Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

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

Published: July 19, 2016 doi: 10.3791/51288
Automatic Translation
1, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Abstract

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.

Introduction

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, Уравнение 1 5, 6, 19 - 24, 26.

Авторы отмечают, что тензор градиента скорости, по существу, матрицу 3 х 3,
Уравнение 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 Уравнение 3 изображения PIV Уравнение 4 должна быть матрица 2 х 2, Уравнение 5 , Г-компонент завихренностиquation 6 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> для каждого пикселя Уравнение 7 вычисляется с использованием анти-симметричную часть тензора градиента скорости Уравнение 8 , Результатом будет 2D массив завихренности Уравнение 9 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., Уравнение 10 и вейвлет трансформировали завихренность Уравнение 11 применяются к данным поля скорости в направлении обнаружения многомасштабных, мульти-прочностных вхождений вторичных структур потока вниз по течению идеализированного "Тип IV" перелом стента.

Уравнение 12 , 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; Уравнение 13 , Норма скорости деформации затем вычисляется; ) Затем вычисляется. Уравнение 16 наконец-то вычисляется; Уравнение 17 , Контур участок всей совокупности Уравнение 18 с изо-регионов Уравнение 19 , Будет указывать структуры 19 вторичного потока.

Уравнение 20 , 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, Уравнение 22 , Контур участок Уравнение 23 с изо-регионов Уравнение 24 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 Уравнение 25 5, 6, 26. К свертку дилатационной или сжато вейвлет с полем 2D завихренности, вейвлет трансформировали завихренности Уравнение 26 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 Уравнение 27 для каждого пикселя Уравнение 21 такой, что Уравнение 28 , 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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
      ( Уравнение 29 ), Смола, стент проволоки толщиной ( Уравнение 30 ) И номинальный диаметр стента ( Уравнение 31 ) (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 Уравнение 32 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 ( Уравнение 33 ).
    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 ( Уравнение 34 ) С помощью уравнения. 9. Оцените общий объем раствора имитируя крови ( Уравнение 35 ) И частичные объемы глицерина ( Уравнение 36 ) И деионизованной воды ( Уравнение 37 ), 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 ( Уравнение 36 ), Вычисленное на шаге 2.3 добавляется. Для каждого Уравнение 39 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 Уравнение 40 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 Уравнение 41 и, максимум Рейнольдса Уравнение 42 и Дин Уравнение 43 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 Уравнение 44 ) 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 Уравнение 45 и непрерывное вейвлет-преобразование на поле завихренности Уравнение 46 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 Уравнение 47 в уравнении, 13 в произвольное значение (смотрите раздел "Дополнительный код Файл - MATLAB коды").
        Уравнение 48
      2. Выполните двумерную свертку или умножение Фурье завихренности Уравнение 9 Данные , полученные на стадии 5.4, с функцией 2D Рикер сейсмического импульса (уравнение. 13) для генерирования сейсмического импульса преобразуется поле завихренности Уравнение 46 на инициализированной масштабный коэффициент Уравнение 47 , (Смотрите раздел "Справочная код файла - MATLAB коды").
      3. Вычисление энтропии Шеннона Уравнение 49 вейвлет трансформировали поля завихренности Уравнение 46 представленное формулой. 14 (См "Дополнительный код Файл - MATLAB коды").
        Уравнение 50
      4. Изменение коэффициента масштабирования для Уравнение 51 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 ( Уравнение 52 См петлю обратной связи на рисунке 6.
      6. Создайте участок Шэннона энтропии Уравнение 53 против масштабного коэффициента вейвлет Уравнение 47 на этапе 5.6.5 (смотрите рисунок 6). Найдите оптимальный масштаб сейсмического импульса Уравнение 47 , Как правило, соответствующий локальному минимуму в Шэннона энтропии Уравнение 49 , 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 Уравнение 46 на вейвлетной масштабного коэффициента, соответствующего оптимальному значению энтропии Шеннона Уравнение 53 ,

