Summary
Den nåværende protokollen beskriver partikkelbilde velocimetry (PIV) målinger utført for å undersøke sinusstrømmen gjennom in vitro-oppsettet av transkateteraortaventilen (TAV). De hemodynamiske parametrene basert på hastighet bestemmes også.
Abstract
Aortaventil dysfunksjon og hjerneslag har nylig blitt rapportert hos transkateter aortaventil implantasjon (TAVI) pasienter. Trombe i aorta sinus og neo-sinus på grunn av hemodynamiske endringer har blitt mistenkt. In vitro-eksperimenter bidrar til å undersøke de hemodynamiske egenskapene i de tilfellene hvor en in vivo-vurdering viser seg å være begrenset. In vitro-eksperimenter er også mer robuste, og de variable parametrene styres lett. Partikkelbilde velocimetry (PIV) er en populær velocimetry metode for in vitro studier. Det gir et høyoppløselig hastighetsfelt slik at selv småskala strømningsfunksjoner observeres. Hensikten med denne studien er å vise hvordan PIV brukes til å undersøke strømningsfeltet i den aortaiske bihulen etter TAVI. In vitro-oppsettet av det aortafantomet, TAVI for PIV, og datainnsamlingsprosessen og etterbehandlingsflytanalysen er beskrevet. De hemodynamiske parametrene er avledet, inkludert hastighet, strømningstasis, virvel, vorticity og partikkelbolig. Resultatene bekrefter at in vitro eksperimenter og PIV bidrar til å undersøke de hemodynamiske egenskapene i den aorta sinus.
Introduction
Aortastenose er en vanlig sykdom hos eldre voksne, og det er når aortaventilen ikke åpnes, noe som reduserer blodstrømmen. Problemet er forårsaket av fortykning eller forkalkning av aortaventilen1. Derfor er det en nødvendig behandling for å forbedre blodstrømmen og redusere belastningen på hjertet. Det behandles ved å ombygge aortaventilen eller erstatte den med en kunstig ventil. Denne studien fokuserer på transkateter aortaventilimplantasjon (TAVI), og erstatter den defekte aortaventilen med en kunstig ved hjelp av et kateter.
TAVI er anbefalt for pasienter som blir utfordret i kirurgi, og dødeligheten har også vært lav2. Nylig har det blitt rapportert at trombe hos pasienter etter TAVI forårsaket ventildysfunksjon og slag 3,4. Trombe i aorta sinus og neo-sinus mistenkes, med årsaken sannsynligvis være endringene i hemodynamikk forårsaket av TAVI. Det utføres uten å fjerne de innfødte brosjyrene; disse brosjyrene kan forstyrre sinusstrømmen og øke risikoen for trombose5.
Det er vanskelig å avgjøre hvordan blodstrømmen påvirkes av TAVI og hvordan trombose induserer hos pasienter. Det er ønskelig å belyse forholdet mellom blodstrøm og trombedannelse in vivo. Mangel på praktiske teknikker for måling av blodstrøm gjør imidlertid dette problematisk. På den annen side har in vitro-teknikker fordelen av å la en overvåke endringene i blodstrømmen ved å begrense parametrene som må undersøkes. In vitro-oppsett og partikkelbildehastighet (PIV) har blitt brukt til å identifisere hastighet i medisinske felt 6,7,8. Derfor er in vitro og PIV tilstrekkelig for å bestemme parametrene som skal rapporteres ved å etterligne pasientens tilstand: hjertefrekvens og trykk, viskositet og bihulegeometri, og la en kontrollere disse parametrene.
