Методическая статья

Экспериментальное исследование вторичных структур потока за выхода из строя Модель Тип IV стент в испытательной секции 180 ° Изогнутые артерии

DOI:

10.3791/51288

⸱

19 июля 2016 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Стент-имплантаты при стенозированных артериальных кривизнах подвержены неудачам "типа IV", включающим полный поперечный перелом стентов и линейное смещение сломанных частей. Представлен протокол обнаружения структур вторичного потока (вихревых) в модели искривленной артерии, расположенной после клинически значимых неудач стента IV типа.

Аннотация

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

Артериальная сеть в человеческом сосудистую сеть состоит из Повсеместно присутствующих кровеносных сосудов со сложной геометрией (филиалов, искривлений и извилистости). Вторичные структуры потока являются вихревые структуры потока, которые происходят в изогнутых артерий вследствие комбинированного действия центробежных сил, неблагоприятные градиенты давления и притока характеристик. Такие морфологией потока сильно зависит от пульсации и кратных гармоник физиологических условиях притока и сильно различаются по своим характеристикам размера прочности формы по сравнению с не-физиологическое (установившийся и колебательный) потоки 1 - 7.

Вторичные структуры потока могут в конечном счете , влияют на натяжение стенок сосудов , и время облучения частиц , переносимых с кровью к прогрессированию атеросклероза, рестеноза, сенсибилизация тромбоцитов и тромбоз 4 - 6, 8 - 13 Таким образом, способность к обнаружению и определению характеристик этих структур при лабораторных условиях . условия является контролируемая precursили дальнейших клинических исследований.

Общее хирургическое лечение атеросклероза является имплантация стента, чтобы открыть суженных артерий для беспрепятственного кровотока. Но сопутствующие возмущения потока за счет установки стента приводит к многомасштабных вторичных морфологией потока 4 - 6 . Повышенную сложности порядка , такие как асимметрия и потери когерентности могут быть вызваны последовавших провалов стента визави те под невозмущенными потоков 5. Эти стенты отказы были классифицированы как "типов I к IV" на основе соображений отказов и клинической тяжести 14.

Данное исследование представляет собой протокол для экспериментального исследования сложных структур вторичного потока за счет полного поперечного разрушения стента и линейное перемещение расколотых частей ( "Type IV") в модели изогнутой артерии. Экспериментальный метод предполагает реализацию велосиметрии изображения частиц (2C-2D PIV) методы с архетипической сонной артерии притока волны, показатель преломления соответствует крови аналоговой рабочей жидкости для измерения фазы усредненных 15 - 18 . Количественное определение вторичных структур потока была достигнута с помощью понятий физики потока, теории критической точки и роман вейвлет - преобразование алгоритм применяется к экспериментальным данным PIV 5, 6, 19 - 26.

Введение

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

Вторичные структуры потока являются вихревые структуры потока, которые происходят во внутренних геометрий потока с кривизной, таких как изогнутых труб и каналов. Эти вихревые структуры возникают в связи с совместным действием центробежных сил, неблагоприятные градиенты давления и притока характеристик. В общем, вторичные структуры потока появляются в плоских сечениях изогнутых труб как симметричных вихрей Дина-типа при стационарном притоке и, симметричные и Лайна Дина типа вихрей под колебательные условиях притока 1 - 3. Морфология Вторичный поток сильно зависит от пульсации и множественные гармоники пульсирующей, физиологических условиях притока. Эти структуры приобретают заметно отличающиеся характеристики размера прочность формы по сравнению с не-физиологическое (установившийся и колебательный) потоки 1 - 6 . Развитие атеросклеротического поражения в артериях зависит от существования сдвиговых колебаний высокой частоты в регионах наблюдается низкий средний сдвиг 27, 28

Распространенной лечение атеросклероза, осложнение приводит к сужению артерий обструктивных поражений, является имплантация стентов. Стент переломы представляют собой структурные провалы имплантированных стентов , которые приводят к дальнейшему медицинских осложнений , таких как рестеноз внутри стента (ISR), тромбоза стента и аневризмы 9 -. 13 Стент переломы были разделены на различные неудачи «Типы I-к-IV", в котором "Тип IV" характеризует самую высокую клиническую тяжесть и определяется как полный поперечный перелом распорок стента наряду с линейными смещениями фрагментов 14 стента. протокол , представленные в данном исследовании , описывает experimentaл метод визуализации вторичных структур потока вниз по течению идеализированного "Тип IV" перелом стента в модели изогнутой артерии.

Предлагаемый протокол имеет следующие четыре основные функции:

Проектирование и изготовление лабораторно-стендовых моделей стентов: Геометрическое описание стенты могут быть связаны с набором самоуправляемых расширяемой спиралей (пружин или спиралей) переплетается с использованием Нитиноловые (сплав никеля и титана) проводов 29. Длина стента и его диаметра стойки зависит от длины шкалы артериальных поражений , возникающих во время клинической имплантации 5. Параметрический изменение диаметра стойки и восходом обмотки (или поля) приводит к стенты различных геометрических конфигураций. Сводка параметров конструкции стента , выбранных для 3D - печати, представлены в таблице 1.

Приготовление аналога крови рабочей жидкости соответствуетс кинематической вязкостью крови и показателя преломления испытательной секции: оптический доступ к тестовой артерии криволинейного участка требуется для того , чтобы сделать неинвазивные измерения скорости. Соответственно, ньютоновской крови имитирующие рабочей жидкости с показателем преломления сосудистой модели и в идеале, динамическая вязкость, соответствие человеческой крови используется для получения измерений потока точной крови 16 -. 18, 30 Использованный в данном исследовании , рабочая жидкость сообщалось Дойча и др. (2006), который состоит из 79% насыщенного йодида натрия (NaI), 20% чистого глицерина и 1% воды (по объему) 16.

