Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Experimenteel onderzoek van secundaire Flow Structures Stroomafwaarts van een Model Type IV Stent Niet in een 180 ° Gebogen Artery proefvak

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

Abstract

De arteriële netwerk in het menselijke vaatstelsel bestaat uit alom aanwezige bloedvaten met complexe geometrieën (takken, krommingen en kronkeligheid). Secundaire stroom structuren wervelstroom patronen die liggen in gebogen bloedvaten vanwege de gecombineerde werking van centrifugaalkrachten, ongunstige drukgradiënten en instroom kenmerken. Dergelijke stroom morfologieën worden sterk beïnvloed door pulseren en meerdere harmonischen fysiologische instroomcondities en variëren sterk in grootte-sterkte-vormkenmerken in vergelijking met niet-fysiologische (stabiele en oscillerende) stroomt 1-7.

Secundaire stroom structuren kunnen uiteindelijk van invloed op de muur shear stress en de belichtingstijd van bloedoverdraagbare deeltjes in de richting van progressie van atherosclerose, restenose, sensibilisatie van bloedplaatjes en trombose 4-6, 8-13 Daarom is het vermogen onder laboratoriumomstandigheden op te sporen en te karakteriseren deze structuren. -gecontroleerde voorwaarden is precursof klinisch onderzoek te bevorderen.

Een veel voorkomende chirurgische behandeling van atherosclerose is stent implantatie, om de openstelling van vernauwde slagaders voor onbelemmerde bloeddoorstroming. Maar de gelijktijdige stroom verstoringen door stent installaties leiden meerschalige secundaire aanvoer morfologieën 4 -. 6 geleidelijk hogere orde complexiteiten zoals asymmetrie en verlies van samenhang kan worden geïnduceerd door daaropvolgende stent storingen ten opzichte van die onder onverstoord stromen 5. Deze stent storingen zijn geclassificeerd als "type I naar IV" betreft het feit overwegingen en klinische ernst 14.

Deze studie geeft een protocol voor het experimentele onderzoek naar de complexe secundaire stroom structuren te wijten aan dwarse stent breuk en lineaire verplaatsing van gebroken onderdelen ( "Type IV") te voltooien in een gebogen slagader model. De experimentele methode houdt in de uitvoering van particle image velocimetry (2C-2D PIV) technieken met een archetypische halsslagader instroom golfvorm, een brekingsindex geëvenaard bloed-analoog werkende vloeistof voor-fase metingen op 15 -. 18 Kwantitatieve identificatie van secundaire stroom structuren werd bereikt met behulp van concepten van de stroom fysica, kritisch punt theorie en een roman 26 - wavelet algoritme toegepast op experimentele PIV data 5, 6, 19 transformeren.

Introduction

Secundaire stroom structuren zijn wervelstroom patronen die zich voordoen in de interne stroom geometrieën met krommingen zoals gebogen buizen en kanalen. Deze Vortex structuren ontstaan ​​als gevolg van de gecombineerde werking van centrifugale krachten, negatieve drukgradiënten en instroom karakteristieken. In het algemeen secundair stroom structuren verschijnen in vlakke dwarsdoorsneden van gebogen buizen als symmetrische Dean-achtige wervels onder constante instroom en, symmetrisch en Dean-Lyne-type draaikolken onder oscillerende instroom omstandigheden 1 -. Secundaire aanvoer morfologie 3 worden sterk beïnvloed door pulsatiliteit en meerdere harmonischen van pulserende, fysiologische instroomcondities. Deze structuren krijgen sterk verschillende grootte-sterkte-vormkenmerken in vergelijking met niet-fysiologische (stabiele en oscillerende) stroomt 1 -. 6 ontwikkeling van atherosclerose in de slagaders wordt beïnvloed door de aanwezigheid van hoogfrequente afschuiving oscillaties in regio's met lage gemiddelde afschuiving 27, 28

Een gemeenschappelijke behandeling van atherosclerose, een complicatie resulteert in vernauwing van bloedvaten door vernauwingen, is de implantatie van stents. Stent fracturen zijn constructiegebreken geïmplanteerde stents die leiden tot verdere medische complicaties zoals in-stent restenose (ISR), stent trombose en aneurysma 9 -. 13 Stent breuken zijn onderverdeeld in verschillende failure "types I tot IV", waarbij "type IV" karakteriseert de hoogste klinische ernst en wordt gedefinieerd als de totale dwarse breuk van stentsteunen met lineaire verplaatsingen van de stent 14 fragmenten. het protocol in dit onderzoek beschrijft een Experimental wijze van visualisatie van secundaire stroom structuren stroomafwaarts van een geïdealiseerde "Type IV" stent breuk in een gebogen slagader model.

De voorgestelde protocol heeft de volgende vier essentiële kenmerken:

Ontwerp en fabricage van laboratoriumschaal stent modellen: Geometrische beschrijving van stents kan worden gekoppeld aan een set van zelfexpanderende spiralen (veren of helices) verweven behulp Nitinol (een legering van nikkel en titanium) draad 29. De lengte van de stent en de steun diameter afhankelijk van de lengteschaal van arteriële lesies die tijdens klinische implantatie 5. Parametrische variatie van strut diameter en de opkomst van de wikkeling (of pitch) leidt tot stents van verschillende geometrische configuraties. Een samenvatting van de stent ontwerpparameters gekozen 3D printen worden in Tabel 1.

Opstelling van een bloed analoge werkende vloeistof geëvenaardmet kinematische viscositeit van het bloed en de brekingsindex van het testtraject: optische toegang tot het gebogen slagader proefvak is vereist om niet-invasieve snelheidsmetingen maken. Bijgevolg wordt een Newtoniaanse bloed lijkende werkfluïdum met de brekingsindex van de vasculaire model en idealiter een dynamische viscositeit, matching menselijk bloed gebruikt om accurate metingen van de bloedstroming 16 krijgen -. 18, 30 De werkfluïdum gebruikt in deze studie werd gerapporteerd door Deutsch et al. (2006), die bestaat uit 79% verzadigde natriumjodide (NaI), 20% zuiver glycerol en 1% water (vol) 16.

Proefopstelling voor de detectie van coherente secundaire stromingsstructuren behulp van een twee-component tweedimensionaal beeld particle velocimetry (2C-2D PIV): Experimenten werden ontworpen om fase gemiddelde secundaire stroomsnelheid te verwerven op verschillende vlakke dwarsdoorsnede locaties stroomafwaarts van een combinatie van straight en gebogen stent secties belichamen een geïdealiseerde "Type IV" stent fractuur 5, 6, 9, 14. Het protocol-stappen met betrekking tot de aankoop van tweede stroomsnelheid velden met behulp van particle image velocimetry (PIV) techniek betreft een PIV systeem dat bestaat uit een laser (lichtwaaier) bron, optica richten en verlichten de regio van stroom, een speciale kruiscorrelatie ladingsgekoppelde inrichting (CCD-sensor of camera) en tracer deeltjes worden door het licht plaat binnen een korte tijdsinterval (At zie Tabel 4) 31, 32.