I denne studien brukes in vitro-oppsett og PIV til å undersøke strømmen i aorta sinus etter TAVI. Aortafantomet og TAVI for PIV og datainnsamlingsprosessen og etterbehandlingsflytanalysen er beskrevet i denne protokollen. Ulike hemodynamiske parametere er avledet, inkludert hastighet, stasis, virvel, vorticity og partikkelbolig. Resultatene viser at in vitro oppsett og PIV bidra til å undersøke hemodynamiske trekk i aorta sinus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. In vitro-oppsett
- Klargjør det eksperimentelle oppsettet på et optisk bord, inkludert en stempelpumpe, datainnsamlingsenhet (DAQ) og en datamaskin med nødvendig programvare for systemteknikk og en programvare for motorstyring (se Tabell over materialer) (figur 1).
MERK: Stempelpumpen er tidligere testet og kalibrert og består av motor, motorfører og lineær aktuator9. - Importer regnearkfilen med flythastighetsinformasjonen til systemteknikkprogramvaren.
MERK: For eksempel er hjertefrekvensen 60 bpm, maksimal strømningshastighet er 20 l / min, hjerteutgangen er 4,8 l / min, og slagvolumet er 70 ml. - Angi parameteren i programvare for systemteknikk, for eksempel DAQ-inndata- og utdatakanal. eksempelklokken er 1 000, og tilbakemeldings iterasjonen er 10.
- Angi parameteren i programvaren for motorstyring. blyskruelengden er 10 mm, analog inngang og utgang er 14,5 mm / spenning.
- Monter tilbakeslagsventilen og motstandsventilen på reservoaret10.
MERK: Tilbakeslagsventilen er koblet til stempelpumpen som et innløp i systemet, og kuleventilen er koblet til akryl sinusmodellen som et utløp av systemet. - Fest akryl sinusmodellen (figur 2) med en firkantet aluminiumsstang til det optiske bordet.
MERK: Dimensjonene til akryl sinusmodellen er presentert i tabell 1. - Monter trykkmåleren (~0-15 psi) på trykkkranen på akryl sinusmodellen for å motta et trykksignal fra en annen datamaskin.
MERK: Trykkkranene er plassert 140 mm fra det sinotubulære krysset (STJ). - Forbered en arbeidsfluid ved å blande saltvann og glyserin (se Materialtabell) i et masseforhold på 60:40.
MERK: Et viskosimometer og et refraktometer ble brukt til å måle arbeidsfluidets viskositet og brytningsindeks. Viskositeten er ~ 4 cp, brytningsindeksen er 1,45, og tettheten er 1100 kg / m3. - Koble reservoaret, stempelpumpen og akryl sinusmodellen med en silikonslange (se Materialfortegnelse).
- Bind transkateteraortaventilen (TAV) (se Materialtabell) til det opprinnelige pakningsvedlegget laget av en 3D-skriver med en tråd11.
- Kombiner den faste TAV på det opprinnelige pakningsvedlegget med akryl sinusmodellen.
MERK: TAV-en som brukes her (oppnås kommersielt) har en diameter på henholdsvis 23 mm og 26 mm, og høydener henholdsvis 18 mm og 20 mm. For TAV (23 mm) var utplasseringsdybden og den opprinnelige brosjyrelengden henholdsvis 1,8 mm og 9 mm, og for TAV (26 mm) er den henholdsvis 2,0 mm og 10 mm. Den indre diameteren på det opprinnelige pakningsvedlegget var 21 mm, med tanke på pasientens annulusstørrelse.
FORSIKTIG: TAV tørker ut hvis den ikke bevares i saltoppløsningen. Den holdes i væsken selv etter å ha blitt bundet til det opprinnelige pakningsvedlegget. - Fyll arbeidsfluidet (trinn 1.8) i in vitro-systemet .
FORSIKTIGHET. Unngå å lage bobler på akryl sinus modellen fordi det påvirker PIV resultater.
2. PIV-oppsett
- Finn laseren på et annet optisk bord og enakseskinne.
MERK: Laseren er en kontinuerlig Nd: YAG-laser som avgir lys med en bølgelengde på 532 nm og hvis kraft kan øke til 10 W (se Materialtabell). Laserarket passerte gjennom optikk har en 1 m avstand fra akryl sinus modellen. - Finn høyhastighetskameraet på en 2-akset traversering og flytt traversen.
