Summary
Настоящий протокол описывает измерения велоциметрии изображения частиц (PIV), выполненные для исследования потока пазух через установку in vitro транскатетерного аортального клапана (TAV). Также определяются гемодинамические параметры, основанные на скорости.
Abstract
Дисфункция аортального клапана и инсульт недавно были зарегистрированы у пациентов с транскатетерной имплантацией аортального клапана (TAVI). Подозревается тромб в синусе аорты и неосинусе из-за гемодинамических изменений. Эксперименты in vitro помогают исследовать гемодинамические характеристики в тех случаях, когда оценка in vivo оказывается ограниченной. Эксперименты in vitro также более надежны, а переменные параметры легко контролируются. Велоциметрия изображений частиц (PIV) является популярным методом велоциметрии для исследований in vitro . Он обеспечивает поле скоростей с высоким разрешением, так что наблюдаются даже мелкомасштабные особенности потока. Цель этого исследования - показать, как PIV используется для исследования поля потока в пазухе аорты после TAVI. Описана установка фантома аорты in vitro , TAVI для PIV, а также процесс сбора данных и анализ потока постобработки. Получены гемодинамические параметры, включая скорость, застой потока, вихрь, вихрь и резидентность частиц. Результаты подтверждают, что эксперименты in vitro и PIV помогают исследовать гемодинамические особенности в синусе аорты.
Introduction
Стеноз аорты является распространенным заболеванием у пожилых людей, и это когда аортальный клапан не открывается, уменьшая кровоток. Проблема вызвана утолщением или обызвествлением аортального клапана1. Поэтому это необходимое лечение для усиления кровотока и снижения нагрузки на сердце. Его лечат путем ремоделирования аортального клапана или замены его искусственным клапаном. Это исследование фокусируется на транскатетерной имплантации аортального клапана (TAVI), замене неисправного аортального клапана искусственным с использованием катетера.
TAVI был рекомендован для пациентов с трудностями в хирургии, и смертность также была низкой2. Недавно сообщалось, что тромб у пациентов после TAVI вызывал дисфункцию клапана и инсульт 3,4. Подозревается тромб в синусе аорты и неосинусе, причем его причиной, вероятно, являются изменения гемодинамики, вызванные TAVI. Выполняется без снятия родных листовок; эти листочки могут нарушать синусовое течение и повышать риск тромбоза5.
Трудно определить, как на кровоток влияет TAVI и как тромбоз индуцируется у пациентов. Желательно выяснить взаимосвязь между кровотоком и образованием тромбов in vivo. Однако отсутствие практических методов измерения кровотока делает это проблематичным. С другой стороны, методы in vitro имеют преимущество в том, что позволяют контролировать изменения в кровотоке, ограничивая параметры, которые необходимо исследовать. Установка in vitro и велоциметрия изображения частиц (PIV) были использованы для определения скорости в медицинских областях 6,7,8. Поэтому in vitro и PIV достаточно для определения параметров, о которых следует сообщать, имитируя состояние пациента: частоту сердечных сокращений и давление, вязкость и геометрию пазух, и позволяют контролировать эти параметры.
В этом исследовании установка in vitro и PIV используются для исследования потока в пазухе аорты после TAVI. Аортальный фантом и TAVI для PIV, а также процесс сбора данных и анализ потока постобработки описаны в этом протоколе. Получены различные гемодинамические параметры, включая скорость, застой, вихрь, вихрь и резидентность частиц. Результаты показывают, что установка in vitro и PIV помогают исследовать гемодинамические особенности в синусе аорты.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Установка in vitro
- Подготовьте экспериментальную установку на оптическую таблицу, включая поршневой насос, устройство сбора данных (DAQ) и компьютер с необходимым программным обеспечением для системной инженерии и программным обеспечением для управления двигателем (см. Таблицу материалов) (рисунок 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Поршневой насос был предварительно протестирован и откалиброван и состоит из двигателя, драйвера двигателя и линейного привода9. - Импортируйте файл электронной таблицы с информацией о расходе в программное обеспечение для системной инженерии.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, частота сердечных сокращений составляет 60 уд/мин, максимальная скорость потока – 20 л/мин, сердечный выброс – 4,8 л/мин, а ударный объем – 70 мл. - Установите параметр в программном обеспечении системной инженерии, таком как входной и выходной канал DAQ; Пример часов равен 1 000, а итерация обратной связи — 10.
