Summary
Het huidige protocol beschrijft deeltjesbeeld velocimetrie (PIV) metingen die worden uitgevoerd om de sinusstroom door de in vitro opstelling van de transkatheter aortaklep (TAV) te onderzoeken. De hemodynamische parameters op basis van snelheid worden ook bepaald.
Abstract
Aortaklepdisfunctie en beroerte zijn onlangs gemeld bij patiënten met transkatheter aortaklepimplantatie (TAVI). Trombus in de aorta sinus en neo-sinus als gevolg van hemodynamische veranderingen is vermoed. In vitro experimenten helpen bij het onderzoeken van de hemodynamische kenmerken in de gevallen waarin een in vivo beoordeling beperkt blijkt te zijn. In vitro experimenten zijn ook robuuster en de variabele parameters worden gemakkelijk gecontroleerd. Particle image velocimetry (PIV) is een populaire velocimetriemethode voor in vitro studies. Het biedt een snelheidsveld met hoge resolutie, zodat zelfs kleinschalige stromingskenmerken worden waargenomen. Het doel van deze studie is om aan te tonen hoe PIV wordt gebruikt om het stroomveld in de aorta-sinus na TAVI te onderzoeken. De in vitro opstelling van het aortafantoom, TAVI voor PIV, en het data-acquisitieproces en de nabewerkingsstroomanalyse worden beschreven. De hemodynamische parameters worden afgeleid, waaronder de snelheid, stroomstasis, vortex, vorticiteit en deeltjesverblijf. De resultaten bevestigen dat in vitro experimenten en PIV helpen bij het onderzoeken van de hemodynamische kenmerken in de aorta-sinus.
Introduction
Aortastenose is een veel voorkomende ziekte bij oudere volwassenen en het is wanneer de aortaklep niet opent, waardoor de bloedstroom wordt verminderd. Het probleem wordt veroorzaakt door de verdikking of verkalking van de aortaklep1. Daarom is het een noodzakelijke behandeling om de bloedstroom te verbeteren en de belasting van het hart te verminderen. Het wordt behandeld door de aortaklep te verbouwen of te vervangen door een kunstklep. Deze studie richt zich op transkatheter aortaklepimplantatie (TAVI), waarbij de defecte aortaklep wordt vervangen door een kunstmatige met behulp van een katheter.
TAVI is aanbevolen voor patiënten die worden uitgedaagd tijdens operaties, en de mortaliteit is ook laag2. Onlangs is gemeld dat trombus bij patiënten na TAVI klepdisfunctie en beroerte 3,4 veroorzaakte. Trombus in de aorta sinus en neo-sinus wordt vermoed, met als oorzaak waarschijnlijk de veranderingen in de hemodynamiek veroorzaakt door TAVI. Het wordt uitgevoerd zonder de inheemse folders te verwijderen; deze folders kunnen de sinusstroom verstoren en het risico op tromboseverhogen 5.
Het is moeilijk om te bepalen hoe de bloedstroom wordt beïnvloed door TAVI en hoe trombose wordt geïnduceerd bij patiënten. Het is wenselijk om de relatie tussen bloedstroom en trombusvorming in vivo op te helderen. Een gebrek aan praktische technieken voor het meten van de bloedstroom maakt dit echter problematisch. Aan de andere kant hebben in vitro technieken het voordeel dat men de veranderingen in de bloedstroom kan volgen door de parameters die moeten worden onderzocht te beperken. In vitro setup en particle image velocimetry (PIV) zijn gebruikt om snelheid in medische velden te identificeren 6,7,8. Daarom zijn in vitro en PIV voldoende voor het bepalen van de te rapporteren parameters door de toestand van de patiënt na te bootsen: de hartslag en druk, viscositeit en sinusgeometrie, en om deze parameters te kunnen regelen.
In deze studie worden in vitro setup en PIV gebruikt om de stroming in de aorta sinus na TAVI te onderzoeken. Het aortafantoom en TAVI voor de PIV en het data-acquisitieproces en de nabewerkingsstroomanalyse worden in dit protocol beschreven. Verschillende hemodynamische parameters worden afgeleid, waaronder de snelheid, stasis, vortex, vorticiteit en deeltjesresidentie. De resultaten tonen aan dat in vitro setup en PIV helpen bij het onderzoeken van de hemodynamische kenmerken in de aorta-sinus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. In vitro instellen
- Bereid de experimentele opstelling voor op een optische tafel, inclusief een zuigerpomp, data-acquisitieapparaat (DAQ) en een computer met de vereiste systeemengineeringssoftware en een motorbesturingssoftware (zie Tabel met materialen) (figuur 1).
