 - 18, 30 O fluido de trabalho usado neste estudo foi relatado por Deutsch et al. (2006), que composta de iodeto de 79% de sódio aquoso saturado (Nal), glicerol a 20% puro, e de 1% de água (em volume) de 16.

Arranjo experimental para a detecção de estruturas de fluxo secundário coerentes usando um de dois componentes, bidimensional velocimetria por imagem de partículas (2C-2D PIV): As experiências foram concebidos para a aquisição de dados de velocidade de fluxo secundário média de fase em várias posições transversais planas jusante de uma combinação de straight e seções do stent curvas que incorporam uma idealizada "Tipo IV" stent fratura 5, 6, 9, 14. o protocolo de passos relativos à aquisição de campos de velocidade de fluxo secundário com o uso de imagem de partículas velocimetria técnica (PIV) envolve um sistema PIV que compreende um laser (folha de luz) fonte, ótica para se concentrar e iluminam as regiões de fluxo, um dispositivo especial encarregado de correlação cruzada acoplado (CCD-sensor ou uma câmera) e partículas tracer a ser iluminada pela folha de luz dentro de um curto intervalo de tempo (Dt ; ver Tabela 4) 31, 32.

As etapas do protocolo assumem o seguinte: Primeiro, uma calibrada, experimental set-up de um sistema de PIV de dois componentes, bidimensional (2C-2D) que avalia as imagens com um duplo-quadro, gravações single-exposição. Em segundo lugar, o sistema de 2C-2D PIV calcula os deslocamentos médios de partículas de traçador através da realização de correlação cruzada entre dois quadros de imagem adquiridos no decurso de cada gravação. Um brResumo do IEF de PIV especificações e aquisição de imagem software é apresentada na tabela de materiais e equipamentos. Em terceiro lugar, todas as precauções de segurança necessárias para operar o laser são seguidos por pessoas treinadas do laboratório de acordo com as orientações fornecidas pela instituição de acolhimento. Os autores sugerem Refs. 31 e 32 para uma compreensão holística da execução, funcionalidade e aplicação da técnica de PIV na dinâmica aero-, hidráulico e de MICROFLUID, correlação de detecção de pico e de estimativa de deslocamento, materiais e densidade de partículas de traçadores e, de ruído de medição e precisão. Além disso, note que o laser e a câmara pode ser controlada pelo computador de aquisição de dados de PIV (Figura 3A) e software de processamento de dados.

A aquisição de dados e de pós-processamento para a detecção coerente estrutura: as medições de velocidade de fluxo secundário média de fase, usando um PIV 2C-2D foram gerados utilizando o protocolo de descrição que se segue. Pós-processo ing dos dados envolvidos detecção estrutura de fluxo secundário coerente com os seguintes três métodos: transformações de onda pequena, figure-introduction-1 5, 6, 19-24, 26.

Os autores observam que o tensor de gradiente de velocidade é essencialmente, uma matriz 3 x 3,
figure-introduction-2 .

O protocolo apresenta um método de aquisição de medições experimentais bidimensionais (de técnica 2C-2D PIV). Portanto, o acesso experimental completo para o tensor gradiente de velocidade não será possível usar este método. O tensor gradiente de velocidade para cada pixel figure-introduction-3 da imagem PIV figure-introduction-4 deve ser uma matriz de 2 x 2, figure-introduction-5 . A vorticidade Z-componentequation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> para cada pixel figure-introduction-6 é calculado usando a parte anti-simétrica do tensor gradiente de velocidade figure-introduction-7 . O resultado será uma matriz 2D de vorticidade figure-introduction-8 que podem ser visualizados em um gráfico de contorno. Os autores sugerem fortemente Ref. 25 para um acesso experimental discussão eloqüente do tensor gradiente de velocidade para melhorar o conhecimento da dissipação de vorticidade, taxas de deformação e detecção estrutura coerente. Além disso, os autores não tentam explorar as inter-relações entre os métodos de detecção estrutura coerente acima mencionados e sugerir Ref. 23, 24 para uma discussão abrangente sobre o assunto.