De stappen in het protocol uitgegaan van de volgende: Ten eerste, een geijkte, experimentele set-up van een twee-componenten, tweedimensionale (2C-2D) PIV systeem dat beelden evalueert door dubbel-frame, single-exposure opnames. Ten tweede, de 2C-2D PIV systeem berekent de gemiddelde verplaatsingen van tracer deeltjes door het uitvoeren van cross-correlatie tussen twee beeld frames die tijdens elke opname. Een brief samenvatting van PIV specificaties en het beeld acquisitie software wordt gepresenteerd in de materialen en apparatuur tafel. Ten derde, alle veiligheidsmaatregelen die nodig zijn om de laser te bedienen worden gevolgd door geschoold laboratorium personeel volgens de door de gastinstelling richtlijnen. De auteurs suggereren Refs. 31 en 32 voor een holistisch inzicht in de uitvoering, de functionaliteit en de toepassing van de PIV techniek in de luchtvaart-, hydro- en Microfluïdieksysteem dynamiek, correlatiepiek opsporing en verplaatsing schatting, materiaal en de dichtheid van tracer deeltjes en meting lawaai en nauwkeurigheid. Merk ook op dat de laser en de camera kan worden geregeld door het PIV gegevensverwervingscomputer (figuur 3A) en data processing software.

Data-acquisitie en post-processing voor coherente structuur detectie:-Phase gemiddelde secundaire stroomsnelheid metingen met behulp van een 2C-2D PIV werden gegenereerd met behulp van het protocol beschrijving die volgt. Naproductie ing van de gegevens betrokken samenhangende secundaire aanvoer structuurdetectie met de volgende drie methoden: continue wavelet-transformaties, vergelijking 1 5, 6, 19-24, 26.

De auteurs constateren dat de snelheidsgradiënt tensor is in wezen een 3 x 3 matrix,
vergelijking 2 .

Het protocol stelt een werkwijze voor het verkrijgen tweedimensionale experimentele metingen (van 2C-2D PIV techniek). Daarom zal volledige experimentele toegang tot de snelheidsgradiënt tensor niet haalbaar met deze methode. De snelheidsgradiënt tensor voor elke pixel vergelijking 3 van het beeld de PIV vergelijking 4 zou een 2 x 2 matrix, vergelijking 5 . De z-component vorticiteitquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> voor elke pixel vergelijking 7 wordt berekend volgens het antisymmetrische deel van de snelheidsgradiënt tensor vergelijking 8 . Het resultaat zal een 2D-serie van vorticiteit zijn vergelijking 9 die kan worden gevisualiseerd in een contourgrafiek. De auteurs suggereren sterk Ref. 25 voor een welsprekende discussie experimentele toegang tot de snelheidsgradiënt tensor in de richting van het verbeteren van de kennis van vorticiteit dissipatie, stam tarieven en coherente structuur detectie. Bovendien hebben de auteurs niet proberen om de onderlinge relaties tussen de bovengenoemde samenhangende structuur detectiemethoden verkennen en suggereren Ref. 23, 24 voor een uitgebreide discussie over dat onderwerp.

De focus van de stappen in het protocol is de kwantitatieve identificatie van secundaire aanvoer (Vortex) structures (ook bekend als coherente structuren). Drie methoden van samenhangende structuur detectie nl. vergelijking 10 en wavelet getransformeerde vorticiteit vergelijking 11 worden toegepast snelheidsveld gegevens op de detectie van multi-schaal, multi-sterkte voorkomen van secundaire stromingsstructuren stroomafwaarts van het geïdealiseerde "type IV" stentbreuk.

De vergelijking 12 Definieert een vortex als ruimtelijk gebied waar de Euclidische norm van de vorticiteit tensor domineert dat het percentage van stam 19, 23, 24 .De snelheidsgradiënt matrix ontleed in symmetrische (reksnelheid) en antisymmetrische (rotatie) delen. Eigenwaarden van strain rate matrix worden berekend; vergelijking 13 . Norm van de mate van spanning wordt dan berekend; "Vergelijking ) Wordt dan berekend. De vergelijking 16 is eindelijk berekend; vergelijking 17 . Een contour plot van de gehele set van vergelijking 18 iso-regio vergelijking 19 , Zal aangeven secundaire aanvoer structuren 19.

De vergelijking 20 , Ook bekend als 'wervelende strength een vortex identificatiemethode uitgevoerd door kritische punt analyse van de lokale snelheidsgradiënt tensor en de bijbehorende eigenwaarden 20-24 worden berekend. De eigenwaarden moet van de vorm, vergelijking 22 . Een contour plot van vergelijking 23 iso-regio vergelijking 24 zal aangeven secundaire aanvoer structuren 20-22.

Wavelet transformatie werkwijze gebruikt analyserend functie (of wavelet) die gladheid heeft fysische en spectrale ruimten ontvankelijk (of heeft gemiddelde nul) en een eindige vergelijking 25 5, 6, 26. Door convolving een verwijde of gecontracteerd wavelet met een 2D vorticiteit veld, wavelet getransformeerd vorticiteit vergelijking 26 veld opgewekt comprising van coherente structuren met een breed scala van weegschalen en sterke punten 5, 6, 26. Shannon entropie van het wavelet-getransformeerde vorticiteit veld 2D wordt berekend in te schatten de optimale wavelet schaal waarop alle coherente structuren adequaat worden opgelost. Dit entropie schatting gaat om een ​​reeks van kansen vergelijking 27 voor elke pixel vergelijking 21 zoals dat vergelijking 28 De genormaliseerde kwadraat van de modulus vorticiteit geassocieerd met de pixel op locatie m, n 5, 6. De procedurestappen worden grafisch weergegeven in figuur 6. De beperkingen op de keuze van de wavelet worden gedetailleerd uiteengezet in Ref. 26. Dit protocol stap beschrijft de procedure voor coherente structuur detectie met behulp van een 2D-Ricker wavelet. De rechtvaardiging voor het gebruik van deze wavelet voor Vortex patroonherkenning wordt gepresenteerd in Ref. 5, 6 en de desbetreffende daarin aangehaalde referenties.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Ontwerp en fabricatie van Stent Models

Let op: De volgende stappen zijn gevolgd om laboratorium-schaalmodellen van rechte en gebogen stents te creëren. De installatie van de stent beide modellen een "type IV" breuk (fragmentatie en lineaire verplaatsing van gebroken stent delen) belichamen.

Opmerking: De auteurs gebruikten Pro / Engineer software ten tijde van het onderzoek voor het maken van CAD-modellen van de stent geometrie. De onderstaande procedure is gegeneraliseerd en mogen geen termen generiek voor de CAD-software gebruikt. Andere CAD pakketten beschikbaar kunnen ook worden gebruikt. De onderstaande stappen zijn van toepassing op de CAD software die de auteurs gebruikten ten tijde van het onderzoek en zijn op basis van de website van de fabrikant. Voor verdere beschrijving van de rapid prototyping machine die wordt gebruikt door de auteurs zien de Materials List. De parametrische vergelijkingen en geïnitialiseerd waarden voor stent ontwerpen worden gepresenteerd in Table 1 en Figuur 1D en 1E zijn voorbeelden van rechte en gebogen stent modellen na rapid prototyping.

