Eksperimentell Undersøkelse av sekundære strøm Structures Nedstrøms av en modell Type IV Stent Svikt i en 180 ° Buet Artery Test Seksjon

Abstract

Den arterielle nettverk i den menneskelige blodkar består av overalt tilstede blodkar med komplekse geometrier (grener, krumninger og tortuosity). Sekundære strømnings strukturer er Virvel strømningsmønstre som oppstår i buede arterier på grunn av den kombinerte virkningen av sentrifugalkrefter, ugunstige trykkgradienter og innstrømningsegenskaper. Slike strømnings morfologi er sterkt påvirket av pulsatility og flere harmoniske av fysiologiske tilsigsforhold og varierer mye i størrelse styrke-form egenskaper sammenlignet med ikke-fysiologiske (jevn og oscillasjon) flyter ^1-7.

Sekundære strøm konstruksjoner kan til slutt påvirke veggskjærspenning og eksponeringstid av blodbårne partikler mot progresjon av aterosklerose, restenose, sensibilisering av blodplater og trombose ^{4. - 6., 8-13} Derfor er evnen til å detektere og karakterisere disse strukturene i henhold til laboratoriet. -kontrollerte forhold er precurseller til videre kliniske undersøkelser.

En vanlig kirurgisk behandling for aterosklerose er stent, for å åpne opp forsnevrede arterier for uhindret blodstrømmen. Men de ledsagende strømnings forstyrrelser på grunn av stent installasjoner resultere i multi-skala sekundære strømnings morfologi ^{4 -. 6} Gradvis høyere ordens kompleksiteten som asymmetri og tap i sammenheng kan være forårsaket av påfølgende stent feil vis-à-vis de under uaffisert strømmer ^5. Disse stent feil har blitt klassifisert som "Typer I-til-IV" basert på feilvurderinger og klinisk alvorlighet ^14.

Denne studien viser en protokoll for eksperimentell undersøkelse av de komplekse sekundære strøm konstruksjoner på grunn av for å fullføre tverrgående stent brudd og lineær forskyvning av frakturerte deler ( "Type IV") i en buet arterie modell. Den eksperimentelle metode involverer implementering av partikkelbildet velocimetry (2C-2-D PIV) teknikker med en arketypisk carotisar tilsig bølgeform, en brytningsindeks matchet blod-analog arbeidsmedium for fase gjennomsnittlig strømforbruk ^{15 -. 18} Kvantitativ identifisering av sekundære strømningsstrukturer ble oppnådd ved bruk av begrepene flyt fysikk, kritisk punkt teori og en roman wavelet transform algoritme anvendt på eksperimentelle data PIV ^{5, 6, 19-26.}

Introduction

Sekundære strømnings strukturer er Virvel strømningsmønstre som oppstår i interne flytgeometri med krumninger som buede rør og kanaler. Disse Virvel strukturer oppstår på grunn av den kombinerte virkningen av sentrifugalkrefter, uønskede trykkgradienter og tilsig egenskaper. Generelt sekundære strømningsstrukturer vises i plane tverrsnitt av buede rør som symmetriske Dean-type virvlene i henhold jevn tilsig og symmetriske Dean- og Lyne-type virvlene i henhold oscillasjon tilsigsforhold ^{1 -. 3} Sekundære strømnings morfologi er sterkt påvirket av pulsatility og flere harmoniske av pulserende, fysiologiske tilsigsforhold. Disse strukturene tilegne seg markant forskjellig størrelse-styrke-form karakteristika sammenlignet med ikke-fysiologiske (stødig og svinge) strømmer ^{1 -. 6} aterosklerotisk lesjon utvikling i arterier blir påvirket av tilstedeværelsen av høyfrekvente skjær svingninger i regioner som opplever lav gjennomsnittelig skjær ^{27, 28}

En vanlig behandling for aterosklerose, en komplikasjon som resulterer i forsnevring av arteriene ved obstruktive lesjoner, er implantering av stenter. Stent frakturer er strukturelle feil av implantert stent som fører til ytterligere medisinske komplikasjoner som in-stent restenose (ISR), stenttrombose og aneurisme dannelse ^{9 -. 13} stent frakturer har blitt kategorisert i ulike fiasko "Typer I-til-IV", karakterisert ved at "Type IV" karakteriserer den høyeste klinisk alvorlighet og er definert som den fullstendige tverrgående brudd av stent strevere sammen med lineære bevegelser av stenten fragmentene ^14. protokollen som presenteres i denne studien beskriver en Experimental Fremgangsmåte for visualisering av sekundære strøm konstruksjoner nedstrøms for et idealisert "Type IV" stent brudd i en buet arterie modell.

Den foreslåtte protokollen har følgende fire viktige funksjoner:

Design og fabrikasjon av laboratorieskala stent modeller: Geometrisk beskrivelse av stenter kan assosieres med et sett av selvutvid spiraler (fjærer eller Helices) vevd hjelp Nitinol (en legering av nikkel og titan) ledninger ^29. Lengden av stenten og dens avstiver diameter avhenger av lengden omfanget av arterielle lesjoner møtt under klinisk implantasjon ^5. Parametrisk variasjon av avstiveren diameter og den stigende av viklingen (eller tonehøyde) fører til stenter med forskjellige geometriske konfigurasjoner. Et sammendrag av stent design parametere som er valgt for 3D-utskrift er presentert i tabell 1.

Fremstilling av en blod analog arbeidsfluid avstemtmed kinematisk viskositet på blod og brytningsindeksen for testseksjonen: optisk adgang til det buede arterien testseksjonen er nødvendig for å gjøre ikke-invasive hastighetsmålinger. Følgelig er en Newtonsk blod-etterligning arbeidsfluid med brytningsindeksen for det vaskulære modell og ideelt sett, en dynamisk viskositet, samsvarende humant blod benyttes for å oppnå nøyaktig blodstrømmålinger ^{16 -. 18, 30} for arbeidsfluid brukt i denne studien ble rapportert ved Deutsch et al. (2006), som består av 79% mettet, vandig natriumjodid (Nal), 20% ren glyserol og 1% vann (i volum) ^16.