- Задайте параметр в программном обеспечении управления двигателем; длина свинцового винта 10 мм, аналоговый вход и выход 14,5 мм/напряжение.
- Установите обратный клапан и клапан сопротивления на резервуар10.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обратный клапан соединен с поршневым насосом в качестве входного отверстия системы, а шаровой кран подключен к модели акрилового синуса в качестве выходного отверстия системы. - Закрепите модель акрилового синуса (рисунок 2) квадратной алюминиевой планкой к оптическому столу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Размеры модели акрилового синуса представлены в таблице 1. - Установите манометр (~0-15 psi) на напорный кран модели акрилового синуса для получения сигнала давления от другого компьютера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Напорные краны расположены на расстоянии 140 мм от синотубулярного соединения (STJ). - Готовят рабочую жидкость путем смешивания физиологического раствора и глицерина (см. Таблицу материалов) в массовом соотношении 60:40.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вискозиметр и рефрактометр использовались для измерения вязкости и показателя преломления рабочей жидкости. Вязкость ~4 cp, показатель преломления 1,45, плотность 1 100 кг/м3. - Соедините резервуар, поршневой насос и модель акрилового синуса с силиконовым шлангом (см. Таблицу материалов).
- Привяжите транскатетерный аортальный клапан (TAV) (см. Таблицу материалов) к нативной листовке, изготовленной 3D-принтером с резьбой11.
- Объедините фиксированный TAV на родной листовке с акриловой синусовой моделью.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используемый здесь TAV (полученный в коммерческих целях) имеет диаметр 23 мм и 26 мм, а высота составляет 18 мм и 20 мм соответственно12. Для TAV (23 мм) глубина развертывания и длина собственной листовки составляли 1,8 мм и 9 мм, а для TAV (26 мм) - 2,0 мм и 10 мм соответственно. Внутренний диаметр нативной листовки составлял 21 мм, учитывая размер кольцевого кольца пациента.
ВНИМАНИЕ: TAV высыхает, если его не сохранить в физиологическом растворе. Он хранится в жидкости даже после того, как его привязывают к родному листочку. - Заполните рабочую жидкость (этап 1.8) в системе in vitro .
ОСТОРОЖНОСТЬ. Избегайте образования пузырьков на модели акрилового синуса, потому что это влияет на результаты PIV.
2. Настройка PIV
- Расположите лазер на другом оптическом столе и одноосевой рейке.
ПРИМЕЧАНИЕ: Лазер представляет собой непрерывный лазер Nd: YAG, который излучает свет с длиной волны 532 нм и мощность которого может увеличиваться до 10 Вт (см. Таблицу материалов). Лазерный лист, пропущенный через оптику, имеет расстояние 1 м от модели акрилового синуса. - Найдите высокоскоростную камеру на 2-осевой траверсе и переместите траверсу.
ВНИМАНИЕ: Высокоскоростная камера перпендикулярна лазерному листу и модели акрилового синуса. - Оснастите объектив высокоскоростной камерой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Макрообъектив, установленный на высокоскоростной камере, имеет фокусное расстояние 105 мм, а диафрагма составляет f/2.8. - Семенная частица (см. Таблицу материалов) в резервуаре.
ПРИМЕЧАНИЕ: Частица представляет собой полую стеклянную сферу со средним диаметром 10 мкм и плотностью 1090 кг/м3. Водоем имеет прямоугольную форму и, ширина, длина и высота внутри составляют 23 см, 23 см, 35 см соответственно. В верхней части имеется отверстие для крепления. Крышка также имела отверстие для крепления и болтовой кран для установки лампового насоса для подачи давления. - Запрограммируйте внешний триггер с помощью электронной прототипной платформы с открытым исходным кодом Arduino (см. Таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда поршневой насос перемещается на заданное расстояние, выход Arduino становится 1, который передается на высокоскоростную камеру в качестве триггера для фотографирования. - Запустите программное обеспечение для управления камерой (см. Таблицу материалов), нажмите «Справочник по текущему сеансу» (CSR) и снимите крышку объектива.
- Включите лазер, установите его на 7 Вт и найдите лазерный лист в центре TAV.