  1. Maak een rechte stent geometrie door het definiëren van parametrische vergelijkingen en het initialiseren van parameters van de links en rechts helices in een cartesiaanse (XYZ) assenstelsel (tabel 1).
    1. Genereer een set van 10-equi afstand links draaien helices in een vlakke cirkelvormige reeks over een rechte lijn gegeven of z-as, met behulp van Eq. 1, 2, 3 en 5 getoond in Tabel 1, met geïnitialiseerde waarden aantal windingen
      ( vergelijking 29 ), Pitch, stent draaddikte ( vergelijking 30 ) En nominale diameter van de stent ( vergelijking 31 ) (Figuur 1A en tabel 1).
    2. Herhaal stap 1.1.1 met behulp van Eq. 1, 2, 4 en 5 voor het opwekkencirkelvormig patroon van 10 gelijke afstand links helices (Figuur 1A).
    3. Genereren rechte stent geometrie door samenvoeging of montage links en rechts draaiende helices om een gemeenschappelijke as (Figuur 1A).
  2. Maak gebogen stent geometrie door het definiëren van parametrische vergelijkingen en het initialiseren van de parameters van de linker en rechter helices in cilindervormige (R-β-X) coördinatensysteem of ongeveer een gebogen datum lijn (tabel 1). Herhaal stap 1.1.1 - 1.1.2 met de eerder geïnitialiseerd parameters met behulp van Eq. 1, 2, 6 en 7.
    1. Genereer een stent gebogen geometrie combineren of montage links en rechts draaiende spiralen gebogen rond een gemeenschappelijke as (R) en een hoek staalkaart vergelijking 32 in de oorsprong (Figuur 1B).
  3. Maak een hoge resolutie stereolithografie (STL) bestanden van de rechte en gebogen stent CAD-modellen.
    1. Selecteer 'Export> Model 'uit het menu' Bestand '. Kies optie 'STL'. Set 'akkoord height' in op 0. Set 'Angle control' te 1. Breng 'OK' om het STL-bestand te maken. Opmerking: De waarde van 'Angle Control' regelt de hoeveelheid tessellation samen oppervlak met kleine radii en de instelling kan tussen 0 en 1.
  4. Fabriceren de stent modellen op een rapid prototyping machine figuur 1C om materialen op de materialen en apparatuur tabel.
    1. Start de 3D printing-software (zie Materials List). Klik op 'Invoegen' om het STL-bestand op de 3D-printer computer te zoeken en selecteer het gewenste bestand. Sleep de muis over het scherm om de 3D-weergave van het STL-bestand te plaatsen op een virtueel platform ( 'Tray') op het scherm.
    2. Kies de juiste eenheden als 'mm' (Opties: 'mm' of 'inch') uit het bestand menu tabbladen. Selecteer de kwaliteit van het eindproduct als 'Matte' (Opties: 'Matte' of 'Gloss'). Selecteer 'Lade-instellingen> Validation' tab uit het bestand menu.
    3. Kijk voor de 'Validation gelukt' boodschap door te gaan naar de volgende stap. Als de validatie niet lukt herhaal stappen in 1.3 - 1.4.2 tot succesvolle validatie is bereikt.
    4. Selecteer 'Tray Instellingen> Build' tab uit het bestand menu's om het bestand te verzenden naar de 3D-printer voor de productie.
      Opmerking: De waarde van de "akkoord hoogte" bepaalt de mate van tessellation van het modeloppervlak. Het beïnvloedt de nauwkeurigheid en de bestandsgrootte van het model wordt vervangen door een minimumwaarde automatisch. Kleine waarden van het akkoord hoogte leidt tot minder afwijking van de werkelijke deel geometrie met bestandsgrootte afweging. Validatie controle is nodig om ervoor te zorgen dat het onderdeel is aaneengesloten en leegte van eventuele structurele afwijkingen tijdens het fabricageproces podium.

2. Bereid kinematische viscositeit van deze en Refractive In-Dex afgestemd Bloed-analoog Fluid

Opmerking: De volgende procedure zal ongeveer 600 ml bloed-analoog-oplossing te leveren. Een samenvatting van de chemische reagentia en oplosmiddelen met relevante eigenschappen in de oplossing gebruikte preparaat worden gepresenteerd in de Materials List. Relevante materiaaleigenschappen, voorgesteld laboratoriumapparatuur en de richtlijnen voor volumetrische berekeningen opgenomen in de tabellen 2, 3 en 4, respectievelijk.

  1. Bereid een verzadigde oplossing van natriumjodide (NaI).
    1. Giet 500 ml gedeïoniseerd H2O in een 2000 ml beker. Plaats het bekerglas op de magneetroerder.
    2. Meet ≈860 g NaI op een nul-gewichtsverdeling en voeg stappen 100 g in de beker onder roeren en wachten voor de toevoeging volledig oplossen voordat het toevoegen van het volgende. Noteer de temperatuur bij elke toevoeging, aangezien het proces van verzadiging gedeïoniseerd H2O met NaI enigszins exothermic. Koel de oplossing diende te worden gehandhaafd bij kamertemperatuur (≈ 25 ° C).
    3. Voeg kleine stapjes NaI (≈5-10 g) tot 20 g, tot de oplossing verzadigd is. Noteer de massa en temperatuur van elke toevoeging. Verwijder de beker met verzadigde NaI oplossing uit de magneetroerder als u klaar bent.
  2. Meet de densiteit van de verzadigde oplossing NaI ( vergelijking 33 ).
    1. Voeg 10 ml verzadigde NaI-oplossing van stap 2,1 tot een 50 ml bekerglas op een nulpunt-schaal met behulp van een injectiespuit (of volumetrische pipet), om ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen. Record massa en het volume toegevoegd.
    2. Bereken dichtheid van elke toevoeging onder gebruikmaking van vergelijking. 8 (zie tabel 3). Herhaal deze stap ongeveer 4-5 keer. Het gemiddelde van de dichtheden geregistreerd. Zet de oplossing voor de partij verzadigde NaI oplossing bereid in stap 2.1.
  3. Schatting van het totale volume van het bloed nabootsen oplossing. < ol>
  4. Meet de massa van de verzadigde NaI oplossing bereid in stap 2.1 en bereken het volume ( vergelijking 34 ) Gebruikt Eq. 9. schatting het totale volume van het bloed nabootsen oplossing ( vergelijking 35 ) En het partiële hoeveelheden glycerol ( vergelijking 36 ) En gedemineraliseerd water ( vergelijking 37 ) Worden toegevoegd na vgl. 10, 11 en 12 (zie tabel 3).
  • Bereid bloed-analoog-oplossing.
    1. Bereid een bloed analoog bereid die 79% verzadigde NaI oplossing, 20% glycerol en 1% gedeïoniseerd water (volumeverhouding) tot gehomogeniseerd mengen op een magnetische roerder.
    2. Plaats de beker met de verzadigde NaI oplossing op de magneetroerder en voeg glycerol in kleine stappen (88 / 51288eq38.jpg "/>), met behulp van een injectiespuit (of afgestudeerd of volumetrische pipet) totdat het gehele volume van glycerol ( vergelijking 36 ) Berekend in stap 2,3 wordt toegevoegd. per vergelijking 39 iteratie, noteert u het volume toegevoegd en wacht tot de oplossing is zichtbaar gehomogeniseerd voordat het toevoegen van de volgende toename van glycerol.
    3. Na volledige homogenisatie van verzadigde NaI oplossing en glycerol, voeg vergelijking 40 met behulp van een injectiespuit (of afgestudeerd of volumetrische pipet). Blijf roeren op magneetroerder tot de bloed-analoge oplossing zichtbaar gehomogeniseerd.
  • Karakteriseren het bloed analoge vloeistof bij standaard temperatuur en druk (25 ° C, 1 atm).
    1. Meet de kinematische viscositeit (ν) met een standaard Ubbelohde viscosimeter of gelijkwaardig meetinstrument.Kinematische viscositeit kan worden aangepast door kleine, afgemeten hoeveelheden glycerol toevoegt met een gegradueerde of volumetrische pipet.
    2. Meet de brekingsindex (n) met een refractometer. Brekingsindex kan worden aangepast door kleine hoeveelheden natriumthiosulfaat watervrij toevoegen met een spatel.
      Opmerking: De auteurs rapporteren de kinematische viscositeit ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 s -1 ± 2,8%) en de brekingsindex van het bloed analoge fluïdum, n = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Schik Experiment voor het meten van secundaire stroomsnelheid Velden Stroomafwaarts van een "Type IV" Stent Failure

    Opmerking: De 180 ° gebogen slagader testsectie bestaat uit twee acrylblokken verlijmd, 180 ° gebogen kanaal bewerkt op elk blok en voorzieningen voor toe- en afvoerleidingen zoals getoond in Figuren 1F, 3A en 5, 6 (zie tabel 2).

