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Bioengineering

Investigación experimental de estructuras secundarias de flujo aguas abajo de una Falla Modelo Tipo IV stent en una sección de prueba 180 ° de la arteria curvada

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

Abstract

La red arterial en la vasculatura humana comprende de forma ubicua presentes vasos sanguíneos con geometrías complejas (ramas, curvaturas y tortuosidad). estructuras de flujo secundarias son los patrones de flujo de torbellino que se producen en las arterias curvas debido a la acción combinada de fuerzas centrífugas, gradientes de presión adversos y las características de flujo de entrada. Tales morfologías de flujo se ven afectados en gran medida por la pulsatilidad y múltiples armónicos de condiciones de flujo de entrada fisiológicos y varían en gran medida en las características de tamaño de resistencia-forma en comparación con no fisiológica (constante y oscilatorio) los flujos 1-7.

Estructuras de flujo secundarias pueden en última instancia, influir en el tiempo de la tensión de cizallamiento y la exposición de las partículas transmitidas por la sangre hacia la progresión de la aterosclerosis, restenosis, la sensibilización de las plaquetas y la trombosis 4-6, 8-13 Por lo tanto, la capacidad de detectar y caracterizar estas estructuras en condiciones de laboratorio. condiciones controladas por es precurso para promover las investigaciones clínicas.

Un tratamiento quirúrgico común de la aterosclerosis es la implantación del stent, para abrir las arterias con estenosis de flujo sanguíneo sin obstrucciones. Pero las perturbaciones de flujo concomitantes debido a las instalaciones de stent dan lugar a morfologías de flujo secundarias multi-escala. 4 - 6 complejidades de orden progresivamente más altas, tales como la asimetría y la pérdida de coherencia pueden ser inducidas por los consiguientes fallos de stent vis-à-vis los cuales son menores flujos no perturbadas 5. Estos fallos de stent han sido clasificados como "Tipos I-a-IV", basada en consideraciones de fallo y la gravedad clínica 14.

Este estudio presenta un protocolo para la investigación experimental de las estructuras de flujo secundaria complejos debido a completar fractura stent transversal y el desplazamiento lineal de las partes fracturadas ( "Tipo IV") en un modelo de arteria curvada. El método experimental implica la aplicación de velocimetría de imágenes de partículas (2C-2D PIV) técnicas con una forma de onda de entrada de la arteria carótida arquetípico, un índice de refracción corresponde sangre analógico fluido de trabajo para las mediciones de fase promediada 15 -. 18 se logró la identificación cuantitativa de las estructuras de flujo secundarias utilizando los conceptos de la física de flujo, teoría del punto crítico y una novela transformada wavelet algoritmo aplicado a los datos de PIV experimental 5, 6, 19-26.

Introduction

estructuras de flujo secundarias son los patrones de flujo de torbellino que se producen en las geometrías de flujo interno con curvaturas tales como tubos y canales curvos. Estas estructuras de torbellino surgen debido a la acción combinada de fuerzas centrífugas, gradientes de presión adversos y las características de flujo de entrada. En general, las estructuras de flujo secundarias aparecen en planares secciones transversales de los tubos curvados como vórtices de tipo Dean simétricas bajo flujo constante y, simétricos vórtices de Dean y Lyne de tipo bajo condiciones de flujo de entrada oscilatorios 1 - 3. Morfologías de flujo secundarias se ven afectadas en gran medida por la pulsatilidad y múltiples armónicos de pulsátil, condiciones de flujo de entrada fisiológicos. Estas estructuras adquieren marcadamente diferentes características de tamaño de resistencia-forma en comparación con no fisiológica (constante y oscilatorio) fluye 1 -. 6 desarrollo de la lesión aterosclerótica en las arterias se ve afectada por la existencia de oscilaciones de cizalla de alta frecuencia en las regiones que experimentan baja cizalladura media 27, 28

Un tratamiento común para la aterosclerosis, una complicación que resulta en un estrechamiento de las arterias por lesiones obstructivas, es la implantación de stents. Las fracturas de stents son las fallas estructurales de stents implantados que conducen a otras complicaciones médicas tales como la reestenosis en el stent (ISR), trombosis del stent y la formación de aneurismas. 9 - 13 fracturas de stents se han clasificado en distintas deficiencias "Tipos I-a-IV", en el que "Tipo IV" caracteriza a la más alta gravedad clínica y se define como la fractura transversal completa de los puntales del stent junto con desplazamientos lineales de los fragmentos de stent 14. el protocolo presentado en este estudio describe un Experimental método de visualización de las estructuras de flujo secundarias aguas abajo de un "Tipo IV" fractura stent idealizada en un modelo de arteria curvada.

El protocolo sugerido tiene las siguientes cuatro características esenciales:

Diseño y fabricación de modelos de stent a escala de laboratorio: Descripción geométrica de los stents puede estar asociada con un conjunto de espirales autoexpandibles (muelles o hélices) entrelazados usando Nitinol (una aleación de níquel y titanio) cables 29. La longitud del stent y su diámetro puntal depende de la escala de longitud de las lesiones arteriales encontradas durante la implantación clínica 5. variación paramétrica de diámetro puntal y el levantamiento de la liquidación (o tono), que lleva a los stents de diferentes configuraciones geométricas. Un resumen de los parámetros de diseño de stent elegidas para la impresión 3D se presentan en la Tabla 1.

Preparación de un fluido análogo de sangre de trabajo coincidecon la viscosidad cinemática de la sangre y el índice de refracción de la sección de prueba: se requiere el acceso óptico a la sección de prueba de la arteria curvada con el fin de hacer mediciones de velocidad no invasivos. En consecuencia, un sangre-imitación newtoniano fluido de trabajo con el índice de refracción del modelo vascular e idealmente, una viscosidad dinámica, a juego de la sangre humana se utiliza para obtener las mediciones de flujo de sangre precisa 16 -. 18, 30 se informó El fluido de trabajo utilizado en este estudio por Deutsch et al. (2006), que consta de yoduro de 79% de sodio saturado acuoso (NaI), 20% de glicerol puro, y 1% de agua (en volumen) 16.

Disposición experimental para la detección de estructuras de flujo secundarias coherentes usando una de dos componentes, de dos dimensiones velocimetría de imágenes de partículas (2C-2D PIV): experimentos fueron diseñados para adquirir datos de la velocidad de flujo secundario de fase promediada en varios lugares de la sección transversal planas aguas abajo de una combinación de straight y secciones de stent curvas que incorpora un idealizada "Tipo IV" stent fractura 5, 6, 9, 14. El protocolo pasos relacionados con la adquisición de campos de velocidad de flujo secundaria utilizando la técnica de imagen de partículas velocimetría (PIV) implica un sistema de PIV que comprende de un láser (hoja luz) fuente, la óptica para enfocar e iluminar las regiones de partículas trazadoras flujo, un dispositivo de carga especial de correlación cruzada (CCD-sensor o cámara) y al ser iluminada por la lámina de luz dentro de un corto intervalo de tiempo (Dt ; véase la Tabla 4) 31, 32.