OPMERKING: De zuigerpomp is eerder getest en gekalibreerd en bestaat uit een motor, motordriver en lineaire actuator9. - Importeer het spreadsheetbestand met de stroomsnelheidsinformatie naar de systeemengineeringssoftware.
OPMERKING: De hartslag is bijvoorbeeld 60 bpm, het maximale debiet is 20 L / min, de cardiale output is 4,8 L / min en het slagvolume is 70 ml. - Stel de parameter in systems engineering software in, zoals DAQ input en output channel; voorbeeldklok is 1.000 en feedback-iteratie is 10.
- Stel de parameter in de motorbesturingssoftware in; de lengte van de spindel is 10 mm, de analoge in- en uitgang zijn 14,5 mm/spanning.
- Installeer de terugslagklep en weerstandsklep op het reservoir10.
OPMERKING: De terugslagklep is aangesloten op de zuigerpomp als een inlaat van het systeem en de kogelkraan is verbonden met het acryl sinusmodel als een uitlaat van het systeem. - Bevestig het acryl sinusmodel (figuur 2) met een vierkante aluminium staaf aan de optische tafel.
OPMERKING: De afmetingen van het acryl sinusmodel zijn weergegeven in tabel 1. - Installeer de manometer (~ 0-15 psi) op de drukkraan van het acryl sinusmodel voor het ontvangen van een druksignaal van een andere computer.
OPMERKING: De drukkranen bevinden zich op 140 mm van de sinotubulaire overgang (STJ). - Bereid een werkvloeistof door zoutoplossing en glycerine (zie materiaaltabel) te mengen in een massaverhouding van 60:40.
OPMERKING: Een viscometer en een refractometer werden gebruikt om de viscositeit en brekingsindex van de werkvloeistof te meten. De viscositeit is ~4 cp, de brekingsindex is 1,45 en de dichtheid is 1.100 kg/m3. - Sluit het reservoir, de zuigerpomp en het acryl sinusmodel aan op een siliconenslang (zie Tabel met materialen).
- Bind de transkatheter aortaklep (TAV) (zie Tabel met materialen) aan de native folder gemaakt door een 3D-printer met eendraad 11.
- Combineer de vaste TAV op de native folder met het acryl sinusmodel.
OPMERKING: De tav die hier wordt gebruikt (commercieel verkregen) heeft een diameter van 23 mm en 26 mm en de hoogte is respectievelijk 18 mm en 20 mm,12. Voor TAV (23 mm) waren de inzetdiepte en de oorspronkelijke folderlengte 1,8 mm en 9 mm, en voor TAV (26 mm) is dit respectievelijk 2,0 mm en 10 mm. De binnendiameter van de inheemse bijsluiter was 21 mm, gezien de annulusgrootte van de patiënt.
LET OP: De TAV droogt uit als deze niet in een zoutoplossing wordt bewaard. Het wordt in de vloeistof bewaard, zelfs nadat het aan de inheemse bijsluiter is gebonden. - Vul de werkvloeistof (stap 1.8) in het in vitro systeem.
VOORZICHTIGHEID. Vermijd het maken van bubbels op het acryl sinusmodel omdat dit de PIV-resultaten beïnvloedt.
2. PIV instellen
- Plaats de laser op een andere optische tafel en eenassige rail.
OPMERKING: De laser is een continue Nd: YAG-laser die licht uitzendt met een golflengte van 532 nm en waarvan het vermogen kan toenemen tot 10 W (zie Tabel met materialen). De laserplaat die door de optiek wordt geleid, heeft een afstand van 1 m van het acryl sinusmodel. - Lokaliseer de hogesnelheidscamera op een 2-assige traverse en verplaats de traverse.
LET OP: De hogesnelheidscamera staat loodrecht op het laserplaat- en acryl sinusmodel. - Rust de lens uit op de hogesnelheidscamera.
OPMERKING: De macrolens die op de hogesnelheidscamera is gemonteerd, heeft een brandpuntsafstand van 105 mm en het diafragma is f/2.8. - Zaaddeeltje (zie Tabel van materialen) in het reservoir.
OPMERKING: Het deeltje is een holle glazen bol met een gemiddelde diameter van 10 μm en een dichtheid van 1.090 kg/m3. Het reservoir heeft een rechthoekige vorm en de breedte, lengte en hoogte binnenin zijn respectievelijk 23 cm, 23 cm, 35 cm. Er is een gat voor bevestiging in het bovenste deel. Het deksel had ook een gat voor bevestiging en een boutkraan om de bolpomp te installeren om druk uit te oefenen. - Programmeer een externe trigger met behulp van een open-source elektronisch prototypisch platform, Arduino (zie Tabel met materialen).
