Meso 스케일 입자 이미지 Velocimetry 혈관 흐름에서 체 외에서 의 연구
Summary
여기 우리가 투명 neurovascular 유령 조작 및 거기에 흐름에 대 한 단순화 된 방법을 제시. 우리 여러 중요 한 매개 변수를 선택 하 고 필드 정확도에 그들의 관계를 보여 줍니다.
Abstract
입자 이미지 velocimetry (PIV)는 다양 한 분야, 그것은 정확 하 게 시각화 하 고 큰 spatiotemporal 범위에 걸쳐 흐름 측정에 대 한 제공 하는 기회 때문에 사용 됩니다. 그러나, 구현은 일반적으로 그것의 광범위 한 유틸리티 제한 비싸고 특수 장비의 사용을 해야 합니다. 또한, 생명 공학 분야, 내 생체 외에서 흐름 시각화 연구는 또한 종종 더 원하는 해 부 구조, 특히 그에 대 한 정리는 상업적으로 공급된 조직 팬텀의 높은 비용에 의해 제한 하는 mesoscale 정권 (즉, submillimeter 밀리미터 길이 가늠 자에) 스팬. 여기, 우리는 핵심 요소 mesoscale 조직 유령 3 차원 인쇄 및 실리콘 주조를 사용 하 여 날조를 위한 1)는 상대적으로 낮은 비용 방법 포함, 이러한 한계를 해결 하기 위해 개발 된 간단한 실험 프로토콜 제시 및 2) 오픈 소스 이미지 분석 및 프로세싱 프레임 워크 mesoscale 흐름을 측정 하기 위한 계측 시 수요를 감소 시키는 (즉, 밀리미터의 10 최대 속도/초). 이 많은 생명 공학 연구원의 처리에서 이미 리소스를 활용 하 여 유추에 대 한 진입 장벽을 낮추고. 우리 혈관 흐름 특성;의 컨텍스트 내에서이 프로토콜의 demonstratethe 적용 그러나, 그것은 광범위 한 mesoscale 응용 공학에 관련이 있을 예정 이다.
Introduction
PIV 흐름 시각화 및 microcirculatory 흐름1,2,3대기에서 길이 규모에서 변화 하는 움직임의 양적 조사에 대 한 유체 역학 실험에 널리 사용 됩니다. 그것의 실시의 세부 사항으로의 응용 프로그램으로 널리 다를 수 있습니다, 거의 모든 PIV 연구에 공통 한 측면은 연속적인 이미지 프레임의 한 쌍 단위로 분석 하 여 다음 작동 유체 내에서 시드 추적 입자의 비디오 영상의 사용 추출 흐름 특성을 원하는. 일반적으로,이 첫 번째 심문 윈도우 라고 하는 작은 지역으로 각 이미지 프레임 분할에 의해 수행 됩니다. 분산 된 입자의 무작위 위치 결과로 픽셀 농도의 독특한 유통을 각 심문 창에 포함 되어 있습니다. 창 크기 및 데이터 수집 속도 적절 하 게 선택 하는 경우 그 지역 내에서 평균 변위 추정 하 각 창에 강도 신호의 교차 상관 관계를 사용할 수 있습니다. 마지막으로, 확대 및 프레임 속도 알려진 실험적인 매개 변수, 그 순간 속도 벡터 필드 수 있습니다 쉽게 계산 될.
싱글 포인트 측정 기술을 통해 PIV의 가장 큰 장점은 2 또는 3 차원 도메인 전체 벡터 필드를 매핑하는 기능입니다. Hemodynamic 응용 프로그램, 특히, 혜택이 기능에서 혈관 질환 또는 (예를 들어, 아 테 롬, 신생) 리 모델링에서 중요 한 역할을 알려져 있습니다 로컬 흐름의 철저 한 수사를 수 있기 때문 4 , 5 , 6. 이것은 또한 혈관 흐름의 평가 대 한 진정한 고 수 같은 응용 프로그램에 관련 된 길이 비늘 이후 혈관 내 수술 장치 (예를 들어, 흐름 diverters, 텐트, intrasaccular 코일), 그 상호 작용 종종 하나 이상의 크기 순서 (예를 들어, 밀리미터에 마이크로 미터에서), 및 장치 형상 스팬 및 배치 지역 유체 역학7영향을 크게 수 있습니다.