Eksperimentelt arrangement for påvisning av koherente sekundære strøm konstruksjoner ved hjelp av et to-komponent, to-dimensjonal partikkelbilde velocimetry (2C-2D PIV): Forsøk ble utformet for å innhente fasemiddelverdien sekundær strømningshastighetsdata ved forskjellige plane tverrsnitts steder nedstrøms av en kombinasjon av straight og buede stent seksjoner som omfatter en idealisert "Type IV" stent brudd ^{5, 6, 9, 14.} Protokoll-trinn knyttet til oppkjøpet av sekundære strømningshastighet felt ved hjelp av partikkel bilde velocimetry (PIV) teknikken innebærer en PIV system som består av en laser (lys ark) kilde, optikk for å fokusere og belyser regioner av strømning, en spesiell krysskorrelasjon ladningskoblet anordning (CCD-sensoren eller kameraet) og sporstoffpartikler som skal belyses av lyset arket i løpet av et kort tidsintervall (at ; se tabell 4) ^{31, 32.}

Trinnene i protokollen anta følgende: Først en kalibrert, eksperimentelle oppsett av en to-komponent, to-dimensjonale (2C-2D) PIV system som evaluerer bildene ved å dobbelt ramme, single-eksponering opptak. For det andre, beregner 2C-2D PIV system gjennomsnitts forskyvninger av tracer partikler ved å utføre krysskorrelasjon mellom to bilderammer ervervet under hvert opptak. En brIEF oppsummering av PIV spesifikasjoner og bilde oppkjøpet programvaren er presentert i materialer og utstyr tabellen. For det tredje blir alle sikkerhetsregler for å bruke laserfulgt av kvalifisert laboratoriepersonell i henhold til retningslinjer gitt av vertsinstitusjonen. Forfatterne foreslår Refs. 31 og 32 for en helhetlig forståelse av gjennomføringen, funksjonalitet og anvendelse av PIV teknikk i aero, hydro og microfluid dynamikk, korrelasjon spissregistrering og forskyvning estimering, material- og tetthet av tracer partikler og målestøy og nøyaktighet. Legg også merke til at laseren og kameraet kan styres ved hjelp av PIV datainnsamlings datamaskin (figur 3A) og databehandlings programvare.

Datainnsamling og etterbehandling for sammenhengende struktur deteksjon: Fase-gjennomsnitt sekundærstrøm hastighetsmålinger ved hjelp av en 2C-2D PIV ble generert ved hjelp av protokollen beskrivelsen som følger. Post-prosess ing av dataene involvert sammenhengende sekundærstrøm struktur deteksjon ved hjelp av følgende tre metoder: kontinuerlig wavelet transforme, ^{5, 6, 19-24, 26.}

Forfatterne oppmerksom på at hastigheten gradient tensor er i hovedsak, en 3 x 3 matrise,
.

Protokollen presenterer en metode for å skaffe to-dimensjonale eksperimentelle målinger (fra 2C-2D PIV teknikk). Derfor vil fullstendig eksperimentelle adgang til hastighetsgradienten tensor en ikke kan oppnås ved hjelp av denne metoden. Hastighetsgradienten tensor for hver piksel av PIV bilde bør være en 2 x 2-matrise, . Z-komponenten virvlingenquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> for hver piksel er beregnet ved hjelp av anti-symmetrisk del av hastighetsgradienten tensor . Resultatet vil bli en 2D matrise av virvling som kan visualiseres i en kontur plot. Forfatterne anbefaler sterkt Ref. 25 for en veltalende diskusjon eksperimentell tilgang til hastighetsgradienten tensor mot bedre kunnskap om virvling utskeielser, tøyningshastigheter og sammenhengende struktur deteksjon. Videre gjør forfatterne ikke forsøke å utforske relasjonene mellom de nevnte sammenhengende struktur deteksjonsmetoder og foreslå Ref. 23, 24 for en omfattende diskusjon om temaet.

Fokus for trinnene i protokollen er kvantitativ identifisering av sekundærstrøm (vortical) structures (også kjent som sammenhengende strukturer). Tre metoder for sammenhengende struktur deteksjon nemlig., og wavelet forvandlet virvling blir påtrykt hastighetsfeltdata mot deteksjon av flerskala, multi styrke forekomster av sekundære strøm konstruksjoner nedstrøms av den idealiserte "Type IV" stent brudd.

De Definerer en hvirvel som en romlig område hvor den euklidske norm av virvlingen tensor dominerer den for frekvensen av stammen ^{19, 23, 24} sikret hastighetsgradient matrise er dekomponert i symmetrisk (tøyning) og anti-symmetriske (rotasjon) deler. Egenverdiene tøyning matrise er beregnet; . Norm av belastningen hastigheten beregnes deretter; ) Blir så beregnet. De er endelig beregnet; . En konturplott av hele settet av med iso-regionene Vil indikere sekundær strømningsstrukturer ^19.

De , Også kjent som "virvlende styrke 'er en vortex merkemetode som utføres av kritisk-punkt-analyse av den lokale hastighets gradient tensor og dets tilsvarende egenverdier ^20-24 beregnes. Egenverdiene bør være av skjemaet, . En kontur tomt på med iso-regionene vil indikere sekundære strømningsstrukturer ^20-22.

Wavelet transform metode anvender en analyserende funksjon (eller wavelet) som har glatthet i fysiske og spektrale områder, er tillatelig (eller har null middelverdi) og har en endelig ^{5, 6, 26.} Ved konvolvering en utvidet eller kontrakt wavelet med en 2D virvling felt, wavelet forvandlet virvling feltet er generert comprising av sammenhengende strukturer med et stort utvalg av skalaer og styrker ^{5, 6, 26.} Shannon entropi 2D wavelet-transform virvlingen feltet er beregnet for å estimere optimal bølge skalaen der alle de koherente strukturer er tilfredsstillende løst. Dette entropi estimering innebærer et sett av sannsynligheter for hver piksel slik at , Den normaliserte firkantet modulus av virvlingen i forbindelse med bildeelementet på stedet m, n ^{5, 6.} Framgangsmåten er presentert grafisk i figur 6. De restriksjoner på valget av wavelet er presentert i detalj i Ref. 26. Denne protokollen trinnet beskriver prosedyren for sammenhengende struktur deteksjon ved hjelp av en 2D Ricker wavelet. Begrunnelsen for bruk av denne wavelet for vortical mønstergjenkjenning er presentert i Ref. 5, 6 og de relevante referanser sitert deri.

Protocol

1. Design og Fabrikasjon av stent Modeller

Merk: Følgende trinn er fulgt for å opprette laboratorieskalamodell av rette og buede stenter. Installeringen av de to stent modellene vil legemlig en "Type IV" brudd (fragmentering og lineær forskyvning av frakturerte stent deler).

Merk: Forfatterne brukt Pro / Engineer programvare ved tidspunktet for forskning for å skape CAD-modeller av stenten geometri. Prosedyren nedenfor er generalisert og kan ikke inneholde vilkår generiske til CAD-programvare som brukes. Andre CAD pakker tilgjengelig kan også brukes. Trinnene som følger gjelder for CAD-programvare som forfatterne brukt på tidspunktet for forskning og har blitt tilpasset fra produsentens hjemmeside. For nærmere beskrivelse av rask prototyping maskin som brukes av forfatterne se Materials List. De para likninger og initialisert verdier for stent utforming presenteres i Tagjengelig 1 og figur 1D og 1E er eksempler på de rette og buede stent modeller etter rapid prototyping.