Схема эксперимента для обнаружения когерентных вторичных структур потока с использованием двухкомпонентного двумерного велосиметрии изображения частиц (2C-2D PIV): Эксперименты были предназначены для получения данных скорости вторичного течения фазы усредненных на различных плоских местах поперечного сечения вниз по течению сочетание улAight и криволинейные стент секции , воплощающие идеализированный "Тип IV" стент перелом 5, 6, 9, 14. протокольно-шаги , связанные с приобретением полей скорости вторичного потока с использованием изображения частиц велосиметрии (PIV) метод включает в себя систему PIV , которая состоит из лазерный (легкий лист) источник, оптика для фокусировки, а освещают области течения, специальный кросс-корреляции с зарядовой связью (CCD-датчик или камеры) и трассирующих частиц для освещения светового листа в течение короткого промежутка времени (t ; см таблицу 4) 31, 32.

Действия, описанные в протоколе предполагается следующее: Во-первых, калиброванный, экспериментальная установка системы PIV двухкомпонентная, двумерная (2C-2D), который оценивает изображения дважды, кадр за кадром записи одной экспозиции. Во-вторых, система 2C-2D PIV рассчитывает средние смещений частиц трассера путем проведения кросс-корреляции между двумя кадрами изображения, полученных в ходе выполнения каждой записи. бРИЭФ резюме PIV спецификаций и получения изображений программного обеспечения представлены в таблице материалов и оборудования. В-третьих, все меры безопасности, необходимые для работы лазера следуют подготовленным персоналом лаборатории в соответствии с указаниями принимающего учреждения. Авторы предлагают Refs. 31 и 32 для целостного понимания внедрения, функциональности и применения метода PIV в аэро-, гидро- и микрофлюидных динамики, пик корреляции обнаружения и оценки перемещения, материала и плотности частиц трассирующими и, измерение шума и точность. Также отметим , что лазер и камера может управляться с помощью компьютера сбора данных PIV (фиг.3А) и программного обеспечения для обработки данных.

Сбор данных и пост-обработки для когерентного детектирования структуры: фазовые усредненный измерения скорости вторичного течения с использованием 2C-2D PIV были получены с использованием протокола описания , которое следует. Пост-процесс ИНГ данных участвует когерентного детектирования структуры вторичного потока, используя следующие три метода: непрерывные преобразования всплесков, figure-introduction-1 5, 6, 19 - 24, 26.

Авторы отмечают, что тензор градиента скорости, по существу, матрицу 3 х 3,
figure-introduction-2 ,

Протокол представляет собой метод получения двумерных экспериментальных измерений (от методики 2C-2D PIV). Таким образом, полный доступ к экспериментальным тензора градиента скорости не будет достижима с помощью этого метода. Тензора градиента скорости для каждого пикселя figure-introduction-3 изображения PIV figure-introduction-4 должна быть матрица 2 х 2, figure-introduction-5 , Г-компонент завихренностиquation 6 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> для каждого пикселя figure-introduction-6 вычисляется с использованием анти-симметричную часть тензора градиента скорости figure-introduction-7 , Результатом будет 2D массив завихренности figure-introduction-8 которые могут быть визуализированы в контурный график. Авторы настоятельно рекомендуем Ref. 25 для красноречивого обсуждения экспериментального доступа к тензора градиента скорости в направлении повышения знаний о диссипации завихренности, скорости деформации и когерентного детектирования структуры. Кроме того, авторы не пытаются исследовать взаимосвязей между вышеуказанными методами обнаружения когерентной структуры и предложить Ref. 23, 24 для всестороннего обсуждения по этому вопросу.

В центре внимания шагов в протоколе является количественное определение вторичного потока (вихревую) улructures (также известный как когерентных структур). Три метода когерентного детектирования а именно структура., figure-introduction-9 и вейвлет трансформировали завихренность figure-introduction-10 применяются к данным поля скорости в направлении обнаружения многомасштабных, мульти-прочностных вхождений вторичных структур потока вниз по течению идеализированного "Тип IV" перелом стента.

figure-introduction-11 , Определяет вихрь как пространственную область , где евклидова норма тензора вихря преобладает , что скорости деформации 19, 23, 24 .The градиент скорости матрица разбивается на симметричной (скорости деформации) и анти-симметричных (вращение) частей. Собственные значения матрицы скорости деформации вычисляются; figure-introduction-12 , Норма скорости деформации затем вычисляется; ) Затем вычисляется. figure-introduction-13 наконец-то вычисляется; figure-introduction-14 , Контур участок всей совокупности figure-introduction-15 с изо-регионов figure-introduction-16 , Будет указывать структуры 19 вторичного потока.

figure-introduction-17 , Также известный как "сила закрученного 'представляет собой метод идентификации вихрей осуществляется в критической точке анализа локального тензора градиента скорости и ее соответствующие собственные 20 - 24 вычисляются. Собственные должны иметь форму, figure-introduction-18 , Контур участок figure-introduction-19 с изо-регионов figure-introduction-20 будет указывать вторичные структуры течений , 20 - 22.