Los pasos en el protocolo supone lo siguiente: En primer lugar, un calibrado, puesta en marcha experimental de un sistema de PIV de dos componentes, de dos dimensiones (2D-2C) que evalúa las imágenes haciendo doble marco, las grabaciones de una sola exposición. En segundo lugar, el sistema de 2C-2D PIV calcula los desplazamientos medios de partículas trazadoras mediante la realización de correlación cruzada entre dos cuadros de imagen adquiridos durante cada grabación. Un brResumen del IEF PIV especificaciones y software de adquisición de imágenes se presenta en la tabla de materiales y equipos. En tercer lugar, todas las precauciones de seguridad necesarias para operar el láser son seguidos por personal de laboratorio experto de acuerdo con las directrices proporcionadas por la institución de destino. Los autores sugieren Refs. 31 y 32 para una comprensión holística de la aplicación, la funcionalidad y la aplicación de la técnica de PIV en la dinámica de aeroestructuras, hidro y microfluidos, detección de pico de correlación y de estimación de desplazamiento, material y densidad de las partículas trazadoras y, ruido de medición y precisión. Tenga en cuenta también que el láser y la cámara pueden ser controlados por el ordenador de adquisición de datos de PIV (Figura 3A) y el software de procesamiento de datos.

Adquisición de datos y post-procesamiento para la detección de estructura coherente: mediciones de la velocidad de flujo secundario de fase promediada utilizando un PIV 2C-2D se generaron utilizando la descripción del protocolo que sigue. Proceso después de ción de los datos de detección involucrado estructura de flujo secundario coherente utilizando los tres métodos siguientes: la transformada continua, Ecuación 1 5, 6, 19 a 24, 26.

Los autores señalan que el tensor de gradiente de velocidad es esencialmente, una matriz de 3 x 3,
Ecuación 2 .

El protocolo se presenta un método de adquisición de mediciones experimentales de dos dimensiones (de técnica 2C-2D PIV). Por lo tanto, un acceso completo experimental para el tensor de gradiente de velocidad no será alcanzable mediante este método. El tensor gradiente de velocidad para cada píxel Ecuación 3 de la imagen PIV Ecuación 4 debe ser una matriz de 2 x 2, Ecuación 5 . La vorticidad componente zquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> para cada píxel Ecuación 7 se calcula utilizando la parte anti-simétrica del tensor de gradiente de velocidad Ecuación 8 . El resultado será una matriz 2D de la vorticidad Ecuación 9 que pueden ser visualizados en un gráfico de contorno. Los autores sugieren fuertemente Ref. 25 para una discusión elocuente acceso experimental para el tensor gradiente de velocidad hacia la mejora del conocimiento de la disipación de la vorticidad, velocidades de deformación y la detección estructura coherente. Por otra parte, los autores no intentan explorar las interrelaciones entre los métodos de detección antes mencionados estructura coherente y sugerir Ref. 23, 24 para una discusión completa sobre este tema.

El enfoque de los pasos en el protocolo es la identificación cuantitativa de flujo secundario (vortical) structures (también conocidos como estructuras coherentes). Tres métodos de detección coherente viz estructura., Ecuación 10 y wavelet transforma vorticidad Ecuación 11 se aplican a los datos de campo velocidad hacia la detección de múltiples escalas, ocurrencias múltiples de resistencia de las estructuras secundarias de flujo aguas abajo de la idealizada "Tipo IV" fractura del stent.

los Ecuación 12 , Define un vórtice como una región espacial donde la norma euclidiana del tensor de vorticidad domina la de la tasa de deformación 19, 23, 24 matriz de gradiente de velocidad .La se descompone en simétrico (velocidad de deformación) y partes anti-simétricas (rotación). Valores propios de la matriz de la velocidad de deformación se calculan; Ecuación 13 . A continuación se calcula la norma de la velocidad de deformación; "Ecuación ), Entonces se calcula. los Ecuación 16 es finalmente computarizada; La ecuación 17 . Un gráfico de contorno de todo el conjunto de La ecuación 18 con iso-regiones La ecuación 19 , Indicará estructuras de flujo secundario 19.

los La ecuación 20 , También conocida como "fuerza de remolino 'es un método de identificación de vórtice realizado por el análisis crítico de punto del tensor gradiente de velocidad local y sus correspondientes valores propios 20-24 se calculan. Los valores propios deben ser de la forma, La ecuación 22 . Un gráfico de contorno de La ecuación 23 con iso-regiones La ecuación 24 indicará estructuras de flujo secundarios 20 a 22.

Transformada wavelet método utiliza una función de análisis (o wavelets) que tiene la suavidad en los espacios físicos y espectrales, es admisible (o tiene media cero) y tiene una finita La ecuación 25 5, 6, 26. Por la convolución de una dilatada o contraída wavelet con un campo de vorticidad 2D, transformada wavelet vorticidad La ecuación 26 campo es generado comprising de estructuras coherentes con una amplia gama de escalas y fortalezas 5, 6, 26. entropía de Shannon del campo de vorticidad wavelet transformadas 2D se calcula para estimar la escala wavelet óptimo en el que todas las estructuras coherentes se resuelven adecuadamente. Esta estimación entropía consiste en un conjunto de probabilidades La ecuación 27 para cada píxel La ecuación 21 de tal manera que La ecuación 28 , El módulo normalizado cuadrado de la vorticidad asociado con el píxel en la posición m, n 5, 6. Los pasos de procedimiento se presentan gráficamente en la Figura 6. Las restricciones impuestas a la elección de la wavelet se presentan en detalle en la Ref. 26. Este paso protocolo describe el procedimiento para la detección de estructura coherente utilizando un wavelet 2D Ricker. La justificación para el uso de esta wavelet la coincidencia de patrón de vórtice se presenta en la Ref. 5, 6 y las referencias pertinentes citadas en el mismo.

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Protocol

1. Diseño y fabricación de modelos de stents

Nota: Los siguientes pasos se han seguido para crear modelos a escala de laboratorio de los stents rectos y curvos. La instalación de los dos modelos de stent incorporará una fractura "Tipo IV" (fragmentación y el desplazamiento lineal de las piezas de stent fracturados).

Nota: Los autores utilizaron software Pro / Engineer en el momento de la investigación para la creación de modelos CAD de la geometría del stent. El siguiente procedimiento es generalizado y no puede incluir términos genéricos para el software de CAD utilizado. Otros paquetes de CAD disponibles también se pueden utilizar. Los pasos que siguen son aplicables para el software de CAD que los autores utilizaron en el momento de la investigación y se han adaptado a partir de la página del fabricante. Para una descripción más detallada de la máquina de prototipado rápido utilizado por los autores véase la Lista de materiales. Las ecuaciones paramétricas y valores inicializados para el diseño del stent se presentan en TaBLE 1 y Figura 1D y 1E son ejemplos de los modelos rectos y curvos del stent tras la creación rápida de prototipos.