1. Opprett rett stent geometri ved å definere parametriske ligninger og initialisering parametre for venstre og høyre helikser i et kartesisk (XYZ) koordinatsystem (tabell 1).
   1. Generere et sett med 10 lik avstand anbragte venstre snu skruelinjer i et plan sirkelrundt system rundt et rett utgangslinjen eller z-aksen, ved benyttelse av likning. 1, 2, 3 og 5 vist i tabell 1, med initialisert verdier av antall omdreininger
      ( ), Pitch, stent trådtykkelse ( ) Og nominell diameter av stenten ( ) (Figur 1A og tabell 1).
   2. Gjenta trinn 1.1.1 bruker Eq. 1, 2, 4 og 5 for å generere ensirkulært mønster av 10 plassert med lik avstand til venstre skruelinjer (figur 1A).
   3. Generer rett stent geometri ved å kombinere eller sammenstillingen av venstre og høyre dreie skruelinjer om en felles akse (figur 1A).
2. Lag buet stent geometri ved å definere parametriske ligninger og initialisering parametre for venstre og høyre helikser i sylindriske (R-β-X) koordinatsystem, eller om en buet utgangslinjen (tabell 1). Gjenta trinn 1.1.1 - 1.1.2 med de tidligere initialisert parametere ved hjelp Eq. 1, 2, 6 og 7.
   1. Generer et buet stent geometri kombinere eller sammenstillingen av venstre og høyre dreie skruelinjer krummet om en felles akse (R) og strakte en vinkel i origo (figur 1B).
3. Lag høy oppløsning stereo litografi (STL) filer fra rette og buede stent DAK-modeller.
   1. Plukke ut 'Export> Model "fra Fil-menyen". Velg "STL alternativet. Sett 'akkord høyde "til 0. Set' Angle control 'til 1. Bruk' OK 'for å opprette STL-fil. Merk: Verdien av 'Angle Control "regulerer mengden av flislegging sammen overflate med små radier og innstillingen kan være mellom 0 og 1.
4. Dikte stent modeller på en rask prototyping maskin vist i figur 1C bruke materialer som er oppført i materialer og utstyr tabellen.
   1. Start 3D utskriftsprogramvaren (se Materials List). Klikk på "Insert" for å finne STL-fil på 3D-printer datamaskinen og velg ønsket fil. Dra musen på skjermen for å plassere 3D-gjengivelse av STL-fil på en virtuell plattform ( 'skuff') på skjermen.
   2. Velg riktig enhet som "mm" (Alternativer: 'mm' eller 'tommer') fra Fil-menyen kategoriene. Velg kvaliteten på det ferdige produktet som "Matte" (Opsjoner: "Matte" eller "Gloss"). Velg 'Magasininnstillinger> godkjenning' kategorien fra filen menyene.
   3. Se etter meldingen 'Validering lyktes å fortsette til neste trinn. Hvis valideringen er mislykket gjenta trinnene i 1.3 - 1.4.2 til vellykket validering er oppnådd.
   4. Velg "innstillinger Magasin> Bygg fanen fra filen menyene for å sende filen til 3D-printer for fabrikasjon.
      Merk: Verdien av "akkord høyde 'kontrollerer graden av flislegging av modellen overflaten. Det påvirker nøyaktigheten og filstørrelsen av modellen vil bli erstattet av en minimumsverdi automatisk. Små verdier av akkord høyde fører til mindre avvik fra den faktiske delen geometri med filstørrelse kompromisset. Valideringskontroll er nødvendig for å sørge for at den delen er sammenhengende og blottet for eventuelle strukturelle avvik under fabrikasjon scenen.

2. Forbered Kinetisk Viscosity- og Refractive Idex-matchet blod-analog Fluid

Merk: Følgende prosedyre vil gi ca 600 ml blod-analog løsning. Et sammendrag av de kjemiske reagenser og løsningsmidler med relevante egenskaper som brukes i løsningen forberedelse er presentert i Materials List. Relevante materialegenskaper, er foreslått laboratorieutstyr og retningslinjer for volumetriske beregninger presentert i tabell 2, 3 og 4, henholdsvis.

1. Forbered en mettet løsning av natriumjodid (NaI).
   1. Hell 500 ml avionisert _H2O til et 2000 ml begerglass. Plasser begerglasset på magnetrøreren.
   2. Mål ≈860 g Nal på en nullet-vektbalanse og legge trinn 100 g inn i begeret under omrøring og venter på dagens tillegg til fullt oppløse før du legger den neste. Registrere temperaturen ved hver tilsetning, siden prosessen med metning av avionisert H ₂ O med Nal er litt Exothermic. Kjøle oppløsningen som er nødvendig for å opprettholde den ved RT (≈ 25 ° C).
   3. Tilsette små NaI trinn (≈5-10 g) opp til 20 g, inntil oppløsningen er mettet. Ta opp massen, og temperaturen av hver tilsetning. Fjerne begeret med mettet Nal-løsning fra den magnetiske røreverket når ferdig.
2. Måle tettheten av den mettede oppløsning Nal ( ).
   1. Tilsett 10 ml mettet NaI løsning fra trinn 2,1 til en 50 ml beger på en nullet-skala ved hjelp av en sprøyte (eller volumetrisk pipette), noe som gjør at det ikke er luftbobler. Ta opp massen og volumet tilsatt.
   2. Beregn tettheten av hvert tillegg bruker Eq. 8 (se tabell 3). Gjenta dette trinnet ca 4-5 ganger. Gjennomsnittlig tetthetene registrert. Returner oppløsningen til satsen av mettet Nal-løsning fremstilt i trinn 2.1.
3. Beregne det totale volum av blod etterligning løsning. < ol>
4. Måle massen av den mettede Nal oppløsningen fremstilt i trinn 2.1 og beregne dens volum ( ) Med Eq. 9. Beregn det totale volum av blod etterligning oppløsning ( ) Og de partielle volumdeler glycerol ( ) Og deionisert vann ( ) Som skal legges følgende ligning. 10, 11 og 12 (se tabell 3).

Forbered blod-analog løsning.

1. Fremstille en blod analog løsning som består av 79% mettet Nal-løsning, 20% glyserol og 1% deionisert vann (i volum) til og homogenisert blanding på en magnetrører.
2. Plasser begerglass med mettet Nal løsning på magnetrøreren og tilsett glycerol i små trinn (88 / 51288eq38.jpg "/>), ved hjelp av en sprøyte (eller gradert eller volumetrisk pipette) til hele volumet av glycerol ( ) Beregnet i trinn 2.3 blir tilsatt. For hver iterasjon, registrere volumet tilsatt og vente til løsningen er synlig homogenisert før du legger neste tilveksten av glyserol.
3. Etter fullstendig homogenisering av mettet NaI løsning og glyserol, legger ved hjelp av en sprøyte (eller gradert eller volumetrisk pipette). Fortsett omrøringen på magnetrøreren til blodet-analog løsning er synlig homogenisert.

Karakterisere blodet analoge fluidet ved standard temperatur og trykk (25 ° C, 1 atm).