O foco das etapas do protocolo é a identificação quantitativa do fluxo secundário (vórtice) structures (também conhecidas como estruturas coerentes). Três métodos de detecção coerente viz, estrutura. figure-introduction-9 e wavelet transformado vorticidade figure-introduction-10 são aplicados aos dados de campo de velocidade para a detecção de multi-escala, as ocorrências de multi-resistência das estruturas de fluxo secundário a jusante do idealizada "Tipo IV" fratura do stent.

o figure-introduction-11 , Define um vórtice como uma região espacial onde a norma euclidiana do tensor de vorticidade que domina da taxa de tensão 19, 23, 24 de matriz de gradiente de velocidade .A é decomposto em simétrica (velocidade de deformação) e (rotação) partes anti-simétricas. Valores próprios da matriz taxa de deformação são computados; figure-introduction-12 . Norm da taxa de deformação é então calculada; "Equação ) É então calculado. o figure-introduction-14 Finalmente é calculado; figure-introduction-15 . Um gráfico de contorno de todo o conjunto de figure-introduction-16 com iso-regiões figure-introduction-17 , Indicará estruturas de fluxo secundário 19.

o figure-introduction-18 , Também conhecido como "força de roda 'é um método de identificação de vórtice realizada por análise de ponto crítico do tensor gradiente de velocidade local e os seus correspondentes valores próprios 20-24 são calculados. Os valores próprios deve ser da forma, figure-introduction-19 . Um gráfico de contorno de figure-introduction-20 com iso-regiões figure-introduction-21 indicarão estruturas de fluxo secundário 20-22.

Transformada Wavelet método utiliza uma função de análise (ou wavelet), que tem a suavidade em espaços físicos e espectrais, é admissível (ou tem média zero) e tem uma finita figure-introduction-22 5, 6, 26. Por convolving uma dilatada ou contraída wavelet com um campo de vorticidade 2D, wavelet transformado vorticidade figure-introduction-23 campo é gerado comprising de estruturas coerentes com uma vasta gama de escalas e pontos fortes 5, 6, 26. Shannon entropia do campo de vorticidade transformou-wavelet 2D é calculado para estimar a escala wavelet ideal em que todas as estruturas coerentes sejam adequadamente resolvidos. Esta estimativa entropia envolve um conjunto de probabilidades figure-introduction-24 para cada pixel figure-introduction-25 de tal modo que figure-introduction-26 , O módulo normalizado quadrado da vorticidade associado com o pixel na posição m, n 5, 6. Os passos processuais são apresentados graficamente na Figura 6. As restrições sobre a escolha da wavelet são apresentados em pormenor no Exemplo de Ref. 26. Este passo protocolo descreve o procedimento para a detecção de estrutura coerente usando um wavelet 2D Ricker. A justificativa para o uso deste wavelet para correspondência de padrão de vórtice é apresentado na Ref. 5, 6 e as referências pertinentes aí citada.

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Protocolo

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1. Projeto e fabricação de modelos de endoprótese

Nota: Os seguintes passos foram seguidos para criar modelos em escala de laboratório de próteses retas e curvas. A instalação dos dois modelos de stent vai encarnar um "Tipo IV" fratura (fragmentação e deslocamento linear de peças de stents fraturados).

Nota: Os autores utilizaram software Pro / Engineer no momento da pesquisa para a criação de modelos CAD da geometria stent. O procedimento a seguir é generalizada e não pode incluir termos genéricos para o software CAD utilizado. Outros pacotes de CAD disponíveis também podem ser utilizados. Os passos que se seguem são aplicáveis ​​para o software CAD que os autores utilizado no momento da pesquisa e foram adaptados a partir do site do fabricante. Para uma descrição adicional da máquina de prototipagem rápida utilizada pelos autores ver a Lista de Materiais. As equações paramétricas e valores inicializados para o projeto stent são apresentados na Table 1 e Figura 1D e 1E são exemplos dos modelos de prótese endovascular rectilínea e curvos após prototipagem rápida.