    1. Installeer stents vervaardigd in stap 1 in het gebogen slagader proefvak gemaakt van acryl om een geïdealiseerde Type IV breuk scenario belichamen, met als gevolg een volledige dwarse breuk van stents en lineaire verplaatsing van gefragmenteerde delen (zie figuren 1F, 3A en 3B).
      1. Plaats de rechte stent stroomopwaarts van de gebogen slagader proefvak (zie figuren 1F en 3B). Opdat de afstand tussen de rechte en gekromde stents '3 maal' de diameter van de buis (D tube = 12,7 mm), plaatst de 45 ° gebogen stent in de kromming met een einde bij de inlaat van de gekromde buis ( figuur 2B).
    2. Monteer the experimentele hebt ingesteld door de rechte acryl leidingen naar de inlaat en uitlaat van de 180 ° gebogen slagader proefvak zie de schematische weergave van de experimentele opstelling (figuur 2) op een optisch tafel (Figuur 3A).

    4. Verwerven van secundaire stroomsnelheid Fields

    Opmerking: De volgende beschrijving in het protocol heeft betrekking op de aankoop van tweede stroomsnelheid velden met behulp van particle image velocimetry (PIV) techniek figuur 3B (schematische tekening) laat zien dat er vier locaties (45 °, 90 °, 135 ° en 180 °). met hoekige inkepingen laser blad projectie en het maken van vlakke dwarsdoorsnede secundaire stroomsnelheid te vergemakkelijken. Het protocol maatregelen hebben betrekking op metingen verworven voor de 90 ° plaats. Als de laser plaat wordt geplaatst op 45 ° plaats, wordt de camera geplaatst op de 135 ° locatie om optische toegang voor secundaire aanvoer krijgen measurements op de 45 ° plaats.

    Opmerking: De onderstaande procedure is gegeneraliseerd en mogen geen termen generieke om het beeld acquisitie en post-processing software en het instrument besturingssoftware gebruikt (zie Materials List). Andere beeld- gegevensverwerving en pakketten beschikbaar kan ook worden gebruikt in het protocol.

    1. Schakel de laser met behulp van de ON / OFF schakelaars op het laservermogen bron. Verlichten een klein stukje papier aan de laser vel te visualiseren. Pas de dikte laser plaat (ongeveer 2 mm) visueel, door het draaien van de laser plaat focussen optiek zich op de laserbron.
    2. Plaats de laser vel langs de 90 ° meetgebied, zodat het vel loodrecht op de optische tafel. Plaats de camera bij de 0 ° of 180 ° plaats de dwarsdoorsnede door de laser belicht vel optische toegang te krijgen.
    3. Lijn laser en camera met behulp van het beeld acquisitie en post-processing software aan te passenhet gezichtsveld van de camera voldoende vastleggen van de afbeelding van de cirkelvormige dwarsdoorsnede van de gebogen slagader (zie figuur 3A) en vermindering van het deeltje vervorming. Voer de uitlijning van 'trial and error' van het inspecteren van de software-gegenereerde afbeelding van het gezichtsveld. Schakel de laser met behulp van de schakelaars op de laser stroombron en zorg ervoor dat de camera wordt ingeschakeld met de lensdop verwijderd.
    4. Beginnen met het verwerven en post processing software op de PIV data-acquisitie computer en log in als 'expert gebruiker'. Maak een nieuw project in het menu bestand, geeft u een 'Project name' en selecteer de optie 'PIV' onder de 'Soort project'. Kies 'Nieuw' in het menu Bestand om een ​​nieuwe PIV opnamesessie initialiseren. Selecteer 'Device' onder hoofdstuk 'Instellingen' op de afbeelding acquisitie en post-processing software.
    5. Ga naar 'Recording' dialoogvenster op het scherm,activeren 'Camera 1' vakje en selecteer 'Single Frame (T1A) "optie. Selecteer laser "radio button 'worden ingesteld op ON in het beeld acquisitie en post-processing software-instellingen. Activeer de externe power mode op het laservermogen bron door op 'EXT' en 'High power' schakelaars op het laservermogen bron.
    6. Selecteer 'Grab' op het beeld acquisitie en post-processing software om te beginnen met het verwerven van PIV beelden waar te nemen op het computerscherm. Verplaats voorwerp met geringe handmatige aanpassingen op de optische tafel en scherpstelling om de locatie van de camera optimaliseren om het veld-of-view maximaliseren, wazigheid en beeldvervorming verminderen.
    7. Selecteer 'Stop' radioknop op de afbeelding acquisitie en post-processing software-instellingen te stoppen met het verwerven van PIV data en geen verdere camera aanpassingen niet te maken. De uitlijning is voltooid in dit stadium.
      Opmerking: De laserpulsen in deze fase worden door de beeldverwerving en nabewerking software en kan verder worden geregeld door pulsfrequentie of "Exposure in de software-instellingen. De laser zal automatisch stoppen, omdat het wordt gecontroleerd door beeldacquisitie en post-processing software. Sluiten niet beeldaanwinst en post-processing software als de huidige project zal worden gebruikt om PIV te verwerven in de stappen die volgen.
    8. Acquire beelden van de secundaire stroom velden met behulp van 2C-2D PIV systeem door de onderstaande stappen uit om ervoor te zorgen fase-wise PIV data worden gegenereerd met behulp van tijdelijke trigger-pulsen uit de pomp instrumentbeheersing computer die worden gesynchroniseerd met de dubbele puls laser en camera.
      Opmerking: De programmeerbare pomp is aangesloten op de pomp instrument regelcomputer en wordt door het instrument control software. De stappen die volgen betrekken opzetten van software controle modules op PIV computer met behulp van het beeld acquisitie en post-processing en pomp instrumentbeheersing computer onsing instrument control software.
      1. Schakel de programmeerbare pomp met behulp van de aan / uit-schakelaar op de pomp. Start het instrument besturingsprogramma op de pomp instrument control computer.
      2. Laad het tekstbestand dat de waarden van spanning-tijd-golfvorm met verwijzing trekker (t / T = 0), die de fysiologische (halsslagader) vertegenwoordigt debiet golfvorm op het instrument besturingssoftware handhaven van een fysiologische getal van womersley vergelijking 41 en maximale Reynolds vergelijking 42 en Dean vergelijking 43 nummers (Figuur 4A).
      3. Set 'Amplitude' to 1 (Volt), 'DC offset' op 0 (Volt), 'Aantal tijd stappen' tot 1000 en 'Time period' tot 4 (seconden) op de software-interface scherm instrument controle.
      4. Controleer of de externe power-modus op de laservermogen bron in stap 4.5, is nog steeds actief. Druk op 'EXT' en 'High power' schakelaars op het laservermogen bron, indien nodig.
      5. Selecteer 'Device' na het klikken op 'Nieuwe opname' in het gedeelte 'Instellingen' op de afbeelding acquisitie en post-processing software. Navigeer naar de 'opname' dialoogvenster op de afbeelding acquisitie en post processing software (PIV computer), activeer "Camera 1 'vakje en selecteer' Dubbel Kader (T1A + T1B) 'optie om het opzetten van de laser om te vuren in dual puls modus.
      6. Kies optie 'Timing' over de 'opname' dialoogvenster op de afbeelding acquisitie en post-processing software, selecteer 'Trigger source' en zet deze op 'External cyclische trigger' om te synchroniseren met Trigger-signalen van de pomp instrument control module. Selecteer 'Aquisit' onder het gedeelte 'Instellingen' op de afbeelding acquisitie en post-processing software om start het opzetten van PIV overname.
      7. Navigeer naar de 'Recording reeks' dialoogvenster op de afbeelding acquisitie en post-processing software. Voeg een 'Table scan' subcategorie onder 'Opnemen sequentie' met behulp van het betreffende tabblad voorzien op de software-interface. Bevolken de tafel gemaakt met behulp van 'Edit Table scan', 'Append Scan' en voer de tijd waarden beginnen met 0 milliseconden en eindigend met 4000 milliseconden in intervallen van 40 milliseconden. Input At-waarden die overeenkomen met telkens vermelding in tabel. Druk op 'Enter' op het toetsenbord na elke waarde.
      8. Navigeer naar de 'Recording reeks' dialoogvenster op de afbeelding acquisitie en post-processing software. Voeg 'Image Acquisition' subcategorie onder 'Table scan' gemaakt in stap 4.8.7. Stel de 'Aantal beelden' tot 200, activeert u het selectievakje 'Bekijk foto's tijdens het opnemen' en selecteer 'Start onmiddellijk'.
      9. Select 'Device' in het gedeelte 'Instellingen' en bevestig dat de laser is ingesteld op 'ON' met de juiste energie-instellingen. Ga naar 'Laser Control' om te bevestigen. Het PIV systeem is nu gereed om gegevens te verwerven.
      10. Selecteer de 'RUN' radioknop op instrument control software-interface op de pomp instrumentbeheersing computer vloeistof te leveren aan het experiment met behulp van de ingangen verschaft in stap 4.8.2-4.8.3, samen met een trigger puls om de 4 seconden.
      11. Kies 'Start Recording' voor het verkrijgen van fase-wise metingen met trekker-signaal van de pomp instrument zodanig in dat het voorafbepaald aantal vlakke snelheidsvelden (200 voldoende te bereiken statistische convergentie 5, 6, 31, 32) en telkens instantie ingesteld in de tabel scan (zie stap 4.8.7) op de 90 ° plaats wordt gemaakt.
      12. Druk op 'Stop' op het laservermogen bron zodra de opname wordt gedaan. Schakel de pomp en de camera, en zet de camera lens cover. Selecteer 'Stop' radioknop op instrument control software-interface op de pomp instrument control computer.
      13. Voer een visuele inspectie experimentele opstelling om het niveau van de lekkage gage, het verzamelen van de gelekte vloeistof, indien nodig, om ervoor te zorgen dat alle apparaten zijn uitgeschakeld of kan worden overgelaten op standby, al naargelang het geval is. Sluit de opnamesessie in het beeld acquisitie en post-processing software.