FORSIKTIG: Høyhastighetskameraet er vinkelrett på laserarket og akryl sinusmodellen. - Utstyr objektivet til høyhastighetskameraet.
MERK: Makrolinsen montert på høyhastighetskameraet har en brennvidde på 105 mm, og blenderåpningen er f/2,8. - Frøpartikkel (se Materialtabell) i reservoaret.
MERK: Partikkelen er en hul glasssfære med en gjennomsnittlig diameter på 10 μm og en tetthet på 1090 kg / m3. Reservoaret har en rektangulær form, og bredden, lengden og høyden inne er henholdsvis 23 cm, 23 cm, 35 cm. Det er et hull for festing i den øvre delen. Lokket hadde også et hull for festing og en boltekran for å installere pærepumpen for å påføre trykk. - Programmer en ekstern utløser ved hjelp av en elektronisk prototypisk plattform med åpen kildekode, Arduino (se Materialliste).
MERK: Når stempelpumpen beveger seg en forhåndsbestemt avstand, blir utgangen til Arduino 1, som overføres til høyhastighetskameraet som en utløser som skal fotograferes. - Kjør programvaren for kamerakontroll (se Materialfortegnelser), klikk på Current Session Reference (CSR) og fjern linsedekselet.
- Slå på laseren, sett den til 7 W, og finn laserarket til midten av TAV.
- Ta et øyeblikksbilde og kontroller partikkeltettheten og diameteren.
MERK: For å redusere feil, bekreft at ~8-10 partikler er i forhørsvinduet, med en partikkeldiameter på 2-4 piksler13. - Angi parametrene, for eksempel oppløsning (1280 x 720), tilfeldig bildefrekvens, eksponeringstid maksimalt i henhold til tilfeldig bildefrekvens i kameraets kontrollerende programvare.
- Klikk på Aktiver-knappen i motorstyringsprogramvaren først og klikk på Start-knappen i systemteknikkprogramvaren for å betjene stempelpumpen.
- Ta et bilde og kontroller om den maksimale partikkelavstanden er mindre enn 4-6 piksler.
MERK: Denne studien tilsvarer 50% av forhørsvinduet, som satte 16 piksler mellom hastighetsvektorer. Maksimal avstand for partikler i forhørsvinduet er begrenset til 8 piksler. - Gjenta trinn 2.11 for å sikre maksimal partikkelavstand innenfor dette området ved å justere delbildene per sekund (fps) hvis det er mer enn 6 bildepunkter og senke fps hvis det er mindre enn 4 piksler.
3. Undersøkelse av hemodynamikk
- Kontroller om det er lekkasje fra tilkoblingsdelen av akryl sinusmodellen eller silikonslangen blir brettet.
- Importer Excel-filen med lagret flythastighet og bpm-informasjon i systemteknikkprogramvaren.
MERK: For eksempel er hjertefrekvensen 60 bpm, maksimal strømningshastighet er 20 l/ min, hjerteutgangen er 4,8 l / min, slagvolumet er 70 ml (figur 3A). - Bekreft programvareparameteren for systemteknikk, for eksempel DAQ-enhetsinngang og utdatakanal. Eksempelklokken er 1 000, og tilbakemeldings iterasjonen er 10.
- Kontroller at programvareparameteren for motorstyring, for eksempel at lengden på blyskruen er 10 mm, at analog inngang og utgang er 14,5 mm/spenning.
- Slå på høyhastighetskameraet og kjør programvaren for kamerakontroll.
- Klikk på CSR og fjern en linsehette.
- Still inn kameraets kontrollerende programvareparametere, for eksempel oppløsningen på 1280 x 720, en bildefrekvens på 300 bps, utbruddsperiode på 200 μs og 150 μs, burst count på 3 og eksponering (tvunget av sprengningsperioden).