Вейвлет-преобразования метод использует функцию анализирующей (или сейсмического импульса), который имеет гладкость в физических и спектральных пространств, является допустимым (или имеет нулевое среднее) и имеет конечное figure-introduction-21 5, 6, 26. К свертку дилатационной или сжато вейвлет с полем 2D завихренности, вейвлет трансформировали завихренности figure-introduction-22 поле генерируется сomprising когерентных структур с широким диапазоном весов и сильные стороны 5, 6, 26. энтропии Шеннона вейвлет-преобразованных поля завихренности 2D вычисляется для оценки оптимального масштаба вейвлет , при которой все когерентные структуры адекватно решены. Эта оценка энтропии включает в себя набор вероятностей figure-introduction-23 для каждого пикселя figure-introduction-24 такой, что figure-introduction-25 , Нормированный квадрат модуля завихренности , связанного с пиксела в позиции т, п 5, 6. Процедурные шаги представлены в графическом виде на рисунке 6. Ограничения , наложенные на выбор вейвлета подробно представлены в работе. 26. Этот шаг протокол описывает процедуру для когерентного обнаружения структуры с использованием сейсмического импульса 2D Рикера. Основанием для использования этого шavelet для вихревым сопоставления образцов представлена ​​в работе. 5, 6 и соответствующие ссылки, приведенные в нем.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Проектирование и изготовление стент моделей

Примечание: Следующие шаги были соблюдены для создания лабораторно-масштабных моделей прямых и изогнутых стенты. Установка двух стентов моделей будет воплощать "Тип IV" перелом (дробление и линейное перемещение сломанных частей стента).

Примечание: Авторы использовали Pro / Engineer программного обеспечения во время исследования для создания CAD моделей геометрии стента. Ниже процедура обобщается и может не включать в себя термины общие для программного обеспечения САПР используется. Другие пакеты CAD доступны также могут быть использованы. Шаги, которые следуют применимы для программного обеспечения САПР, что авторы использовали во время исследования и были адаптированы с сайта производителя. Для дальнейшего описания быстрой машины прототипирования, используемой авторами см Перечень материалов. Параметрические уравнения и инициализируются значения для дизайна стента представлены в TaBLE 1 и Рисунок 1D и 1E являются примерами прямых и изогнутых моделей стентов после быстрого прототипирования.

  1. Создание прямой геометрии стента путем определения параметрических уравнений и инициализации параметров левого и правого спиралей в системе координат (XYZ) декартовой (таблица 1).
    1. Генерировать набор из 10 равнодействующими разнесены левого поворота спиралей в плоской круговой массив приблизительно прямой линии начала отсчета или оси с помощью уравнения. 1, 2, 3 и 5 показаны в Таблице 1, с инициализированных значений числа оборотов
      ( figure-protocol-1 ), Смола, стент проволоки толщиной ( figure-protocol-2 ) И номинальный диаметр стента ( figure-protocol-3 ) (Рис 1А и таблица 1).
    2. Повторите шаг 1.1.1 с помощью уравнения. 1, 2, 4 и 5 для генерациикруговой схеме 10 эквидистантно расположенных левых спиралей (Рис . 1А)
    3. Генерация прямой геометрии стента путем объединения или сборки левого и правого поворота спиралей вокруг общей оси (рис 1А).
  2. Создание изогнутой геометрии стента путем определения параметрических уравнений и инициализации параметров левого и правого спиралей в цилиндрических (R-β-X) системы координат или о криволинейной базовой линии (таблица 1). Повторите шаги 1.1.1 - 1.1.2 с ранее инициализированных параметров с использованием уравнения. 1, 2, 6 и 7.
    1. Генерация изогнутую геометрии стента объединения или сборки левого и правого поворота спиралей выгнута вокруг общей оси (R) и объединительной угол figure-protocol-4 в начале координат (рис 1б).
  3. Создание высокого разрешения стерео литографию (STL) файлов из прямых и изогнутых моделей стент CAD.
    1. Выбрать 'Экспорт> Модель 'из меню' File '. Выберите опцию '' STL. Набор '' аккорд высоту до 0. Установка 'Угол управления' 1. Применить 'OK' для создания STL-файла. Примечание: Значение 'Угол' Control регулирует количество тесселяции вдоль поверхности с малыми радиусами и установка может находиться в диапазоне от 0 до 1.
  4. Изготовить модели стента на быстрой машине прототипирования , показанной на рисунке 1С с использованием материалов , перечисленных в таблице материалов и оборудования.
    1. Запустите программное обеспечение 3D-печати (см список материалов). Нажмите на "Insert", чтобы найти STL-файл на компьютере 3D-принтера и выберите нужный файл. Перетащите мышь на экране, чтобы поместить 3D-рендеринг STL-файла на виртуальной платформе ( "Tray") на экране.
    2. Выберите соответствующие единицы измерения, как 'мм' (Options: 'мм' или 'дюймы') из вкладки меню Файл. Выберите качество готового продукта, как "Matte" (Opции: "Матовый" или "Глянец"). Выберите "Настройки лотка> Проверка 'вкладка из меню файлов.
    3. Посмотрите на "Проверка прошла успешно" сообщение, чтобы перейти к следующему шагу. Если проверка не удается повторить шаги в 1.3 - 1.4.2 до успешной проверки не будет достигнута.
    4. Выберите "Настройки лотка> Построить 'вкладку из меню файлов для отправки файла в 3D-принтер для изготовления.
      Примечание: Значение 'хорде высоты' регулирует степень тесселяции поверхности модели. Это влияет на точность и размер файла модели будет заменен минимальным значением автоматически. Малые значения высоты хорды приводит к меньшему количеству отклонения от фактической геометрии детали с размером файла компромиссом. проверка достоверности требуется, чтобы убедиться, что часть примыкает и лишенное каких-либо структурных аномалий на стадии изготовления.

2. Подготовьте кинематическая Viscosity- и рефракционных в системуДекс соответствием крови аналоговый жидкости

Примечание: Следующая процедура получается примерно 600 мл крови цифроаналоговый раствора. Резюме химических реагентов и растворителей с соответствующими свойствами, используемых при приготовлении раствора представлены в списке материалов. Соответствующие свойства материала, предложил лабораторное оборудование и руководящие принципы для объемных расчетов представлены в таблицах 2, 3 и 4, соответственно.