  1. Criar geometria stent em linha reta através da definição de equações paramétricas e inicializar parâmetros das hélices esquerda e direita em um (XYZ) sistema de coordenadas cartesianas (Tabela 1).
    1. Gerar um conjunto de 10 hélices girando à esquerda equidistantes em uma matriz circular planar sobre uma linha de referência em linha reta ou eixo z, usando a Eq. 1, 2, 3 e 5 mostrado na Tabela 1, com valores de inicializados número de voltas
      ( figure-protocol-1 ), Pitch, espessura do fio stent ( figure-protocol-2 ) E o diâmetro nominal da endoprótese ( figure-protocol-3 ) (Figura 1A e Tabela 1).
    2. Repita o passo 1.1.1, utilizando a Eq. 1, 2, 4 e 5 para gerar umpadrão circular de 10 hélices deixadas equidistantes (Figura 1A).
    3. Gerar geometria stent em linha reta através da combinação ou a montagem da esquerda e direita girando hélices torno de um eixo comum (Figura 1A).
  2. Criar a geometria do stent curvo definindo equações paramétricos e inicializar os parâmetros de hélices esquerdas e direitas em cilíndrica (R-β-X) do sistema de co-ordenadas ou sobre uma linha de referência curvo (Tabela 1). Repita os passos 1.1.1 - 1.1.2 com os parâmetros previamente inicializado utilizando Eq. 1, 2, 6 e 7.
    1. Gerar uma geometria stent curva combinar ou montar a esquerda e direita girando hélices curvada sobre um eixo comum (R) e subtende um ângulo figure-protocol-4 na origem (Figura 1B).
  3. Criar litografia de alta resolução estéreo (STL) arquivos a partir dos modelos stent CAD retas e curvas.
    1. Selecione 'Export> Modelo '' do menu Arquivo '. Escolha a opção "STL". Definir 'altura acorde' a 0. Definir 'controle de Ângulo' a 1. Aplicar 'OK' para criar o arquivo STL. Nota: O valor de 'controle de ângulo' regula a quantidade de tessellation ao longo da superfície com pequenos raios e a configuração pode estar entre 0 e 1.
  4. Fabricar os modelos de stent em uma máquina de prototipagem rápida mostrado na Figura 1C utilizando materiais listados na tabela de materiais e equipamentos.
    1. Inicie o software de impressão 3D (veja Lista de Materiais). Clique em "Inserir" para localizar o arquivo STL no computador-impressora 3D e selecione o arquivo desejado. Arraste o mouse na tela para colocar a rendição 3D do arquivo STL em uma plataforma virtual ( 'bandeja') na tela.
    2. Escolha unidades apropriadas como 'mm' (Opções: "mm" ou "polegadas") nas guias do menu Arquivo. Selecione a qualidade do produto acabado, como "Matte" (Opções: 'Matte' ou 'Gloss'). Escolha 'Configurações de bandeja> Validação "guia a partir dos menus de arquivo.
    3. Procure a mensagem 'Validação sucedido' para continuar para a próxima etapa. Se a validação é repetir as etapas sem sucesso em 1.3 - 1.4.2 até que uma validação bem sucedida é alcançado.
    4. Selecione "Configurações de bandeja> Construir" guia a partir dos menus de arquivo para enviar o arquivo para a-impressora 3D para a fabricação.
      Nota: O valor da 'altura acorde' controla o grau de tessellation da superfície do modelo. Ela afeta a precisão eo tamanho do arquivo do modelo será substituído por um valor mínimo automaticamente. Pequenos valores de altura acorde leva a uma menor desvio da geometria da peça real com o tamanho do arquivo troca. verificação de validação é necessária para se certificar de que a peça é contíguo e desprovido de quaisquer anomalias estruturais durante a fase de fabricação.

2. Prepare cinemática Viscosity- e Refractive EmLíquido do sangue analógico-correspondida dex

Nota: O procedimento a seguir irá produzir cerca de 600 ml de solução de sangue analógico. Um resumo dos reagentes químicos e solventes com propriedades relevantes utilizados na preparação de soluções são apresentadas na Lista de Materiais. Propriedades dos materiais relevantes, equipamentos de laboratório sugerido e as orientações para os cálculos volumétricos são apresentadas nos quadros 2, 3 e 4, respectivamente.