  1. Crear la geometría del stent directo mediante la definición de las ecuaciones paramétricas e inicializar los parámetros de las hélices izquierda y derecha en un sistema de coordenadas cartesianas (XYZ) (Tabla 1).
    1. Generar un conjunto de 10 hélices girando a la izquierda equidistantes en un conjunto circular plana sobre una línea de referencia recta o eje z, utilizando la Ec. 1, 2, 3 y 5 muestran en la Tabla 1, con valores inicializados de número de vueltas
      ( La ecuación 29 ), El tono, el grosor del alambre del stent ( La ecuación 30 ) Y el diámetro nominal de la endoprótesis ( Ecuación 31 ) (Figura 1A y Tabla 1).
    2. Repita el paso 1.1.1 usando la Ec. 1, 2, 4 y 5 para generar unapatrón circular de 10 hélices izquierda equiespaciados (Figura 1A).
    3. Generar la geometría del stent recto o mediante la combinación de montaje de la izquierda y giro a la derecha hélices alrededor de un eje común (Figura 1A).
  2. Crear la geometría del stent curvada definiendo ecuaciones paramétricas e inicializar los parámetros de las hélices izquierda y derecha en el cilíndrica (R-β-X) sistema de coordenadas o alrededor de una línea de referencia curva (Tabla 1). Repita los pasos 1.1.1 - 1.1.2 con los parámetros previamente inicializados utilizando la Ec. 1, 2, 6 y 7.
    1. Generar una geometría curvada stent o la combinación de montaje de la izquierda y giro a la derecha hélices curvada alrededor de un eje común (R) y que subtiende un ángulo La ecuación 32 en el origen (Figura 1B).
  3. Crear de alta resolución de la estereolitografía (STL) archivos de los modelos CAD stent rectas y curvas.
    1. Seleccione 'Exportar> Modelo 'en el menú' Archivo '. Elija la opción 'STL'. Set 'altura de cuerda' a 0. Set 'de control de ángulo "a 1. Aplicar' OK 'para crear el archivo STL-A. Nota: El valor de "control del ángulo 'regula la cantidad de teselación largo de la superficie con pequeños radios y la configuración puede estar entre 0 y 1.
  4. Fabricar los modelos de stent en una máquina de prototipado rápido se muestra en la Figura 1C utilizando materiales enumerados en la tabla de materiales y equipos.
    1. Ejecutar el software de impresión en 3D (véase la Lista de Materiales). Haga clic en "Insertar" para localizar el TEL-archivo en el equipo 3D-impresora y seleccionar el archivo deseado. Arrastrar el ratón en la pantalla para colocar la representación 3D de la STL-archivo en una plataforma virtual ( 'bandeja') en la pantalla.
    2. Seleccionar unidades apropiadas como "mm" (Opciones: "mm" o "pulgadas") de las pestañas del menú archivo. Seleccione la calidad de producto terminado como 'Mate' (Opciones: 'mate' o 'brillo'). Seleccione 'configuración de las bandejas> Validación' ficha desde el menú de archivo.
    3. Busque el mensaje 'Validación tuvo éxito' para continuar con el siguiente paso. Si la validación es repetir los pasos fallidos en 1.3 - 1.4.2 hasta que se consigue la validación exitosa.
    4. Seleccione 'configuración de las bandejas> Build' ficha desde el menú, para enviar el archivo a la impresora 3D para la fabricación.
      Nota: El valor de la "altura de cuerda 'controla el grado de teselación de la superficie del modelo. Afecta a la precisión y tamaño de archivo del modelo se sustituye por un valor mínimo de forma automática. Pequeños valores de altura de cuerda conduce a una menor desviación de la geometría de la pieza real con el tamaño del archivo de compensación. comprobación de validación es necesaria para asegurarse de que la pieza se encuentra contigua y el vacío de la existencia de anomalías estructurales durante la etapa de fabricación.

2. Preparar cinemática de la viscosidad y de refracción enLíquido de la sangre analógico-DEX-emparejado

Nota: El siguiente procedimiento se producirá aproximadamente 600 ml de solución de sangre analógica. Un resumen de los reactivos químicos y disolventes con propiedades correspondientes utilizados en la preparación de la solución se presentan en la Lista de materiales. Propiedades de los materiales pertinentes, equipos de laboratorio sugerido y las directrices para cálculos volumétricos se presentan en las Tablas 2, 3 y 4, respectivamente.

  1. Preparar una solución saturada de yoduro de sodio (NaI).
    1. Verter 500 ml de H2O desionizada en un vaso de precipitados de 2000 ml. Colocar el vaso de precipitados en el agitador magnético.
    2. Medir ≈860 g de NaI en una balanza de peso puesto a cero y añadir incrementos de 100 g en el vaso mientras se agita y esperar a que la adición de corriente se disuelva completamente antes de añadir el siguiente. Registrar la temperatura a cada adición, ya que el proceso de saturación de H2O desionizada con NaI es ligeramente exotHermic. Refrigerar la solución según sea necesario para mantenerlo a RT (≈ 25 ° C).
    3. Añadir NaI incrementos pequeños (≈5-10 g) hasta 20 g, hasta que se saturó la solución. Se registra la masa y la temperatura de cada adición. Retirar el vaso con una solución saturada de NaI del agitador magnético cuando haya terminado.
  2. Medir la densidad de la solución saturada NaI ( La ecuación 33 ).
    1. Añadir 10 ml de solución saturada de NaI desde el paso 2.1 a un vaso de precipitados de 50 ml en una escala a cero usando una jeringa (o una pipeta volumétrica), asegurándose de que no haya burbujas de aire. Registro de masa y el volumen añadido.
    2. Calcular la densidad de cada adición usando la Ec. 8 (véase la Tabla 3). Repita este paso alrededor de 4-5 veces. La media de los densidades grabados. Devolver la solución para el lote de solución de NaI saturado preparado en la etapa 2.1.
  3. Estimar el volumen total de la solución de imitación de sangre. < ol>
  4. Medir la masa de la solución de NaI saturado preparado en la etapa 2.1 y calcular su volumen ( Ecuación 34 ) Usando la Ec. 9. Estimación del volumen total de la solución de imitación de sangre ( La ecuación 35 ) Y los volúmenes parciales de glicerina ( La ecuación 36 ) Y agua desionizada ( La ecuación 37 ) Que se añade siguiente ecuación. 10, 11 y 12 (véase la Tabla 3).
  • Preparar la solución de sangre analógica.
    1. Preparar una solución de análogo de sangre que comprende de 79% solución saturada de NaI, 20% de glicerol y 1% de agua desionizada (en volumen) a través de la mezcla homogeneizada en un agitador magnético.
    2. Colocar el vaso de precipitados con la solución de NaI saturado en el agitador magnético y añadir glicerol en pequeños incrementos (88 / 51288eq38.jpg "/>), usando una jeringa (o graduado o una pipeta volumétrica) hasta que todo el volumen de glicerol ( La ecuación 36 ) Calculado en el paso 2.3 se añade. Para cada La ecuación 39 iteración, registrar el volumen agregado y esperar hasta que la solución es visiblemente homogeneizada antes de la adición de la siguiente incremento de glicerol.
    3. Después de la homogeneización completa de la solución de NaI saturado y glicerol, añadir La ecuación 40 usando una jeringa (o graduado o una pipeta volumétrica). Se continúa agitando en el agitador magnético hasta que la solución de sangre analógica es visiblemente homogeneizada.
  • Caracterizar el fluido análogo de la sangre a temperatura ambiente y presión estándar (25 ° C, 1 atm).
    1. Medir la viscosidad cinemática (ν) usando un viscosímetro Ubbelohde estándar o instrumento de medición equivalente.La viscosidad cinemática se puede ajustar mediante la adición de pequeñas cantidades, medidas de glicerol usando una pipeta graduada o volumétrico.
    2. Medir el índice de refracción (n) usando un refractómetro. El índice de refracción se puede ajustar mediante la adición de pequeñas cantidades de anhidro de tiosulfato de sodio con una espátula.
      Nota: Los autores informan de la viscosidad cinemática, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 seg -1 ± 2,8%) y el índice de refracción del fluido análogo de sangre, n = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Organizar experimento para la medición de Secundaria Velocidad del Flujo campos hacia abajo de un "Tipo IV" El fracaso de stent

    Nota: La sección de prueba de la arteria curvada 180 ° se compone de dos bloques de acrílico pegadas entre sí, 180 ° canal curvado mecanizada en cada bloque y el suministro para los tubos de entrada y salida como se muestra en las figuras 1F, 3A y 5, 6 (véase la Tabla 2).