  1. Приготовьте насыщенный раствор йодида натрия (NaI).
    1. Залить 500 мл деионизированной H 2 O в химический стакан емкостью 2000 мл. Поместите стакан на магнитную мешалку.
    2. Мера ≈860 г NaI на нулевую отметку веса баланса и добавьте приращения 100 г в стакан при перемешивании и ждет ток дополнение к полностью растворить перед добавлением следующего. Записывают температуру при каждом добавлении, так как процесс насыщения деионизированной H 2 O с NaI слегка exothermic. Охладить раствор по мере необходимости, чтобы поддерживать его при комнатной температуре (≈ 25 ° С).
    3. Добавьте малые приращения NaI (≈5-10 г) до 20 г, пока раствор не станет насыщенным. Записывают массу и температуру каждого добавления. Снимите стакан с насыщенным раствором NaI с магнитной мешалкой, когда сделано.
  2. Измерьте плотность насыщенного раствора NaI ( figure-protocol-5 ).
    1. Добавьте 10 мл насыщенного раствора NaI с шага 2.1 до 50 мл стакан на обнуленных масштабе с помощью шприца (или объемной пипетки), убедившись, что нет пузырьков воздуха. Запись масса и объем добавлен.
    2. Расчет плотности каждого добавления по формуле. 8 (таблица 3). Повторите этот шаг 4-5 раз. Определяется среднее значение плотности записанных. Возврат раствора к пакетному насыщенного раствора NaI, полученного на стадии 2.1.
  3. Расчетный показатель общего объема раствора, имитирующие кровь. < ол>
  4. Измерьте массу насыщенного раствора NaI, полученного на стадии 2.1, и вычислить его объем ( figure-protocol-6 ) С помощью уравнения. 9. Оцените общий объем раствора имитируя крови ( figure-protocol-7 ) И частичные объемы глицерина ( figure-protocol-8 ) И деионизованной воды ( figure-protocol-9 ), Которые будут добавлены следующие уравнения. 10, 11 и 12 (таблица 3).
  • Приготовьте крови аналоговый раствор.
    1. Приготовьте аналоговую крови раствора, содержащего 79% насыщенного раствора NaI, 20% глицерина и 1% деионизированной воды (по объему) с помощью гомогенизируют перемешивания на магнитной мешалке.
    2. Поместите стакан с насыщенным раствором NaI на магнитной мешалкой и добавляют глицерин небольшими порциями (88 / 51288eq38.jpg "/>), не используя шприц (или закончил или мерную пипетку), пока весь объем глицерина ( figure-protocol-10 ), Вычисленное на шаге 2.3 добавляется. Для каждого figure-protocol-11 итерации, записывать объем добавленного и подождать до тех пор, пока раствор не станет заметно гомогенизируют перед добавлением следующего приращения глицерина.
    3. После полной гомогенизации насыщенного раствора NaI и глицерина, добавьте figure-protocol-12 с помощью шприца (или закончил или объемная пипетка). Продолжить перемешивания на магнитной мешалки до кроваво-аналоговый раствор заметно гомогенизируют.
  • Охарактеризуйте аналоговую крови жидкости при стандартной температуре и давлении окружающей среды (25 ° C, 1 атм).
    1. Измерьте кинематическая вязкость (v) с использованием стандартного вискозиметра Уббелоде или эквивалентный измерительный прибор.Кинематическая вязкость можно регулировать путем добавления небольших, отмеренных количеств глицерина с использованием градуированного или объемную пипетку.
    2. Измерение показателя преломления (п) с помощью рефрактометра. Показатель преломления можно регулировать путем добавления малых количеств тиосульфата натрия безводный с помощью шпателя.
      Примечание: Авторы сообщают кинематическую вязкость, ν = 3,55 сСт (3,55 х 10 -6 м 2 сек -1 ± 2,8%) , а показатель преломления крови аналоговой жидкости, п = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Организовать эксперимент по измерению полей скорости вторичного потока вниз по течению "Тип IV" Стент Failure

    Примечание: Изогнутая тест артерии секция 180 ° состоит из двух акриловых блоков , склеенных, 180 ° изогнутый канал механической обработке на каждом блоке и обеспечение впускных и выпускных труб , как показано на рисунках 1F, 3А и 5, 6 (смотри таблицу 2).

    1. Установить стенты изготавливаемых на шаге 1 , в испытательной артерии криволинейного участка из акрила , чтобы воплотить идеализированный сценарий разрушения типа IV, влекущие за собой полный поперечный перелом стенты и линейного перемещения фрагментированных частей (показано на рисунках 1F, 3A и 3B).
      1. Поместите прямой стент вверх по течению испытательной артерии криволинейного участка (см рисунки 1F и 3B). Для того, чтобы гарантировать , что расстояние между прямыми и изогнутыми стентов '3 раза' диаметр трубы (D трубки = 12,7 мм), место 45 ° изогнутую стента внутри кривизны с одним концом на входе в изогнутой трубке ( Рисунок 2B).
    2. Сборка-йе экспериментальная установка, соединив прямые акриловые трубы с входным и выходным отверстием изогнутой артерии испытательной секции 180 ° , как показано на схематическом обзор экспериментальной установки (рисунок 2) на оптическом столе (фиг.3А).

    4. Приобретать полей скорости вторичного потока

    Примечание: В последующем описании в протоколе относится к приобретению полей скорости вторичного потока с использованием изображения частиц велосиметрии (PIV) метод Рисунок 3B (схематический чертеж) показывает , что есть четыре места (45 °, 90 °, 135 ° и 180 °). с угловыми вырезами для облегчения лазерной проекции листа и изготовления плоского поперечного сечения вторичной скорости потока. Шаги протокола относятся к измерениям, приобретенных для размещения 90 °. Если лазерный лист размещается на 45 ° месте, камера расположена на месте 135 °, чтобы получить оптический доступ для вторичного потока меняasurements в месте расположения 45 °.