  1. Prepara-se uma solução saturada de iodeto de sódio (Nal).
    1. Pour 500 ml de H2O desionizada numa proveta de 2000 ml. Colocar o copo no agitador magnético.
    2. Meça ≈860 g de Nal em um equilíbrio de peso zerado e adicionar incrementos de 100 g no copo, agitando e esperando a adição atual para dissolver completamente antes de adicionar a próxima. Registar a temperatura, em cada lado, uma vez que o processo de saturação de H2O desionizada com Nal é ligeiramente Exothermic. Refrigerar a solução como necessário para o manter à TA (25 ° C ≈).
    3. Adicionaram-se pequenos incrementos ≈5-10 Nal (g) até 20 g, até que a solução está saturada. Grave a massa e temperatura de cada adição. Retirar o copo com uma solução saturada Nal do agitador magnético quando terminar.
  2. Medir a densidade da solução de Nal saturado ( figure-protocol-5 ).
    1. Adicionar 10 ml de solução saturada Nal a partir do passo 2.1 para um copo de 50 ml em uma escala zero usando uma seringa (ou pipeta volumétrica), certificando-se que não há bolhas de ar. massa registro eo volume adicionado.
    2. Calcular a densidade de cada adição usando a Eq. 8 (ver Tabela 3). Repita esta etapa cerca de 4-5 vezes. Calcular a média dos densidades gravadas. Retornar a solução para o lote de solução de Nal saturado, preparado no passo 2.1.
  3. Calcular o volume total da solução de mimetização sangue. < ol>
  4. Medir a massa da solução de Nal saturado, preparado no passo 2.1 e calcular o seu volume ( figure-protocol-6 ) Utilizando a Eq. 9. estimar o volume total da solução de mimetização sangue ( figure-protocol-7 ) E os volumes parciais de glicerol ( figure-protocol-8 ) E água desionizada ( figure-protocol-9 ) A ser adicionado a seguir Eq. 10, 11 e 12 (ver Tabela 3).
  • Preparar a solução de sangue analógico.
    1. Prepara-se uma solução de análogo de sangue compreendendo uma solução de 79% saturada de Nal, 20% de glicerol e 1% de água desionizada (em volume) de mistura homogeneizada através de um agitador magnético.
    2. Colocar a proveta com a solução saturada de Nal sobre o agitador magnético e adicionar glicerol em pequenos incrementos (88 / 51288eq38.jpg "/>), usando uma seringa (ou graduado ou pipeta volumétrica) até que todo o volume de glicerol ( figure-protocol-10 ) Calculado no passo 2.3 é adicionado. Para cada figure-protocol-11 iteração, registrar o volume adicionado e esperar até que a solução é visivelmente homogeneizada antes da adição do próximo incremento de glicerol.
    3. Depois de homogeneização completa da solução de Nal saturado e glicerol, adicionar figure-protocol-12 usando uma seringa (ou graduado ou pipeta volumétrica). Continuar a agitação no agitador magnético até que a solução de sangue é visivelmente analógico homogeneizada.
  • Caracterizar o fluido analógico de sangue à temperatura ambiente e pressão normal (25 ° C, 1 atm).
    1. Medir a viscosidade cinemática (ν) usando um viscosímetro de Ubbelohde padrão ou instrumento de medida equivalente.A viscosidade cinemática pode ser ajustado pela adição de pequenas quantidades de glicerol, medidos usando uma pipeta graduada ou volumétrico.
    2. Medida do índice de refracção (n) usando um refractómetro. índice de refracção pode ser ajustado pela adição de quantidades diminutas de anidro de tiossulfato de sódio com uma espátula.
      Nota: Os autores relatam a viscosidade cinemática, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 seg -1 ± 2,8%) e o índice de refracção do fluido analógico sangue, N = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Organizar Experiment para Medição de fluxo secundário Velocity Campos jusante de um "Tipo IV" Falha Stent

    Nota: A secção de teste da artéria 180 ° curvo compreende dois blocos de acrílico coladas em conjunto, de 180 ° do canal curvo maquinadas em cada bloco e disposição para tubos de entrada e saída como se mostra nas Figuras 1F, 3A e 5, 6 (ver Tabela 2).

    1. Instale stents fabricados na etapa 1 na seção de teste da artéria curvada feita de acrílico para encarnar um cenário de fractura idealizada Tipo IV, o que implica uma fratura transversa completa de stents e deslocamento linear de partes fragmentadas (ver Figuras 1F, 3A e 3B).
      1. Coloque a prótese endovascular rectilínea a montante da secção de teste da artéria curvo (ver Figuras 1F e 3B). Para assegurar que o espaçamento entre a frente e os stents curvos é «3 vezes» o diâmetro do tubo (tubo de D = 12,7 mm), colocar o stent curvo 45 ° no interior da curvatura, com uma extremidade na entrada para o tubo curvo ( A Figura 2B).
    2. montar the configuração experimental, ligando os tubos acrílicos rectas para a entrada e a saída da secção de teste de 180 ° artéria curvada como indicado na vista geral esquemática do arranjo experimental (Figura 2) sobre uma mesa óptica (Figura 3A).