1. Måle den kinematiske viskositet (ν) under anvendelse av en standard Ubbelohde viskosimeter eller tilsvarende måleinstrument.Kinematiske viskositet kan reguleres ved å tilsette små, målte mengder av glyserol ved bruk av en gradert eller volumetrisk pipette.
2. Måle brytningsindeksen (n) ved hjelp av et refraktometer. Brytningsindeks kan justeres ved å tilsette små mengder av natriumtiosulfat vannfritt ved hjelp av en spatel.
   Merk: Forfatterne rapporterer den kinematiske viskositet, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 ^-6 m ² sek ^-1 ± 2,8%) og brytningsindeksen for det blod analoge væske, n = 1,45 (± 3,4%) ^{5, 6.}

3. Ordne Eksperimenter for Måling av sekundær strømningshastighet Fields Nedstrøms en "Type IV" Stent Failure

Merk: 180 ° buede arterie testseksjon består av to akryl blokker limt sammen, 180 ° buet kanal maskinert på hver blokk, og bestemmelse for innløps- og utløpsrørene som vist på figur 1F, 3A og 5, 6 (se tabell 2).

1. Installer stenter fremstilt i trinn 1 i den buede arterien testseksjonen laget av akryl å legemlig en idealisert Type IV bruddbanen, som innebærer en fullstendig tverrgående brudd av stenter og lineær forskyvning av fragmenterte deler (se figur 1F, 3A og 3B).
   1. Sett rett stenten oppstrøms for det buede arterie testseksjonen (se figur 1F og 3B). For å sikre at avstanden mellom de rette og de ​​buede stenter er '3 ganger' diameteren av røret (D _tube = 12,7 mm), sett 45 ° buede stent på innsiden av krumningen med den ene ende ved innløpet til den buede rør ( figur 2B).
2. Monter the eksperimentelt oppsett ved å forbinde de rette akryl rørene til innløpet og utløpet av den 180 ° buede arterie testseksjon, som vist i den skjematiske oversikt over det eksperimentelle arrangement (figur 2) på et optisk bord (figur 3A).

4. Acquire of Secondary strømningshastighet Fields

Merk: Følgende beskrivelse i protokollen gjelder oppkjøpet av sekundære strømningshastighet felt ved hjelp av partikkel bilde velocimetry (PIV) teknikk 3B (skjematisk tegning) viser at det fire steder (45 °, 90 °, 135 ° og 180 °). med vinkel hakk til rette for laser ark projeksjon og lage planar tverrsnittssekundærstrømningshastighet. Protokoll trinn gjelder målinger anskaffet for 90 ° plassering. Hvis laseren arket er plassert ved 45 ° plassering, blir kameraet plassert ved 135 ° sted for å få optisk adgang til sekundære strøm megasurements ved 45 ° plassering.

Merk: Fremgangsmåten nedenfor er generalisert og kan ikke inneholde vilkår generiske til bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare og instrumentkontroll Programvaren som brukes (se Materials List). Andre bilde- og datainnsamling pakker tilgjengelig kan også brukes i protokollen.

1. Slå på laseren med av / OFF brytere som er plassert på laser strømkilde. Belyse et lite stykke papir for å visualisere laser arket. Justere laserplatetykkelsen (til ca. 2 mm) visuelt, ved å dreie laser arket fokuseringsoptikk plassert på laserkilden.
2. Plasser laseren arket langs den 90 ° målingen region, slik at arket er vinkelrett på den optiske bordet. Sett kameraet i nærheten av 0 ° eller 180 ° sted for å få optisk adgang den tverrsnittsriss belyst av laseren arket.
3. Juster laser og kamera med bildeopptak og etterbehandling programvare for å justeresynsfeltet for kameraet for å i tilstrekkelig grad fange bildet av det sirkulære tverrsnitt av den buede arterie (se figur 3A) og reduksjon av partikkel forvrengning. Utføre justeringen av "prøve og feile" ved å inspisere den programvaregenerert bilde av synsfeltet. Slå av laseren ved hjelp av brytere plassert på laser strømkilde og sørg for at kameraet er slått på med linsedekselet fjernet.
4. Begynn bilde oppkjøpet og etterbehandling programvare på PIV datainnsamling datamaskinen og logg inn som "ekspert bruker '. Opprett et nytt prosjekt fra Fil-menyen, angir et "Prosjektnavn" og velg "PIV alternativet under" Prosjekttype ". Velg "New" fra Fil-menyen for å klargjøre en ny PIV opptak. Velg "Device" under "innstillinger" på bildeopptak og etterbehandling programvare.
5. Naviger til 'Recording' dialogboks på skjermen,aktivere 'Camera 1 "i boksen og velg" Single Frame (T1A) alternativet. Velg laser alternativknappen "for å bli satt til PÅ i bildet anskaffelses og etterbehandling programvareinnstillinger. Aktiver den eksterne strømmodus på laserstrømkilden ved å trykke 'EXT' og 'High Power »brytere som er plassert på laser strømkilde.
6. Velg "Grab" på bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare for å begynne å anskaffe PIV bilder å observere på dataskjermen. Flytt kamera med små manuelle justeringer på den optiske bordet og justere fokus for å optimalisere plasseringen av kameraet for å maksimere felt-of-view, redusere uskarphet og bildeforvrengning.
7. Velg "Stopp" alternativknappen på bildet oppkjøp og etterbehandling programvareinnstillingene for å slutte å anskaffe PIV data og ikke gjøre noen ytterligere kamerajusteringer. Justeringsprosedyren er fullført på dette stadiet.
   Merk: laserpulser på dette stadiet er kontrollert av bildetoppkjøp og etterbehandling programvare og kan bli ytterligere kontrolleres ved å variere pulsfrekvens eller "Exposure" i programvareinnstillingene. Laseren vil stoppe automatisk ettersom det er kontrollert av bildeopptak og etterbehandling programvare. Ikke lukk bilde oppkjøpet og etterbehandling programvare som det aktuelle prosjektet vil bli brukt til å erverve PIV data i trinnene som følger.
8. Hente bilder av de sekundære strømnings felt ved hjelp av 2C-2D PIV system ved å følge trinnene nedenfor for å sikre fase-messig PIV data er generert ved hjelp av timetrigger pulser fra pumpen instrumentkontroll maskinen som er synkronisert med dobbel puls laser og kamera.
   Merk: Den programmerbare pumpen er forbundet med pumpeapparatet styredatamaskinen og blir styrt av instrumentkontroll programmet. Trinnene som følger bære å sette opp programvare kontrollmoduler på PIV datamaskinen ved hjelp av bildeopptak og etterbehandling og pumpe instrument kontroll datamaskin ossing instrument kontroll programvare.
   1. Slå på den programmerbare pumpen ved hjelp av AV / PÅ-bryteren på pumpen. Start instrumentkontroll program på pumpeinstrumentkontroll datamaskin.
   2. Installering av tekst-fil som har verdier for spenning-tid-kurven med en referanse trigger (t / T = 0), som representerer den fysiologiske (arteria carotis) strømningshastighet på bølgeformen til instrumentstyreprogramvare å opprettholde en fysiologisk Womersley nummer og, maksimal Reynolds og Dean nummer (figur 4A).
   3. Sett 'Amplitude "til en (volt)," DC offset "til 0 (volt),' Antall tidssteg" til 1000 og "Tidsperiode" til 4 (sekunder) på instrumentkontrollskjermen programvaregrensesnitt.
   4. Kontroller at den eksterne Power modusen på laser strømkilde i trinn 4.5, er fortsatt aktivert. Trykk på 'EXT' og 'High makt "brytere plassert på laser strømkilde, om nødvendig.
   5. Velg "Device" etter å ha klikket "New Recording" under "Innstillinger" -delen på bildeopptak og etterbehandling programvare. Naviger til 'Recording' dialogboks på bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare (PIV datamaskin), aktivere 'Camera 1 "boksen og velg" Double Frame (T1A + T1B) alternativet for å sette opp laseren til brann i dual puls modus.
   6. Velg 'Timing' alternativ på 'Recording' dialogboks på bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare, velger du "Trigger kilde" og sett den til 'External syklisk trigger "for å synkronisere med trigger-signaler fra pumpe instrument kontrollmodul. Velg "Aquisit" under "Innstillinger" -delen på bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare for å sterte sette opp PIV oppkjøpet.
   7. Naviger til "Recording sekvens 'dialogboks på bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare. Legg en tabell scan 'underkategori under "Recording sekvens' med den aktuelle fanen gitt på programvaren grensesnittet. Befolke tabell opprettes ved hjelp av Rediger tabell scan ',' Append Scan "og inngangstidsverdier som starter med 0 millisekunder og slutter med 4000 millisekunder i intervaller på 40 millisekunder. Input AT-verdier som svarer til hver gang oppføring i tabellen. Trykk "Enter" på tastaturet etter hver verdi angitt.
   8. Naviger til "Recording sekvens 'dialogboks på bildet oppkjøpet og etterbehandling programvare. Legg til "Image Acquisition 'underkategori under" Table scan' opprettet i trinn 4.8.7. Sett 'Antall bilder' til 200, aktivere boksen "Vis bilder under opptak", og velg Start umiddelbart ".
   9. Select 'enhet "under" Innstillinger "-delen og bekrefte at laseren er satt til" ON "med de riktige strøminnstillinger. Naviger til "Laser Control" for å bekrefte. PIV-systemet er nå klar til å skaffe data.
   10. Velg "Kjør" alternativknappen på instrumentkontroll programvaregrensesnitt på pumpen instrumentkontroll datamaskin for å levere væske til eksperimentet ved hjelp av inngangene som er gitt i trinn 4.8.2-4.8.3 sammen med en triggerpuls hvert 4. sekund.
   11. Velge "Start opptak 'for å skaffe fasevise målinger ved hjelp av trigger-signal fra pumpen instrumentkontroll inntil det forutbestemte antall av plane hastighetsfelt (200, tilstrekkelig til å oppnå statistisk konvergens ^{5, 6, 31, 32)} ved hvert tids forekomst konfigurert i tabellen scan (se trinn 4.8.7) ved 90 ° plassering er gjort.
   12. Trykk på "Stopp" på laser strømkilde når opptaket er gjort. Slå av pumpen og kamera, og plasserer kameralinsen cover. Velg "Stopp" alternativknappen på instrumentkontroll programvaregrensesnitt på pumpen instrumentkontroll datamaskin.
   13. Inspiser visuelt eksperimentelle oppsettet til gage nivået av lekkasje, samle lekket væske om nødvendig, for å sikre at alle enheter er slått av eller kan stå på standby, avhengig av hva som er hensiktsmessig. Lukk innspillingen i bildeopptak og etterbehandling programvare.