OPMERKING: Wanneer de zuigerpomp een vooraf bepaalde afstand verplaatst, wordt de output van Arduino 1, die als trigger naar de hogesnelheidscamera wordt verzonden om te worden gefotografeerd. - Voer de camerabesturingssoftware uit (zie Tabel met materialen), klik op Current Session Reference (CSR) en verwijder de lensdop.
- Schakel de laser in, stel deze in op 7 W en plaats het laserblad in het midden van de TAV.
- Maak een momentopname en controleer de deeltjesdichtheid en diameter.
OPMERKING: Om fouten te verminderen, controleert u dat er ~8-10 deeltjes in het ondervragingsvenster zitten, met een deeltjesdiameter van 2-4 pixels13. - Stel de parameters in, zoals resolutie (1280 x 720), willekeurige framesnelheid, belichtingstijd op maximaal volgens willekeurige framesnelheid in de camerabesturingssoftware.
- Klik eerst op de knop Inschakelen in de motorbesturingssoftware en klik op de startknop in de systeemengineeringssoftware om de zuigerpomp te bedienen.
- Maak een foto en controleer of de maximale deeltjesafstand minder dan 4-6 pixels is.
OPMERKING: Deze studie komt overeen met 50% van het ondervragingsvenster, dat 16 pixels tussen snelheidsvectoren instelt. De maximale afstand van deeltjes in het ondervragingsvenster is beperkt tot 8 pixels. - Herhaal stap 2.11 om de maximale deeltjesafstand binnen dat bereik te garanderen door de frames per seconde (fps) aan te passen als deze meer dan 6 pixels zijn en de fps te verlagen als deze kleiner is dan 4 pixels.
3. Onderzoek naar hemodynamiek
- Controleer of er lekkage is van het verbindingsgedeelte van het acryl sinusmodel of dat de siliconenslang wordt opgevouwen.
- Importeer het Excel-bestand met opgeslagen stroomsnelheid en bpm-informatie in de systeemengineeringssoftware.
OPMERKING: De hartslag is bijvoorbeeld 60 bpm, het maximale debiet is 20 L / min, de cardiale output is 4,8 L / min, het slagvolume is 70 ml (figuur 3A). - Controleer de softwareparameter voor systeemengineering, zoals het invoer- en uitvoerkanaal van het DAQ-apparaat. De voorbeeldklok is 1.000 en de feedback-iteratie is 10.
- Bevestig de parameter van de motorbesturingssoftware, bijvoorbeeld, de lengte van de spindel is 10 mm, de analoge in- en uitgang zijn 14,5 mm / spanning.
- Schakel de hogesnelheidscamera in en voer de camerabesturingssoftware uit.
- Klik op CSR en verwijder een lensdop.
- Stel de softwareparameters van de camera in, bijvoorbeeld de resolutie van 1280 x 720, een framesnelheid van 300 fps, burstperiode van 200 μs en 150 μs, burst-telling van 3 en belichting (geforceerd door de burst-periode).
- Schakel de laser in, stel deze in op 7 W en zoek het laserblad in het midden van TAV. Focus op het laserblad door de lens te bedienen.
- Pas de druk aan op het reservoir.
OPMERKING: De gemiddelde postklepdruk is 100 mmHg tijdens het bedienen van de zuigerpomp (figuur 3B,C). - Klik eerst op de knop Inschakelen in de motorbesturingssoftware en klik op de knop Start in de systeemengineeringssoftware om de zuigerpomp te bedienen.
- Wacht tot het debiet stabiliseert.
OPMERKING: Het debiet berekent het verschil op basis van het signaal van de zuigerpomp en voert negatieve feedback uit, dus het duurt even om te wachten tot het stabiliseert. - Controleer een trigger die werkt in de Arduino seriële plotter.
- Leg deeltjesbeelden vast gedurende continue 14 cycli en herhaal in totaal zeven keer.
OPMERKING: De opslagcapaciteit van een hogesnelheidscamera is gerelateerd aan de resolutie en het aantal deeltjesbeelden. Volgens de parameter die in stap 3.7 is ingesteld, is het mogelijk om slechts 14 cycli tegelijk een foto te maken.
4. Gegevensverwerking
- Converteer van .cine-bestand naar .tiff bestanden met behulp van de camerabesturingssoftware.