    4. Aquisição de escoamento secundário campos de velocidade

    Nota: A seguinte descrição no protocolo refere-se à aquisição de campos de velocidade de fluxo secundário utilizando imagem de partícula velocimetria técnica (PIV) Figura 3B (desenho esquemático) mostra que há quatro locais (45 °, 90 °, 135 ° e 180 °). com entalhes angulares para facilitar a projecção folha laser e fazendo a velocidade do fluxo secundário em corte transversal plana. As etapas do protocolo referem-se a medições obtidas para o local 90 °. Se a folha de laser é colocada a 45 ° localização, a câmara é colocada na posição 135 ° para obter acesso óptico para o fluxo secundário measurements no local 45 °.

    Nota: O procedimento a seguir é generalizada e não pode incluir termos genéricos para a aquisição de imagem e software de pós-processamento eo software de controle de instrumento utilizado (ver Lista de Materiais). Outros imagem e dados de aquisição de pacotes disponíveis também podem ser usados ​​no protocolo.

    1. Ligue o laser usando os interruptores ON / OFF localizado no fonte de energia laser. Iluminar um pequeno pedaço de papel para visualizar a folha de laser. Ajustar a espessura da chapa de laser (para cerca de 2 mm) visualmente, girando a folha de laser de focagem óptica localizados na fonte de laser.
    2. Coloque a folha de laser ao longo da região de medição a 90 ° de modo que a folha é perpendicular à mesa óptica. Coloque a câmara perto a 0 ° ou 180 ° localização para ganhar acesso óptico a vista em corte transversal iluminado pela folha de laser.
    3. Alinhe a laser e câmera usando o software de processamento de aquisição de imagem e pós para ajustaro campo de visão da câmara suficientemente para capturar a imagem da secção transversal circular da artéria curvo (ver Figura 3A) e reduzir a distorção de partícula. Execute o alinhamento por 'tentativa e erro' inspecionando a imagem do campo de visão gerado pelo software. Desligue o laser usando as chaves de controle localizados na fonte de alimentação do laser e certifique-se de que a câmera for ligada com a tampa da lente removida.
    4. Comece aquisição de imagem e software de pós-processamento no computador de aquisição de dados PIV e faça login como "utilizador expert '. Criar um novo projeto a partir do menu arquivo, especifique um 'Nome do projeto' e selecione a opção 'PIV "sob o" Tipo de projecto ». Escolha 'Novo' no menu arquivo para inicializar uma nova sessão de gravação PIV. Selecione "Dispositivo" sob a seção "Configurações" na aquisição de imagem e software de pós-processamento.
    5. Navegue caixa de diálogo "Recording" para na tela,caixa de seleção 'Camera 1' ativar e selecionar a opção 'Single Frame (T1A)'. 'Botão de opção' Select laser para ser definido como ON nos parâmetros do software de processamento de aquisição de imagem e pós. Ative o modo de energia externa da fonte de energia do laser pressionando 'EXT' e interruptores "alta potência", localizado na fonte de energia laser.
    6. Selecione 'Grab' no software de processamento de aquisição de imagem e pós para começar a aquisição de imagens PIV observar na tela do computador. Mover a câmera com leves ajustes manuais na mesa óptica e ajustar o foco para otimizar a localização da câmera para maximizar o campo de visão, reduzir o efeito borrado e distorção da imagem.
    7. Seleccione o botão 'Stop' nas configurações de aquisição de imagem e software de pós-processamento para cessar a aquisição de dados PIV e não fazer quaisquer ajustes de câmera. O procedimento de alinhamento está completo nesta fase.
      Nota: Os pulsos de laser, nesta fase, são controlados pela imagemaquisição e software de pós-processamento e pode ainda ser controlada pela variação de frequência de pulsação ou 'Exposição' nas configurações de software. O laser irá parar automaticamente, uma vez que é controlada pela aquisição de imagem e software de pós-processamento. Faça software de aquisição de imagem e pós-processamento não perto como o projeto atual será usado para adquirir dados PIV nos passos que se seguem.
    8. Adquirir imagens dos campos de fluxo secundário usando o sistema PIV 2C-2D, seguindo os passos abaixo para garantir que os dados PIV fase-wise são gerados usando pulsos de disparo temporais a partir do computador de controle de instrumento bomba que são sincronizados com o laser de pulso duplo e câmera.