5. Oppdage Coherent Sekundær Flow Structures

Merk: Bruk bilde oppkjøpet og etterbehandling programvare og et sett med kommandolinje funksjoner (MATLAB-basert verktøykasse, PIVMat 3,01) for å importere, post-prosessen og analysere 2- komponent vektorfelt fra PIV system ^{5, 6, 33.}

1. Skape en maske som omfatter den indre strømningsgeometri dvs. den sirkulære, plane tverrsnittsareal.
   1. Velg prosjektet ble opprettet i trinn 4.4, som nå har PIV data innhentet ved hverforekomst av tiden som er angitt i trinn 4.8.7. Videre velger data i dialogboksen inneholder hele PIV data ensemble.
   2. Følg instruksjonene i "Supplemental File Code - lage en maske".
2. Lag en etterbehandlingsrutine ved å velge "Batch" ikonet fra fil-menyen i prosjektvinduet, mens noen PIV datasettet er valgt som standard. En dialogboks med en "Operation listen 'vil vises som skal fylles i samme rekkefølge som nevnt i følgende trinn.
   1. Følg instruksjonene i "Supplemental File Code - å skape en etterbehandlings rutine".
3. Compute fase-gjennomsnitt og RMS sekundærstrømningshastighet, og virvel felt.
   1. Velg drifts 'vektor statistikk: vektorfeltet resultat "fra gruppens statistikk" og klikk på "Parameter" i dialogboksen. Aktiver "Gjennomsnittlig V" og "RMS V 'i boksene under den "Vector feltene delen. Velg drifts 'rot-z Eyx - Exy' fra gruppen 'pakke skalarfelt: rotasjon og skjær "for å bestemme de to-dimensjonale virvling i plane tverrsnitt.
4. Begynn etterbehandling hele PIV data og generere fase gjennomsnitt mengder av hastighet, RMS hastighet, virvling og virvlende styrke med virksomhet som er opprettet i trinn 5.3 og 5.4.
   1. "Høyreklikk" på noen PIV data i prosjektet vinduet, velg 'HyperLoop> Alle settene', og velg alternativet "Legg til alle" under "Tilgjengelige Sets:" -seksjonen for å sikre at hele PIV data ensemble er valgt.
   2. Velg "Parameter" fra rullegardinmenyen under "Filter:" -delen. Velg "Batch Processing alternativet under" Operation: "-delen. Klikk "Execute" for å starte "hyperloop 'etterbehandling av PIV data.
5. Compute virvlendestyrke ) felt for å oppdage sekundære strømningsstrukturer ved hjelp av bildeopptak og etterbehandling programvare. Velg drifts 'virvlende styrke "fra konsernets trekke skalarfelt: rotasjon og skjær".
   1. Gjenta trinn 5.4.1-5.4.2 utføre "Hyperloop 'etterbehandling.
6. Oppdage sammenhengende strukturer ved og kontinuerlig wavelet transform på virvling felt ved å opprette brukerdefinerte MATLAB funksjoner og bruk PIVmat 3.01-baserte MATLAB funksjoner (se "Supplerende File Code - MATLAB koder" for eksempel kode).
   1. Generere en 2D rekke data fra følgende ligning representerer en 2D Ricker wavelet ved å initialskalafaktoren i Eq. 13 til en vilkårlig verdi (se "Supplerende File Code - MATLAB koder").
      