- Slå på laseren, sett den til 7 W, og finn laserarket på midten av TAV. Fokuser på laserarket ved å kontrollere objektivet.
- Juster trykket til reservoaret.
MERK: Gjennomsnittlig trykk etter valvulært trykk er 100 mmHg under bruk av stempelpumpen (figur 3B,C). - Klikk på Aktiver-knappen i motorstyringsprogramvaren først og klikk på Start-knappen i systemteknikkprogramvaren for å betjene stempelpumpen.
- Vent til strømningshastigheten stabiliserer seg.
MERK: Strømningshastigheten beregner forskjellen basert på signalet fra stempelpumpen og utfører negativ tilbakemelding, så det tar tid å vente til den stabiliserer seg. - Sjekk en utløser som fungerer i Arduino seriell plotter.
- Ta partikkelbilder for kontinuerlige 14 sykluser og gjenta totalt syv ganger.
MERK: Lagringskapasiteten til et høyhastighetskamera er relatert til oppløsningen og antall partikkelbilder. I henhold til parameteren som er angitt i trinn 3.7, er det mulig å ta et bilde bare i 14 sykluser om gangen.
4. Databehandling
- Konverter fra CINE-fil til .tiff filer ved hjelp av kameraets kontrollerende programvare.
- Beregn det gjennomsnittlige bildet for alle partikkelbildene over tid. Fjern området som tilsvarer refleksjonen av laseren ved veggen eller TAV ved å trekke fra det gjennomsnittlige bildet14.
- Lag masken ved å skille områdene som skal analyseres fra dem som skal forkastes.
MERK: I denne studien ble to masker brukt: den ene til å analysere sinusområdet alene og den andre for å analysere hele regionen, som inneholder regionen etter STJ. - Utfør PIV ved hjelp av PIVlab, et åpen kildekodeverktøy basert på MATLAB15 (se Materialfortegnelse).
- Importer partikkelbilder som er lagret ved hjelp av metoden for tids løst eller parvis.
- Utfør kontrast begrenset adaptiv histogramutjevning (CLAHE)16.
MERK: CLAHE er en metode for forhåndsbehandling av bilder. Kontrasten til partikkelbildet omfordeles slik at laseren reflekterer økningen og reduksjonen i partikkelintensiteten. Partikkelbildet er delt på et vindu med 20 piksler. - Importer masken og bruk den på alle partikkelbildene.
- Angi forhørsvinduet for flere omganger.
MERK: Forhørsvinduet reduseres fra 64 x 64 til 32 x 32 med en overlapping på 50 %. Avstanden mellom de to vektorene tilsvarer 16 piksler. - Utfør krysskorrelasjonen13 om partikkelbildeparet som konverteres til frekvensdomenet ved hjelp av rask Fouriertransformasjon (FFT)13.
- Finn en toppverdi ved hjelp av en 2 x 3 gaussisk passform i korrelasjonsresultatet.
MERK: Toppverdien som er valgt i gaussisk montering, bestemte partikkelavstanden.
- Kjør utjevningsprosessen, som involverer følgende prosesser.
- Fjern ytterkantene til et "NaN" ved hjelp av den innebygde funksjonen "isoutlier" i MATLAB.
- Interpoler en nan til verdi ved hjelp av "inpaint_nans"-funksjonen i MATLAB15.
- Konverter fra "pixel/frame" til "m/s" i henhold til bildefrekvensen og serieperioden.
MERK: Konverteringen er relatert til tidsintervallet, bestemt av bildefrekvensen og serieperioden. Spesielt er koeffisienten til den tids løste metoden avledet av bildefrekvensen, og den for en parvis metode er avledet av burst-perioden. - Slå sammen parvis metode og tids løst metode ved hjelp av vektingsfaktoren.