      Nota: A bomba programável está ligado ao computador de controlo instrumento bomba e é controlada pelo programa de software de controlo do instrumento. Os passos que se seguem envolvem a criação de módulos de controle de software no computador PIV utilizando a aquisição de imagem e pós-processamento e instrumento de computador de controle nos bombearing software de controle de instrumento.
      1. Ligue a bomba programável utilizando o botão ON / OFF localizada na bomba. Lançamento do programa de controle de instrumento no computador bomba instrumento de controle.
      2. Carregar o arquivo de texto que tem os valores de forma de onda em tempo de tensão com um gatilho de referência (t / T = 0), que representa o (artéria carótida) fisiológico fluir forma de onda taxa para o software de controle de instrumento manutenção de um número fisiológico Womersley figure-protocol-13 e, Reynolds máximo figure-protocol-14 e Dean figure-protocol-15 números (Figura 4A).
      3. Definir 'Amplitude' a 1 (Volts), "DC offset 'a 0 (Volts),' Número de passos de tempo" para 1000 e "período de tempo" 4 (segundos) na tela de interface de software do controle de instrumentos.
      4. Confirmar que o pólo externomodo de r da fonte de energia do laser no Passo 4.5, ainda é ativado. Pressione 'EXT' e 'alta potência' interruptores localizados na fonte de energia laser, se necessário.
      5. Selecione "Dispositivo" depois de clicar em 'New Recording "na seção" Configurações "na aquisição de imagem e software de pós-processamento. Navegue até a caixa de diálogo 'Gravação' na aquisição de imagem e software de pós-processamento (computador PIV), ative 'Camera 1' caixa de seleção e selecione 'quadro dobro (T1A + T1B)' opção para configurar o laser para disparar no pulso dupla modo.
      6. Seleccionar a opção 'timing' na caixa de diálogo 'Gravação' no software de processamento de aquisição de imagem e pós, selecione "fonte Gatilho" e defini-lo como "gatilho cíclica externo 'para sincronizar com gatilho-sinais do módulo de bomba instrumento de controle. Selecione 'Aquisit' sob a seção "Configurações" no software de processamento de aquisição de imagem e pós para start criação de aquisição PIV.
      7. Navegue até a caixa de diálogo 'seqüência de gravação "no software de processamento de aquisição de imagem e pós. Adicionar uma subcategoria 'varredura da tabela "em" sequência Recording' usando a guia adequado previsto na interface do software. Preencher a tabela criada usando 'Editar verificação de tabela', 'Anexar Scan' e valores de tempo de entrada começando com 0 milissegundos e terminando com 4.000 milissegundos em intervalos de 40 milissegundos. AT-valores de entrada correspondentes a cada entrada de tempo na tabela. Pressione "Enter" no teclado depois de cada valor inserido.
      8. Navegue até a caixa de diálogo 'seqüência de gravação "no software de processamento de aquisição de imagem e pós. Adicionar subcategoria 'Aquisição de Imagem "em" verificação de tabela' criado no passo 4.8.7. Defina o "Número de imagens 'para 200, ative a caixa de seleção" Mostrar imagens durante a gravação "e selecione" Começar imediatamente ".
      9. Select 'Dispositivo' sob a seção "Configurações" e confirme que o laser está definido para 'ON' com as configurações de energia apropriados. Navegue até 'Control Laser' para confirmar. O sistema PIV está agora pronto para adquirir dados.
      10. Selecione o botão de opção "RUN" na interface do software de controle de instrumento no computador de controle de instrumento bomba para fornecer fluido ao experimento usando as entradas fornecidas na etapa 4.8.2-4.8.3 junto com um pulso de disparo a cada 4 segundos.
      11. Selecione "Start Recording" para a aquisição de medições de fase-wise usando sinal de disparo a partir do controle de instrumentos bomba até que o número predeterminado de campos de velocidade planas (200, adequada para atingir a convergência estatística 5, 6, 31, 32) em cada instante de tempo configurado na digitalização de mesa (veja o passo 4.8.7) no local 90 ° é feita.
      12. Pressione 'Stop', na fonte de alimentação do laser uma vez que a gravação é feita. Desligue a bomba e câmera, e coloque o co lente da câmeraVer. Selecione o botão 'Stop' rádio no interface do software de controle de instrumento no computador bomba instrumento de controle.
      13. inspecionar visualmente configuração experimental para calibrar o nível de vazamento, recolher o líquido vazou, se necessário, para garantir que todos os dispositivos foram desligados ou pode ser deixado em modo de espera, o que for apropriado. Feche a sessão de gravação no software de processamento de aquisição de imagem e pós.