   2. Utføre todimensjonal Fourier vinding eller multiplikasjon av virvlingen data fra trinn 5.4, med 2D Ricker wavelet funksjon (Eq. 13) for å generere wavelet forvandlet virvling felt på initialisert skaleringsfaktor . (Se "Tilleggs File Code - MATLAB koder").
   3. Beregn Shannon entropi av wavelet forvandlet virvlingen felt representert ved Eq. 14 (Se "Tilleggs File Code - MATLAB koder").
      
   4. Endre skaleringsfaktoren til og generere en ny 2D utvalg av data som representerer 2D Ricker-småbølge (Eq. 13) (se figur 6).
   5. Gjenta trinn 5.6.1 - 5.6.4, for et stort spekter av skaleringsfaktorer ( Se feedback loop i Figur 6.
   6. Lag en tomt på Shannon entropi vs. wavelet skaleringsfaktor i trinn 5.6.5 (se figur 6). Finn en optimal wavelet skala , Vanligvis svarende til et lokalt minimum i Shannon entropi . Gjenta trinn 5.6.4 på optimal wavelet skala (see Shannon entropi vs wavelet skala plot i figur 6).
   7. Lag en kontur plott av wavelet forvandlet virvlingen ved wavelet skalafaktor som svarer til den optimale verdi av Shannon entropi .

Representative Results

Resultatene presentert i Figur 7A-D ble samlet etter etterbehandling sekundær strømningshastighetsdata (se figurene 5, 6) ervervet fra 2C-2D PIV-systemet vist i figur 3A. Innstrømningen tilstand tilføres den krumme arterien testseksjonen med et idealisert "Type IV" stent brudd var karotidarterien bølgeformen vist på figur 4B. Våre tidligere undersøkelser har vist at følsomheten av sekundære strømningsstrukturer for å retarderende betingelser i en rekke pulsatile innstrømningsbølgeformer innenfor et visst område av Womersley nummer ^{4 - 6.} Følgelig vil de tids forekomster av resultatene presentert i Figur 7A-D, ble valgt for å svare til den systoliske fasen retardasjon av halspulsåren innstrømnings waveform. Sammenhengende sekundære strømningsstrukturer av varierende størrelse styrke-morfologiske egenskaper blir presentert på ulike plane tverrsnitt som vist i figur 7A-D. Store sammenhengende sekundære strømningsstrukturer som fremkom i den buede arterie testseksjonen har blitt klassifisert som deformert Dean-, Lyne- og Wall-type (DLW) virvler. Vanligvis DLW virvler utvikle seg i løpet av det systoliske akselerasjonsfasen. Under systolisk retardasjon fase, DLW strukturer oppleve en atypisk tap i sammenheng, asymmetri og endringer i Virvel stillinger, størrelser, styrker og morfologi. Det følgende er en beskrivelse av resultatene presentert i Figur 7A-D:

På plassering (figur 7A): Et enkelt par av symmetriske, sammenhengende, deformertDean virvler (D) blir observert i felt T / T = 0,23 og 0,27. Disse D-type virvler synes å oversette mot ytterveggen under retardasjon. Q-felt liggende belastning og skjærdominerte mønstre ved t / T = 0,23, i tillegg til D-type virvler. Som en mulig effekt av retardasjon ved t / T = 0,27, en reduksjon i styrke av D-type virvler og i nærheten av veggen strekkdominert strømningsfelt blir observert. Multi-skala sekundære strømnings morfologi i tillegg til D-type er påvist i de transformerte wavelet virvel felt noe som indikerer tilstedeværelsen av flere strekkdominerte Virvel mønstre.

På plassering (figur 7B): En overgang fra ett par av D-virvlene i felt. Som dokumentert av størrelsene av virvlende styrker, L- og W- typen virvlene har høyere opplag enn D-type virvler. Flow forstyrrelsene som kommer fra den brukket-stent på Beliggenheten har trolig bidratt til dannelsen av DLW virvler. Effekten av retardasjon observeres som en reduksjon i styrke i L- og W-type virvler. Det er god overensstemmelse i plasseringen av store sammenhengende DLW strukturer mellom og felt. Tilleggs mindre skala sekundærflyt morfologi er påvist i

På plassering (figur 7C): felt ved t / T = 0,23 indikerer tap av L-type virvler og tilstedeværelsen av langstrakte D- og W-type virvler. Ved t / T = 0,27 det er et tap av virvlende styrke i både D- og W-type virvler. Effekten av retardasjon er angitt ved asymmetri av Virvel strukturene observert i feltet. Sammen med tilstedeværelse av langstrakte D-type hvirvlene et mangfold av småskala W-type hvirvlene er observert. Q-felt indikerer tilstedeværelse av nær-vegg-skjær dominerte regioner t hat antyder økt ustøhet fra stent bruddinduserte flyte forstyrrelser.

På plassering (figur 7D): felt på t / T = 0,23 består av svake, DLW strukturer. På grunn av virkningen av strømnings retardasjon disse DLW strukturene har en tendens til å utarme ytterligere ved t / T = 0,27. Tap i nærheten av veggen skjærstrømning er observert i Q-feltene i begge tilfeller av tid. Ved t / T = 0,23, feltet viser at D-virvlene ligger nærmere den indre veggen sammen med multi-skala W-type virvler og omkringliggende stammedominerte strukturer i samsvar med den tilsvarende feltet.51288eq63.jpg "/> -feltet viser tydelig et tap i sammenheng i DLW strukturer og asymmetri i begge tilfeller av tid mens feltene ikke fange som fenomen.

Bred slutninger etter vellykket gjennomføring av protokollen The oppdaget store sekundære strømningsstrukturer og deres skiftende strømnings morfologi. detekterte områder med høy strekkhastighet som normalt forekommer i nær-vegg regioner. Kontinuerlig wavelet transform algoritmen oppdaget de store sekundære strømningsstrukturer i god overensstemmelse med unthresholded . 2D Ricker wavelet-kjernen i tillegg vedtatt flere lav-sirkulasjon, multi-skala sekundærstrøm morpholo Gies som ble uoppdaget med og unthresholded . En kombinasjon av disse tre beregninger helhetlig identifisert sekundærstrøm vortical og strekkdominerte strukturer.