MERK: Vektfaktoren avhenger av hastighetsstørrelse og har en totalverdi på 1 i hver seksjon. Hvis hastighetsstørrelse overskrider en bestemt terskel, er faktoren for parvis metode høyere enn for den tidsavklarte metoden. - Kjør "smoothn"-funksjonen til DCT-PLS med en utjevningsfaktor på 0,5915,17.
MERK: Funksjonene "smoothn" og "inpaint_nans" finnes i PIVlab.
5. Dataanalyse
- Last inn PIV-data i MATLAB.
- Trekk ut "u"- og "v"-komponenter fra PIV-dataene.
- Beregn hastighetsfeltet18 (ligning 1, tilleggsfil 1).
- Utlede hemodynamikkparametere ved hjelp av intern kode og innebygd funksjon19.
- Utlede vorticity med MATLAB innebygd funksjon "curl"18 (Equation 2, Supplementary File 1).
- Utlede stasis med intern kode20 (Formel 3, Tilleggsfil 1).
- Utsett Γ1 med den interne koden21 (ligning 4, tilleggsfil 1).
- Utlede partikkelboligen med en intern kode19 (ligning 5, tilleggsfil 1).
- Beregne gjennomsnittet og standardavviket for hemodynamikkparametere (tabell 2).
MERK: Topphastighet, vorticity, Γ1 og stasis ble beregnet for totalt 98 sykluser. Forfallet ble oppnådd gjennom eksponentiell tilpasning til prosentandelen partikkelbolig. Forfallet satte 14 sykluser som ett datasett og beregnet gjennomsnittet og standardavviket for syv ganger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hastighetsfeltene viste en annen sinusstrømningsstruktur avhengig av ventildiameteren i figur 4. For TAV (23 mm) var hastigheten høyere enn 0,05 m/s mellom TAV og STJ fra tidlig systole til peak systole som TAV ble åpnet ved hjelp av foroversendelsesstrålen. Høy hastighet ble deretter fordelt i et smalt område nær stenten på sen systole. Hastigheten på diastole var lavere enn 0,025 m/s, og to virveler med lav hastighet dukket opp. For TAV (26 mm) ble det målt høy hastighet ved STJ når ventilen åpnet. Med unntak av tidlig systole var hastighetsfordelingen i sinus lavere enn 0,05 m/s. Spesielt var hastigheten på sen systole lavere enn på en annen gang. Den enveis virvelen, som hadde en oval form, observeres over det opprinnelige pakningsvedlegget ved diastole.
Hemodynamikkparameterne avledet av hastighet er vist i figur 5 og tabell 2. Topphastigheten i TAV (23 mm) var høyere enn TAV (26 mm). Stasis ble observert i bihulen bortsett fra videresendingsstrålen og ble til sinus. Stasisområdet som ble dannet i TAV (23 mm) var bredt, men brøkdelen av stasis var lav. Virvelen og vorticity på diastole presenterte noe som ikke er bekreftet i hastighetsfeltet. For TAV (23 mm) ble to lignende vortices lagt merke til over og under det opprinnelige pakningsvedlegget. Men for TAV (26 mm) var virvelen med urviseren ikke klar; Mot klokken-virvelen hadde en elliptisk form. Vorticity viste at det var lignende resultater som virvelen. Det positive var nær stenten og det innfødte pakningsvedlegget, og det negative ble observert i en annen region.
Prosentandelen og øyeblikksbildet av partikkelbolig er vist i figur 6. Øyeblikksbildene av partikkelbolig viste partikkelfordeling i sinusregionen i 2 s, og prosentandelen partikkelbolig viste at brøkdelen av gjenværende partikler i sinusregionen i 14 s. I figur 6B gikk TAV (26 mm) raskere ned enn TAV (23 mm), men begge tilfellene ble presentert at alle partikler forlot sinusområdet innen 6 s. Partiklene beveget seg ut av regionen i figur 6A, men det var ikke identisk i tilfeller. For TAV (23 mm) ble partikler fordelt i hele sinusregionen og gikk ut av flyet etter hvert som syklusen utviklet seg. Dette skjedde ikke for TAV (26 mm) og viste forskjellige aspekter. Partiklene var konsentrert nær annulus, som forlot sinusområdet fra bunnen av det innfødte pakningsvedlegget.