    5. Detecção de estruturas de fluxo secundário Coherent

    Nota: Utilize a aquisição de imagem e software de pós-processamento e um conjunto de funções de linha de comando (caixa de ferramentas baseado em MATLAB, PIVMat 3,01) para importar, pós-processamento ea análise de 2- campos componente vetoriais do sistema PIV 5, 6, 33.

    1. Criar uma máscara que engloba a isto é a geometria de fluxo interno, o, planar área de secção transversal circular.
      1. Selecione o projeto criado na etapa 4.4, que agora tem dados PIV adquiridas em cadainstância de tempo especificado na etapa 4.8.7. Além disso, selecione os dados na caixa de diálogo que contém todo o conjunto de dados PIV.
      2. Siga as instruções na seção "Arquivo Código Suplementar - a criação de uma máscara".
    2. Criar uma rotina de pós-processamento selecionando o ícone "Batch" no menu arquivo na janela do projeto, enquanto alguns conjunto de dados PIV é selecionada por padrão. Uma caixa de diálogo com uma "lista Operação 'aparecerá que deve ser preenchido na mesma ordem como mencionado na etapa seguinte.
      1. Siga as instruções na seção "Arquivo Código Suplementar - a criação de uma rotina de pós-processamento".
    3. campos média de fase Compute e RMS de velocidade de fluxo secundário e vorticidade.
      1. Escolha das estatísticas vetor: resultado do campo vector "operação de" estatísticas "do grupo e clique em 'Parameter' na caixa de diálogo. Ative 'V Média "e caixas de seleção und' RMS V 'er secção 'Campos de vetores'. Selecione a operação "podridão-z Eyx - Exy 'do grupo' extrair campo escalar: rotação e corte 'para determinar a vorticidade bidimensional no corte transversal planar.
    4. Comece pós processamento dos dados PIV inteiras e gerar quantidades médias de fase de velocidade, velocidade RMS, vorticidade e força rodando com operações criadas nos passos 5.3 e 5.4.
      1. 'Botão direito do mouse "sobre todos os dados PIV sob a janela do projeto, selecione' HyperLoop> Todos os conjuntos ', e selecione a opção' Adicionar tudo 'abaixo de' disponíveis: 'seção para garantir que todo o conjunto de dados PIV é selecionado.
      2. Selecione 'parâmetro' a partir do menu suspenso sob o 'Filtro:' seção. Selecione a opção "Batch Processing" sob a "Operation: 'seção. Clique em "Executar" para iniciar 'hyperloop' pós-processamento dos dados PIV.
    5. Compute rodaforça figure-protocol-16 ) Campos para detectar estruturas de fluxo secundário utilizando a aquisição de imagem e software de pós-processamento. Seleccione a operação de 'turbilhão força' do grupo 'extrair campo escalar: rotação e corte'.
      1. Repita os passos 5.4.1-5.4.2 para executar o pós-processamento 'Hyperloop'.
    6. Detectar estruturas coerentes por figure-protocol-17 e transformada wavelet contínua no campo de vorticidade figure-protocol-18 através da criação de funções MATLAB definidos pelo usuário eo uso das funções do MATLAB baseados em 3,01 PIVmat (Veja "Supplemental arquivo de código - códigos MATLAB", por exemplo código).
      1. Gerar uma matriz 2D de dados a partir da seguinte equação representando uma wavelet 2D Ricker por inicializar o fator de escala figure-protocol-19 na Eq. 13 para um valor arbitrário (Veja "Supplemental arquivo de código - códigos MATLAB").
        figure-protocol-20
      2. Execute convolução bidimensional ou Fourier multiplicação de vorticidade figure-protocol-21 dados da etapa 5.4, com função 2D Ricker wavelet (Eq. 13) para gerar wavelet transformado campo de vorticidade figure-protocol-22 no fator de escala inicializado figure-protocol-23 . (Veja "Supplemental arquivo de código - códigos MATLAB").
      3. Calcule a entropia de Shannon figure-protocol-24 do campo de vorticidade wavelet transformado figure-protocol-25 representado pela Eq. 14 (Consulte "Supplemental arquivo de código - códigos MATLAB").
        figure-protocol-26
      4. Alterar o fator de escala para figure-protocol-27 e gerar uma nova matriz 2D de dados que representam a wavelet 2D Ricker (Eq. 13) (ver Figura 6).
      5. Repita os passos 5.6.1 - 5.6.4, para uma grande gama de fatores de escala ( figure-protocol-28 , Consulte feedback loop na Figura 6.
      6. Criar um lote de entropia de Shannon figure-protocol-29 vs. fator de escala wavelet figure-protocol-30 no passo 5.6.5 (ver Figura 6). Localizar uma escala wavelet ideal figure-protocol-31 , Normalmente correspondente a um mínimo local em Shannon entropia figure-protocol-32 . Repita o passo 5.6.4 em escala óptima wavelet (SEe Shannon entropia vs trama escala wavelet na Figura 6).
      7. Criar um gráfico de contorno da wavelet transformado vorticidade figure-protocol-33 no factor de escala de wavelet correspondente ao valor óptimo de Shannon entropia figure-protocol-34 .