- Сделайте снимок и проверьте плотность и диаметр частиц.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы уменьшить количество ошибок, подтвердите, что ~8-10 частиц находятся в окне опроса, с диаметром частиц 2-4 пикселя13. - Установите параметры, такие как разрешение (1280 x 720), случайная частота кадров, время экспозиции до максимума в соответствии со случайной частотой кадров в программном обеспечении управления камерой.
- Сначала нажмите кнопку «Включить» в программном обеспечении управления двигателем и нажмите кнопку «Пуск» в программном обеспечении для системной инженерии для управления поршневым насосом.
- Сделайте снимок и проверьте, составляет ли максимальное расстояние до частиц менее 4-6 пикселей.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это исследование соответствует 50% окна опроса, которое устанавливает 16 пикселей между векторами скорости. Максимальное расстояние частиц в окне опроса ограничено 8 пикселями. - Повторите шаг 2.11, чтобы обеспечить максимальное расстояние между частицами в этом диапазоне, регулируя кадры в секунду (fps), если оно превышает 6 пикселей, и понижая fps, если оно меньше 4 пикселей.
3. Исследование гемодинамики
- Проверьте, есть ли утечка из соединительной части модели акрилового синуса или силиконовый шланг складывается.
- Импортируйте файл Excel, содержащий информацию о расходе и bpm в программном обеспечении для системной инженерии.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, частота сердечных сокращений составляет 60 уд/мин, максимальная скорость потока 20 л/мин, сердечный выброс 4,8 л/мин, ударный объем 70 мл (рисунок 3A). - Подтвердите параметр программного обеспечения для системной инженерии, например входной и выходной канал устройства DAQ. Пример часов равен 1 000, а итерация обратной связи — 10.
- Убедитесь, что параметр программного обеспечения управления двигателем, например, длина свинцового винта составляет 10 мм, аналоговый вход и выход - 14,5 мм / напряжение.
- Включите высокоскоростную камеру и запустите программное обеспечение для управления камерой.
- Нажмите на CSR и снимите крышку объектива.
- Установите параметры программного обеспечения для управления камерой, например, разрешение 1280 x 720, частоту кадров 300 кадров в секунду, период серийной съемки 200 мкс и 150 мкс, количество серий 3 и экспозицию (форсированную периодом серийной съемки).
- Включите лазер, установите его на 7 Вт и найдите лазерный лист в центре TAV. Сосредоточьтесь на лазерном листе, управляя линзой.
- Отрегулируйте давление в резервуаре.
ПРИМЕЧАНИЕ: Среднее поствольчатое давление составляет 100 мм рт.ст. при работе поршневого насоса (рисунок 3B,C). - Сначала нажмите кнопку «Включить» в программном обеспечении управления двигателем и нажмите кнопку «Пуск» в программном обеспечении для проектирования системы для управления поршневым насосом.
- Подождите, пока скорость потока стабилизируется.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расход вычисляет разницу на основе сигнала от поршневого насоса и выполняет отрицательную обратную связь, поэтому требуется время, чтобы подождать, пока он стабилизируется. - Проверьте триггер, который работает в серийном плоттере Arduino.
- Захватывайте изображения частиц в течение непрерывных 14 циклов и повторяйте в общей сложности семь раз.
ПРИМЕЧАНИЕ: Емкость высокоскоростной камеры зависит от разрешения и количества изображений частиц. Согласно параметру, заданному на шаге 3.7, можно сделать снимок только в течение 14 циклов одновременно.
4. Обработка данных
- Конвертируйте из файла .cine в файлы .tiff с помощью программного обеспечения для управления камерой.
- Рассчитайте среднее изображение для всех изображений частиц с течением времени. Удалите область, соответствующую отражению лазера у стены или TAV, вычитая среднее изображение14.
- Сделайте маску, отделив области, подлежащие анализу, от областей, подлежащих удалению.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании использовались две маски: одна для анализа только синусовой области, а другая для анализа всей области, которая содержит область после STJ. - Выполняйте PIV с помощью PIVlab, инструмента с открытым исходным кодом, основанного на MATLAB15 (см. Таблицу материалов).
- Импорт изображений частиц, сохраненных методом с временным разрешением или парным методом.
- Выполнение контрастного ограниченного адаптивного выравнивания гистограммы (CLAHE)16.