- Bereken het gemiddelde beeld voor alle deeltjesbeelden in de loop van de tijd. Verwijder het gebied dat overeenkomt met de reflectie van de laser op de muur of de TAV door het gemiddelde beeld14 af te trekken.
- Maak het masker door de te analyseren gebieden te scheiden van de gebieden die moeten worden weggegooid.
OPMERKING: In deze studie werden twee maskers gebruikt: een om het sinusgebied alleen te analyseren en de andere om het hele gebied te analyseren, dat het gebied na STJ bevat. - Voer PIV uit met behulp van het PIVlab, een open-source tool op basis van MATLAB15 (zie Tabel met materialen).
- Importeer deeltjesafbeeldingen die zijn opgeslagen met de tijdomgezette methode of paarsgewijze methode.
- Voer contrastbeperkte adaptieve histogramvereffening (CLAHE)16 uit.
OPMERKING: CLAHE is een methode voor beeldvoorbewerking. Het contrast van het deeltjesbeeld wordt herverdeeld zodat de laser de toename en afname van de deeltjesintensiteit weerspiegelt. Het deeltjesbeeld wordt gedeeld door een venster met 20 pixels. - Importeer het masker en breng het aan op alle deeltjesafbeeldingen.
- Stel het multi-pass ondervragingsvenster in.
OPMERKING: Het ondervragingsvenster is verlaagd van 64 x 64 naar 32 x 32 met een overlap van 50%. De afstand tussen de twee vectoren komt overeen met 16 pixels. - Voer de kruiscorrelatie13 uit over het deeltjesbeeldpaar dat is omgezet in het frequentiedomein met behulp van snelle Fouriertransformatie (FFT)13.
- Zoek een piekwaarde met behulp van een 2 x 3 Gaussiaanse fit in correlatie resultaat.
OPMERKING: De piekwaarde die in de Gaussische fitting werd gekozen, bepaalde de deeltjesafstand.
- Voer het afvlakkingsproces uit, waarbij de volgende processen betrokken zijn.
- Verwijder de uitschieters in een "NaN" met behulp van de ingebouwde functie "isoutlier" in MATLAB.
- Interpoleer een nan naar waarde met behulp van de functie "inpaint_nans" in MATLAB15.
- Converteer van "pixel / frame" naar "m / s" volgens de framesnelheid en burst-periode.
OPMERKING: De conversie is gerelateerd aan het tijdsinterval, bepaald door de framesnelheid en burst-periode. In het bijzonder wordt de coëfficiënt van de tijd-opgeloste methode afgeleid door de framesnelheid en die van een paarsgewijze methode wordt afgeleid door de burst-periode. - Voeg de paarsgewijze methode en de tijd-opgeloste methode samen met behulp van de wegingsfactor.
OPMERKING: De wegingsfactor is afhankelijk van de snelheidsgrootheid en heeft een totale waarde van 1 in elke sectie. Als de snelheidsgrootheid een bepaalde drempel overschrijdt, is de factor voor de paarsgewijze methode hoger dan die voor de tijd-opgeloste methode. - Voer de "smoothn"-functie van DCT-PLS uit met een afvlakkingsfactor van 0,5915,17.
OPMERKING: De functies "smoothn" en "inpaint_nans" zijn aanwezig in het PIVlab.
5. Data-analyse
- Laad PIV-gegevens in MATLAB.
- Extraheer "u" en "v" componenten uit de PIV-gegevens.
- Bereken het snelheidsveld18 (vergelijking 1, aanvullend bestand 1).
- Leid hemodynamische parameters af met behulp van de interne code en ingebouwde functie19.
- Leid de vorticiteit af met de ingebouwde MATLAB-functie "curl"18 (vergelijking 2, aanvullend bestand 1).
- Leid de stasis af met de interne code20 (vergelijking 3, aanvullend bestand 1).
- Leid de Γ1 af met de interne code21 (vergelijking 4, aanvullend dossier 1).
- Leid de deeltjesresidentie af met een interne code19 (vergelijking 5, aanvullend bestand 1).
- Bereken de gemiddelde en standaarddeviatie van hemodynamische parameters (tabel 2).