Figur 1. Design, fabrikasjon og installasjon av rette og buede stenter. (A) CAD modell av rett stent konfigurasjonen ved hjelp av en kombinasjon av venstre og høyre dreie spiraler. (B) DAK-modell av buet stent konfigurasjon. (C) 3D-skriver som ble brukt for fremstilling av stentene. (D) og (E) Rette og buede stenter etter 3D-utskrift. (F) Stents montert i 180 ° buede arterie testseksjonen.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

. Figur 2. Skjematisk tegning av partikkelbildet velocimetry (PIV) system De følgende systemkomponenter er angitt: 1. Nd-YAG-laser med optikk for å frembringe en laserplate og 2. CCD-kamera som styres av PIV-datainnsamlings datamaskin, 3. pumpe instrument styringsdatamaskin som gir spenning-tid-kurven til pumpen og synkronisering utløser til PIV-datainnsamlings datamaskin, 4. Programmerbar tannhjulspumpe som frembringer fysiologiske strømningshastigheter, 5. En lukket sløyfe, eksperimentell testseksjon som har innløps- og utløpsrør, 180 ° buet arterie testseksjon og et reservoar for blod-analog væske. Innfelt: Ulike planar tverrsnitt hvor PIV målinger kan værelaget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3. Eksperimentell arrangement av PIV-system med plassering av stent installasjonen. (A) fremstilling av PIV-systemet på den optiske bordet med forskjellige systemkomponenter. (B) Skjematisk tegning av 180 ° buet arterie test delen med viktige dimensjoner, plassering av rette og buede stent som legemlig av "Type IV" stent brudd og avstanden mellom brukket stent deler (d _plass). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4. Fysiologisk bølgeform som produseres av den programmerbare pumpe som innehar de egenskaper funksjoner som systolisk topp ved tidspunktet t / T = 0,19. (A) Strømningshastighet (ml / sek) målt oppstrøms for 180 ° buede arterie testseksjonen i løpet av 20 bølgeform sykluser . (B) Strømningshastighet bølgeform med standardavvik på ulike forekomster av tid målt over 20 bølgeform sykluser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5. Sekvens av PIV målinger og påvisning av sekundære strømnings strukturer i 180 ° buet arterie testseksjon. (A >) Generering av sekundære strømningshastighet feltdata ved hjelp av PIV teknikk via en synkronisering av avtrekkeren frembringes av pumpeapparatet styrende datamaskin. (B) Post-prosessering sekvens ved hjelp av sekundærstrøm feltdata ved å behandle pixelated bilder (eller matriser) for Q og λ _ci -. Kriterier, og wavelet-transform virvling (Ω ') Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6. Algoritmiske fremstilling av kontinuerlig wavelet transform metode for arteriell sekundære strøm struktur deteksjon innfellinger. 2D-Ricker-småbølge på en vilkårlig skala (ℓ), et eksempel på en 2D virvling felt, Shannon entropi variasjon med wavelet skala (ℓ). com / filer / ftp_upload / 51288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

. Figur 7. Sekundære strømnings strukturer i 180 ° buet arterie testseksjon på 45 °, 90 °, 135 ° og 180 ° plane steder og tidspunkt tilfeller, t / T = 0,23, 0,27, i løpet av systolisk retardasjon innfellinger: Skjematisk tegning som viser måle steder, sammenligning av Q og λ _ci - kriterier, og wavelet-transformert virvling (Ω ') datafeltene på hver plane områder og forekomster under systolisk retardasjon, Colorbars indikerer omfanget av verdier av ervervet av Q- og λ _ci - kriterier, og wavelet-transformert virvling (Ω ') data og deres tolkning. pg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Parameter		Ligning nei.	initialisert verdi		Stent modell kategori	Beskrivelse
θ = 360 n snur t		1	n snur = 4		Rett; buet	Antall omdreininger i spiralen (n snur)
		2	banen = 22,225 mm per omdreining		Rett; buet	Stigningen til heliksen (pitch)
stand en ligning 2 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288tbl2.jpg "/>		3	D = 11,84 mm		Rett	Nominell diameter av stenten (D)
		4	D = 11,84 mm		Rett	Nominell diameter av stenten (D)
		5	banen = 22,225 mm per omdreining		Rett	Stigningen til heliksen (Pitch) Lengde på rett stent modell (z)
		6	l7.jpg "/>		buet	Radius av 180 ° buet arterie modell R arc
β = 180 t		7	β = 45		buet	Vinkelen motstående til den buede stenten ved krumningssenteret
d ledning		-	d leder = 0,85 mm		Rett; buet	Diameter av stent strut
L rett = z		-	L rett = 88,9 mm		Rett	Lengde på rett stent modell

Tabell 1. Parametriske ligninger av venstre og høyre helikser og initialisert parameterverdier.

lways "> Kjemiske løsemidler og reagenser kjemisk formel Tetthet ved 20 ° C
(g / ^cm3)
brytningsindeks Kinematisk viskositet
^(m2 / s) x 10 ^-6
Form CAS-nummer Sodium jodid NaI 3,67 1,7745 - krystallinsk 7681-82-5 glyserol C ₃ H ₈ O ₃ 1,262 1,4746 ≈1115 ^en Flytende 56-81-5 Avionisert vann H _to O 1 1,333 1,002 Flytende - natriumthiosulfate vannfri Na ₂ O ₃ S ₂ 1.01 - - Pulver 7772-98-7 ^en Målinger rapportert av Segur og Oberstar ¹⁶

Tabell 2. Beskrivelse av kjemiske løsningsmidler og reagenser som brukes for å skape blod-analog løsning.

Parameter	Ligning nei.	Beskrivelse	Forslag til laboratorieutstyr
	8	Tettheten av mettet natrium-jodid-oppløsning (Nal) beregnes ved å måle massen av såning og volumet tilsatt i små mengder til et 50 ml begerglass.	1. Beaker (50 ml) 2. Vei Scale 3. Gradert eller volumetrisk pipette
	9	Volum av hele gruppen med mettet natrium-jodid-oppløsning fremstilles	1. Kanne med mettet NaI oppløsning (2000 ml) 2. Vei skala
	10	Totale volum av blod analoge løsningen forventet etter volumetrisk løsning fremstillingen	1. Kanne med mettet Nal-oppløsning (2000 ml) for å blande seg med glycerol og DI vann. 2. Vei skala
	11	Totalt volum av glycerol som skal tilsettes til en mettet løsning natriumjodid	1. Kanne med mettet NaI oppløsning (2000 ml) 2. Vei skala 3. Kanne (100 ml) for å overføre glycerol til en mettet oppløsning Nal
	12	Totalt volum av avionisert vann som skal tilsettes til oppløsningen av mettet Nal og glycerol	1. Gradert eller volumetrisk pipette for å overføre DI-vann til oppløsning av mettet Nal og glycerol

Tabell 3. Tabell over prosentvis-by-volum beregninger for blod-analog løsning: 79% NaI, 20% glyserol og 1% DI Water.