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    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 чувствительность вторичных структур потока в замедляющих условиях в различных пульсирующих притока форм волны в пределах определенного диапазона номеров Womersley Уравнение 55 4 - 6 . Таким образом , моменты времени Уравнение 56 из результатов , представленных на фиг.7А-D, были выбраны , чтобы соответствовать систолической фазе замедления притока сонной артерии шaveform. Когерентные вторичные структуры потока разного размера прочностными-морфологические характеристики представлены на различных плоских поперечных сечений Уравнение 57 как показано на рисунке 7A-D. Масштабные когерентные вторичные структуры потоков, которые возникли в тестовой артерии криволинейного участка были классифицированы как деформируется, Lyne- Дина и настенного типа (DLW) вихрей. Как правило, DLW вихри развиваются во время систолического фазы ускорения. Во время систолической фазы замедления, DLW структуры испытывают атипичную потери когерентности, асимметрии и изменения в вихревых позиций, размеров, сильные и морфологией. Ниже приводится описание результатов , представленных на фиг.7А-D:

    В Уравнение 58 место нахождения (7А): Одна пара симметричных, когерентное, деформируетсяДин вихрями (D) наблюдаются в Уравнение 59 Поля, T / T = 0,23 и 0,27. Эти вихри D-типа, по всей видимости перевести к внешней стене во время торможения. Q-полей данного штамма и модели сдвига доминируют при Т / Т = 0,23, в дополнение к вихрями D-типа. В качестве возможного эффекта замедления при Т / Т = 0,27, снижение прочности вихрей D-типа и Пристеночное деформации преобладают поля течения наблюдается. Многомасштабными вторичные морфологией потока в дополнение к D-типа обнаружены в вейвлет-трансформировали полей завихренности Уравнение 60 указывает на наличие нескольких штаммов с преобладанием вихревых узоров.

    В Уравнение 61 расположение (7В): Переход от одной пары D-вихрей в то Уравнение 62 поля. Как видно из величин закрученной сильные вихри типа L- и W- имеют больший тираж, чем вихрей D-типа. возмущения потока, которые исходят из трещиновато-стента на Уравнение 62 Откуда бы вероятно, способствовало образованию DLW вихрей. Эффект замедления наблюдается как уменьшение прочности в L- и вихрей W-типа. Существует хорошее согласие в расположении крупномасштабных когерентных структур DLW между этими Уравнение 63 а также Уравнение 59 поля. Дополнительные меньшего масштаба морфологию вторичного потока обнаружены в "Уравнение

    В Уравнение 64 место нахождения (фиг.7С): Уравнение 59 поле при Т / Т = 0,23 указывает на потерю вихрей L-типа и наличие удлиненные D- и W-типа вихрей. При T / T = 0,27 происходит потеря закрученного силы в обоих D- и вихрей W-типа. Эффект замедления обозначается асимметрии вихревых структур, наблюдаемых в Уравнение 63 поле. Наряду с наличием удлиненного D-типа вихрей наблюдается множество мелкомасштабных вихрей W-типа. Q-полей указывают на наличие пристенных сдвиговых регионах с преобладанием т шляпа намекают повышенной неустойчивостью из стента разрушения индуцированных возмущений потока.

    В Уравнение 65 расположение (Рисунок 7D): Уравнение 59 поля при T / T = 0,23 состоит из слабых, DLW структур. Из-за эффекта замедления течения эти структуры DLW имеют тенденцию к дальнейшему истощению при T / T = 0,27. Потери в пристеночной потока сдвигающего наблюдается в Q-полей в обоих случаях времени. При Т / Т = 0,23, Уравнение 63 поле показывает, что D-вихри расположены ближе к внутренней стенке наряду с многомасштабных вихрей W-типа и окружающих деформации с преобладанием структур по согласованию с соответствующим Уравнение 59 поле.51288eq63.jpg /> поле "ясно показывает потерю когерентности DLW структур и асимметрии в обоих случаях времени, пока Уравнение 66 поля не захватить с этим явлением.

    Широкие выводы после успешного выполнения протокола The Уравнение 67 обнаружены крупномасштабные вторичные структуры потоков и их изменение морфологию потока. Уравнение 68 Обнаруженные участки высокой скорости деформации, которые обычно встречаются в районах вблизи стены. Непрерывное вейвлет-преобразование алгоритма обнаружены крупномасштабные вторичные структуры потока в хорошем согласии с unthresholded Уравнение 67 , Вейвлет ядро ​​2D Рикер дополнительно решены несколько малотиражных, многомасштабное вторичный поток morpholo логии, которые были незамеченные с Уравнение 69 и unthresholded Уравнение 70 , Сочетание этих трех показателей целостно определены вторичные вихревые потоки деформации доминируют структуры.