OPMERKING: Pieksnelheid, vorticiteit, Γ1 en stasis werden berekend voor een totaal van 98 cycli. Het verval werd verkregen door exponentiële aanpassing aan het percentage deeltjesverblijf. Het verval stelde 14 cycli in als één dataset en berekende zeven keer het gemiddelde en de standaarddeviatie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De snelheidsvelden vertoonden een andere sinusstroomstructuur afhankelijk van de klepdiameter in figuur 4. Voor TAV (23 mm) was de snelheid hoger dan 0,05 m/s tussen TAV en STJ van vroeg systole tot pieksysteem dat TAV werd geopend met behulp van de voorwaartse straal. Hoge snelheid werd vervolgens verdeeld in een smal bereik in de buurt van de stent aan het einde van systole. De snelheid bij diastole was lager dan 0,025 m/s en er verschenen twee vortexen met een lage snelheid. Voor TAV (26 mm) werd bij het openen van de klep een hoge snelheid gemeten bij STJ. In de tijd, met uitzondering van vroege systole, was de snelheidsverdeling in sinus lager dan 0,05 m / s. In het bijzonder was de snelheid aan het einde van systole lager dan op een ander moment. De vortex in één richting, die een ovale vorm had, wordt waargenomen boven de inheemse deelblaadje bij diastole.
De hemodynamische parameters afgeleid door snelheid zijn weergegeven in figuur 5 en tabel 2. De pieksnelheid in TAV (23 mm) was hoger dan TAV (26 mm). Stasis werd waargenomen in de sinus, behalve de voorwaartse straal en het worden in de sinus. Het stasisgebied gevormd in TAV (23 mm) was breed, maar de fractie van stasis was laag. De vortex en vorticiteit bij diastole presenteerden iets dat niet werd bevestigd in het snelheidsveld. Voor TAV (23 mm) werden twee vergelijkbare wervelingen opgemerkt boven en onder de inheemse folder. Maar voor TAV (26 mm) was de vortex met de klok mee niet duidelijk; de vortex tegen de klok in had een elliptische vorm. De vorticiteit toonde aan dat dit vergelijkbare resultaten waren als de vortex. Het positieve was in de buurt van de stent en de inheemse folder en het negatieve werd waargenomen in een andere regio.
Het percentage en de momentopname van de deeltjesresidentie zijn weergegeven in figuur 6. De momentopnamen van deeltjesresidentie toonden deeltjesverdeling in het sinusgebied gedurende 2 s, en het percentage deeltjesresidentie toonde die fractie van resterende deeltjes in het sinusgebied gedurende 14 s. In figuur 6B daalde de TAV (26 mm) sneller dan TAV (23 mm), maar in beide gevallen werd aangetoond dat alle deeltjes het sinusgebied binnen 6 s verlieten. De deeltjes verplaatsten zich uit het gebied in figuur 6A, maar het was niet identiek in gevallen. Voor TAV (23 mm) werden deeltjes verdeeld over het hele sinusgebied en gingen uit het vlak naarmate de cyclus vorderde. Dit gebeurde niet voor TAV (26 mm) en liet verschillende aspecten zien. De deeltjes waren geconcentreerd in de buurt van de annulus, die het sinusgebied verliet vanaf de bodem van de inheemse deelfolder.
Figuur 1: In vitro experimentele opstelling. Het bestaat uit een hogesnelheidscamera, een acryl sinusmodel, een zuigerpompsysteem, een reservoir, een Arduino en een computer. Het is een gesloten systeem en stroomt slechts in één richting als gevolg van de terugslagklep geïnstalleerd in het reservoir en TAV geïnstalleerd in het acryl sinus model. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Het acryl sinusmodel met native leaflet en TAV (23mm). (A) De tekening en naamgeving van de afmetingen zijn weergegeven in tabel 1. Voor beide kunstkleppen is het acryl sinusmodel hetzelfde. (B) Modellering over native folder en stent van TAV (23 mm). De inheemse folder is cilindrisch van vorm en is niet transparant. Bij het modelleren werd de bijsluiter van TAV weggelaten en alleen stent gepresenteerd. Tav; Transkatheter aortaklep, STJ; sinotubulair knooppunt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Debiet en druk voor 1 s. (A) De stroomsnelheid wordt afgeleid door het slagvolume voor 1 s; het maximale debiet is 20 L/min. De rode stip in de stroomsnelheid is respectievelijk de instantietijd van links bij respectievelijk de vroege systole, piek systole, late systole en diastole. (B) De druk van TAV (23 mm). (C) De druk van TAV (26 mm). De blauwe lijn is post-valvulaire druk en de rode is pre-valvulaire druk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Snelheidsveld in het sinusgebied. De snelheidscontour varieert van 0-0,05 m/s. De linkerrij is het snelheidsveld van TAV (23 mm) en de rechterrij is die van TAV (26 mm). De kolom is instantietijd gedefinieerd bij een stroomsnelheid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Resultaat sinushemodynamiek. De pieksnelheidscontour wordt weergegeven bij pieksysteem. Stromingsstasis wordt geprojecteerd voor de cyclus, en het is dat interne gebied dat wordt weergegeven door een witte lijn. De vortex en vorticiteit worden weergegeven als snelheidsvector en contour bij diastole. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Momentopnamen en percentage van deeltjesresidentie. (A) deeltjesverblijfplaatsing gedurende 2 s wordt gepresenteerd met een witte vlek aangegeven sinusgebied en rode cirkel aangegeven virtuele deeltjes. (B) Het percentage deeltjesverblijfplaats voor 14 s is dat de rode lijn TAV is (23 mm) en de blauwe lijn TAV (26 mm). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Pieksnelheid (m/s) | Vorticiteit (s-1) | Draaikolk | Stase | Verval | |
| TAV (23 mm) | 1,74 ± 0,03 | 10,13 ± 1,76 | 0,58 ± 0,08 | 0,44 ± 0,13 | -0,95 ± 0,21 |
| TAV (26 mm) | 1,43 ± 0,03 | 7,42 ± 1,16 | 0,33 ± 0,10 | 0,50 ± 0,09 | -1,35 ± 0,28 |
Tabel 1: Afmetingen van acryl sinus model. Alle units zijn in mm.