    5. Detect Coherent Secondary Flow Structures

    Opmerking: Gebruik het beeld acquisitie en post-processing software en een set van command-line functies (MATLAB-gebaseerde toolbox, PIVMat 3,01) te importeren, post-proces en analyseren van 2- component vector velden uit de PIV-systeem 5, 6, 33.

    1. Een masker dat de interne stromingsgeometrie dwz de cirkelvormige, vlakke dwarsdoorsnede omvat.
      1. Selecteer het project gemaakt in stap 4.4, dat nu PIV data verkregen bij elkeexemplaar van tijd die in de stap 4.8.7. Verder selecteert u alle gegevens in het dialoogvenster met de volledige PIV data ensemble.
      2. Volg de instructies in de "Aanvullende Code File - het creëren van een masker".
    2. Maak een nabewerking routine door 'Batch' icoon in het menu bestand in het project te selecteren, terwijl sommige PIV dataset is standaard geselecteerd. Een dialoogvenster met 'Operation overzicht' weergegeven die moeten worden ingevuld in dezelfde volgorde als in de volgende stap.
      1. Volg de instructies in de "Aanvullende Code File - het creëren van een nabewerking routine".
    3. Compute-fase gemiddeld en RMS secundaire stroomsnelheid en vorticiteit velden.
      1. Selecteer de operatie 'vector statistieken: vector veld resultaat' van 'statistieken' van de groep en klik op 'Parameter' in het dialoogvenster. Activeer 'Gemiddeld V' en 'RMS V' selectievakjes under de rubriek 'Vector velden'. Selecteer de operatie 'rot-z Eyx - Exy' uit de groep 'uit te pakken scalarveld: rotatie en shear' om de tweedimensionale vorticiteit in de vlakke doorsnede te bepalen.
    4. Start na het verwerken van de gehele PIV data en het genereren van fase gemiddelde hoeveelheden van de snelheid, RMS snelheid, vorticiteit en wervelende kracht met activiteiten gemaakt in stap 5.3 en 5.4.
      1. 'Klik met de rechtermuisknop' op een PIV data onder het raam project, selecteer 'HYPERLOOP> Alle sets', en selecteer de optie 'Alle toevoegen' onder de 'Beschikbare accessoires:' sectie om ervoor te zorgen dat de volledige PIV data ensemble is geselecteerd.
      2. Selecteer 'Parameter' in het pull-down menu onder de 'Filter:' sectie. Selecteer de optie 'Batch Processing' onder de 'Operation:' sectie. Klik op 'Uitvoeren' naar 'HYPERLOOP' post verwerking van de PIV data te starten.
    5. Compute wervelendekracht vergelijking 44 ) Velden om secundaire aanvoer structuren met behulp van het beeld acquisitie en post-processing software te detecteren. Selecteer de operatie 'wervelende kracht' uit de groep te halen scalarveld: rotatie en shear '.
      1. Herhaal de stappen 5.4.1-5.4.2 uit te voeren 'Hyperloop' post-processing.
    6. Detect coherente structuren vergelijking 45 en continue wavelet transformatie op vorticiteit veld vergelijking 46 door het creëren van door de gebruiker gedefinieerde MATLAB functies en het gebruik van PIVmat 3.01 op basis van MATLAB functies (zie "Aanvullende Code File - MATLAB codes" bijvoorbeeld code).
      1. Genereer een 2D reeks van gegevens van de volgende vergelijking die een 2D Ricker wavelet initialiseren door de schaalfactor vergelijking 47 in Eq. 13 tot en met een willekeurige waarde (zie "Aanvullende Code File - MATLAB codes").
        vergelijking 48
      2. Voer tweedimensionale convolutie of Fourier vermenigvuldiging van vorticiteit vergelijking 9 gegevens van stap 5,4, met 2D Ricker wavelet-functie (vgl. 13) om wavelet getransformeerde vorticiteit gebied generatie vergelijking 46 bij de geïnitialiseerde schaalfactor vergelijking 47 . (Zie "Aanvullende Code File - MATLAB codes").
      3. Bereken de Shannon entropie vergelijking 49 van de wavelet getransformeerde vorticiteit veld vergelijking 46 vertegenwoordigd door Vgl. 14 (Zie "Aanvullende Code File - MATLAB codes").
        vergelijking 50
      4. Wijzig de schaalfactor te vergelijking 51 en het genereren van een nieuwe reeks 2D-gegevens die de 2D Ricker wavelet (vgl. 13) (zie figuur 6).
      5. Herhaal stap 5.6.1 - 5.6.4, voor een groot scala aan schaal factoren ( vergelijking 52 Zie terugkoppeling in figuur 6.
      6. Maak een perceel van Shannon entropie vergelijking 53 vs. wavelet schaalfactor vergelijking 47 in stap 5.6.5 (zie figuur 6). Zoek een optimale wavelet schaal vergelijking 47 Gewoonlijk overeenkomt met een lokaal minimum in Shannon entropie vergelijking 49 . Herhaal stap 5.6.4 bij optimale wavelet schaal (see Shannon entropie vs wavelet schaal plot in figuur 6).
      7. Maak een contour plot van de wavelet getransformeerde vorticiteit vergelijking 46 de wavelet schaalfactor die overeenkomt met de optimale waarde van Shannon entropie vergelijking 53 .