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    Resultados

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    Os resultados apresentados na Figura 7A-D foram gerados após dados de velocidade de processamento pós de fluxo secundário (ver Figuras 5, 6) adquirida a partir do sistema 2C-2D PIV mostrado na Figura 3A. A condição de fluxo fornecido para a secção de teste da artéria curvo com uma fractura idealizada "Tipo IV" stent era a forma de onda da artéria carótida mostrado na Figura 4B. Os nossos estudos anteriores demonstraram a...

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    Discussão

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    O protocolo apresentado neste artigo descreve a aquisição de alta fidelidade de dados experimentais utilizando imagem de partículas técnica de velocimetria (PIV) e métodos de detecção estrutura coerente, viz., Transformadas wavelet contínua, figure-discussion-1 , Adequado para identificação de vórtice e fluxos dominado por cisalhamento. Análise dos dados experimentais, de entradas fisiológicas, na presença de uma "Tipo IV" fractura idealizada revela que as estruturas de fluxo...

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    Divulgações

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    Não há conflitos de interesse declarados.

    Agradecimentos

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

    Os autores reconhecem o apoio de concessão NSF CBET-0909678 e financiamento do Centro GW para Biomimética e Bioinspirada Engenharia (COBRE). Agradecemos aos estudantes, o Sr. Christopher Popma, Ms. Leanne Penna, Ms. Shannon Callahan, o Sr. Shadman Hussain, o Sr. Mohammed R. Najjari, e Ms. Jessica Hinke para ajudar no laboratório e Mr. Mathieu Barraja para auxiliar na desenhos CAD.

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    Materiais

    Lista de materiais utilizados neste artigo
    NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
    Tubos e chapas de acrílicoMcMaster-Carr Supply CompanyTubos de entrada e saída e material da seção de teste de artéria curva
    Object24 Desktop Impressora 3DStratasysDesktop máquina de prototipagem rápida. http://www.stratasys.com
    VeroWhitePlus Material opacoStratasysMaterial de construção para impressora 3D Object24 Desktop
    Fullcure 705FotopolímeroMaterial de suporte para impressora 3D Object24
    Desktop Ubbelohde viscosímetroCole ParmerYO-98934-12Para medição da viscosidade cinemática do fluido análogo ao sangue
    VELP scientifica - Agitador ESP Agitador magnéticoVELP ScientificaF206A0179
    Ohaus Scout Pro SP 601 Balança de PesagemThe Lab DepotSP4001
    Para medição do índice de refração de fluidos análogos sanguíneos
    Beakers, pipetas, seringas e espátulaSigma-Aldrich CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216Para manusear materiais necessários para a preparação da solução análoga ao sangue
    Iodeto de SódioSigma-Aldrich383112-2.5KG cristalino
    GlicerolSigma-AldrichG5516-1LÁgua
    DeionizadaLíquida -Líquido
    Tiossulfato de Sódio anidroSigma-Aldrich72049-250GPó
    PIV Meio de gravaçãoLaVisionImager Intenso 10HzPIV Aquisição de imagem Câmera CCD
    PIV Fonte de iluminaçãoNew Wave ResearchSolo III-15Fonte de laser PIV, laser Nd:YAG, 532 nm, pulso duplo 70 mJ/pulso
    PIV Software de imagemLaVisionDaVis 7.2PIV aquisição de dados e controle de instrumentos
    PIV Material de semeaduraTermo-científico   Flouro-Max(≈ 7 µ m); As microesferas fluorescentes de poliestireno tingido a seco (DVB) emitem cores brilhantes e distintas quando iluminadas pela luz de mais curtos  comprimentos de onda do que o comprimento de onda de emissão. 
    tipo gel não tóxico Stratasys Refratômetro Atago PAL-RI da Microesferas de polímero fluorescente vermelho

    Referências

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