| Eenheid (mm) | |||||
| TAV-diameter | TAV Hoogte | Implementatiediepte | Native folder Lengte | Inheemse folder Diameter | |
| TAV (23 mm) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| TAV (26 mm) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| Eenheid (mm) | |||||
| STJ Diameter | STJ Hoogte | Annulus Diameter | Sinus Diameter | Sinus hoogte | |
| TAV (23 mm) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| TAV (26 mm) |
Tabel 2: Gemiddelde en standaarddeviatie over sinus hemodynamische parameter.
Aanvullend dossier 1: Vergelijkingen voor data-analyse. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De sinusstroom veranderde door verschillende sinusgeometrie na TAVI. De vortex werd gevormd door de opening van de aortaklep en de interactie met de voorwaartse straal van systole22. In de studie van de kunstmatige chirurgische klep zonder inheemse blaadjes was de vortex waargenomen in het sinusgebied bij systole normaal23. Deze studie vormt de vortex die bij diastole wordt gepresenteerd door de voorwaartse straal te verminderen en in de sinus te komen. De sinusstroom stuitte op de inheemse folder; als gevolg hiervan splitst het zich met de klok mee onder de inheemse folder en tegen de klok in boven. Het suggereert dat patiënten na TAVI anders zijn dan gezond zonder trombose. De sinusstroom veranderde dus na TAVI, wat mogelijk de trombusvorming in de sinus beïnvloedde.
Trombose treedt op doordat rode bloedcellen worden vernietigd door schuifspanning, de stagnatiestroom en externe stoffen zoals de stent van TAV24. In deze studie werd trombus gevormd door stagnatiestroom overwogen, wat werd bevestigd door hemodynamische parameters zoals flowstasis en deeltjesresidentie. De inheemse folder verbiedt fysiek de sinusstroom en beperkt het sinusgebied. De sinusstroom in de buurt van de annulus wordt beperkter, waardoor de stasis toeneemt. En voor de deeltjesresidentie verlaten deeltjes boven de inheemse folder snel het gebied, terwijl die eronder dat niet doen. De rode bloedcel heeft een kleine afstand, aggregerend in de sinus. Er werd ook onderzocht dat flowstasis wordt waargenomen aan de onderkant van de sinus wanneer er een inheemse folderis 4. Het probleem na TAVI is dat de inheemse bijsluiter blijft bestaan en dat onderzoek moet worden herzien om trombose te remmen.
In vitro experimenten en PIV observeren met succes het snelheidsveld in de sinus. Er zijn echter nog steeds verschillen met echte patiënten en het vereist verbetering. Ten eerste is het acryl sinusmodel vereenvoudigd om fabricage in één keer mogelijk te maken. De rechter- en linkerkrans bevinden zich op twee van de drie cusps; het bloed gaat naar de kransslagader ~5% van het totaal tijdens diastole10,25. Een van de beperkingen van het huidige in vitro model is dat het huidige model geen fysiologische eigenschappen nabootst zoals reologie, vasculaire structuur, 3D-vaatgeometrie, enz. Ook omvat het huidige model geen coronaire stroming. De vorige studies toonden aan dat coronaire stroming de sinusstroom beïnvloedt. Ten tweede omvat de huidige 2D PIV-analyse niet de buitenvlakse beweging van de stroming. Verdere studie met volumetrische meting (bijv. 3D PIV / Particle tracking velocimetry (PTV)) kan het complexe stroomveld in de aortastroom onthullen. Ten derde bestaan de nauwkeurigheidsbeperkingen van PIV als gevolg van individuele variaties van deeltjesbeeldintensiteiten. De out-of-plane beweging, zelfs zonder ruis, beperkt de haalbare nauwkeurigheid26,27. In deze studie is de nauwkeurigheid van PIV-meting met subpixelinterpolatie ~ 0,1 pixel, wat overeenkomt met 0,03 m / s bij TAV (23 mm) en 0,041 m / s bij TAV (26 mm).