ПРИМЕЧАНИЕ: CLAHE - это метод предварительной обработки изображений. Контрастность изображения частицы перераспределяется таким образом, что лазер отражает увеличение и уменьшение интенсивности частиц. Изображение частиц разделено окном с 20 пикселями. - Импортируйте маску и примените ее ко всем изображениям частиц.
- Установите окно многопроходного опроса.
ПРИМЕЧАНИЕ: Окно опроса уменьшено с 64 x 64 до 32 x 32 с перекрытием 50%. Расстояние между двумя векторами соответствует 16 пикселям. - Выполните перекрестную корреляцию13 о паре изображений частиц, преобразованных в частотную область, используя быстрое преобразование Фурье (FFT)13.
- Найдите пиковое значение, используя соответствие 2 x 3 Гаусса в результате корреляции.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пиковое значение, выбранное в гауссовской фитинге, определяло расстояние до частиц.
- Запустите процесс сглаживания, который включает в себя следующие процессы.
- Удалите выбросы в "NaN" с помощью встроенной функции "isoutlier" в MATLAB.
- Интерполируйте nan на значение с помощью функции "inpaint_nans" в MATLAB15.
- Преобразование из «пиксель/кадр» в «м/с» в соответствии с частотой кадров и периодом серийной съемки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Преобразование связано с временным интервалом, определяемым частотой кадров и периодом серийной съемки. В частности, коэффициент метода с временным разрешением выводится из частоты кадров, а коэффициент парного метода выводится из периода всплеска. - Объедините попарный метод и метод с временным разрешением с помощью весового коэффициента.
ПРИМЕЧАНИЕ: Весовой коэффициент зависит от величины скорости и имеет общее значение 1 в каждой секции. Если величина скорости превышает определенное пороговое значение, коэффициент для парного метода выше, чем для метода с временным разрешением. - Запустите функцию «сглаживания» DCT-PLS, используя коэффициент сглаживания 0,5915,17.
ПРИМЕЧАНИЕ: Функции "smoothn" и "inpaint_nans" присутствуют в PIVlab.
5. Анализ данных
- Загрузите данные PIV в MATLAB.
- Извлеките компоненты "u" и "v" из данных PIV.
- Вычисление поля скорости18 (уравнение 1, дополнительный файл 1).
- Получение параметров гемодинамики с помощью собственного кода и встроенной функции19.
- Выведите вихревость со встроенной функцией MATLAB "curl"18 (уравнение 2, дополнительный файл 1).
- Получение стазиса с помощью внутреннего кода20 (уравнение 3, дополнительный файл 1).
- Получение Γ1 с внутренним кодом21 (уравнение 4, дополнительный файл 1).
- Получение резидентности частицы с внутренним кодом19 (уравнение 5, дополнительный файл 1).
- Рассчитать среднее и стандартное отклонение параметров гемодинамики (табл. 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Пиковая скорость, вихрь, Γ1 и застой были рассчитаны в общей сложности для 98 циклов. Распад был получен путем экспоненциального подгонки к проценту пребывания частицы. Распад установил 14 циклов как один набор данных и вычислил среднее и стандартное отклонение для семи раз.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Поля скоростей показали различную структуру синусового потока в зависимости от диаметра клапана на рисунке 4. Для TAV (23 мм) скорость была выше 0,05 м/с между TAV и STJ от ранней систолы до пиковой систолы, которую TAV открывал с помощью пересылающей струи. Затем высокая скорость распределялась в узком диапазоне вблизи стента в поздней систоле. Скорость при диастоле была ниже 0,025 м/с, и появились два вихря с низкой скоростью. Для TAV (26 мм), когда клапан открывался, высокая скорость измерялась на STJ. Во времени, за исключением ранней систолы, распределение скоростей в синусе было ниже 0,05 м/с. В частности, скорость в поздней систоле была ниже, чем в другое время. Однонаправленный вихрь, имевший овальную форму, наблюдается над нативным листочком на диастоле.