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Resultaten in Figuur 7A-D zijn gegenereerd na nabewerking secundaire stroomsnelheid data (zie figuren 5, 6) verkregen van 2C-2D PIV getoond in figuur 3A. De instroom voorwaarde om de gebogen slagader proefvak met een geïdealiseerde "Type IV" stent fractuur geleverd was de halsslagader golfvorm weergegeven in figuur 4B. Onze vorige studies hebben de gevoeligheid van secundaire stromingsstructuren aangetoond vertragen omstandigheden in verschillende pulsvormige golfvormen instroom binnen een bepaald bereik van getallen Womersley vergelijking 55 4 -. 6 derhalve de tijdstippen vergelijking 56 resultaten in figuur 7A-D, werden gekozen om overeen met de systolische vertragingsfase van de halsslagader instroom waveform. Coherent secundaire stroom structuren van verschillende grootte sterkte-morfologische kenmerken worden gepresenteerd op verschillende vlakke doorsneden vergelijking 57 zoals getoond in figuur 7A-D. Grootschalige coherent secundaire stroom structuren die in het gebogen slagader proefvak zijn geclassificeerd als vervormd Dean-, Lyne- en Wall-type (DLW) wervels. Typisch, DLW draaikolken evolueren tijdens de systolische versnellingsfase. Tijdens systolische vertraging fase, DLW structuren ervaring een atypische verlies aan coherentie, asymmetrie en veranderingen in de Vortex posities, formaten, sterktes en morfologie. Het volgende is een beschrijving van de resultaten weergegeven in figuur 7A-D:

    Op vergelijking 58 locatie (Figuur 7A): Een enkel paar symmetrische, samenhangende, vervormdDean wervels (D) worden waargenomen in de vergelijking 59 velden t / T = 0,23 en 0,27. Deze D-vortices lijken te vertalen naar de buitenmuur tijdens het afremmen. Q-velden voorkomen spanning en afschuifsnelheid gedomineerde patronen bij t / T = 0,23, naast D-type vortices. Als mogelijke effect van de vertraging bij t / T = 0,27, een vermindering van sterkte van D-type vortices en bijna-wall stam gedomineerde stroomvelden waargenomen. Meerschalige secundaire stroming morfologie naast het D-type worden gedetecteerd in de wavelet-getransformeerde vorticiteit velden vergelijking 60 aanduiden van de aanwezigheid van een aantal-stam gedomineerde Vortex patronen.

    Op vergelijking 61 plaats (Figuur 7B): Een overgang van een paar D-vortices in de vergelijking 62 velden. Zoals blijkt uit de omvang van wervelende sterke punten, de L- en W- soort wervels hebben een hogere oplage dan D-type draaikolken. Flow storingen die voortvloeien uit de gebroken-stent in de vergelijking 62 locatie hebben waarschijnlijk bijgedragen aan de vorming van DLW wervels. Het effect van de vertraging wordt waargenomen als de vermindering van kracht in L- en W-type vortices. Er is een goede overeenkomst in de plaats van grootschalige coherent DLW structuren tussen de vergelijking 63 en vergelijking 59 velden. Extra kleinere schaal secundaire aanvoer morfologie worden gedetecteerd in de "Vergelijking

    Op vergelijking 64 locatie (Figuur 7C): vergelijking 59 veld bij t / T = 0,23 duidt het verlies van L-type vortices en de aanwezigheid langwerpige D- en W-type vortices. Bij t / T = 0,27 er een verlies van wervelende kracht in zowel D- en W-type vortices. Het effect van de vertraging wordt aangegeven door de asymmetrie van wervelstroom structuren waargenomen in de vergelijking 63 veld. Naast de aanwezigheid van langgerekte D-type draaikolken talrijke kleinschalige W-type vortices waargenomen. Q-velden de aanwezigheid van near-wall-shear gedomineerde gebieden t hoed zijn die duiden op verhoogde unsteadiness van stent-fractuur geïnduceerde stroom verstoringen.

    Op vergelijking 65 locatie (Figuur 7D): vergelijking 59 veld bij t / T = 0,23 bestaat uit zwakke, DLW structuren. Onder invloed van deze stroom vertraging DB structuren vaak verder afbreken bij t / T = 0,27. Verlies van bijna wand afschuiving stroom wordt waargenomen in de Q-velden aan beide exemplaren van de tijd. Bij t / T = 0,23, vergelijking 63 veld laat zien dat D-wervels dichter bij de binnenwand, samen met multi-scale W-type draaikolken en de omliggende-stam gedomineerde structuren bevinden zich in overeenstemming met de overeenkomstige vergelijking 59 veld.51288eq63.jpg "/> veld toont duidelijk een verlies in samenhang van DLW structuren en asymmetrie van beide instanties van de tijd, terwijl vergelijking 66 velden niet vast te leggen dat fenomeen.

    Brede conclusies na een succesvolle uitvoering van het protocol Het vergelijking 67 gedetecteerd grootschalige secundaire aanvoer structuren en hun veranderende stroom morfologie. vergelijking 68 gedetecteerde gebieden van high strain-rate die normaal worden aangetroffen in het nabije wandgebieden. Continu wavelettransformatie algoritme ontdekt de grootschalige secundaire stroom structuren in goede overeenstemming met unthresholded vergelijking 67 . De 2D Ricker wavelet kernel bovendien besloten een aantal low-circulatie, multi-scale secundaire aanvoer morpholo Gies die werden onopgemerkt met vergelijking 69 en unthresholded vergelijking 70 . Een combinatie van deze drie metrieken holistisch geïdentificeerd secundaire aanvoer en Vortex-stam gedomineerde structuren.

    Figuur 1
    Figuur 1 Ontwerp, fabricage en installatie van rechte en gebogen stents. (A) CAD model van rechte stent-configuratie met een combinatie van links en rechts draaiend helices. (B) CAD-model van gebogen stent-configuratie. (C) 3D-printer gebruikt voor de vervaardiging van de stents. (D) en (E) Rechte en gebogen stents na 3D printing. (F) Stents geïnstalleerd in de 180 ° gebogen slagader proefvak.: //www.jove.com/files/ftp_upload/51288/51288fig1large.jpg "Target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

    Figuur 2
    . Figuur 2. Schematische weergave van het beeld particle velocimetry (PIV) systeem Het volgende systeem-componenten zijn aangegeven: 1. Nd-YAG laser met een optische laser blad en 2. CCD camera die wordt bestuurd door het PIV-data acquisitie produceren computer, 3. pomp instrumentbeheersing computer dat de spanning-time golfvorm levert aan de pomp en synchronisatie triggers om de PIV-data-acquisitie computer, 4. Programmeerbare tandwielpomp dat fysiologische debieten produceert, 5. een gesloten lus, experimentele proefvak met inlaat en uitlaat pijpen, 180 ° gebogen slagader proefvak en een reservoir voor de bloed-analoge vloeistof. Inzet: Diverse vlakke doorsneden, waar PIV metingen kunnen wordengemaakt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 3
    Figuur 3. Experimentele opstelling van PIV-systeem locatie van stent installatie. (A) Rangschikking van het PIV systeem op de optische tafel met verschillende systeem-componenten. (B) Schematische tekening van de 180 ° gebogen slagader proefvak met de belangrijke dimensies, locatie van de rechte en gebogen stent die belichamen van de 'Type IV' stent fractuur en de afstand tussen de gebroken stent delen (d spatie). Klik hier voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.