Toekomstige studies zijn van plan om in vitro experimenten en 3D-vloeistofvisualisatiemethoden te gebruiken om sinushemodynamiek te begrijpen. Het acryl sinusmodel is ontworpen om een tricuspidalis met een kransslagader te hebben. Het zal worden gesplitst door interferentie in het sinusgebied te vermijden. In deze studie werd het gemeten gebied na STJ ook geanalyseerd om te bevestigen of het snelheidsveld vergelijkbaar is. Hoewel niet uitgelegd, wordt verondersteld dat sinusstroom de folderbeweging van TAV beïnvloedt. Het steekt daardoor niet uit. Het gemeten gebied zal zich alleen op de sinus concentreren om problemen zoals wazige deeltjesbeelden door gebroken laser te minimaliseren. Ook wordt 3D PTV voorbereid om de beweging van het deeltje26,27 te observeren. Het zal nuttig zijn om het principe van trombose in de sinus na TAVI te begrijpen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door het Basic Science Research Program van de National Research Foundation of Korea, dat wordt gefinancierd door het ministerie van Onderwijs (NRF-2021R1I1A3040346 en NRF-2020R1A4A1019475). Deze studie werd ook ondersteund door 2018 Research Grant (PoINT) van Kangwon National University.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | Prusa Research | Original Prusa i3 MK2; FDM printer | |
| Aluminum bar (square) | APSPRO | KHP-3030, KHP-6060 | Dimension: 30 mm x 30 mm, 60 mm x 60 mm |
| Bulb pump | Skyhope | MHL-1 | |
| Camera controlling software | Phantom | PCC 3.4 software | The software controll the high speed camera |
| Check valve | HANJU STEEL PIPE | Check valve; 1/2 inch (15A) | |
| Digital Aqusition device | National Instruments | USB-6001 | |
| Glycerin | ANU Korea | It used for making a working fluid | |
| High-speed camera | Phantom | Phantom VEO 710E-L | |
| Laser | Changchun New Industries Optoelectronics Technology | MGL-W-532; CW Nd:YAG Laser | |
| Linear actuator | THOMSON | PC-40; it converts the rotational motion to lenear motion | |
| Macro lens | Nikon | VR Micro-NIKKOR 105mm, f/2.8 G | |
| Motor | KOLLMORGEN | AKM33H-ANCNR-00; DC servo motor | |
| Motor controlling software | KOLLMORGEN | Kollmorgen software; the software controll the motor driver | |
| Motor driver | KOLLMORGEN | AKD-B00606-NBAN-0000 | |
| Open-source electronic prototypic platform | Arduino | A000066 | Arduino Uno R3. It used for making a external trigger |
| Optic table | SMTECH | 1800 (W) x 900 (B) x 800 (H) | |
| Particle | Dantec Dynamics | 80A6011 | Hollow Glass Sphere. Mean diameter:10 µm, Density: 1090 kg/m3 |
| PIVlab | PIVlab | Open source algorithm based on MATLAB https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui |
|
| Pressure gauge | OMEGA | PX309-015A5V. Measurement range: 0~15psi | |
| Refractometer | ATAGO | 2350 | R-5000. Hand held refractometer; measurement range: 1.333-1.520 |
| Resistance valve | HANJU STEEL PIPE | Ball valve; 1/2 inch (15A) | |
| Saline | DAI HAN PHARM | It is used for making a working fluid and for preserving the TAV | |
| Silicone hose | HSW | Inner diameter 26mm, Outter diameter 30mm; Inlet length 5m, Outlet length 1.5m | |
| System enginnering software | National Instruments | LabVIEW software. The software controlls the DAQ. | |
| Transcatheter Aortic Valve, TAV (23 mm) and TAV (26 mm) | Edwards Lifesciences | SAPIEN3 23mm, SAPIEN3 26mm. It is supported by Seoul Asan Medical | |
| Viscosmeter | Brookfiled | DVELV; Measurement range: 1-2x109 cp |
References
- Carabello, B. A., Paulus, W. J. Aortic stenosis. The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).