Параметры гемодинамики, полученные по скорости, показаны на рисунке 5 и в таблице 2. Пиковая скорость в TAV (23 мм) была выше, чем в TAV (26 мм). Застой наблюдался в пазухе, за исключением направляющей струи и впадающей в пазуху. Площадь стаза, образованная в TAV (23 мм), была широкой, но доля стазиса была низкой. Вихрь и вихрь при диастоле представляли собой нечто, не подтвержденное в поле скоростей. Для TAV (23 мм) два похожих вихря были замечены выше и ниже родного листочка. Но для TAV (26 мм) вихрь по часовой стрелке не был ясен; вихрь против часовой стрелки имел эллиптическую форму. Вихрь показал, что результаты были похожи на вихрь. Положительный был рядом со стентом и нативной листовкой, а отрицательный наблюдался в другом регионе.
Процент и моментальный снимок пребывания частиц показаны на рисунке 6. Снимки резидентности частиц показали распределение частиц в синусовой области в течение 2 с, а процент пребывания частиц показал, что доля оставшихся частиц в синусовой области в течение 14 с. На рисунке 6B TAV (26 мм) уменьшался быстрее, чем TAV (23 мм), но в обоих случаях было представлено, что все частицы покидали синусовую область в течение 6 с. Частицы переместились из области на рисунке 6А, но в случаях она не была идентичной. Для TAV (23 мм) частицы распределялись по всей синусовой области и выходили из плоскости по мере продвижения цикла. Этого не произошло для TAV (26 мм) и показало разные аспекты. Частицы были сосредоточены вблизи кольцевого кольца, которое покинуло область синуса со дна родного листочка.
Рисунок 1: Экспериментальная установка in vitro . Он состоит из высокоскоростной камеры, модели акрилового синуса, поршневой насосной системы, резервуара, Arduino и компьютера. Он представляет собой замкнутую систему и течет только в одном направлении благодаря установленному в резервуаре обратному клапану и TAV, установленному в модели акрилового синуса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Модель акрилового синуса с нативной листовкой и TAV (23 мм). (A) Чертеж и наименование размеров перечислены в таблице 1. Для обоих искусственных клапанов модель акрилового синуса одинакова. (B) Моделирование нативной листовки и стента TAV (23 мм). Нативная листовка имеет цилиндрическую форму и не прозрачна. В моделировании листовка TAV была опущена и представлен только стент. ТАВ; Транскатетерный аортальный клапан, STJ; синотубулярное соединение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Расход и давление в течение 1 с. (А) Расход рассчитывается по объему хода за 1 с; максимальный расход 20 л/мин. Красная точка в скорости потока — это время экземпляра слева в ранней систоле, пиковой систоле, поздней систоле и диастоле соответственно. (B) Давление TAV (23 мм). (C) Давление TAV (26 мм). Синяя линия — это постклапанное давление, а красная — предклапанное давление. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Поле скорости в области синуса. Скорость контура колеблется в пределах 0-0,05 м/с. Левый ряд — поле скорости TAV (23 мм), а правый ряд — TAV (26 мм). Столбец представляет собой время экземпляра, определенное со скоростью потока. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Результат гемодинамики пазух. Контур пиковой скорости представлен на пике систолы. Застой потока проецируется на цикл, и это та внутренняя область, показанная белой линией. Вихрь и вихрь представлены в виде вектора скорости и контура при диастоле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Снимки и процент проживания частиц. (А) резидентность частиц в течение 2 с представлена белым пятном, обозначенным областью синуса, и красным кругом, обозначенным виртуальными частицами. (B) Процентная доля пребывания частиц в течение 14 с заключается в том, что красная линия - TAV (23 мм), а синяя линия - TAV (26 мм). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Пиковая скорость (м/с) | Вихрь (s-1) | Вихрь | Застой | Гнить | |
| ТАВ (23 мм) | 1.74 ± 0.03 | 10.13 ± 1.76 | 0,58 ± 0,08 | 0,44 ± 0,13 | -0.95 ± 0.21 |
| ТАВ (26 мм) | 1.43 ± 0.03 | 7.42 ± 1.16 | 0.33 ± 0.10 | 0.50 ± 0.09 | -1.35 ± 0.28 |
Таблица 1: Размеры модели акрилового синуса. Все агрегаты в мм.
| Единица измерения (мм) | |||||
| Диаметр TAV | Высота TAV | Глубина развертывания | Нативная листовка Длина | Диаметр нативной листовки | |
| ТАВ (23 мм) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| ТАВ (26 мм) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| Единица измерения (мм) | |||||
| Диаметр STJ | Высота STJ | Диаметр кольцевого кольца | Диаметр пазухи | Высота пазух | |
| ТАВ (23 мм) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| ТАВ (26 мм) |
Таблица 2: Среднее и стандартное отклонение по параметру гемодинамики пазух.