Figur 1: In vitro eksperimentelt oppsett. Den består av et høyhastighetskamera, en akryl sinusmodell, et stempelpumpesystem, et reservoar, en Arduino og en datamaskin. Det er et lukket system og strømmer bare i en retning på grunn av tilbakeslagsventilen som er installert i reservoaret og TAV installert i akryl sinusmodellen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Akryl sinusmodellen med innfødt brosjyre og TAV (23mm). (A) Tegningen og navngivningen av dimensjonene er oppført i tabell 1. For begge kunstige ventiler er akryl sinusmodellen den samme. (B) Modellering om innfødt brosjyre og stent av TAV (23 mm). Det opprinnelige pakningsvedlegget er sylindrisk i form og er ikke gjennomsiktig. Ved modellering ble brosjyren til TAV utelatt og bare presentert stent. TAV; Transkateter aortaventil, STJ; sinotubulært veikryss. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Strømningshastighet og trykk for 1 s. (A) Strømningshastigheten avledes av slagvolum i 1 s; maksimal strømningshastighet er 20 l/min. Den røde prikken i strømningshastigheten er forekomsttid fra venstre ved henholdsvis tidlig systole, peak systole, sen systole og diastole. (B) Trykket på TAV (23 mm). (C) Trykket på TAV (26 mm). Den blå linjen er post-valvulært trykk, og den røde er pre-valvulært trykk. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Hastighetsfeltet i sinusregionen. Hastighetskonturen er variert fra 0-0,05 m/s. Venstre rad er hastighetsfeltet til TAV (23 mm), og høyre rad er TAV (26 mm). Kolonnen er forekomsttid definert med en flythastighet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Sinus hemodynamikk resultat. Topphastighetskonturen presenteres på topp systole. Flow stasis er projisert for syklusen, og det er det indre området vist av en hvit linje. Virvelen og vorticity er representert som hastighetsvektor og kontur ved diastole. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Øyeblikksbilder og prosentandel av partikkelbolig. (A) partikkelbolig for 2 s presenteres med en hvit patch indikert sinusregion og rød sirkel indikerte virtuelle partikler. (B) Prosentandelen partikkelbolig for 14 s er at den røde linjen er TAV (23 mm), og den blå linjen er TAV (26 mm). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Høyeste hastighet (m/s) | Vorticity (s-1) | Virvel | Stasis | Forfall | |
| 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 |
Tabell 1: Dimensjoner på akryl sinusmodell. Alle enheter er i mm.
| Enhet (mm) | |||||
| TAV Diameter | TAV-høyde | Dybde på distribusjon | Opprinnelig brosjyrelengde | Innfødt brosjyre diameter | |
| TAV (23 mm) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| TAV (26 mm) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| Enhet (mm) | |||||
| STJ Diameter | STJ-høyde | Annulus Diameter | Sinus Diameter | Sinus høyde | |
| TAV (23 mm) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| TAV (26 mm) |
Tabell 2: Gjennomsnittlig og standardavvik for sinus hemodynamikkparameter.
Tilleggsfil 1: Ligninger for dataanalyse. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sinusstrømmen endret seg på grunn av forskjellig sinusgeometri etter TAVI. Virvelen ble dannet av aortaventilåpningen og samspillet med den fremre strålen av systole22. I studiet av den kunstige kirurgiske ventilen uten innfødte brosjyrer var virvel observert i sinusregionen ved systole normalt23. Denne studien danner virvelen som presenteres ved diastole ved å redusere fremoverstrålen og komme inn i bihulen. Sinusstrømmen møtte det opprinnelige pakningsvedlegget; Som et resultat deler den seg med klokken under det opprinnelige pakningsvedlegget og mot klokken over. Det antyder at pasienter etter TAVI er forskjellige sammenlignet med sunn uten trombose. Så endret sinusstrømmen etter TAVI, noe som muligens påvirket trombedannelse i bihulen.