- Jakobsen, L., et al. Short-and long-term mortality and stroke risk after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 121 (1), 78-85 (2018).
- Koo, H. J., et al. Computed tomography features of cuspal thrombosis and subvalvular tissue ingrowth after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 125 (4), 597-606 (2020).
- Midha, P. A., et al. The fluid mechanics of transcatheter heart valve leaflet thrombosis in the neosinus. Circulation. 136 (17), 1598-1609 (2017).
- Abubakar, H., Ahmed, A. S., Subahi, A., Yassin, A. S. Thrombus in the Right Coronary Sinus of Valsalva Originating From the Left Atrial Appendage Causing Embolic Inferior Wall Myocardial Infarction. Journal of Investigative Medicine High Impact Case Reports. 6, 2324709618792023 (2018).
- Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress. Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).
- Hariharan, P., et al. Inter-laboratory characterization of the velocity field in the FDA blood pump model using particle image velocimetry (PIV). Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (4), 623-640 (2018).
- Lim, W., Chew, Y., Chew, T., Low, H. Pulsatile flow studies of a porcine bioprosthetic aortic valve in vitro: PIV measurements and shear-induced blood damage. Journal of Biomechanics. 34 (11), 1417-1427 (2001).
- Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model. Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).
- Moore, B. L., Dasi, L. P. Coronary flow impacts aortic leaflet mechanics and aortic sinus hemodynamics. Annals of Biomedical Engineering. 43 (9), 2231-2241 (2015).
- Evans, B. Practical 3D printers: The science and art of 3D printing. , Apress. (2012).
- Yudi, M. B., Sharma, S. K., Tang, G. H., Kini, A. Coronary angiography and percutaneous coronary intervention after transcatheter aortic valve replacement. Journal of the American College of Cardiology. 71 (12), 1360-1378 (2018).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle Image Velocimetry. , Cambridge University Press. (2011).
- Deen, N. G., et al. On image pre-processing for PIV of single-and two-phase flows over reflecting objects. Experiments in Fluids. 49 (2), 525-530 (2010).
- Thielicke, W., Stamhuis, E. PIVlab-towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software. 2 (1), (2014).
- Pizer, S. M., et al. Adaptive histogram equalization and its variations. Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 39 (3), 355-368 (1987).
- Garcia, D. Robust smoothing of gridded data in one and higher dimensions with missing values. Computational Statistics & Data Analysis. 54 (4), 1167-1178 (2010).
- Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., Roberson, J. A. Engineering Fluid Mechanics. , John Wiley & Sons. (2020).
- Raghav, V., Sastry, S., Saikrishnan, N. Experimental assessment of flow fields associated with heart valve prostheses using particle image velocimetry (PIV): recommendations for best practices. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 273-287 (2018).
- Ncho, B., Sadri, V., Ortner, J., Kollapaneni, S., Yoganathan, A. In-Vitro Assessment of the Effects of Transcatheter Aortic Valve Leaflet Design on Neo-Sinus Geometry and Flow. Annals of Biomedical Engineering. 49 (3), 1046-1057 (2021).
- Graftieaux, L., Michard, M., Grosjean, N. Combining PIV, POD and vortex identification algorithms for the study of unsteady turbulent swirling flows. Measurement Science and Technology. 12 (9), 1422 (2001).
- Yap, C. H., Saikrishnan, N., Tamilselvan, G., Yoganathan, A. P. Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 11 (1), 171-182 (2012).
- Toninato, R., Salmon, J., Susin, F. M., Ducci, A., Burriesci, G. Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves. Journal of Biomechanics. 49 (13), 2635-2643 (2016).
- Raghav, V., Midha, P., Sharma, R., Babaliaros, V., Yoganathan, A. Transcatheter aortic valve thrombosis: a review of potential mechanisms. Journal of the Royal Society Interface. 18 (184), 20210599 (2021).
- Ramanathan, T., Skinner, H. Coronary blood flow. Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain. 5 (2), 61-64 (2005).
- Nobach, H., Bodenschatz, E. Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities. Experiments in Fluids. 47 (1), 27-38 (2009).
- Gülan, U., et al. Performance analysis of the transcatheter aortic valve implantation on blood flow hemodynamics: An optical imaging-based in vitro study. Artificial Organs. 43 (10), 282-293 (2019).