PIV 기반 hemodynamic 연구를 실시 하는 대부분 그룹을 밀접 하 게 혈관 흐름7,8에 텐트 영향의 초기 수사 중 일부 모방 실험 설정에 의존 했습니다. 일반적으로,이 포함 한) 펄스 레이저와 고속 카메라, 높은-속도 흐름; 캡처 b) 동기화, 레이저의 펄스 주파수와 카메라 수집 프레임 속도; 앨리어싱을 방지 하 c) 원통형 광학, 빛 시트를 형성 하 고, 따라서, 추적 입자 위와 심문 비행기; 아래에서 배경 형광을 최소화 d)의 경우 상업 턴키 시스템, 교차 상관 분석을 수행 하기 위해 독점 소프트웨어 패키지. 그러나, 일부 응용 프로그램에서는 성능 및 공동으로 이러한 구성 요소에서 제공 하는 다양성, 그러나 많은 다른 사람 하지 않습니다. 또한, 상업적으로 공급된 조직 원하는 혈관 구조를 정리 하는 환영 또한 증명할 수의 높은 비용 많은 생체 외에서 연구에 대 한 제한으로 유령에 대 한 특히 기능 그 다리 mesoscale 정권 (> 500 원 / 팬텀)입니다. 여기, 우리가 시험관에 시각화 공간 모두 거짓말 일반적으로 혈관 흐름의와 일시적으로 (즉, 길이 비늘까지 mesoscale 정권 내에서 대 한 PIV를 구현 하기 위한 단순한 프로토콜의 개발 보고 밀리미터, 밀리미터의 10까지 속도를 submillimeter에서 / 초). 프로토콜 이미 처분에 따라서 유추에 대 한 진입 장벽을 낮추는 많은 생명 공학 연구원의 자료를 활용 하고자 합니다.
이 프로토콜의 첫 번째 요소로 투명입니다 (PDMS)의 사내 제작 수 있도록 투자 주조 기술의 사용을 포함-기반 3 차원 인쇄 희생 금형에서 조직 환영. 최근 몇 년 동안, 특히 그 공유/다중 사용자 시설 (예를 들면, 기관 시설 또는 공공 makerspaces)에 3 차원 프린터의 증가 가용성을 활용 하 여이 방법론 크게 비용 인하 (예를 들어, < 여기에 제시 하는 경우에 100 원/팬텀), 다양 한 디자인 및 형상 제조에 대 한 신속한 처리를 가능 하 게 하면서. 현재 프로토콜 융합된 증 착 시스템 모델링 건축 자재로 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS) 함께 사용 됩니다 그리고 인쇄 된 부분 이후의 가상 캐스팅에 대 한 희생 형 역할. 우리의 경험 나타났습니다 ABS 사용 적합 때문에 (예를 들어, 아세톤), 일반적인 용 매에 용 해 하 고 충분 한 강도와 강성이 지원 물자의 제거 후 금형 무결성을 유지 하는 (예를 들어, 방지는 변형 또는 소형 금형 기능의 골절). 현재 프로토콜에서 금형 무결성 더 보장 된다 단단한 인쇄 된 모델을 사용 하 여 비록이 증가 해체 시간을 희생 해 서 온다. 빈 모델의 사용 용 매 접근을 강화 하 고 따라서 해체 시간을 감소, 어떤 경우에도 수 있습니다. 그러나, 신중 하 게 고려해 야 효과에이 있을 수 있습니다 금형 무결성에. 마지막으로, 여기 조작 유령 혈관 구조는 일반적인 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어 패키지를 사용 하 여 생성의 이상적인된 대표를 기반으로, 하는 동안 프로토콜 것으로 예상 된다 더 복잡 한 제조 의무가 있을 뿐만 아니라 환자 전용 형상 (예를 들어, 사용을 통해 임상 영상 데이터의 변환에 의해 생성 된 모델 파일의는. STL 파일 형식 대부분 3 차원 프린터에서 사용). 팬텀 제조 공정에 대 한 자세한 내용은 프로토콜의 2 절에서 제공 됩니다.
프로토콜의 두 번째 요소는 오픈 소스 ImageJ9교차 상관 분석 실시 하기 위한 플러그인의 사용을 포함. 이 간단한 통계 임계 처리 계획의 구현과 함께 결합 (즉, 강도 상한)는 정규화 postcorrelation 벡터 유효성 검사 체계, 뿐만 아니라 교차 상관, 이전 이미지 신호를 개선 하기 위해10 중간 시험 (NMT), 그것의 가장 가까운 이웃11각각의 비교를 통해 가짜 벡터를 제거 하. 이미징 장비에서 일반적으로 있다 많은 생명 공학 실험실, 전형적인 PIV 시스템 (예를 들어, 펄스 레이저의 비용이 많이 드는 구성의 많은 것의 수집에 대 한 필요를 사용 하 여 수행할 수 있습니다 동기화, 원통형 광학, 및 독점 소프트웨어). 비디오 수집, 이미지 프로세싱 및 데이터 분석에 대 한 자세한 내용은 섹션 5와 6의 프로토콜에서에서 제공 됩니다.