System spesifikasjon PIV	Geometri eller karakteristisk verdi	Beskrivelse
Flow geometri	Sirkulært tverrsnitt parallelt med lys ark	Buet arterie testseksjon
Maksimal i planet hastighet	0,16 m sek -1	Sekundær strømningshastighet skala
Bildestørrelse	x 1,376 piksler y 1040 piksler	PIV Kamera CCD Array størrelse
Tidsintervall mellom laserpulser (At)	600 - 3.200 usekunder	Innspill til PIV Image Acquisition programvaren (Davis 7,2)
Endelig antall vektorer	x 86, y 65	Utgang fra PIV data etterbehandling (Davis 7,2)

Tabell 4. Spesifikasjoner av de to-kompent, to-dimensjonale (2C-2D) PIV System.

Supplemental arkivkode 1. Opprette en maske. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental File Kode 2. Opprette en etterbehandlingsrutine. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental Kode File. 3: MATLAB koder Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Protokollen som presenteres i denne rapporten beskriver oppkjøpet av high fidelity eksperimentelle data ved hjelp av partikkel bilde velocimetry teknikk (PIV) og sammenhengende struktur deteksjonsmetoder, nemlig., Kontinuerlig wavelet transforme, , Egnet for identifikasjon av virvelen og skjær-dominerte strømmer. Analyse av eksperimentelle data fra fysiologiske tilsig i nærvær av en idealisert "Type IV" brudd viser at sekundære strøm konstruksjoner med kompliserte hydrodynamiske effekter slik som strømnings struktur asymmetri og variasjon i rom-tid-fordelinger som ikke kan forutsies ut fra enkle fluid dynamiske teorier.

Det er fire viktige skritt i gjennomføringen av denne protokollen nemlig., (I) Design og fabrikasjon av laboratorie-skala stent modeller, (ii) Fremstilling av en blod analog arbeidsmedium matchet med kinematisk viskositet av blod og refractive indeks av den buede arterie-modellen, (iii) Ikke-invasiv eksperimentelt arrangement (2C-2D PIV) og (iv) Advanced sammenhengende struktur påvisningsfremgangsmåter for identifisering av arterielle blodstrømningsmønster.

Womersley tall er en dimensjonsløs parameter som er relatert pulserende strømning frekvens til viskøse effekter ^7. Reynolds tall gjelder treghetskrefter til viskøse strømningskrefter. Dean antall vedrører sentripetale krefter som oppstår i strømningen gjennom buede rør til treghet og viskøse krefter ^{1, 2.} Detaljer vedrørende skalering av den fysiologiske bølgeform med Womersley og Reynolds-tall er vist i ^{5, 6.} Tilførsel bølgeform brukt i denne studien var rekonstruert fra arketypiske halspulsåren mengdemåling (gjennomsnitt) fra 17-20 friske pasienter ved Holdworth et al. ^15. Rørene som fører til det buede arterien testseksjonen er lange nok til å tillate strømmen å bli fullt utviklet slik at den pulserende strømning condisjoner ved innløpet til den krumme arterien testseksjonen er i fase med pumpen (figurene 3a, 3b og 4a). Repeterbarhet av tilført fysiologisk bølgeform ble sikret ved å foreta aksiale PIV målinger av strømningshastigheten og massehastighet oppstrøms til modellen arterien ved hjelp av et 2C-2D PIV-systemet (se fig. 4b).

De hydrodynamiske stimuli fra arterielle hemodynamics mot de nevnte kliniske komplikasjoner er ikke godt kjent. Fysiologiske strømmer som involverer stent og stent-frakturer utgjøre kompleksiteten for in vivo og in vitro målinger. Protokollen presentert her, kan modifiseres for å inkludere samsvar i rørene for å studere innvirkningen av arterielle sekundære strøm konstruksjoner under ikke-ideelle og mer realistiske strømnings scenarier. Slike eksperimenter vil utgjøre ekstra utfordringer i måling og etterbehandling av data. Bruken av stereo- eller tomografiske-PIV teknikker, i stand til å kartlegge tredimensjonale velocity felt kan forbedre vår forståelse av dynamikken i sekundærflyt strukturer.

Begrensningene i den eksperimentelle anordning ligger i mangelen oppløsning i nær-vegg (modell-arterien lumen) regioner og mangel på optisk adgang til blodstrømmen i stenten implanteres regioner. Disse begrensningene er imidlertid utgjøre elegante utvidelser av protokollen presentert. Bruk av optisk klart materiale for 3D-utskrift av stenter, ville realistiske og pasientspesifikke arterielle geometrier tillate enestående tilgang til hemodynamics av ​​stent-implantater og brukket-stent.

En utvidet resultat av protokollen presentert her, angår valget av den "beste" wavelet skala for koherent struktur deteksjon. Trinn 5.6.3 - 5.6.7 er et forslag til løsning på problemet med den "beste" wavelet skala (eller basis funksjon) i sammenhengende struktur gjenkjenning. Forfatterne fant at følgende trinn 5.6.3 - 5.6.7 løsed alle de store sammenhengende strukturer og i tillegg oppdaget mindre skala sammenhengende strukturer som hittil ble ubemerket i buede arterie modellforsøk. Forfatterne foreslår Ref. 34, 35 karakterisert ved Shannon entropi brukes til å evaluere de "beste" basis i en diskrete wavelet transform pakke (DWPT) algoritme mot å detektere sammenhengende strukturer i et turbulent strømning eksperiment. For ytterligere informasjon om tilnærming knyttet til et kontinuerlig wavelet transform algoritme, forfatterne foreslår Ref. 5, 6, 35 og referansene sitert deri.

Forekomsten av frakturer i stent implantater og samtidige strømnings forstyrrelser føre til sekundære strømningsstrukturer med komplekse, multi-skala morfologi og varierende størrelse-styrke egenskaper. Betydningen av de metoder som partikkel bilde velocimetry (PIV) i kombinasjon med sammenhengende struktur deteksjon spesielt, wavelet transformeringer gjør det mulig for oppløsning av multi-skala, multi-styrke sekuny strømningsstrukturer i henhold stent og stent-fraktur-indusert strøm scenarier. Protokollen som presenteres her baner vei for å undersøke medisinske komplikasjoner som in-stent restenose (ISR), stenttrombose og aneurisme dannelse ^{8, 11-14} på grunn av sekundærstrømmer. I tillegg vil sekundære strømnings Virvel mønstre som finnes i det kjerneområder har en tendens til å påvirke bevegelsen og eksponeringstiden av blodbårne partikler, så som blodplater, sensibiliserende dem for aktivering mot trombose. Strain-dominerte nær veggen (lumen) sekundær strømningsstrukturer vil til slutt påvirke veggskjærspenning som er nært knyttet til aterogenese, spesielt i arteriell kurvaturer.

De analytiske prosedyrer for å forutsi sekundærstrøm (Virvel) strukturer er komplisert, krever Navier-Stokes ligninger i toroidal koordinater og asymptotiske teorier ^{1 -. 3, 7} En kombinasjon av eksperimenter og høyere ordens analysemetoder vil fremme ny innsikt iden hemodynamics av ​​buede arterier utsatt for flere kardiovaskulære sykdommer og kliniske komplikasjoner forbundet med stent implantasjoner og stent brudd.

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.