    1. Instalar los stents fabricados en el paso 1 en la sección de prueba de la arteria curvada hecha de acrílico para encarnar una fractura tipo IV escenario idealizado, lo que implica una fractura transversal completa de stents y desplazamiento lineal de partes fragmentadas (ver Figuras 1F, 3A y 3B).
      1. Colocar el stent recta aguas arriba de la sección de prueba de la arteria curvada (ver Figuras 1F y 3B). Para asegurarse de que la separación entre el recto y los stents curvas es "3 veces 'el diámetro de la (tubo D = 12,7 mm) del tubo, colocar el 45 ° stent curvado dentro de la curvatura con un extremo en la entrada al tubo curvado ( Figura 2B).
    2. montar THe instalación experimental mediante la conexión de las tuberías de acrílico directamente a la entrada y la salida de la sección de prueba de la arteria curvada 180 ° como se muestra en la vista general esquemática de la disposición experimental (Figura 2) en una mesa óptica (Figura 3A).

    4. Adquirir de campos de velocidad de flujo secundario

    Nota: La siguiente descripción en el protocolo se refiere a la adquisición de campos de velocidad de flujo secundario utilizando la técnica de imágenes de partículas velocimetría (PIV) Figura 3B (dibujo esquemático) muestra que hay cuatro lugares (45 °, 90 °, 135 ° y 180 °). con muescas angulares para facilitar la proyección de hoja de láser y hacer la velocidad del flujo secundario de la sección transversal plana. Los pasos del protocolo se refieren a medidas adquiridas para la ubicación 90 °. Si la hoja de láser se coloca a 45 ° ubicación, la cámara se coloca en el lugar 135 ° para obtener acceso óptico para flujo secundario measurements en el lugar de 45 °.

    Nota: El siguiente procedimiento es generalizado y no puede incluir términos genéricos para la adquisición de imágenes y software de procesamiento de correos y el software de control de instrumento utilizado (ver Lista de Materiales). Otros paquetes de imagen y de adquisición de datos disponibles también se pueden utilizar en el protocolo.

    1. Encienda el láser utilizando los interruptores ON / OFF situado en la fuente de energía láser. Iluminar un pequeño trozo de papel para visualizar la hoja de láser. Ajuste el espesor de la lámina de láser (de aproximadamente 2 mm) visualmente, girando la hoja de láser óptica de enfoque situados en la fuente de láser.
    2. Coloque la hoja de láser a lo largo de la región de medición 90 ° de manera que la hoja es perpendicular a la mesa óptica. Coloque la cámara cerca de la ubicación 0 ° o 180 ° para obtener acceso óptico de la vista en sección transversal iluminado por la lámina de láser.
    3. Alinear láser y la cámara utilizando el software de procesamiento de adquisición de imágenes y de destino para compensarel campo de visión de la cámara para capturar suficientemente la imagen de la sección transversal circular de la arteria curvada (véase la figura 3A) y la reducción de la distorsión de partículas. Realizar la alineación por "ensayo y error" mediante la inspección de la imagen generada por el software del campo de visión. Apagar el láser utilizando los interruptores de control situados en la fuente de energía láser y asegurarse de que la cámara se enciende con la tapa del objetivo eliminado.
    4. Iniciar la adquisición de imágenes y software de post-procesamiento en el equipo de adquisición de datos PIV e inicie sesión como "usuario experto". Crear un nuevo proyecto en el menú archivo, especifique un "Nombre del proyecto" y la opción "PIV" seleccione el marco del "Tipo de proyecto '. Seleccione "Nuevo" en el menú archivo para iniciar una nueva sesión de grabación de PIV. Seleccione "Dispositivo" en la sección "Configuración" en la adquisición de imágenes y software de procesamiento posterior.
    5. Navegue a la caja de diálogo 'Grabación' en la pantalla,activar la casilla de verificación "Cámara 1" y seleccione "Single Frame (T1A) 'opción. 'Botón de opción' Seleccionar láser para estar en ON en los ajustes del software de procesamiento de adquisición de imágenes y postales. Activar el modo de alimentación externa de la fuente de potencia del láser pulsando 'EXT' y 'interruptores de alta potencia' ubicados en la fuente de energía láser.
    6. Seleccione 'Grab' en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post para comenzar a adquirir imágenes PIV observar en la pantalla del ordenador. Mover la cámara con ligeros ajustes manuales en la mesa óptica y ajustar el enfoque para optimizar la ubicación de la cámara para maximizar el campo de visión, reducir la borrosidad y distorsión de la imagen.
    7. Seleccione el botón de radio 'Stop' de la configuración de software de adquisición de imágenes y el procesamiento posterior de cesar la adquisición de datos de PIV y no hacen más ajustes de la cámara. El procedimiento de alineación se completa en esta etapa.
      Nota: Los pulsos de láser en esta etapa son controladas por la imagensoftware de adquisición y el procesamiento posterior y se puede controlar aún más mediante la variación de la frecuencia de sincronización, o bien 'Exposición' en la configuración del software. El láser se detendrá automáticamente, ya que está controlada por la adquisición de imágenes y el software de procesamiento posterior. No cierre el software de procesamiento de adquisición de imágenes y puesto como el proyecto actual se utilizará para adquirir datos de PIV en los pasos que siguen.
    8. Adquirir imágenes de los campos de flujo secundarias que utilizan el sistema PIV-2C 2D siguiendo los pasos a continuación para asegurar que los datos de fase de PIV-sabia se generan utilizando impulsos de activación temporal del ordenador de control de instrumentos de la bomba que se sincronizan con el láser de pulso dual y cámara.
      Nota: La bomba programable está conectado al ordenador de control de instrumentos de la bomba y es controlada por el programa de software de control de instrumentos. Los pasos que siguen implican la creación de módulos de control de software en el ordenador usando PIV la adquisición de imágenes y después de la elaboración y la bomba equipo de control de instrumentos nosing software de control de instrumentos.
      1. Encienda la bomba programable mediante el interruptor ON / OFF situado en la bomba. El lanzamiento del programa de control de instrumentos en el equipo de control de instrumentos de la bomba.
      2. Cargar el archivo de texto que tiene los valores de la forma de onda de tensión-tiempo con un gatillo de referencia (t / T = 0), que representa la (arteria carótida) fisiológica forma de onda de velocidad de flujo en el software de control de instrumentos el mantenimiento de un número de Womersley fisiológico La ecuación 41 y, Reynolds máximo La ecuación 42 y Dean La ecuación 43 números (Figura 4A).
      3. Set 'Amplitud' a 1 (voltios), 'DC offset' a 0 (voltios), 'Número de pasos de tiempo' de 1000 y 'Periodo de tiempo' a 4 (segundos) en la pantalla de la interfaz del software de control del instrumento.
      4. Confirmar que el polo externomodo de r de la fuente de potencia del láser en el paso 4.5, todavía está activado. Pulse 'EXT' y 'alta energía' interruptores situados en la fuente de potencia del láser, si es necesario.
      5. Seleccionar una unidad más después de hacer clic en "Nueva grabación" en la sección "Configuración" en la adquisición de imágenes y software de procesamiento posterior. Navegue hasta la caja de diálogo 'grabación' en la adquisición de imágenes y software de procesamiento posterior (equipo PIV), activar 'la cámara 1' casilla de verificación y seleccione 'del marco doble (T1A + T1B)' opción para configurar el láser para disparar en el pulso dual modo.
      6. Seleccionar la opción 'Momento' en el cuadro de diálogo 'Grabación' en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y registro, seleccione "Fuente de disparo 'y la puso a' disparador cíclico externa 'para sincronizar con gatillo señales desde el módulo de control de instrumentos de la bomba. Seleccione 'Aquisit' en la sección "Configuración" en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post para sel establecimiento de la tarta hasta la adquisición de PIV.
      7. Vaya a la caja de diálogo "secuencia de grabación" en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post. Añadir una subcategoría 'recorrido de tabla "en" secuencia de grabación con el uso de la ficha correspondiente proporcionada en la interfaz de software. Rellenar la tabla creado usando 'recorrido de tabla Editar', 'Anexar Scan' y los valores de tiempo de entrada a partir de 0 milisegundos y terminando con 4.000 milisegundos en intervalos de 40 milisegundos. Dt-valores de entrada correspondientes a cada entrada en la tabla de tiempo. Presione "Enter" en el teclado después de cada valor introducido.
      8. Vaya a la caja de diálogo "secuencia de grabación" en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post. Añadir subcategoría 'Adquisición de imágenes "en" exploración de tabla' creado en el paso 4.8.7. En la opción '' Número de imágenes a 200, active la casilla de verificación "Mostrar imágenes durante la grabación" y seleccione "Iniciar de inmediato '.
      9. select 'Dispositivo' en la sección 'Configuración' y confirme que el láser está ajustado a "ON" con los ajustes de potencia adecuados. Navegue a 'láser de control' para confirmar. El sistema de PIV está ahora listo para la adquisición de datos.
      10. Seleccione el botón "RUN" en la interfaz de software de control de instrumentos en el equipo de control de instrumentos de la bomba para suministrar fluido al experimento utilizando las entradas proporcionadas en el paso 4.8.2-4.8.3 junto con un impulso de disparo cada 4 segundos.
      11. Seleccione "Iniciar grabación" para la adquisición de las mediciones de fase a gota utilizando disparador de señal del control de instrumentos de la bomba hasta que el número predeterminado de campos de velocidad de superficie (200, adecuada para alcanzar la convergencia estadística 5, 6, 31, 32) en cada instante de tiempo establecido en el recorrido de tabla (ver paso 4.8.7) en la posición 90 ° se hace.
      12. Presione "Stop" de la fuente de potencia del láser una vez que la grabación se realiza. Apagar la bomba y la cámara, y colocar la lente de la cámara cover. Seleccione el botón "Stop" de radio en la interfaz de software de control de instrumentos en el equipo de control de instrumentos de la bomba.
      13. inspeccione visualmente montaje experimental para calibrar el nivel de fugas, se reúnen el sulfato, si es necesario, para asegurar que todos los dispositivos se han apagado o se puede dejar en espera, según sea el caso. Cierre la sesión de grabación en el software de procesamiento de adquisición de imágenes y post.