Дополнительный файл 1: Уравнения для анализа данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Синусовый поток изменился из-за другой геометрии пазух после TAVI. Вихрь образовывался при открытии аортального клапана и взаимодействии с передней струей систолы22. При исследовании искусственного хирургического клапана без нативных листочков вихрь, наблюдавшийся в синусовой области при систоле, был нормальным23. Это исследование образует вихрь, представленный на диастоле, уменьшая прямую струю и входя в пазуху. Синусовый поток столкнулся с родным листком; в результате он расщепляется по часовой стрелке ниже родной листовки и против часовой стрелки выше. Это говорит о том, что пациенты после TAVI отличаются от здоровых без тромбоза. Так, синусовый поток изменился после TAVI, возможно, повлияв на образование тромбов в пазухе.
Тромбоз возникает потому, что эритроциты разрушаются напряжением сдвига, потоком застоя и внешними веществами, такими как стент TAV24. В данном исследовании рассматривался тромб, образованный потоком застоя, что подтверждалось такими гемодинамическими параметрами, как застой потока и резидентность частиц. Нативная листовка физически запрещает поток пазух и ограничивает область пазух. Синусовый поток вблизи кольцевого кольца становится более ограниченным, увеличивая застой. А для проживания частиц частицы над родным листком быстро выходят из области, в то время как те, что ниже, этого не делают. Эритроцит имеет небольшое расстояние, агрегируясь в пазухе. Также было изучено, что застой потока наблюдается на дне пазухи, когда имеется нативная листовка4. Проблема после TAVI заключается в том, что нативные листочки остаются, и исследования необходимы для пересмотра, чтобы ингибировать тромбоз.
Эксперименты in vitro и PIV успешно наблюдают поле скоростей в пазухе. Тем не менее, все еще есть отличия от реальных пациентов, и это требует улучшения. Во-первых, акриловая модель синуса упрощена, чтобы позволить изготовление сразу. Правая и левая коронарные расположены на двух из трех куспидов; кровь поступает в коронарную артерию ~5% от общего количества во время диастолы 10,25. Одним из ограничений настоящей модели in vitro является то, что текущая модель не имитирует физиологические свойства, такие как реология, структура сосудов, 3D-геометрия сосудов и т. Д. Также текущая модель не включает коронарный поток. Предыдущие исследования показали, что коронарный поток влияет на синусовый поток. Во-вторых, текущий 2D-анализ PIV не включает в себя внеплоскостное движение потока. Дальнейшее исследование с объемным измерением (например, 3D PIV / Велоциметрия отслеживания частиц (PTV)) может выявить сложное поле потока в аортальном потоке. В-третьих, существуют ограничения точности PIV из-за индивидуальных вариаций интенсивности изображения частиц. Движение вне плоскости, даже без шума, ограничивает достижимую точность26,27. В данном исследовании точность измерения PIV с субпиксельной интерполяцией составляет ~0,1 пикселя, что соответствует 0,03 м/с при TAV (23 мм) и 0,041 м/с при TAV (26 мм).
В будущих исследованиях планируется использовать эксперименты in vitro и методы визуализации 3D-жидкости для понимания гемодинамики пазух. Модель акрилового синуса спроектирована так, чтобы иметь трикуспид с коронарной артерией. Он будет разделен, избегая вмешательства в синусовую область. В этом исследовании измеренная площадь после STJ также была проанализирована, чтобы подтвердить, является ли поле скоростей похожим. Хотя это и не объяснено, предполагается, что синусовый поток влияет на движение листовок TAV. В результате он не выступает. Измеренная область будет сосредоточена только на синусе, чтобы свести к минимуму такие проблемы, как размытые изображения частиц преломленным лазером. Также готовится 3D PTV для наблюдения за движениемчастицы 26,27. Будет полезно разобраться в принципе тромбоза в пазухе после TAVI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Программой фундаментальных научных исследований Национального исследовательского фонда Кореи, которая финансируется Министерством образования (NRF-2021R1I1A3040346 и NRF-2020R1A4A1019475). Это исследование также было поддержано исследовательским грантом 2018 года (PoINT) от Национального университета Канвон.
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).