    Рисунок 1
    Рисунок 1. Проектирование, изготовление и монтаж прямых и изогнутых стенты. (A) CAD модель прямой конфигурации стента , используя комбинацию левого и правого поворота спиралей. (В) САПР модель изогнутой конфигурации стента. (C) , 3D - принтер используется для изготовления стентами. (D) и (Е) прямые и изогнутые стенты после того, как 3D - печати. (F) Стенты установлен в искривленном испытательной секции артерии 180 °.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    фигура 2
    . Рисунок 2. Схематическое изображение системы изображения частиц велосиметрии (PIV) Следующие системные-компоненты обозначены: 1. Nd-YAG лазер с оптикой для получения лазерного листа и 2. ПЗС - камера , которая управляется с помощью приобретения PIV-данных компьютер, 3. насос управления прибором компьютер, который обеспечивает напряжение времени сигнала к насосу и синхронизации триггеров к компьютеру сбора PIV-данных, 4. Программируемый шестеренчатый насос, который производит физиологические скорости потока, 5. замкнутый контур, экспериментальная проверка секция имеет впускной и выпускной трубы, 180 ° криволинейный участок испытания артерию и резервуар для крови цифроаналоговый жидкости. Врезка: Различные плоские поперечные сечения, где измерения PIV может бытьсделал. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рисунок 3
    Рисунок 3. Экспериментальное расположение PIV-системы с места установки стента. (A) Устройство системы PIV на оптическом столе с различных системных компонентов. (Б) Схематическое изображение изогнутой тестовой артерии секции с важными размерами 180 °, расположение прямых и изогнутых стента, воплощающие перелома стента "Тип IV" и расстояния между сломанными частями стента (d пространства). Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра увеличенной версии этой фигуры.


    Рисунок 4. Физиологический сигнал производится с помощью программируемого насоса , обладающего функциями характеристики , такие как систолического пика в момент времени T / T = 0,19. (A) Скорость потока (мл / сек) , измеренная перед искривленной тестовой артерии секции 180 ° в течение 20 циклов формы сигнала , (B) Поток сигнала скорости со стандартными отклонениями в различных случаях времени , измеренного в течение 20 циклов формы сигнала. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рисунок 5
    Рисунок 5. Последовательность измерений PIV и обнаружения структур вторичного течения в искривленной тестовой артерии секции 180 °. (A >) Генерация данных вторичного поля скорости потока с использованием метода PIV с помощью синхронизации триггера производится с помощью прибора управления насосом компьютер. (B) последовательность Последующая обработка с использованием данных вторичного поля потока путем обработки пиксельные изображения (или матрицы) для Q- и Х - ХИ. Критериев и вейвлет-преобразованных завихренности (Q ') Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версию эта фигура.

    Рисунок 6
    Рисунок 6. алгоритмическое представление непрерывного вейвлет - преобразования подход для обнаружения артериальной вторичной структуры потока Вставки:. 2D-Рикера сейсмического импульса в произвольном масштабе (l), пример 2D поля завихренности, энтропия Шеннона вариации с вейвлет масштаба (l). COM / файлы / ftp_upload / 51288 / 51288fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рисунок 7
    . Рисунок 7. Вторичные структуры потока в искривленной тестовой артерии секции на 45 ° 180 °, 90 °, 135 ° и 180 ° планарные локаций и моменты времени, т / Т = 0,23, 0,27, во время систолического торможения Вставки: Схематическое изображение изображающие места измерения, сравнение Q- и Х Ci - критерии и вейвлет-преобразованных завихренности (Ω ') поля данных на каждом плоских местах и случаях во время систолического замедления, ColorBars с указанием диапазона значений , приобретенных из Q- и Х ХИ - критерии и вейвлет-преобразованных завихренности (Ω ') данных и их интерпретация. пг "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    параметр Уравнение нет. Initialized значение Стент модель категории Описание
    θ = 360 п получается т 1 п получается = 4 Прямо; изогнутый Число витков в спирали
    (п получается)
    Таблица 1 Уравнение 1 2 Шаг = 22,225 мм в свою очередь, Прямо; изогнутый Шаг спирали
    (шаг)
    в состоянии 1 Уравнение 2 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 51288 / 51288tbl2.jpg "/> 3 D = 11.84 мм Прямо Номинальный диаметр стента
    (D)
    Таблица 1 Уравнение 3 4 D = 11.84 мм Прямо Номинальный диаметр стента
    (D)
    Таблица 1 Уравнение 5 5 Шаг = 22,225 мм в свою очередь, Прямо Шаг спирали
    (Шаг)
    Длина прямой модели стента (г)
    Таблица 1 Уравнение 6 6 l7.jpg "/> изогнутый Радиус модели изогнутой артерии на 180 °
    R дуги
    β = 180 т 7 β = 45 изогнутый Угол, образуемый изогнутой стента в центре кривизны
    d проволоки - d проволоки = 0,85 мм Прямо; изогнутый Диаметр стента стойки
    L прямой = г - L прямой = 88,9 мм Прямо Длина прямой модели стента