    5. Detectar estructuras coherentes de flujo secundario

    Nota: Utilice el software de adquisición de imágenes y procesamiento de correos y un conjunto de funciones de línea de comandos (caja de herramientas basadas en MATLAB, PIVMat 3.01) para importar, post-procesamiento y análisis de los campos 2- componentes vectoriales del sistema PIV 5, 6, 33.

    1. Crear una máscara que abarca la geometría es decir, flujo interno, la zona circular, plana en sección transversal.
      1. Seleccione el proyecto creado en el paso 4.4, que ahora tiene los datos adquiridos en cada PIVinstancia de tiempo especificado en el paso 4.8.7. Además, seleccione todos los datos en el cuadro de diálogo que contiene el conjunto completo de datos de PIV.
      2. Siga las instrucciones en el "Archivo Código Suplementario - la creación de una máscara".
    2. Crear una rutina de procesamiento posterior seleccionando el icono 'lotes' en el menú archivo en la ventana del proyecto, mientras que algunos conjunto de datos PIV se selecciona de forma predeterminada. Un cuadro de diálogo con una 'Operación lista' aparecerá que debe completarse en el mismo orden que se menciona en el siguiente paso.
      1. Siga las instrucciones en el "Archivo Código Suplementario - la creación de una rutina de post-procesamiento".
    3. campos de fase promediada de cómputo y RMS de velocidad de flujo secundario, y vorticidad.
      1. Seleccionar las «estadísticas vector: vector de resultado de campo 'operación de' estadísticas 'del grupo y haga clic en' Parámetros 'en el cuadro de diálogo. Activar 'V Media' y 'V RMS' casillas de verificación under la sección '' Los campos vectoriales. Seleccione la operación 'rot-z Eyx - Exy' del grupo 'extraer campo escalar: rotación y cizalladura' para determinar la vorticidad de dos dimensiones en la sección transversal plana.
    4. Comience posterior procesamiento de los datos completos de PIV y generar magnitudes de fase promediada de la velocidad, la velocidad RMS, vorticidad y la fuerza con remolinos de operaciones creados en los pasos 5.3 y 5.4.
      1. 'Haga clic' sobre cualquier dato de PIV bajo la ventana de proyecto, seleccione 'HYPERLOOP> Todos los conjuntos', y seleccione la opción "Añadir todo" bajo el título «fija disponible: 'sección para asegurarse de que se selecciona todo el conjunto de datos de PIV.
      2. Seleccione 'Parámetros' en el menú desplegable bajo el "Filtro: 'sección. Seleccione la opción "procesamiento por lotes" bajo la "Operación: 'sección. Haga clic en "Ejecutar" para iniciar el procesamiento posterior 'Hyperloop' de los datos de PIV.
    5. remolino de cómputofuerza La ecuación 44 campos) para detectar estructuras de flujo secundarias utilizando el software de adquisición de imágenes y procesamiento posterior. Seleccione la operación 'remolinos de la fuerza' del grupo 'extraer campo escalar: rotación y cizalladura'.
      1. Repita los pasos 5.4.1-5.4.2 para ejecutar el procesamiento posterior 'Hyperloop'.
    6. Detectar estructuras coherentes por La ecuación 45 y transformada wavelet continua en el campo de vorticidad La ecuación 46 mediante la creación de funciones de MATLAB definidos por el usuario y el uso de funciones de MATLAB basadas en 3,01 PIVmat (Ver "Archivo Suplementario Código - códigos de MATLAB", por ejemplo el código).
      1. Generar una matriz 2D de los datos de la siguiente ecuación que representa una wavelet 2D Ricker inicializando el factor de escala La ecuación 47 en la ecuación. 13 a un valor arbitrario (Ver "Archivo Código Suplementario - códigos de MATLAB").
        La ecuación 48
      2. Realizar convolución bidimensional de Fourier o la multiplicación de la vorticidad Ecuación 9 los datos procedentes de la etapa 5.4, con función wavelet 2D Ricker (Ec. 13) para generar transformada wavelet campo de vorticidad La ecuación 46 en el factor de escala inicializado La ecuación 47 . (Ver "Código Suplementario Archivo - códigos de MATLAB").
      3. Calcular la entropía de Shannon La ecuación 49 del campo de vorticidad transformada wavelet La ecuación 46 representado por la ecuación. 14 (Ver "Archivo Código Suplementario - códigos de MATLAB").
        La ecuación 50
      4. Cambiar el factor de escala para La ecuación 51 y generar una nueva matriz 2D de datos que representan la wavelet 2D Ricker (Ec. 13) (véase la Figura 6).
      5. Repetir los pasos 5.6.1 - 5.6.4, para una gran variedad de factores de escala ( La ecuación 52 , Ver bucle de retroalimentación en la Figura 6.
      6. Crear un gráfico de la entropía de Shannon La ecuación 53 vs factor de escala wavelet La ecuación 47 en el paso 5.6.5 (véase la Figura 6). Localizar una escala de onda óptima La ecuación 47 , Por lo general corresponde a un mínimo local en la entropía de Shannon La ecuación 49 . Repita el paso 5.6.4 en la escala óptima de ondas (SEe entropía de Shannon vs gráfico en escala wavelet en la Figura 6).
      7. Crear un gráfico de contorno de la transformada wavelet vorticidad La ecuación 46 en el factor de escala wavelet correspondiente al valor óptimo de la entropía de Shannon La ecuación 53 .