    Примечание: Приведенная ниже процедура является обобщенной и не может включать в себя условия общие для получения изображения и программное обеспечение для обработки и пост управляющего программного обеспечения, используемого инструмента (см список материалов). Другие изображения и сбора данных пакетов, доступных также могут быть использованы в протоколе.

    1. Включите лазер с помощью переключателей ON / OFF, расположенные на лазерного источника питания. Осветить небольшой кусочек бумаги, чтобы визуализировать лазерный лист. Отрегулируйте толщину лазерного листа (приблизительно до 2 мм) визуально, путем поворота лазерного листа фокусирующей оптики, расположенных на источник лазерного излучения.
    2. Поместите лазерный листа вдоль области измерения 90 ° таким образом, чтобы лист, перпендикулярной к оптической таблице. Установите камеру вблизи от 0 ° или 180 ° местоположение, чтобы получить оптический доступ к вид в поперечном сечении, освещенного лазерным листа.
    3. Совместите лазер и камеру с помощью программного обеспечения для обработки изображений и сбора после отрегулироватьполе зрения камеры , чтобы в достаточной степени захвата изображения круглого поперечного сечения изогнутой артерии (см Фигура 3А) и уменьшение искажений частиц. Выполните выравнивание по «проб и ошибок» путем проверки программного обеспечения генерируемые изображения поля зрения. Выключите лазер с помощью переключателей управления, расположенных на источнике мощности лазера и убедитесь, что камера включена с крышкой объектива удалена.
    4. Начало получения изображения и программное обеспечение последующей обработки на компьютере сбора данных PIV и войдите в систему как "опытный пользователь". Создайте новый проект в меню Файл, укажите "Название проекта" и выберите опцию 'PIV' под 'Тип проекта'. Выберите "Создать" из меню файла для инициализации нового сеанса записи PIV. Выберите "Устройство" в разделе "Настройки" на приобретение изображения и программного обеспечения последующей обработки.
    5. Перейдите к диалоговое окно "запись" на экране,активировать 'Камера 1' флажок и выберите "ПОКАДРОВАЯ (Т1а)" вариант. Выберите лазер 'радио-кнопка "должен быть установлен в положение ON в настройках программного обеспечения для обработки изображений и сбора почтовых. Включите режим внешнего питания на источнике мощности лазера, нажав 'EXT' и переключатели 'High Power', расположенные на лазерного источника питания.
    6. Выберите 'Grab' на программное обеспечение для обработки изображений и приобретения пост, чтобы начать приобретать PIV изображения для наблюдения на экране компьютера. Переместить камеру с небольшими ручной настройки на оптическом столе и настроить фокус, чтобы оптимизировать расположение камеры, чтобы максимизировать поле-обзора, уменьшить размытость и искажение изображения.
    7. Выберите радио-кнопка "стоп" на приобретение изображения и программного обеспечения последующей обработки настроек прекратить сбор данных PIV и не делать какие-либо дальнейшие настройки камеры. Процедура выравнивания завершена на данном этапе.
      Примечание: лазерные импульсы на данном этапе находятся под контролем изображенияприобретение и программное обеспечение для обработки пост и может быть дополнительно регулировать путем изменения частоты пульсирующую или «Exposure» в настройках программного обеспечения. Лазер автоматически остановится, так как она находится под контролем получения изображений и программного обеспечения последующей обработки. Не закрывайте программное обеспечение захвата изображений и после обработки, как текущий проект будет использоваться для получения данных PIV в последующих шагах.
    8. Получение изображений полей вторичных потоков с использованием 2C-2D системы PIV, выполнив указанные ниже действия, чтобы гарантировать, что данные PIV поэтапных генерируются с использованием временных импульсов запуска с компьютера управления прибором насоса, которые синхронизированы с лазером двойного импульса и камерой.
      Примечание: Программируемый насос соединен с управляющим компьютером приборной насоса и управляется с помощью программного обеспечения управления прибором. Шаги, которые следуют предусматривает создание модулей управления программным обеспечением на PIV компьютере с помощью захвата изображения и после обработки и насос управления компьютером прибора с намиING программное обеспечение управления инструментом.
      1. Включите программируемый насос с помощью переключателя ON / OFF, расположенный на насосе. Запустить программу управления прибором на прибор управления насосом компьютер.
      2. Загрузите текстовый файл, который имеет значения напряжения времени сигнала с опорным триггера (T / T = 0), что представляет собой физиологическую (сонная артерия) поток сигнала скорости на программное обеспечение управления инструментом поддержания физиологического число уомерсли figure-protocol-13 и, максимум Рейнольдса figure-protocol-14 и Дин figure-protocol-15 числа (рис 4A).
      3. Установите 'Amplitude' 1 (вольты), "смещение по постоянному току '0 (вольта),' Количество шагов 'до 1000 и" Период времени "4 (секунды) на экране интерфейса программного обеспечения управления прибором.
      4. Убедитесь, что внешний Пауг режима на источнике питания лазера на шаге 4.5, по-прежнему активируется. Нажмите 'EXT' и 'высокой мощности' переключатели, расположенные на источнике мощности лазера, если это необходимо.
      5. Выберите "Устройство" после того, как нажать кнопку "Новая запись" в разделе "Настройки" на приобретение изображения и программного обеспечения последующей обработки. Перейдите к диалогу поле "Recording" на приобретение изображения и программного обеспечения для обработки пост (PIV компьютер), активировать «Камера 1» флажок и выберите "Double Рама (t1a + T1B) 'вариант, чтобы установить лазер на огонь в двойственной импульса Режим.
      6. Выберите опцию 'Timing' на диалоговом окне "запись" на программное обеспечение для обработки изображений и сбора сообщению, выберите 'источник триггера' и установите его на «внешний циклический триггер 'для синхронизации с помощью триггера сигналов от модуля управления прибором насоса. Выберите 'Aquisit' в разделе "Настройки" на программное обеспечение для обработки изображений и приобретения пост в сектерпкий настройки приобретения PIV.
      7. Перейдите к 'последовательности записи' диалогового окна на программное обеспечение для обработки изображений и приобретения пост. Добавление "сканирование таблицы" подкатегорию в разделе "последовательности записи", используя соответствующую вкладку, предусмотренный на программном интерфейсе. Наполнитьсетевую таблица, созданная с помощью 'Edit Table Scan', 'Append Scan' и входные значения времени, начиная с 0 миллисекунд и заканчивая 4000 миллисекунд с интервалом в 40 миллисекунд. Входные & Delta; t-значения, соответствующие каждой записи в таблице времени. Нажмите "Enter" на клавиатуре после того, как ввели каждое значение.
      8. Перейдите к 'последовательности записи' диалогового окна на программное обеспечение для обработки изображений и приобретения пост. Добавить подкатегорию 'Image Acquisition "в разделе" сканирование таблицы ", созданной на этапе 4.8.7. Установите 'Количество изображений' 200, активировать флажок "Показывать изображения во время записи" и выберите "Начать немедленно".
      9. СелеCT 'Device' в разделе "Настройки" и убедитесь, что лазер установлен в положение "ON" с соответствующими параметрами мощности. Перейдите к "Laser Control" для подтверждения. Система PIV теперь готова получить данные.
      10. Нажмите кнопку "Выполнить" на радио программный интерфейс управления прибором на панели управления прибора компьютер насоса для подачи жидкости в эксперименте с использованием материалов, представленных на этапе 4.8.2-4.8.3 наряду с запускающего импульса через каждые 4 секунды.
      11. Выберите "Начать запись" для получения измерений поэтапных с помощью триггера-сигнала от контрольного прибора насоса до заданного числа плоских полей скорости (200, адекватной для достижения статистической сходимости 5, 6, 31, 32) в каждый момент времени , например , созданной в таблице сканирования (см этап 4.8.7) в месте 90 ° производится.
      12. Нажмите 'Стоп' на источнике питания лазера раз запись делается. Выключите насос и камеру, и поместите объектив камеры сотрудничествовер. Выберите переключатель "Стоп" на программный интерфейс управления прибором на панели управления инструментом насоса компьютера.
      13. Осмотреть экспериментальную установку, чтобы измерить уровень утечки, собирающий жидкость просочилась в случае необходимости, чтобы гарантировать, что все устройства были выключены или могут быть оставлены в режиме ожидания, в зависимости от случая. Закройте сеанс записи в программное обеспечение для обработки изображений и приобретения пост.