    Figuur 4. Fysiologische golfvorm geproduceerd door de programmeerbare pomp bezit de kenmerken functies, zoals de systolische piek op tijdstip t / T = 0,19. (A) Debiet (ml / sec) gemeten stroomopwaarts van de 180 ° gebogen slagader proefvak meer dan 20 golfvorm cycli . (B) Debiet golfvorm met de standaarddeviaties op verschillende gevallen van de tijd, gemeten over 20 golfvorm cycli. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 5
    Figuur 5. Volgorde van PIV metingen en detectie van secundaire aanvoer structuren in het 180 ° gebogen slagader proefvak. (A >) Het maken van secundaire stroomsnelheid veldgegevens met de PIV techniek via synchronisatie van de trekker door de pomp instrument regelaar. (B) Post-processing-sequentie met behulp van de secundaire stroom veldgegevens door het behandelen van de korrelig afbeeldingen (of matrices) voor Q- en λ ci -. Criteria en wavelet-getransformeerde vorticiteit (Ω) Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.

    figuur 6
    Figuur 6. Algoritmische weergave van continue wavelet transformatie benadering voor arteriële secundaire aanvoer structuurdetectie Insets. 2D-Ricker wavelet op een willekeurige schaal (ℓ), een voorbeeld 2D vorticiteit veld, Shannon entropie variatie wavelet schaal (ℓ). com / files / ftp_upload / 51288 / 51288fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 7
    . Figuur 7. Secundaire aanvoer structuren in het 180 ° gebogen slagader testgedeelte op 45 °, 90 °, 135 ° en 180 ° vlakke locaties en tijdstippen, t / T = 0,23, 0,27, tijdens systolische vertraging Insets: Schematische afbeelding de meetlocaties, vergelijking van de Q- en λ ci - criteria en wavelet-getransformeerde vorticiteit (Ω) datavelden bij elke vlakke locaties en instanties in de loop van de systolische vertraging colorbars vermelding van het bereik van de waarden van de overgenomen door van de Q- en λ ci - criteria en wavelet-getransformeerde vorticiteit (Ω) gegevens en de interpretatie daarvan. pg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

    Parameter Vergelijking Nr. geïnitialiseerd waarde Stent model categorie Beschrijving
    θ = 360 n verandert t 1 n = 4 wordt Straight; Gebogen Aantal windingen in de helix
    (n draait)
    Tabel 1 Vergelijking 1 2 toonhoogte = 22,225 mm per beurt Straight; Gebogen Spoed van de helix
    (pitch)
    staat 1 Vergelijking 2 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288tbl2.jpg "/> 3 D = 11,84 mm rechtdoor Nominale diameter van de stent
    (D)
    Tabel 1 Vergelijking 3 4 D = 11,84 mm rechtdoor Nominale diameter van de stent
    (D)
    Tabel 1 Vergelijking 5 5 toonhoogte = 22,225 mm per beurt rechtdoor Spoed van de helix
    (Pitch)
    Lengte van rechte stent model (z)
    Tabel 1 Vergelijking 6 6 l7.jpg "/> Gebogen Radius van de 180 ° gebogen slagader model
    R arc
    β = 180 t 7 β = 45 Gebogen Hoek van waaruit de gebogen stent in het krommingsmiddelpunt
    d wire - d draad = 0,85 mm Straight; Gebogen Diameter van de stent strut
    L straight = z - L straight = 88.9 mm rechtdoor Lengte van rechte stent model

    Tabel 1. Parametervergelijkingen linker en rechter helices en geïnitialiseerd parameterwaarden.

    lways "> Chemische oplosmiddelen en reagentia Chemische formule Dichtheid bij 20 ° C
    (g / cm 3)
    Brekingsindex kinematische viscositeit
    (2 m / s) x 10 -6
    Formulier CAS-nummer natriumjodide NaI 3.67 1,7745 - kristallijn 7681-82-5 Glycerol C 3 H 8 O 3 1.262 1,4746 ≈1115 een Vloeistof 56-81-5 Gedeïoniseerd water H 2 O 1 1.333 1.002 Vloeistof - Natriumthiosulfaat watervrij Na 2 O 3 S 2 1.01 - - Poeder 7772-98-7 een Metingen door Segur en Oberstar 16 gerapporteerd

    Tabel 2. Beschrijving van chemische oplosmiddelen en reagentia die bij het ​​maken van de bloed-analoge oplossing.

    Parameter Vergelijking Nr. Beschrijving Gesuggereerd laboratoriumapparatuur
    Tabel 3 Vergelijking 100 8 Dichtheid verzadigde oplossing van natriumjodide (NaI) wordt berekend door de massa van de zolutie en het volume in kleine hoeveelheden toegevoegd aan een 50 ml bekerglas. 1. Beker (50 ml)
    2. weegschaal
    3. Afgestudeerd of volumetrische pipet
    Tabel 3 Vergelijking 101 9 Volume van de gehele partij verzadigde natriumjodide oplossing bereid 1. Beker met verzadigde NaI-oplossing (2000 ml)
    2. Weeg schaal
    Tabel 3 Vergelijking 102 10 Totale volume van het bloed analoge oplossing verwacht na titreervloeistof voorbereiding 1. Beker met verzadigde NaI-oplossing (2000 ml) te mengen met glycerol en DI water.
    2. Weeg schaal
    Tabel 3 Vergelijking 103 11 Totale glycerol worden toegevoegd aan een verzadigde oplossing van natriumjodide 1. Beker met verzadigde NaI-oplossing (2000 ml)
    2. Weeg schaal
    3. Beker (100 ml) glycerol dragen aan verzadigde NaI oplossing
    Tabel 3 Vergelijking 104 12 Totale hoeveelheid DI water toegevoegd aan de oplossing van verzadigde NaI en glycerol 1. Afgestudeerd of volumetrische pipet om DI water over te dragen aan oplossing van verzadigde Nal en glycerol

    Tabel 3. Tabel van het percentage per volume berekeningen voor bloed-analoog-oplossing: 79% NaI, 20% glycerol en 1% DI Water.

    PIV-systeem specificatie Geometrie of karakteristieke waarde Beschrijving
    stromingsgeometrie Cirkelvormige dwarsdoorsnede parallel aan het licht sheet Gebogen slagader proefvak
    Maximum in-plane velocity 0,16 m sec -1 Secundaire stroomsnelheid schaal
    Afbeeldingsgrootte x 1376 pixels y 1040 pixels PIV Camera CCD Array grootte
    Tijdsinterval tussen laserpulsen (At) 600 - 3200 usec Inbreng in PIV Image acquisitie software (Davis 7.2)
    Final aantal vectoren x 86, 65 y Uitvoer van PIV data post processing (Davis 7.2)

    Tabel 4. De specificaties van de twee-compoent, tweedimensionale (2C-2D) PIV systeem.

    supplement 1
    Aanvullende Code File 1. Het creëren van een masker. Klik hier om dit bestand te downloaden.

    supplement 2
    Aanvullende Code File 2. Het creëren van een nabewerking routine. Klik hier om dit bestand te downloaden.

    supplement 3
    Aanvullende Code File 3:. MATLAB codes Klik hier om dit bestand te downloaden.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Het protocol in dit document beschrijft de overname van high fidelity experimentele data met behulp van particle image velocimetry techniek (PIV) en samenhangende structuur detectiemethoden, nl. Continue wavelet transformaties, vergelijking 1 , Makkelijke identificatie van vortex en afschuifkrachten gedomineerde stromingen. Analyse van experimentele gegevens fysiologische instroom in aanwezigheid van een geïdealiseerde "type IV" breuk blijkt dat secundaire aanvoer constructies met ingewikkelde hydrodynamische effecten zoals stroom structuur asymmetrie en variatie in spatio-temporale distributies die niet kan worden voorspeld uit eenvoudige vloeistofdynamisch theorieën.