Trombose oppstår fordi røde blodlegemer blir ødelagt av skjærspenning, stagnasjonsstrømmen og eksterne stoffer som stenten av TAV24. I denne studien ble trombe dannet av stagnasjonsstrøm vurdert, noe som ble bekreftet av hemodynamikkparametere som strømningsstasis og partikkelresidens. Det innfødte pakningsvedlegget forbyr fysisk sinusstrømmen og begrenser sinusregionen. Sinusstrømmen nær annulus blir mer begrenset, og øker stasis. Og for partikkelboligen går partikler over det opprinnelige pakningsvedlegget raskt ut av regionen, mens de nedenfor ikke gjør det. Den røde blodcellen har en liten avstand, aggregerer i bihulen. Det ble også studert at strømningsstasis observeres på bunnen av bihulen når det er et innfødt brosjyre4. Problemet etter TAVI er at innfødt brosjyre forblir, og forskning er nødvendig for å revidere for å hemme trombose.
In vitro eksperimenter og PIV vellykket observere hastighet feltet i sinus. Imidlertid er det fortsatt forskjeller fra faktiske pasienter, og det krever forbedring. For det første er akryl sinusmodellen forenklet for å tillate fabrikasjon samtidig. Høyre og venstre koronar ligger på to av de tre cusps; blodet går til koronararterien ~ 5% av totalen under diastole10,25. En av begrensningene i den nåværende in vitro-modellen er at den nåværende modellen ikke etterligner fysiologiske egenskaper som reologi, vaskulær struktur, 3D-kargeometri, etc. Den nåværende modellen inkluderer heller ikke koronarstrøm. De tidligere studiene viste at koronarstrømmen påvirker sinusstrømmen. For det andre inkluderer ikke den nåværende 2D PIV-analysen ut-av-plan-bevegelsen til strømmen. Videre studier med volumetrisk måling (f.eks. 3D PIV/Partikkelsporingshastighet (PTV)) kan avsløre det komplekse strømningsfeltet i aortastrømmen. For det tredje eksisterer PIV's nøyaktighetsbegrensninger på grunn av individuelle variasjoner av partikkelbildeintensiteter. Bevegelsen utenfor flyet, selv uten støy, begrenser den oppnåelige nøyaktigheten26,27. I denne studien er nøyaktigheten av PIV-måling med subpikselinterpolering ~ 0,1 piksel, som tilsvarer 0,03 m / s ved TAV (23 mm) og 0,041 m / s ved TAV (26 mm).
Fremtidige studier planlegger å bruke in vitro-eksperimenter og 3D-fluidvisualiseringsmetoder for å forstå sinus hemodynamikk. Den akryl sinus modellen er designet for å ha en tricuspid med en koronar arterie. Det vil bli delt ved å unngå forstyrrelser i sinusregionen. I denne studien ble det målte området etter STJ også analysert for å bekrefte om hastighetsfeltet er likt. Selv om det ikke er forklart, er det hypoteset at sinusstrømmen påvirker brosjyrens bevegelse av TAV. Det stikker ikke ut som et resultat. Det målte området vil bare fokusere på bihulen for å minimere problemer som uskarpe partikkelbilder ved brytning av laser. Også 3D PTV er forberedt på å observere bevegelsen av partikkelen26,27. Det vil være nyttig å forstå prinsippet om trombose i bihulen etter TAVI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Denne forskningen ble støttet av Basic Science Research Program fra National Research Foundation of Korea, som er finansiert av Kunnskapsdepartementet (NRF-2021R1I1A3040346 og NRF-2020R1A4A1019475). Denne studien ble også støttet av 2018 Research Grant (PoINT) fra 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).