    5. Обнаружение Структуры Связной вторичного потока

    Примечание: С помощью захвата изображения и программное обеспечение постобработки и набор функций командной строки (MATLAB используется инструментарий на основе, PIVMat 3,01) для импорта, после обработки и анализа 2- векторных компонент поля из системы PIV 5, 6, 33.

    1. Создать маску, охватывающую внутреннюю геометрию потока т.е. круговое плоское площадь поперечного сечения.
      1. Выберите проект, созданный на шаге 4.4, что в настоящее время имеются данные PIV, приобретенные на каждомэкземпляр времени, указанного в шаге 4.8.7. Далее, выберите какие-либо данные в диалоговом окне, содержащем весь ансамбль PIV данных.
      2. Следуйте инструкциям в «Дополнительной файл кода - создание маски".
    2. Создайте процедуру обработки пост, выбрав "Пакетное" значок в меню файла в окне проекта, в то время как некоторый набор PIV данных выбран по умолчанию. Диалоговое окно с "списком Operation" появится, которые должны быть заполнены в том же порядке, как указано на следующей стадии.
      1. Следуйте инструкциям в «Дополнительной файл кода - создание подпрограммы обработки пост".
    3. Compute фаза усредненных и скорости вторичного течения RMS и завихренности поля.
      1. Выберите операцию "вектора статистики: векторное поле результата 'из' статистики 'группы и нажмите на кнопку" Параметр "в диалоговом окне. Активировать "Среднее значение V 'и' V 'RMS флажки ундэр раздел 'векторных полей. Выберите операцию 'гнили г EYX - Exy' из группы 'извлечь скалярное поле: вращение и сдвиг', чтобы определить двумерную завихренность в плоском сечении.
    4. Начало пост-обработки все данные PIV и генерировать поэтапному усредненных величин скорости, скорости RMS, завихренности и закрученной силы с операциями, созданных с шагом 5.3 и 5.4.
      1. "Щелкните правой кнопкой мыши" на каких-либо данных PIV под окном проекта, выберите 'HyperLoop> Все наборы "и выберите опцию" Добавить все "под" Доступные наборы: "раздел, чтобы убедиться, что выбран весь ансамбль PIV данных.
      2. Выберите параметр '' из выпадающего меню под 'Фильтр:' раздел. Выберите опцию "Пакетная обработка" под "Операции: 'раздела. Нажмите кнопку "Выполнить", чтобы начать 'hyperloop' после обработки данных PIV.
    5. Compute закрученногопрочность figure-protocol-16 ) поля для обнаружения вторичных структур потока с использованием захвата изображений и программное обеспечение постобработки. Выберите операцию 'закрученного силы' из группы 'извлечь скалярное поле: вращение и сдвиг.
      1. Повторите шаги 5.4.1-5.4.2 для выполнения пост-обработки 'Hyperloop'.
    6. Обнаружение когерентных структур по figure-protocol-17 и непрерывное вейвлет-преобразование на поле завихренности figure-protocol-18 путем создания определяемых пользователем функций MATLAB и используя функции MATLAB PIVmat 3.01 на основе (смотрите раздел "Дополнительный код Файл - MATLAB кодов", например кода).
      1. Генерирование 2D массив данных из следующего уравнения, представляющего собой сейсмический импульс 2D Рикера инициализацией масштабный коэффициент figure-protocol-19 в уравнении, 13 в произвольное значение (смотрите раздел "Дополнительный код Файл - MATLAB коды").
        figure-protocol-20
      2. Выполните двумерную свертку или умножение Фурье завихренности figure-protocol-21 Данные , полученные на стадии 5.4, с функцией 2D Рикер сейсмического импульса (уравнение. 13) для генерирования сейсмического импульса преобразуется поле завихренности figure-protocol-22 на инициализированной масштабный коэффициент figure-protocol-23 , (Смотрите раздел "Справочная код файла - MATLAB коды").
      3. Вычисление энтропии Шеннона figure-protocol-24 вейвлет трансформировали поля завихренности figure-protocol-25 представленное формулой. 14 (См "Дополнительный код Файл - MATLAB коды").
        figure-protocol-26
      4. Изменение коэффициента масштабирования для figure-protocol-27 и создать новый 2D массив данных , представляющих 2D Рикера сейсмического импульса (уравнение. 13) (смотрите рисунок 6).
      5. Повторите шаги 5.6.1 - 5.6.4, для большого диапазона масштабных коэффициентов ( figure-protocol-28 См петлю обратной связи на рисунке 6.
      6. Создайте участок Шэннона энтропии figure-protocol-29 против масштабного коэффициента вейвлет figure-protocol-30 на этапе 5.6.5 (смотрите рисунок 6). Найдите оптимальный масштаб сейсмического импульса figure-protocol-31 , Как правило, соответствующий локальному минимуму в Шэннона энтропии figure-protocol-32 , Повторите шаг 5.6.4 при оптимальном масштабе сейсмического импульса (SEе энтропия Шеннона против Вейвлет масштабного участка на рисунке 6).
      7. Создайте контур участка сейсмического импульса трансформировали завихренности figure-protocol-33 на вейвлетной масштабного коэффициента, соответствующего оптимальному значению энтропии Шеннона figure-protocol-34 ,