    Er zijn vier belangrijke stappen in de uitvoering van dit protocol nl. (I) Ontwerp en vervaardiging van laboratoriumschaal stent modellen, (ii) Bereiding van een bloed analoge werkvloeistof afgestemd kinematische viscositeit van bloed en refractieve index van de gebogen slagader model, (iii) Niet-invasieve proefopstelling (2C-2D PIV) en (iv) Uitgebreid samenhangende structuur detectiemethoden voor het identificeren van arteriële bloedstroom patronen.

    Womersley getal is een dimensieloze parameter die pulserende stroom frequentie betreft viskeuze effecten 7. Reynolds nummer verwijst traagheidskrachten op viskeuze stroming krachten. Dean nummer verwijst middelpuntzoekende krachten die ontstaan ​​in stroming door gebogen pijpen inertiale en viskeuze krachten 1, 2. Details met betrekking tot de schaal van de fysiologische golfvorm met Womersley en Reynolds getallen zijn weergegeven in 5, 6. De instroom golfvorm gebruikt in deze studie was gereconstrueerd uit archetypische halsslagader debiet metingen (gemiddeld) van 17-20 gezonde patiënten door Holdworth et al. 15. Boorpijpen de gebogen slagader testgedeelte lang genoeg zijn om de stroming mogelijk volledig zodat de pulserende stroom Condi ontwikkeldgen bij de inlaat van de gebogen slagader proefvak in-fase met de pomp (figuren 3a, 3b en 4a). Herhaalbaarheid toegevoerde fysiologische golfvorm werd gewaarborgd door axiale PIV metingen van stroomsnelheid en bulk snelheid stroomopwaarts naar het model slagader met een 2C-2D PIV (zie fig. 4b).

    De hydrodynamische prikkels uit de arteriële hemodynamica in de richting van de genoemde klinische complicaties zijn niet goed bekend. Fysiologische stromen in verband stent en stent- breuken vormen complexe in vivo en in vitro metingen. Het protocol document kan worden gewijzigd om de naleving leidingen onder de invloed van arteriële secundaire stromingsstructuren onder niet-ideaal en realistischer scenario's voor studie. Dergelijke experimenten zullen extra uitdagingen in de meet- en post-verwerking van gegevens opleveren. Het gebruik van stereo- of tomografische-PIV technieken kunnen worden gekoppeld driedimensionale velocity velden kunnen een aanzienlijke verbetering van het inzicht in de dynamiek van de secundaire stroom structuren.

    De beperkingen van de proefopstelling liggen in het gebrek aan resolutie in de nabije wand (model-arteriële lumen) gebieden en het ontbreken van optische toegang tot de bloedstroom binnen de stent geïmplanteerd regio. Deze beperkingen echter, pose elegante verlengingen van het protocol gepresenteerd. Het gebruik van optisch helder materiaal voor 3D-printen van stents, zou realistisch en patiënt-specifieke arteriële geometrieën ongekende toegang tot hemodynamica van de stent-implantaten en gebroken-stents mogelijk te maken.

    Een uitgebreide resultaat van het protocol die hierin betrekking op de selectie van de "beste" wavelet schaal voor coherente structuurdetectie. Stappen 5.6.3 - 5.6.7 zijn voorstel voor een oplossing voor het probleem van de "beste" wavelet schaal (of basisfunctie) in coherente structuur detectie. De auteurs vinden dat volgende stappen 5.6.3 - 5.6.7 resolved alle grootschalige coherente structuren en daarnaast ontdekt kleinschaliger coherente structuren die tot nu toe werden onopgemerkt in gebogen slagader model experimenten. De auteurs suggereren Ref. 34, 35 waarbij Shannon entropie wordt gebruikt voor het evalueren van de "best" basis in een discrete wavelet transformatie pakket (DWPT) algoritme richting detecteren samenhangende structuren in een turbulente stroming experiment. Voor meer informatie over de aanpak met betrekking tot een continue wavelet transformatie algoritme, de auteurs suggereren Ref. 5, 6, 35 en de daarin aangehaalde referenties.

    De incidentie van fracturen in stent implantaten en gelijktijdige stroom verstoringen tot secundaire stroom structuren met complexe, multi-scale morfologie en verschillende grootte-sterkte-eigenschappen. Betekenis van de methodes zoals particle image velocimetry (PIV) in combinatie met een samenhangende structuur detectie vooral, wavelet transformaties mogelijk maakt voor het oplossen van multi-schaal, multi-kracht SECUNDAIRy stroom structuren onder stent en de stent-fractuur-geïnduceerde stroom scenario's. Het protocol hier gepresenteerde maakt de weg vrij voor het onderzoeken van medische complicaties, zoals in-stent restenose (ISR), stent trombose en aneurysma vorming 8, 11-14 als gevolg van nevenstromen. Daarnaast zal secundaire aanvoer wervelstroom patronen aangetroffen in de kernregio's de neiging om de beweging en belichtingstijd van bloed verspreide deeltjes beïnvloeden, zoals bloedplaatjes, sensibiliserend hen activering tegen trombose. -Stam gedomineerde in de buurt van de muur (lumen) secundaire aanvoer structuren zal uiteindelijk van invloed muur shear stress die nauw verwant is aan atherosclerose, vooral in de arteriële krommingen.

    . 3, 7 Een combinatie van experimenten en hogere orde methoden op nieuwe inzichten promoten - de analytische procedures secundaire stroom (wervelstroom) structuren zijn ingewikkeld, vereisen Navier-Stokes vergelijkingen in toroïdale coördinaten en asymptotische 1 theorieën voorspellende hemodynamica van gebogen bloedvaten vatbaar voor verscheidene cardiovasculaire aandoeningen en klinische complicatie stent implantaten en stent fracturen.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Geen belangenconflicten verklaard.

    Acknowledgments

    De auteurs erkennen de steun van NSF subsidie ​​CBET-0909678 en de financiering van het GW Center for Biomimetics en Bioinspired Engineering (COBRE). Wij danken de leerlingen, de heer Christopher Popma, mevrouw Leanne Penna, mevrouw Shannon Callahan, de heer Shadman Hussain, de heer Mohammed R. Najjari, en mevrouw Jessica Hinke voor hulp in het laboratorium en de heer Mathieu Barraja om te helpen bij CAD-tekeningen.

    Materials

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

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

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

    Tags

    Bioengineering Type IV stent mislukkingen Atherosclerose Secundaire stroom structuren samenhangende structuur detectie Q - criterium λ Continuous wavelet transformaties Shannon entropie
    Experimenteel onderzoek van secundaire Flow Structures Stroomafwaarts van een Model Type IV Stent Niet in een 180 ° Gebogen Artery proefvak
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

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

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

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

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

    Waiting X
    Simple Hit Counter