    Таблица 1. Параметрические уравнения левых и правых спиралей и инициализируется значениями параметров.

    сегда "> Химические растворители и реагенты Химическая формула Плотность при 20 ° C
    (г / см 3)
    Показатель преломления Кинематическая вязкость
    (м 2 / с) х 10 -6
    форма Номер CAS Registry йодид натрия NaI 3,67 1,7745 - кристаллический 7681-82-5 глицерин C 3 H 8 O 3 1.262 1,4746 ≈1115 жидкость 56-81-5 Деионизированная вода H 2 O 1 1,333 1.002 жидкость - натрийтиосульфат безводный Na 2 O 3 S 2 1,01 - - порошок 7772-98-7 а измерения , сообщенные Сегюр и Oberstar 16

    Таблица 2. Описание химических растворителей и реагентов , используемых при создании крови аналогового раствора.

    параметр Уравнение нет. Описание Похожие лабораторное оборудование
    Таблица 3 Уравнение 100 8 Плотность насыщенного раствора йодида натрия (NaI) вычисляется путем измерения массы таклюция и объем добавлены в небольших количествах в химический стакан на 50 мл. 1. Мензурка (50 мл)
    2. Взвесьте весы
    3. Закончила или мерную пипетку
    Таблица 3 Уравнение 101 9 Объем всей партии насыщенного раствора йодида натрия, полученного 1. Мензурка насыщенным раствором NaI (2,000 мл)
    2. Взвесьте весы
    Таблица 3 Уравнение 102 10 Общий объем аналогового крови раствора ожидается после получения объемного раствора 1. Мензурка насыщенным раствором NaI (2,000 мл), чтобы смешать с глицерином и деионизированной водой.
    2. Взвесьте весы
    Таблица 3 Уравнение 103 11 Общий объем глицерина для добавления насыщенного раствора йодида натрия 1. Мензурка насыщенным раствором NaI (2,000 мл)
    2. Взвесьте весы
    3. Мензурка (100 мл) для переноса глицерина до насыщенного раствора NaI
    Таблица 3 Уравнение 104 12 Общий объем деионизированной воды, чтобы добавить к раствору насыщенного NaI и глицерина 1. Закончила или объемная пипетка для переноса DI воды к раствору насыщенного NaI и глицерина

    Таблица 3. Таблица процентных по объему расчетов для крови аналогового раствора: 79% NaI, 20% Глицерин и 1% ДИ воды.

    Спецификация системы PIV Геометрия или характерное значение Описание
    геометрия потока Круговой поперечное сечение параллельно светового листа тест криволинейного участка артерии
    Максимальная в плоскости скорости 0,16 м с -1 масштаб скорости вторичного потока
    Размер изображения х 1376 пикселей Y 1,040 пикселей PIV камеры CCD Размер массива
    Временной интервал между лазерными импульсами (t) 600 - 3,200 мксек Вклад в PIV программного обеспечения сбора изображений (Дейвиса 7.2)
    Окончательное число векторов х 86, у 65 Выход из PIV пост-обработки данных (Дейвиса 7.2)

    Таблица 4. Характеристики двух-COMPONлор, двумерная (2C-2D) PIV системы.

    Дополнение 1
    Справочная файла кода 1. Создание маски. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.