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Результаты

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

    Результаты , представленные на рисунке 7A-D были получены после того, как данные скорости последующей обработки вторичного потока (см Рисунки 5, 6) , полученные из системы 2C-2D PIV , показанной на рисунке 3А. Условие притока прилагается к испытательному артерии криволинейного участка с идеализированной переломом "Тип IV" стент был сигнал сонной артерии показано на рисунке 4B. Наши предыдущие исследования показали чувств...

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Обсуждение

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

    Протокол, представленные в данной статье описывается приобретение высокой точности воспроизведения экспериментальных данных с использованием изображения частиц технику велосиметрии (PIV) и когерентные методы обнаружения структуры, а именно, непрерывное вейвлет-преобразование, figure-discussion-1 , Подходит для идентификации вихрей и сдвига с преобладанием потоков. Анализ экспериментальных данных от физиологических притоков в присутствии идеализированной "Тип IV" перелом пок...

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Раскрытие информации

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

    Нет конфликта интересов объявлены.

    Благодарности

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

    Авторы признают поддержку от NSF гранта конбетить-0909678 и финансирование из GW Центра биомиметики и биоинспирированных Engineering (Кобре). Мы благодарим студентов, г-н Кристофер Popma, г-жа Leanne Пенна, г-жа Шеннон Каллахан, г-н Шадман Хуссейн, г-н Мохаммед Р. Najjari и г-жа Джессика HINKE за помощь в лаборатории и г-ном Матье Barraja за содействие в чертежи САПР.

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Материалы

    Список материалов, использованных в этой статье
    ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
    Акриловые трубки и листMcMaster-Carr Supply CompanyВходные и выходные трубы и материал испытательного участка изогнутой артерии
    Настольный 3D-принтер Object24 Настольный 3D-принтерStratasysНастольный станок для быстрого прототипирования. http://www.stratasys.com
    VeroWhitePlus Непрозрачный материалStratasysСтроительный материал для настольного 3D-принтера Object24
    Fullcure 705StratasysНетоксичный гелеобразный фотополимер Материал для настольного 3D-принтера Object24
    Вискозиметр UbbelohdeColeParmer YO-98934-12На пути к измерению кинематической вязкости жидкости-аналога крови
    VELP scientifica - ESP мешалка Магнитная мешалкаVELP ScientificaF206A0179
    Ohaus Scout Pro SP 601 The Lab DepotSP4001Весы
    Весы РефрактометрAtagoPAL-RIДля измерения показателя преломления крови - аналог жидкости
    Стаканы, пипетки, шприцы и шпателиSigma-Aldrich CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216г. К обращению с материалами, необходимыми для приготовления кровеаналогового раствора
    Йодид натрияСигма-Альдрич383112-2,5КГ кристаллический
    ГлицеринSigma-AldrichG5516-1LЖидкая
    деионизированная вода--жидкая
    Тиосульфат натрия безводныйSigma-Aldrich72049-250GПорошок
    PIV Записывающий носительLaVisionТепловизор Интенсивный 10 ГцPIV Получение изображения CCD камера
    PIV Источник освещенияNew WaveResearch Solo III-15Лазерный источник PIV, лазер Nd:YAG, 532 нм, двойной импульс 70 мДж/импульс
    Программное обеспечение для визуализации PIVLaVisionDaVis 7.2PIV сбор данных и управление прибором
    PIV Затравочный материалThermo-scientific   Флуоресцентные полимерные микросферы Fluoro-Max Red (≈ 7 µ m); Флуоресцентные микросферы из окрашенного сухого полистирола (DVB) излучают яркие и отчетливые цвета при освещении светом более коротких... длины волны, чем длина волны излучения. 