그림 1 에 대 한 이미징, 외부, 뿐만 아니라 연속 화이트 라이트 소스 (즉, 금속 할로겐 램프)에 대 한 고속 카메라를 갖춘 형광 현미경에 의존이 프로토콜에 사용 되는 PIV 설정 설명 목표를 통해 체적 조명. 가변 속도 기어 펌프는 혈관 조직 환영을 통해 투명 한 모의 피 솔루션의 반복 흐름을 부과 하는 데 사용 됩니다. 솔루션은 이온 (DI) 물과 글리세롤, hemodynamic에서 혈액으로 인해12,,1314, 연구에 대 한 일반적인 대용품 인과 혼합물의 구성 된) 그것의 비슷한 밀도 점도 (즉, 1080 kg/m3 와 3.5 cP 대 1050 k g/m3 와 혈액에 대 한 3-5 cP)15,16; 보이는 범위; b)의 투명성 c) 그것의 유사한 굴절률 PDMS (1.38 대 1.42 PDMS에 대 한)17,18,,1920, 광학 왜곡을 최소화 하 d)는 비 뉴턴 동작 소개 될 수 있다, 필요한 경우 쉽게 통해 xanthane21의 추가. 마지막으로, 형광 폴리스 티 렌 구슬 추적 입자 (직경에서 10.3 µ m; 480 nm/501 nm 여기/방출)로 사용 됩니다. 중립 부 력 구슬은 원하는 동안 최적의 유체 기계적 특성 (예를 들어, 밀도, 크기, 구성)와 방출 파장 추적 입자를 소싱 어려운 증명할 수 있다. 예를 들어 여기서 구슬 글리세롤 솔루션 (1050 k g/m3 대 1080 kg/m3) 보다 약간 적은 밀도 있습니다. 그러나, 그 유체 효과, 주어진 전형적인 실험 기간 부 력 효과와 관련 된 시간 규모 보다 훨씬 짧습니다 (즉, 5 분 및 20 분 각각). 더 모의 피 솔루션 수립 및 체 외 순환 시스템 설정에 관한 세부 사항은 섹션 3 및 4의 프로토콜에서에서 제공 됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜 설명 여기 윤곽선 순수 관련 차원 및 흐름 조건 생체 외에서 흐르는 PIV 연구 혈관 시각화를 수행 하기 위한 간단한 방법. 이렇게, 그것은 또한 단순화 정량화의 벡터 필드, 하지만 훨씬 더 큰 길이 고려 조정25 또는 더 낮은 흐름을 필요로 하는 매우 다른 컨텍스트 내에서 초점을 다른 사람에 의해 보고 하는 프로토콜을 보완 하는 역 요금26,</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 공동 씨 그랜트 연구의 사무실 및 UC 리버 사이드에서 경제 개발에서에서 제공 하는이 프로젝트에 대 한 부분 지원을 인정 한다.
Materials
| Solidworks 2015 | Dassault Systems | N/A | CAD Software |
| Dow Corning Sylgard 184 Kit | Ellsworth Adhesive | 184 SIL ELAST KIT 3.9KG | PDMS Kit |
| Stratasys Dimension Elite | Stratasys | 9180-00105 | 3D printer |
| P430 Model Material Cartridge | Stratasys | 340-21202 | ABS build material |
| P400 SR Soluble Support Material Cartridge | Stratasys | 340-30200 | Support material |
| CleanStation DT3 | PM3 Technologies | 00-00300R | Base bath |
| Lindberg Blue M LGO Box Furnace | Thermo Scientific | LB305745M | Oven |
| 21G BD PrecisionGlide Needle | Betcon Dickenson | BD 305167 | Branching perforator mold segment |
| Desiccator (Vacuum) | Polylab | 55205 | Desiccator |
| Branson 1800 Utrasonic Cleaning | Branson | CPX-952-116R | Sonicator |
| Acetone | Fisher Chemical | A9494 | Acetone |
| Isopropol Alcohol | Fisher Chemical | A4514 | Isopropol Alcohol |
| Glycerol | Fisher Chemical | GW33500 | Glycerol |
| 10um Polystyrene Yellow-Green Fluorescent Particles | Magsphere | PSF-010UM | Fluorescent beads |
| Phantom Miro | Vision Research | Miro M310 | High speed camera |
| Micropump | Cole-Parmer | 81101 | Recirculating pump |
| Leica DM2000 | Leica Microsystems | DM2000 | Fluorescent Microscope |
| Leica 10X Objective | Leica Microsystems | 506259 | Objective for perforator |
| Leica 2.5X Objective | Leica Microsystems | 11506083 | Objective aneurysm sac |
| Leica Blue Filter Cube L5 | Leica Microsystems | 513840 | Blue filter cube |
| Leica EL6000 | Leica Microsystems | 11504115 | Light source |
| Alconox | Alconox Inc | 1104-1 | Detergent |
| ImageJ | NIH | N/A | Open source image analysis software https://imagej.nih.gov/ij/ |
| Particle Image Velocimetry PIV Plugin | Qingson Tseng | N/A | https://sites.google.com/site/qingzongtseng/piv |
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