    Дополнение 2
    Дополнительный код файла 2. Создание подпрограммы постобработки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.

    Дополнение 3
    Справочная код FIle 3:. MATLAB коды Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    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, Уравнение 1 , Подходит для идентификации вихрей и сдвига с преобладанием потоков. Анализ экспериментальных данных от физиологических притоков в присутствии идеализированной "Тип IV" перелом показывает, что структуры вторичного течения со сложными гидродинамическими эффектами, такими как структура потока асимметрии и вариации в пространственно-временных распределений, которые невозможно предсказать из простых флюидодинамических теорий.

    Есть четыре важных шагов в выполнении этого протокола а именно., (Я) Проектирование и изготовление лабораторно-стендовых моделей стентов, (II) Получение рабочей жидкости аналоговой крови сочетается с кинематической вязкостью крови и refracИндекс симо от модели изогнутой артерии, (III) неинвазивный экспериментальная установка (2C-2D PIV) и (IV), методы обнаружения Расширенный когерентной структуры для выявления артериальных моделей кровотока.

    Womersley число является безразмерным параметром , который имеет отношение частоты потока пульсирующего к вязким эффектов 7. Число Рейнольдса относится силы инерции к силам вязкости потока. Номер Дин относится центростремительных сил , которые возникают в потоке через изогнутые трубы к инерциальной и вязкие силы 1, 2. Детали , относящиеся к масштабированию физиологического сигнала с Womersley и Рейнольдса представлены в 5, 6. Приток сигнала , используемый в этом исследовании было реконструированы из архетипических измерений расхода сонной артерии ( в среднем) 17-20 здоровых пациентов по Holdworth и др. 15. Трубы, ведущие к испытательному артерии криволинейного участка достаточно длинными, чтобы позволить потоку, чтобы быть полностью разработана таким образом, что поток пульсирующего Condiции на входе в испытательной артерии криволинейного участка находятся в фазе с насосом (3а, 3b и 4а). Воспроизводимость подаваемого физиологического сигнала обеспечивается путем осевого измерения PIV расхода и значению объемной скорости вверх по течению к модели артерии с использованием системы 2C-2D PIV (см. 4 , б).

    Гидродинамические стимулы артериальной гемодинамики в сторону вышеупомянутых клинических осложнений не очень хорошо известны. Физиологические потоки , связанные с стент и стент-переломы представляют сложности для в естественных условиях и при измерениях пробирке. Протокол, представленные здесь, могут быть изменены, чтобы включать в себя соблюдение в трубах с целью изучения влияния артериальных структур вторичного течения при неидеальных и более реалистичных сценариев потоков. Такие эксперименты будут создавать дополнительные проблемы при измерении и последующей обработки данных. Использование стерео- или томографическое-PIV методов, способных отображения трехмерного Velociти полей может значительно улучшить наше понимание динамики вторичных структур потока.

    Ограничения экспериментальной установки лежат в резолюции об отсутствии в пристенных (Lumen модель-артерии) областей и отсутствие оптического доступа к кровотоку внутри стента имплантирован областей. Эти ограничения, однако, создают элегантные расширения протокола, представленного. Использование оптически прозрачного материала для 3D-печати стенты, реалистические и конкретного пациента артериальной геометрии позволило бы беспрецедентный доступ к гемодинамики стент-имплантаты и трещинно-стенты.

    Расширенный результат протокола, представленного здесь, относится к выбору «лучшего» вейвлетной шкалы для когерентного детектирования структуры. Шаги 5.6.3 - 5.6.7 являются предложенное решение проблемы "лучший" Вейвлет шкалы (или базисной функции) в когерентного обнаружения структуры. Авторы обнаружили, что следующие шаги 5.6.3 - 5.6.7 решимостьd все крупномасштабные когерентные структуры и кроме того, обнаружено меньших масштабах когерентные структуры, которые были до сих пор незамеченными в экспериментах изогнутых модельных артерию. Авторы предлагают реф. 34, 35, в котором энтропия Шеннона используется для оценки "наилучшей" базис в дискретном пакете вейвлет-преобразования алгоритма (DWPT) в направлении обнаружения когерентных структур в эксперименте турбулентного потока. Для получения дальнейшей информации о подходе, относящегося к непрерывной вейвлет-преобразования алгоритма, авторы предлагают реф. 5, 6, 35 и приведенные там ссылки.