    Ссылки

    $$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
    1. Dean, W. R. Note on the motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 208-223 (1927).
    2. Dean, W. R. The streamline motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 673-695 (1928).
    3. Lyne, W. H. Unsteady viscous flow in a curved pipe. J. Fluid. Mech. 45, part 1 13-31 (1970).
    4. Glenn, A. L., Bulusu, K. V., Shu, F., Plesniak, M. W. Secondary flow structures under stent-induced perturbations for cardiovascular flow in a curved artery model. Int. J. Heat Fluid Fl. 35, 76-83 (2012).
    5. Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Secondary flow morphologies due to model stent-induced perturbations in a 180° curved tube during systolic deceleration. Exp. Fluids. 54, 1493(2013).
    6. Bulusu, K. V., Hussain, S., Plesniak, M. W. Determination of secondary flow morphologies by wavelet analysis in a curved artery model with physiological inflow. Exp. Fluids. 55, 1832(2014).
    7. Womersley, J. R. Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known. J. Physiol. 127, 553-563 (1955).
    8. Sheriff, J., Bluestein, D., Girdhar, G., Jesty, J. High-shear stress sensitizes platelets to subsequent low-shear conditions. Ann. Biomed. Eng. 38 (4), 1442-1450 (2010).
    9. Popma, J. J., Tiroch, K., Almonacid, A., Cohen, S., Kandzari, D. E., Leon, M. B. A qualitative and quantitative angiographic analysis of stent fracture late following sirolimus-eluting stent implantation. Am. J. Cardiol. 103 (7), 923-929 (2009).
    10. Kim, S. H., et al. A fractured sirolimus-eluting stent with a coronary aneurysm. Ann. Thorac. Surg. 88, 664-665 (2009).
    11. Adlakha, S., et al. Stent fracture in the coronary and peripheral arteries. J. Interv. Cardiol. 23 (4), 411-419 (2010).
    12. Alexopoulos, D., Xanthopoulou, I. Coronary stent fracture: How frequent it is? Does it matter. Hellenic J. Cardiol. 52, 1-5 (2011).
    13. Nair, R. N., Quadros, K. Coronary stent fracture: A review of the literature. Cardiac. Cath. Lab Director. 1, 32-38 (2011).
    14. Jaff, M., Dake, M., Popma, J., Ansel, G., Yoder, T. Standardized evaluation and reporting of stent fractures in clinical trials of noncoronary devices. Catheter Cardiovasc. Interv. 70, 460-462 (2007).
    15. Holdsworth, D., Norley, C. J., Frayne, R., Steinman, D. A., Rutt, B. K. Characterization of common carotid artery blood-flow waveforms in normal human subjects. Physiol. Meas. 20 (3), 219-240 (1999).
    16. Deutsch, S., Tarbell, J. M., Manning, K. B., Rosenberg, G., Fontaine, A. A. Experimental fluid mechanics of pulsatile artificial blood pumps. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 65-86 (2006).
    17. Yousif, M. Y., Holdsworth, D. W., Poepping, T. L. A blood-mimicking fluid for particle image velocimetry with silicone vascular models. Exp. Fluids. 50, 769-774 (2011).
    18. Budwig, R. Refractive index matching methods for liquid flow investigations. Exp. Fluids. 17, 350-355 (1994).
    19. Hunt, J. C. R., Wray, A. A., Moin, P. Eddies, stream, and convergence zones in turbulent flows. Center for Turbulence Research. , Report CTR-S88 (1988).
    20. Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp. Fluids. 29, 275-290 (2000).
    21. Chong, M., Perry, A. E., Cantwell, B. J. A general classification of three-dimensional flow fields. Phys. Fluids A. 2 (5), 765-777 (1990).
    22. Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
    23. Haller, G. An objective definition of a vortex. J. Fluid Mech. 525, 1-26 (2005).
    24. Chakraborty, P., Balachander, S., Adrian, R. J. On the relationships between local vortex identification schemes. J. Fluid Mech. 535, 189-214 (2005).
    25. Wallace, J. M. Twenty years of experimental and direct numerical simulation access to the velocity gradient tensor: What have we learned about turbulence. Phys. Fluids. 21, 021301(2009).
    26. Farge, M., Guezennec, Y., Ho, C. M., Meneveau, C. Continuous wavelet analysis of coherent structures. Center for Turbulence Research, Proceedings of the Summer Program. , 331-348 (1990).
    27. Himburg, H. A., Friedman, M. H. Correspondence of Low Mean Shear and High Harmonic Content in the Porcine Iliac Arteries. ASME J. Biomedical Eng. 128, 852-856 (2006).
    28. Dai, G., et al. Distinct endothelial phenotypes evoked by arterial waveforms derived from atherosclerosis-susceptible and -resistant regions of human vasculature. PNAS. 101 (41), 14871-14876 (2004).
    29. Hanus, J., Zahora, J. Measurement and comparison of mechanical properties of nitinol stents. Physica Scripta. 118, 264-267 (2005).
    30. Segur, J. B., Oberstar, H. E. Viscosity of glycerol and its aqueous solutions. Ind. Eng. Chem. 43, 2117-2120 (1951).
    31. Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. , Cambridge University Press. NY. (2011).
    32. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry - A practical guide, 2nd ed. , Springer. Berlin. (2007).
    33. Moisy, F. PIVmat 3.01 software. , Laboratoire FAST., University Paris Sud, University Pierre et Marie Curie. CNRS. 91405 Orsay Cedex, France. (2013).
    34. Ruppert-Felsot, J. E., Praud, O., Sharon, E., Swinney, H. L. Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment. Physical Review E. 72, 016311(2005).
    35. Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Shannon entropy-based wavelet transform methods for autonomous coherent structure identification in fluid flow field data. Entropy. 17 (10), 6617-6642 (2015).

    Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

    Перепечатки и разрешения

    Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

    Запросить разрешение

    Теги

    PIVQ

    Похожие статьи