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    Representative Results

    Los resultados presentados en la Figura 7A-D fueron generados después de los datos de velocidad de procesamiento de poste de flujo secundario (véanse las figuras 5, 6) adquirido de sistema de 2C-2D PIV muestra en la Figura 3A. La condición de flujo de entrada suministrada a la sección de prueba de la arteria curvada con una fractura "Tipo IV" stent idealizada era la forma de onda de la arteria carótida se muestra en la Figura 4B. Nuestros estudios previos han demostrado la sensibilidad de las estructuras de flujo secundarias a las condiciones de deceleración en una variedad de formas de onda de flujo de entrada pulsátiles dentro de un cierto rango de números de Womersley La ecuación 55 4 - 6. En consecuencia, los instantes de tiempo La ecuación 56 de los resultados presentados en la Figura 7A-D, se escogieron para corresponder a la fase de desaceleración sistólica de la entrada de la arteria carótida waveform. estructuras de flujo secundarias coherentes de diferentes características de tamaño resistencia-morfológica se presentan en diversas secciones transversales planas La ecuación 57 como se muestra en la Figura 7A-D. coherentes las estructuras de flujo secundarias a gran escala que surgieron en la sección de prueba de la arteria curvada se han clasificado como Dean-deformado, Lyne- y vórtices de tipo de pared (DLW). Típicamente, los vórtices DLW evolucionan durante la fase de aceleración sistólica. Durante la fase de desaceleración sistólica, estructuras DLW experimentan una pérdida atípico en la coherencia, la asimetría y, los cambios en las posiciones de torbellino, tamaños y morfologías fortalezas. La siguiente es una descripción de los resultados presentados en la Figura 7A-D:

    A La ecuación 58 ubicación (Figura 7A): Un solo par de simétrico, coherente, deformavórtices de Dean (D) se observan en el La ecuación 59 Campos T / T = 0,23 y 0,27. Estos vórtices de tipo D parecen traducir hacia la pared exterior durante la desaceleración. Q-campos presente cepa y los patrones de corte dominada en t / T = 0,23, además de vórtices de tipo D. Como un posible efecto de desaceleración en t / T = 0,27, una reducción en la resistencia de los vórtices de tipo D y campos de flujo cerca de la pared de deformación dominado se observa. morfologías de flujo secundarias Multi-escala, además de la de tipo D se detectan en los campos de vorticidad transformada wavelet La ecuación 60 lo que indica la presencia de varios patrones de torbellino de deformación dominada.

    A La ecuación 61 ubicación (Figura 7B): Una transición de un par de D-vórtices en el La ecuación 62 campos. Como se desprende de las magnitudes de remolinos de los puntos fuertes, los vórtices de tipo L y W- tienen circulación más alta que los vórtices de tipo D. perturbaciones de flujo que emanan del stent en el fracturado La ecuación 62 ubicación probable que han contribuido a la formación de vórtices DLW. El efecto de la desaceleración se observa como la reducción de la fuerza en L y de tipo W vórtices. Existe una buena concordancia en la localización de estructuras coherentes DLW a gran escala entre el La ecuación 63 y La ecuación 59 campos. morfologías de flujo secundarias adicionales de menor escala se detectan en el "Ecuación

    A La ecuación 64 ubicación (Figura 7C): La ecuación 59 campo en t / T = 0,23 indica la pérdida de vórtices de tipo L y la presencia de D- alargada y de tipo W vórtices. En t / t = 0,27 hay una pérdida de remolinos de fuerza en tanto D- y de tipo W vórtices. El efecto de la desaceleración se indica por la asimetría de las estructuras de torbellino observado en el La ecuación 63 campo. Junto con la presencia de alargado de tipo D de vórtices se observó una multitud de vórtices de tipo W pequeña escala. Q-campos indican la presencia de cizallamiento dominado casi pared regiones t sombrero son indicativos de una mayor inestabilidad de las perturbaciones de flujo de fractura inducida por stent.

    A La ecuación 65 ubicación (Figura 7D): La ecuación 59 campo en t / t = 0,23, dispone de estructuras DLW débiles. Debido al efecto de deceleración del flujo estas estructuras DLW tienden a reducir más a fondo en t / T = 0,27. La pérdida en el flujo de cizallamiento cerca de la pared se observa en las Q-campos de ambas instancias de tiempo. En t / t = 0,23, La ecuación 63 campo muestra que la D-vórtices se encuentran más cerca de la pared interior junto con vórtices de tipo W multi-escala y estructuras de deformación dominada circundantes de acuerdo con la correspondiente La ecuación 59 campo.51288eq63.jpg> campo / "muestra claramente una pérdida de coherencia en las estructuras DLW y la asimetría de ambas instancias de tiempo mientras La ecuación 66 campos no captan ese fenómeno.

    Inferencias generales después de la ejecución con éxito del Protocolo El La ecuación 67 detectado estructuras de flujo secundarias a gran escala y sus morfologías cambiantes de flujo. La ecuación 68 áreas detectadas de alta velocidad de deformación que normalmente se encuentran en las regiones cercanas a la pared. algoritmo de la transformada wavelet continua detecta las estructuras de flujo secundarias a gran escala en buen acuerdo con unthresholded La ecuación 67 . La onda del núcleo 2D Ricker, además, resuelve varios de baja circulación, de escala múltiple morpholo flujo secundario gías que no se habían detectado con La ecuación 69 y unthresholded La ecuación 70 . Una combinación de estos tres métricas identifica de manera integral de vórtice de flujo secundaria y estructuras de deformación dominada.

    Figura 1
    Figura 1. Diseño, fabricación e instalación de stents rectas y curvas. (A) modelo de CAD de la configuración de stent recto usando una combinación de hélices izquierda y derecha de giro. (B) modelo CAD de configuración de stent curvado. La impresora (C) 3D utilizado para la fabricación de los stents. (D) y (E) stents rectas y curvas después de la impresión 3D. (F) Los stents instalados en la sección de prueba de la arteria curvada 180 °.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    Figura 2
    . Figura 2. Dibujo esquemático del sistema de imágenes de partículas velocimetría (PIV) el siguiente sistema de componentes se indican: 1. láser Nd-YAG con óptica para producir una lámina de láser y 2. cámara CCD que está controlado por la adquisición de datos PIV- ordenador ordenador, control de instrumentos 3. la bomba que proporciona la forma de onda de tensión-tiempo a la bomba y la sincronización activa al ordenador de adquisición de PIV-datos, 4. bomba de engranajes programable que produce velocidades de flujo fisiológicas, 5. un bucle cerrado, la sección de prueba experimental que tiene tuberías de entrada y de salida, 180 ° sección de prueba de la arteria curvada y un depósito para la sangre-líquido analógica. Recuadro: Varios planos secciones transversales donde las mediciones de PIV pueden serhecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    figura 3
    Figura 3. disposición experimental de PIV-sistema con la ubicación de instalación de stent. (A) disposición del sistema de PIV en la mesa óptica con varios sistemas-componentes. (B) Esquema de la sección de prueba de la arteria curvada 180 ° con las dimensiones importantes, la ubicación del stent recto y curvo que encarnan de la 'Tipo IV' fractura del stent y espaciamiento entre las partes del stent fracturados (d espacio). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


    Figura 4. forma de onda fisiológica producida por la bomba programable que posee las características de características tales como sistólica máxima en el momento t / T = 0,19. (A) Caudal (ml / s) medida corriente arriba de la sección de prueba de la arteria curvada 180 ° durante 20 ciclos de forma de onda . (B) de flujo de forma de onda tasa con las desviaciones estándar en cada caso de tiempo medido más de 20 ciclos de forma de onda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    Figura 5
    Figura 5. Secuencia de mediciones de PIV y detección de estructuras secundarias de flujo en la sección de prueba de la arteria curvada 180 °. (A >) Generación de datos de campo de velocidad de flujo secundarias utilizando la técnica PIV través de la sincronización de gatillo producido por el equipo de control de instrumentos de la bomba. (B) Secuencia de post-procesamiento utilizando los datos de campo de flujo secundarias mediante el tratamiento de las imágenes pixeladas (o matrices) para Q y λ ci -. Criterios y vorticidad wavelet transformada (Ω ') Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    Figura 6
    Figura 6. Representación algorítmica de transformada wavelet continua enfoque para la detección arterial secundaria estructura de flujo Insets:. 2D-Ricker wavelet en una escala arbitraria (ℓ), un ejemplo de campo de vorticidad 2D, la variación de entropía de Shannon con escala wavelet (ℓ). com / archivos / ftp_upload / 51288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    Figura 7
    . Figura 7. Las estructuras secundarias de flujo en la sección de prueba de la arteria curvada 180 ° a los 45 °, 90 °, 135 ° y 180 ° ubicaciones planas e instancias de tiempo, t / t = 0,23, 0,27, durante la desaceleración sistólica Inserciones: Dibujo esquemático que representa los lugares de medición, comparación de Q y λ CI - criterios, y vorticidad wavelet transformada (Ω ') campos de datos en cada uno de los lugares e instancias planas durante la deceleración sistólica, colorbars que indica el rango de valores de adquiridos por Q y de ci λ - criterios, y vorticidad wavelet transformada (Ω ') de datos y su interpretación. pg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    Parámetro La ecuación no. valor inicializado Categoría de modelo de stent Descripción
    θ = 360 n gira t 1 n = 4 vueltas Derecho; Curvo Número de espiras de la hélice
    (n gira)
    Tabla 1 Ecuación 1 2 pitch = 22.225 mm por vuelta Derecho; Curvo Paso de la hélice
    (tono)
    capaces 1 Ecuación 2 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288tbl2.jpg "/> 3 D = 11,84 mm Derecho Diámetro nominal del stent
    (D)
    Tabla 1 La ecuación 3 4 D = 11,84 mm Derecho Diámetro nominal del stent
    (D)
    Tabla 1 Ecuación 5 5 pitch = 22.225 mm por vuelta Derecho Paso de la hélice
    (Tono)
    Duración del modelo de endoprótesis recta (z)
    Tabla 1 La ecuación 6 6 l7.jpg "/> Curvo Radio del modelo de arteria curvada 180 °
    R arco
    β = 180 t 7 β = 45 Curvo Ángulo subtendido por el stent curvado en el centro de curvatura
    alambre d - d = alambre de 0,85 mm Derecho; Curvo Diámetro del puntal de stent
    L = z recta - L = 88,9 mm recta Derecho Duración del modelo de stent recta

    Tabla 1. Las ecuaciones paramétricas de valores de los parámetros hélices izquierda y derecha y, inicializado.

    lways "> Los disolventes químicos y Reactivos Fórmula química Densidad a 20 ° C
    (g / cm 3)
    Índice de refracción Viscosidad cinemática
    (2 m / seg) x 10 -6
    Formar Número de registro CAS yoduro de sodio NaI 3.67 1.7745 - Cristalino 7681-82-5 Glicerol C 3 H 8 O 3 1.262 1.4746 ≈1115 una Líquido 56-81-5 Agua desionizada H2O 1 1,333 1.002 Líquido - Sodioanhidro tiosulfato Na 2 O 3 S 2 1.01 - - Polvo 7772-98-7 un mediciones reportadas por Segur y Oberstar 16

    Tabla 2. Descripción de disolventes químicos y los reactivos utilizados en la creación de la solución de sangre-analógico.

    Parámetro La ecuación no. Descripción Equipos de laboratorio sugerido
    Tabla 3 La ecuación 100 8 Densidad de la solución de yoduro de sodio saturado (NaI) se calcula mediante la medición de la masa del por lolución y el volumen añadido en pequeñas cantidades a un vaso de precipitados de 50 ml. 1. Vaso (50 ml)
    2. Báscula
    3. Graduado o una pipeta volumétrica
    Tabla 3 La ecuación 101 9 Volumen de todo el lote de solución de yoduro de sodio saturado preparado 1. Cubilete con una solución saturada de NaI (2.000 ml)
    2. Ensayos de Seguridad
    Tabla 3 La ecuación 102 10 El volumen total de la solución de análogo de sangre esperado después de preparación de la solución volumétrica 1. Vaso con una solución saturada de NaI (2.000 ml) a la mezcla con glicerina y agua DI.
    2. Ensayos de Seguridad
    Tabla 3 La ecuación 103 11 Volumen total de glicerol que se añade a la solución de yoduro de sodio saturado 1. Cubilete con una solución saturada de NaI (2.000 ml)
    2. Ensayos de Seguridad
    3. Vaso (100 ml) para transferir glicerol a una solución saturada de NaI
    Tabla 3 La ecuación 104 12 Volumen total de agua DI que se añade a la solución de NaI saturado y glicerol 1. Graduado o una pipeta volumétrica para transferir agua DI a la solución saturada de NaI y glicerol

    Tabla 3. Tabla de cálculos de porcentaje por volumen de solución de sangre analógico: 79% NaI, glicerol al 20% y 1% de agua DI.

    Especificación del sistema PIV Geometría o valor característico Descripción
    geometría Flow Los de sección circular en paralelo a la hoja de la luz sección de prueba de la arteria curvada
    Máxima en el plano de velocidad 0,16 m s-1 escala de velocidad de flujo secundario
    Tamaño de la imagen x 1.376 píxeles Y 1.040 pixeles PIV cámara CCD Tamaño de la matriz
    Intervalo de tiempo entre pulsos de láser (Dt) 600 - 3.200 microsegundos De entrada en el software de adquisición de imágenes PIV (Davis 7.2)
    número final de vectores x 86, y 65 La producción de PIV de post-procesamiento de datos (Davis 7.2)

    Tabla 4. Especificaciones de los dos-COMPONent, de dos dimensiones (2D-2C) Sistema de PIV.

    suplemento 1
    Archivo Código Suplementario 1. Creación de una máscara. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

    suplemento 2
    Código Suplementario Archivo 2. Creación de una rutina de post-procesamiento. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

    suplemento 3
    Código Suplementario File. 3: códigos de MATLAB Haga clic aquí para descargar este archivo.

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    Discussion

    El protocolo presentado en este documento se describe la adquisición de alta fidelidad datos experimentales utilizando la técnica de velocimetría de imágenes de partículas (PIV) y métodos de detección estructura coherente, a saber., La transformada continua, Ecuación 1 , Adecuado para la identificación de vórtice y los flujos de cizalla dominada. Análisis de los datos experimentales de los flujos fisiológicos en la presencia de una fractura idealizada "Tipo IV" revela que las estructuras de flujo secundarias con efectos hidrodinámicos complicados como asimetría estructura de flujo y la variación en la distribución de espacio-temporal que no se pueden predecir a partir de las teorías de dinámica de fluidos simples.

    Hay cuatro pasos críticos en la ejecución de este protocolo es decir., (I) Diseño y fabricación de modelos a escala de laboratorio de stent, (ii) Preparación de un fluido de trabajo análogo de la sangre emparejado con viscosidad cinemática de sangre y REFRACíndice tiva del modelo de arteria curvada, (iii) no invasiva disposición experimental (2C-2D PIV) y (iv) los métodos de detección avanzada estructura coherente para la identificación de patrones de flujo de la sangre arterial.

    Número Womersley es un parámetro adimensional que relaciona la frecuencia flujo pulsátil a los efectos viscosos 7. número de Reynolds se refiere fuerzas de inercia a las fuerzas de flujo viscoso. Número Dean refiere fuerzas centrípetas que surgen en el flujo a través de tuberías curvadas a inerciales y fuerzas viscosas 1, 2. Detalles relativos a la escala de la forma de onda fisiológica con números Womersley y Reynolds se presentan en 5, 6. La forma de onda de entrada utilizado en este estudio fue reconstruido a partir de mediciones de la velocidad del flujo de la arteria carótida arquetípicas (promedio) de 17-20 pacientes sanos por Holdworth et al., 15. Las tuberías que conducen a la sección de prueba de la arteria curva son lo suficientemente largos para permitir el flujo a estar completamente desarrollada de tal manera que el flujo pulsátil condiciones en la entrada de la sección de prueba de la arteria curvada están en fase con la bomba (figuras 3a, 3b y 4a). Repetibilidad de forma de onda fisiológica suministrado se aseguró al hacer mediciones de PIV axiales de velocidad de flujo y la velocidad mayor de aguas arriba a la arteria modelo utilizando un sistema de 2C-2D PIV (ver Fig. 4b).

    Los estímulos hidrodinámicas de la hemodinámica arterial hacia las complicaciones clínicas antes mencionadas no son bien conocidos. Flujos fisiológicos que implican stent y el stent-fracturas plantean complejidades para in vivo y en las mediciones in vitro. El protocolo presentado en este documento puede modificarse para incluir el cumplimiento en las tuberías para estudiar la influencia de las estructuras de flujo secundarias arteriales en escenarios de flujo no ideal y más realistas. Tales experimentos se plantean retos adicionales en la medición y post-tratamiento de los datos. El uso de técnicas de estereotipos o tomográfica-PIV, capaz de mapeo veloci tridimensionalty campos pueden mejorar significativamente nuestra comprensión de la dinámica de las estructuras de flujo secundarias.

    Las limitaciones de la disposición experimental se encuentran en la resolución de la falta en el corto pared (modelo lumen de la arteria) regiones y la falta de acceso óptico para el flujo de sangre dentro de las regiones de stent implantado. Estas limitaciones sin embargo, plantean elegantes extensiones del protocolo presentado. El uso de material ópticamente transparente para la impresión en 3D de los stents, geometrías arteriales realistas y específicos para cada paciente permitiría un acceso sin precedentes a la hemodinámica del stent-implantes y endoprótesis-fracturados.

    Un resultado extendida del protocolo presentado en este documento se refiere a la selección de la "mejor" escala wavelet para la detección estructura coherente. Los pasos 5.6.3 - 5.6.7 son una propuesta de solución al problema de la "mejor" escala wavelet (función o base) en la detección de estructura coherente. Los autores encontraron que, tras los pasos 5.6.3 - 5.6.7 determinaciónd todas las estructuras coherentes a gran escala y, además, que se detectó estructuras coherentes de menor escala que no se habían detectado hasta ahora en curvas experimentos modelo arteria. Los autores sugieren Ref. 34, 35 en el que la entropía de Shannon se utiliza para evaluar la "mejor" base en un paquete transformada wavelet discreta algoritmo (DWPT) hacia la detección de estructuras coherentes en un experimento de flujo turbulento. Para más información sobre el enfoque perteneciente a un algoritmo de la transformada wavelet continua, los autores sugieren Ref. 5, 6, 35 y las referencias citadas en el mismo.

    La incidencia de fracturas en los implantes de stent y perturbaciones de flujo concomitantes resultan en estructuras de flujo secundarias con morfologías, multi-escala complejas y diferentes características de tamaño de resistencia. Importancia de las metodologías como la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) en combinación con la detección de estructura coherente en especial, la transformada permite la resolución de escala múltiple, multi-resistencia secondarestructuras de flujo Y mediante stent y escenarios de flujos inducidos por el stent de la fractura. El protocolo presentado en este documento allana el camino para la investigación de las complicaciones médicas tales como la reestenosis en el stent (ISR), trombosis del stent y la formación de aneurismas 8, 11 - 14 de debido a las corrientes secundarias. Además, los patrones de flujo de torbellino secundarias encontradas en las regiones centrales tenderán a afectar el tiempo de movimiento y la exposición de las partículas transmitidas por la sangre, como plaquetas, sensibilizarlos para la activación a la trombosis. próxima a la pared (lumen) estructuras de flujo secundario de tensión dominada en última instancia, influir en la tensión de cizallamiento que está estrechamente relacionado con la aterogénesis, especialmente en las curvaturas arteriales.

    Los procedimientos analíticos para predecir las estructuras de flujo secundario (torbellino) son complicados, que requieren las ecuaciones de Navier-Stokes en coordenadas toroidales y teorías asintóticas 1 -. 3, 7 Una combinación de experimentos y métodos de análisis de orden superior promoverá nuevos conocimientos sobrela hemodinámica de las arterias curvadas propensos a diversas enfermedades cardiovasculares y complicaciones clínicas asociadas con los implantes de stent y fracturas del stent.

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    Disclosures

    No hay conflictos de interés declarado.

    Acknowledgments

    Los autores reconocen el apoyo de NSF subvención CBET-0909678 y la financiación del Centro de Biomimética GW y Bioinspirada Ingeniería (COBRE). Agradecemos a los estudiantes, el Sr. Christopher Popma, Sra. Leanne Penna, la Sra Shannon Callahan, el Sr. Shadman Hussain, Mohammed R. NAJJARI, y la Sra. Jessica Hinke en busca de ayuda en el laboratorio y el Sr. Mathieu Barraja destinados a contribuir a dibujos CAD.

    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. 

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    References

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    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).

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