    Частота переломов имплантатов стента и сопутствующих возмущений потока приводит к вторичных структур потока со сложными многомасштабных морфологией и различными характеристиками размера прочности. Значение методологии, такие как велосиметрии изображения частиц (PIV) в сочетании с когерентного детектирования структуры особенно, вейвлет-преобразования позволяет разрешением многомасштабном, мульти-сила secondarу структуры потока под стента и стента разрушения индуцированных сценариев потоков. Протокол , представленные здесь , прокладывает путь для исследования медицинских осложнений , таких как рестеноз внутри стента (ISR), тромбоза стента и аневризмы 8, 11 - 14 за счет вторичных потоков. Кроме того, вторичные паттерны вихревые течения, возникающие в основных регионах, как правило, влияют на движение и время экспозиции частиц, переносимых с кровью, таких как тромбоциты, сенсибилизации их активации по отношению к тромбозу. Штамм доминируют вблизи стенки (Просвет) структуры вторичного потока в конечном счете, влияют на напряжение сдвига стенки, которая тесно связана с атерогенеза, особенно в артериальных искривлений.

    Аналитические процедуры для прогнозирования вторичного потока (вихревые) структуры являются сложными, требуют уравнений Навье-Стокса в тороидальных координатах и асимптотические теории 1 -. 3, 7 Комбинация экспериментов и аналитических методов более высокого порядка будет способствовать новое пониманиегемодинамику изогнутых артерий, склонных к нескольким сердечно-сосудистых заболеваний и клинического осложнения, связанные с имплантаций стентов и переломов стента.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Нет конфликта интересов объявлены.

    Acknowledgments

    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.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Acrylic tubes and sheet McMaster-Carr Supply Company Inlet and outlet pipes and material of the curved artery test section
    Object24 Desktop 3D printer Stratasys Desktop rapid prototyping machine. http://www.stratasys.com
    VeroWhitePlus Opaque material Stratasys Building material for Object24 Desktop 3D printer
    Fullcure 705 Stratasys Non-toxic gel-like photopolymer Support material for Object24 Desktop 3D printer
    Ubbelohde viscometer Cole Parmer YO-98934-12 Toward measurement of kinematic viscosity of the blood-analog fluid
    VELP scientifica - ESP stirrer  VELP Scientifica F206A0179 Magnetic stirrer
    Ohaus Scout Pro SP 601  The Lab Depot SP4001 Weigh scale
    Refractometer Atago PAL-RI Toward measurement of refractive index of blood-analog fluid
    Beakers, pipettes, syringes and spatula Sigma-Aldrich  CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216 Toward handling materials required for blood-analog solution preparation
    Sodium Iodide Sigma-Aldrich 383112-2.5KG  Crystalline
    Glycerol Sigma-Aldrich G5516-1L Liquid
    Deionized Water - - Liquid
    Sodium thiosulfate anhydrous Sigma-Aldrich 72049-250G Powder
    PIV Recording medium LaVision Imager Intense 10Hz PIV Image acquisition CCD camera
    PIV Illumination source New Wave Research Solo III-15 PIV Laser source, Nd:YAG laser, 532 nm, dual pulse 70 mJ/pulse
    PIV Imaging software LaVision DaVis 7.2 PIV data acquisition and instrument control
    PIV Seeding material Thermo-scientific   Flouro-Max Red fluorescent polymer microspheres (≈ 7 µm); Dry dyed polystyrene (DVB) fluorescent microspheres emit bright and distinct colors when illuminated by the light of shorter  wavelengths than the emission wavelength. 

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    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).

    Tags

    Биоинженерия выпуск 113 отказы стента типа IV Атеросклероз вторичные структуры потока когерентное обнаружение структуры Q - критерий λ непрерывное вейвлет-преобразование энтропия Шеннона
    Экспериментальное исследование вторичных структур потока за выхода из строя Модель Тип IV стент в испытательной секции 180 ° Изогнутые артерии
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Bulusu, K. V., Plesniak, M. W.… More

    Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180° Curved Artery Test Section. J. Vis. Exp. (113), e51288, doi:10.3791/51288 (2016).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter