Summary
يصف هذا البروتوكول قياسات قياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) التي أجريت للتحقيق في تدفق الجيوب الأنفية من خلال الإعداد المختبري للصمام الأبهري عبر القسطرة (TAV). يتم أيضا تحديد المعلمات الديناميكية الدموية على أساس السرعة.
Abstract
تم الإبلاغ مؤخرا عن خلل وظيفي في الصمام الأبهري والسكتة الدماغية في مرضى زرع الصمام الأبهري عبر القسطرة (TAVI). يشتبه في حدوث خثرة في الجيوب الأنفية الأبهرية والجيوب الأنفية الجديدة بسبب التغيرات الديناميكية الدموية. تساعد التجارب في المختبر على التحقيق في خصائص الدورة الدموية في الحالات التي يثبت فيها التقييم في الجسم الحي أنه محدود. التجارب في المختبر هي أيضا أكثر قوة ، ويتم التحكم في المعلمات المتغيرة بسهولة. قياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) هي طريقة شائعة لقياس السرعة للدراسات في المختبر . يوفر حقل سرعة عالي الدقة بحيث يتم ملاحظة ميزات التدفق على نطاق صغير. الغرض من هذه الدراسة هو إظهار كيفية استخدام PIV للتحقيق في مجال التدفق في الجيب الأبهري بعد TAVI. يتم وصف الإعداد المختبري للشبح الأبهري ، TAVI ل PIV ، وعملية الحصول على البيانات وتحليل تدفق ما بعد المعالجة. يتم اشتقاق معلمات الدورة الدموية ، بما في ذلك السرعة ، وركود التدفق ، والدوامة ، والدوامة ، وسكن الجسيمات. تؤكد النتائج أن التجارب في المختبر و PIV تساعد في التحقيق في ميزات الدورة الدموية في الجيوب الأنفية الأبهرية.
Introduction
تضيق الأبهر هو مرض شائع لدى كبار السن، وهو عندما لا يفتح الصمام الأبهري، مما يقلل من تدفق الدم. تحدث المشكلة بسبب سماكة أو تكلس الصمام الأبهري1. لذلك ، إنه علاج ضروري لتعزيز تدفق الدم وتقليل الحمل على القلب. يتم علاجه عن طريق إعادة تشكيل الصمام الأبهري أو استبداله بصمام اصطناعي. تركز هذه الدراسة على زرع الصمام الأبهري عبر القسطرة (TAVI)، واستبدال الصمام الأبهري المعطل بصمام اصطناعي باستخدام قسطرة.
وقد أوصى TAVI للمرضى الذين يواجهون تحديات في الجراحة، وكانت الوفيات منخفضة أيضا2. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن أن الجلطة في المرضى بعد TAVI تسببت في خلل في الصمام والسكتة الدماغية 3,4. يشتبه في حدوث خثرة في الجيوب الأنفية الأبهرية والجيوب الأنفية الجديدة ، مع احتمال أن يكون سببها هو التغيرات في ديناميكا الدم التي تسببها TAVI. يتم تنفيذه دون إزالة المنشورات الأصلية ؛ هذه المنشورات يمكن أن تزعج تدفق الجيوب الأنفية وترفع من خطر تجلط الدم5.
من الصعب تحديد كيفية تأثر تدفق الدم ب TAVI وكيف يتم تحفيز الجلطة في المرضى. من المستحسن توضيح العلاقة بين تدفق الدم وتكوين الجلطة في الجسم الحي. ومع ذلك ، فإن عدم وجود تقنيات عملية لقياس تدفق الدم يجعل هذا الأمر مشكلة. من ناحية أخرى ، تتمتع التقنيات المخبرية بميزة السماح للمرء بمراقبة التغيرات في تدفق الدم عن طريق الحد من المعلمات التي يجب التحقيق فيها. تم استخدام الإعداد في المختبر وقياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) لتحديد السرعة في المجالات الطبية6،7،8. لذلك ، في المختبر و PIV كافية لتحديد المعلمات التي سيتم الإبلاغ عنها عن طريق محاكاة حالة المريض: معدل ضربات القلب والضغط ، واللزوجة ، وهندسة الجيوب الأنفية ، والسماح للمرء بالتحكم في هذه المعلمات.
في هذه الدراسة ، يتم استخدام الإعداد في المختبر و PIV للتحقيق في التدفق في الجيوب الأنفية الأبهرية بعد TAVI. يتم وصف شبح الأبهر و TAVI ل PIV وعملية الحصول على البيانات وتحليل تدفق ما بعد المعالجة في هذا البروتوكول. يتم اشتقاق العديد من المعلمات الديناميكية الدموية ، بما في ذلك السرعة والركود والدوامة والدوامة وسكن الجسيمات. تظهر النتائج أن الإعداد في المختبر و PIV يساعدان في التحقيق في ميزات الدورة الدموية في الجيوب الأنفية الأبهرية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. الإعداد في المختبر
- قم بإعداد الإعداد التجريبي على طاولة بصرية ، بما في ذلك مضخة المكبس ، وجهاز الحصول على البيانات (DAQ) ، وجهاز كمبيوتر مع برنامج هندسة النظام المطلوب وبرنامج التحكم في المحرك (انظر جدول المواد) (الشكل 1).
ملاحظة: تم اختبار مضخة المكبس ومعايرتها مسبقا وتتكون من محرك وسائق محرك ومشغل خطي9. - استيراد ملف جدول البيانات مع معلومات معدل التدفق إلى برنامج هندسة النظام.
ملاحظة: على سبيل المثال، معدل ضربات القلب هو 60 نبضة في الدقيقة، والحد الأقصى لمعدل التدفق هو 20 لتر/دقيقة، والناتج القلبي هو 4.8 لتر/دقيقة، وحجم السكتة الدماغية هو 70 مل. - تعيين المعلمة في برامج هندسة النظم ، مثل قناة الإدخال والإخراج DAQ ؛ ساعة العينة هي 1000 وتكرار التغذية المرتدة هو 10.
- تعيين المعلمة في برنامج التحكم في المحرك ؛ طول المسمار الرصاص هو 10 مم ، والمدخلات والمخرجات التناظرية هي 14.5 مم / الجهد.
- قم بتركيب صمام الفحص وصمام المقاومة على الخزان10.
ملاحظة: يتم توصيل صمام الفحص بمضخة المكبس كمدخل للنظام، ويتم توصيل الصمام الكروي بنموذج الجيوب الأنفية الأكريليك كمنفذ للنظام. - قم بإصلاح نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك (الشكل 2) بشريط ألومنيوم مربع على الطاولة البصرية.
ملاحظة: يتم عرض أبعاد نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك في الجدول 1. - قم بتثبيت مقياس الضغط (~ 0-15 رطل لكل بوصة مربعة) على صنبور الضغط الخاص بنموذج الجيوب الأنفية الأكريليك لتلقي إشارة ضغط من كمبيوتر آخر.
ملاحظة: تقع صنابير الضغط على بعد 140 مم من التقاطع الأنبوبي (STJ). - تحضير سائل عمل عن طريق خلط المالحة والغليسرين (انظر جدول المواد) بنسبة كتلة 60:40.
ملاحظة: تم استخدام مقياس اللزوجة ومقياس الانكسار لقياس لزوجة سائل العمل ومعامل الانكسار. اللزوجة هي ~ 4 cp ، ومعامل الانكسار هو 1.45 ، والكثافة هي 1100 كجم / م3. - قم بتوصيل الخزان ومضخة المكبس ونموذج الجيوب الأنفية الأكريليك بخرطوم سيليكون (انظر جدول المواد).
- اربط الصمام الأبهري عبر القسطرة (TAV) (انظر جدول المواد) بالنشرة الأصلية التي صنعتها طابعة ثلاثية الأبعاد بخيط11.
- اجمع بين TAV الثابت على النشرة الأصلية مع نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك.
ملاحظة: يبلغ قطر TAV المستخدم هنا (الذي تم الحصول عليه تجاريا) 23 مم و 26 مم ، ويبلغ ارتفاعه 18 مم و 20 مم ، على التوالي12. بالنسبة ل TAV (23 مم) ، كان عمق النشر وطول النشرة الأصلية 1.8 مم و 9 مم ، وبالنسبة ل TAV (26 مم) ، كان 2.0 مم و 10 مم ، على التوالي. كان القطر الداخلي للنشرة الأصلية 21 مم ، مع الأخذ في الاعتبار حجم حلقة المريض.
تنبيه: يجف TAV إذا لم يتم حفظه في محلول ملحي. يتم الاحتفاظ بها في السائل حتى بعد ربطها بالنشرة الأصلية. - املأ سائل العمل (الخطوة 1.8) في النظام المختبري .
أنذر. تجنب صنع فقاعات على نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك لأنه يؤثر على نتائج PIV.
2. إعداد PIV
- حدد موقع الليزر على طاولة بصرية أخرى وسكة أحادية المحور.
ملاحظة: الليزر هو ليزر Nd: YAG مستمر ينبعث منه ضوء بطول موجي يبلغ 532 نانومتر ويمكن أن تزيد قوته إلى 10 واط (انظر جدول المواد). ورقة الليزر التي تمر عبر البصريات لديها مسافة 1 متر من نموذج الجيوب الأنفية الاكريليك. - حدد موقع الكاميرا عالية السرعة على اجتياز 2-axis وحرك العبور.
تنبيه: الكاميرا عالية السرعة عمودية على ورقة الليزر ونموذج الجيوب الأنفية الأكريليك. - قم بتجهيز العدسة بالكاميرا عالية السرعة.
ملاحظة: تتميز عدسة الماكرو المثبتة على الكاميرا عالية السرعة ببعد بؤري يبلغ 105 مم، وتكون فتحة العدسة f/2.8. - جسيمات البذور (انظر جدول المواد) في الخزان.
ملاحظة: الجسيم عبارة عن كرة زجاجية مجوفة يبلغ متوسط قطرها 10 ميكرومتر وكثافة 1090 كجم / م3. الخزان له شكل مستطيل ، والعرض والطول والارتفاع في الداخل هي 23 سم ، 23 سم ، 35 سم ، على التوالي. هناك ثقب للتثبيت في الجزء العلوي. يحتوي الغطاء أيضا على فتحة للتثبيت وصنبور مسامير لتثبيت مضخة المصباح لتطبيق الضغط. - برمجة مشغل خارجي باستخدام منصة نموذجية إلكترونية مفتوحة المصدر ، Arduino (انظر جدول المواد).
ملاحظة: عندما تتحرك مضخة المكبس مسافة محددة مسبقا، يصبح خرج Arduino 1، والذي ينتقل إلى الكاميرا عالية السرعة كمشغل ليتم تصويره. - قم بتشغيل برنامج التحكم في الكاميرا (انظر جدول المواد) ، وانقر فوق مرجع الجلسة الحالية (CSR) ، وقم بإزالة غطاء العدسة.
- قم بتشغيل الليزر ، واضبطه على 7 واط ، وحدد موقع ورقة الليزر في وسط TAV.
- خذ لقطة وتحقق من كثافة الجسيمات وقطرها.
ملاحظة: لتقليل الأخطاء، تأكد من وجود جسيمات 8-10 تقريبا في نافذة الاستجواب، بقطر جسيم يتراوح بين 2 و4 بكسل13. - قم بتعيين المعلمات ، مثل الدقة (1280 × 720) ، ومعدل الإطارات العشوائي ، ووقت التعرض إلى الحد الأقصى وفقا لمعدل الإطارات العشوائي في برنامج التحكم في الكاميرا.
- انقر فوق الزر تمكين في برنامج التحكم في المحرك في البداية وانقر فوق الزر ابدأ في برنامج هندسة الأنظمة لتشغيل مضخة المكبس.
- التقط صورة وتحقق مما إذا كانت المسافة القصوى للجسيمات أقل من 4-6 بكسل.
ملاحظة: تقابل هذه الدراسة 50٪ من نافذة الاستجواب التي حددت 16 بكسل بين متجهات السرعة. تقتصر المسافة القصوى للجسيمات في نافذة الاستجواب على 8 بكسل. - كرر الخطوة 2.11 لضمان أقصى مسافة للجسيمات داخل هذا النطاق عن طريق ضبط الإطارات في الثانية (fps) إذا كانت أكثر من 6 بكسل وخفض الإطارات في الثانية إذا كانت أقل من 4 بكسل.
3. التحقيق في ديناميكا الدم
- تحقق مما إذا كان هناك تسرب من جزء الاتصال من نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك أو أن خرطوم السيليكون يصبح مطويا.
- استيراد ملف Excel بعد تخزين معدل التدفق ومعلومات bpm في برنامج هندسة النظام.
ملاحظة: على سبيل المثال ، معدل ضربات القلب هو 60 نبضة في الدقيقة ، والحد الأقصى لمعدل التدفق هو 20 لتر / دقيقة ، والناتج القلبي هو 4.8 لتر / دقيقة ، وحجم السكتة الدماغية هو 70 مل (الشكل 3A). - قم بتأكيد معلمة برنامج هندسة النظام، مثل قناة إدخال وإخراج جهاز DAQ. ساعة العينة هي 1000 ، وتكرار التعليقات هو 10.
- تأكد من معلمة برنامج التحكم في المحرك ، على سبيل المثال ، طول برغي الرصاص هو 10 مم ، والإدخال والإخراج التناظري 14.5 مم / الجهد.
- قم بتشغيل الكاميرا عالية السرعة وقم بتشغيل برنامج التحكم في الكاميرا.
- انقر على CSR وقم بإزالة غطاء العدسة.
- اضبط معلمات برنامج التحكم في الكاميرا ، على سبيل المثال ، دقة 1280 × 720 ، ومعدل إطارات يبلغ 300 إطار في الثانية ، وفترة انفجار تبلغ 200 ميكروثانية و 150 ميكروثانية ، وعدد انفجار 3 ، والتعرض (قسرا بسبب فترة الانفجار).
- قم بتشغيل الليزر ، واضبطه على 7 واط ، وحدد موقع ورقة الليزر في وسط TAV. ركز على ورقة الليزر من خلال التحكم في العدسة.
- اضبط الضغط على الخزان.
ملاحظة: يبلغ متوسط الضغط التالي للصمامات 100 مم زئبق أثناء تشغيل مضخة المكبس (الشكل 3B,C). - انقر فوق الزر تمكين في برنامج التحكم في المحرك في البداية وانقر فوق الزر ابدأ في برنامج هندسة النظام لتشغيل مضخة المكبس.
- انتظر حتى يستقر معدل التدفق.
ملاحظة: يحسب معدل التدفق الفرق استنادا إلى الإشارة الصادرة عن مضخة المكبس وينفذ ردود الفعل السلبية، لذلك يستغرق الانتظار بعض الوقت حتى يستقر. - تحقق من مشغل يعمل في مخطط تسلسل Arduino.
- التقط صورا للجسيمات لمدة 14 دورة مستمرة وكرر ما مجموعه سبع مرات.
ملاحظة: ترتبط سعة التخزين للكاميرا عالية السرعة بالدقة وعدد صور الجسيمات. وفقا للمعلمة المحددة في الخطوة 3.7 ، من الممكن التقاط صورة لمدة 14 دورة فقط في المرة الواحدة.
4. معالجة البيانات
- قم بالتحويل من ملف .cine إلى ملفات .tiff باستخدام برنامج التحكم في الكاميرا.
- احسب متوسط الصورة لجميع صور الجسيمات بمرور الوقت. قم بإزالة المساحة المقابلة لانعكاس الليزر على الحائط أو TAV عن طريق طرح متوسط الصورة14.
- اصنع القناع عن طريق فصل المناطق المراد تحليلها عن تلك التي يجب التخلص منها.
ملاحظة: في هذه الدراسة، تم استخدام قناعين: أحدهما لتحليل منطقة الجيوب الأنفية وحدها، والآخر لتحليل المنطقة بأكملها، التي تحتوي على المنطقة بعد سوريون من أجل الحقيقة والعدالة. - قم بإجراء PIV باستخدام PIVlab ، وهي أداة مفتوحة المصدر تستند إلى MATLAB15 (انظر جدول المواد).
- استيراد صور الجسيمات المحفوظة بواسطة طريقة الحل الزمني أو الطريقة الزوجية.
- تنفيذ معادلة الرسم البياني التكيفي المحدود التباين (CLAHE)16.
ملاحظة: CLAHE هي طريقة للمعالجة المسبقة للصور. يتم إعادة توزيع تباين صورة الجسيمات بحيث يعكس الليزر الزيادة والنقصان في كثافة الجسيمات. يتم تقسيم صورة الجسيمات بواسطة نافذة ب 20 بكسل. - استيراد القناع وتطبيقه على جميع صور الجسيمات.
- اضبط نافذة الاستجواب متعددة التمريرات.
ملاحظة: يتم تقليل نافذة الاستجواب من 64 × 64 إلى 32 × 32 مع تداخل بنسبة 50٪. المسافة بين المتجهين تتوافق مع 16 بكسل. - قم بتنفيذ الارتباط المتقاطع 13 حول زوج صور الجسيمات المحول إلى مجال التردد باستخدام تحويل فورييه السريع (FFT)13.
- أوجد قيمة ذروة باستخدام الملاءمة الغاوسية 2 × 3 في نتيجة الارتباط.
ملاحظة: حددت قيمة الذروة المحددة في التركيب الغاوسي مسافة الجسيمات.
- قم بتشغيل عملية التجانس ، والتي تتضمن العمليات التالية.
- قم بإزالة القيم المتطرفة إلى "NaN" باستخدام وظيفة "isoutlier" المضمنة في MATLAB.
- قم باستجواب نان للقيمة باستخدام الدالة "inpaint_nans" في MATLAB15.
- قم بالتحويل من "pixel / frame" إلى "m / s" وفقا لمعدل الإطارات وفترة الاندفاع.
ملاحظة: يرتبط التحويل بالفاصل الزمني، الذي يتم تحديده بواسطة معدل الإطارات وفترة الاندفاع. على وجه التحديد ، يتم اشتقاق معامل الطريقة التي تم حلها زمنيا من خلال معدل الإطار ، ويتم اشتقاق معامل الطريقة الزوجية بواسطة فترة الاندفاع. - دمج الطريقة الزوجية وطريقة حل الوقت باستخدام عامل الترجيح.
ملاحظة: يعتمد عامل الترجيح على مقدار السرعة وتبلغ قيمته الإجمالية 1 في كل قسم. إذا تجاوز مقدار السرعة عتبة معينة ، فإن عامل الطريقة الزوجية أعلى من عامل الطريقة التي تم حلها زمنيا. - قم بتشغيل وظيفة "التنعيم" ل DCT-PLS باستخدام عامل تجانس 0.5915,17.
ملاحظة: الدالتان "سلسة" و "inpaint_nans" موجودتان في PIVlab.
5. تحليل البيانات
- قم بتحميل بيانات PIV في MATLAB.
- استخراج مكونات "u" و "v" من بيانات PIV.
- احسب حقل السرعة18 (المعادلة 1، الملف التكميلي 1).
- اشتق معلمات ديناميكا الدم باستخدام الرمز الداخلي والوظيفة المضمنة19.
- اشتق الدوامة باستخدام وظيفة MATLAB المدمجة "curl"18 (المعادلة 2، الملف التكميلي 1).
- اشتق الركود باستخدام الرمز الداخلي20 (المعادلة 3، الملف التكميلي 1).
- اشتق Γ1 باستخدام الرمز الداخلي21 (المعادلة 4، الملف التكميلي 1).
- اشتق سكن الجسيمات باستخدام رمز داخلي19 (المعادلة 5، الملف التكميلي 1).
- احسب متوسط الانحراف والانحراف المعياري لمعلمات ديناميكا الدم (الجدول 2).
ملاحظة: تم حساب سرعة الذروة والدوامة وΓ1 والركود لما مجموعه 98 دورة. تم الحصول على الاضمحلال من خلال التركيب الأسي للنسبة المئوية لسكن الجسيمات. حدد الاضمحلال 14 دورة كمجموعة بيانات واحدة وحسب المتوسط والانحراف المعياري لسبع مرات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
أظهرت حقول السرعة بنية تدفق جيبي مختلفة اعتمادا على قطر الصمام في الشكل 4. بالنسبة ل TAV (23 مم) ، كانت السرعة أعلى من 0.05 m / s بين TAV و STJ من الانقباض المبكر إلى ذروة الانقباض التي تم فتحها TAV باستخدام طائرة الشحن. ثم تم توزيع السرعة العالية في نطاق ضيق بالقرب من الدعامة في الانقباض المتأخر. كانت السرعة عند الانبساط أقل من 0.025 m/s، وظهرت دوامتان بسرعة منخفضة. بالنسبة ل TAV (26 مم) ، عند فتح الصمام ، تم قياس السرعة العالية عند STJ. في الوقت المناسب باستثناء الانقباض المبكر ، كان توزيع السرعة في الجيوب الأنفية أقل من 0.05 m / s. على وجه التحديد ، كانت السرعة في الانقباض المتأخر أقل مما كانت عليه في وقت آخر. لوحظت الدوامة أحادية الاتجاه ، التي كان لها شكل بيضاوي ، فوق النشرة الأصلية عند الانبساط.
وترد في الشكل 5 والجدول 2 بارامترات ديناميكا الدم المشتقة من السرعة. كانت سرعة الذروة في TAV (23 مم) أعلى من TAV (26 مم). لوحظ الركود في الجيوب الأنفية باستثناء طائرة الشحن وأصبحت في الجيوب الأنفية. كانت منطقة الركود التي تشكلت في TAV (23 مم) واسعة ، لكن جزء الركود كان منخفضا. قدمت الدوامة والدوامة عند الانبساط شيئا غير مؤكد في حقل السرعة. بالنسبة ل TAV (23 مم) ، لوحظت دوامتان متشابهتان أعلى وأسفل النشرة الأصلية. ولكن بالنسبة ل TAV (26 مم) ، لم تكن الدوامة في اتجاه عقارب الساعة واضحة. كان للدوامة عكس اتجاه عقارب الساعة شكل بيضاوي الشكل. أظهرت الدوامة أن النتائج كانت مماثلة للدوامة. كان الإيجابي بالقرب من الدعامة والنشرة الأصلية ، ولوحظ السلبي في منطقة أخرى.
ويبين الشكل 6 النسبة المئوية ولقطة لسكن الجسيمات. أظهرت لقطات سكن الجسيمات توزيع الجسيمات في منطقة الجيوب الأنفية لمدة 2 ثانية ، وأظهرت النسبة المئوية لسكن الجسيمات أن جزءا من الجسيمات المتبقية في منطقة الجيوب الأنفية لمدة 14 ثانية. في الشكل 6 ب ، انخفض TAV (26 مم) بشكل أسرع من TAV (23 مم) ، ولكن تم عرض كلتا الحالتين على أن جميع الجسيمات غادرت منطقة الجيوب الأنفية في غضون 6 ثوان. وانتقلت الجسيمات خارج المنطقة في الشكل 6 ألف، ولكنها لم تكن متطابقة في الحالات. بالنسبة ل TAV (23 مم) ، تم توزيع الجسيمات في منطقة الجيوب الأنفية بأكملها وخرجت من المستوى مع تقدم الدورة. لم يحدث هذا ل TAV (26 ملم) وأظهر جوانب مختلفة. تركزت الجسيمات بالقرب من الحلقة ، والتي تركت منطقة الجيوب الأنفية من أسفل النشرة الأصلية.
الشكل 1: الإعداد التجريبي في المختبر . وهو يتألف من كاميرا عالية السرعة ، ونموذج جيب أكريليك ، ونظام مضخة مكبس ، وخزان ، وأردوينو ، وجهاز كمبيوتر. إنه نظام مغلق ويتدفق فقط في اتجاه واحد بسبب صمام الفحص المثبت في الخزان و TAV المثبت في نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك مع نشرة أصلية و TAV (23 مم). (أ) يتم سرد رسم وتسمية الأبعاد في الجدول 1. بالنسبة لكلا الصمامين الاصطناعيين ، فإن نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك هو نفسه. (ب) نمذجة حول النشرة الأصلية والدعامة من TAV (23 ملم). النشرة الأصلية أسطوانية الشكل وغير شفافة. في النمذجة ، تم حذف نشرة TAV وقدمت فقط الدعامات. تاف. الصمام الأبهري عبر القسطرة, STJ; تقاطع سينوتوبي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: معدل التدفق والضغط ل 1 s. (A) يتم اشتقاق معدل التدفق بواسطة حجم الشوط ل 1 s. الحد الأقصى لمعدل التدفق هو 20 لتر / دقيقة. النقطة الحمراء في معدل التدفق هي وقت المثيل من اليسار عند الانقباض المبكر ، انقباض الذروة ، الانقباض المتأخر ، والانبساط ، على التوالي. (ب) ضغط TAV (23 مم). (ج) ضغط TAV (26 مم). الخط الأزرق هو ضغط ما بعد الصمامات ، والأحمر هو ضغط ما قبل الصمامات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: حقل السرعة في منطقة الجيوب الأنفية. يتراوح محيط السرعة من 0-0.05 m/s. الصف الأيسر هو حقل السرعة ل TAV (23 مم) ، والصف الأيمن هو حقل TAV (26 مم). العمود هو وقت المثيل المحدد بمعدل تدفق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: نتيجة ديناميكا الدم الجيبية. يتم تقديم كفاف سرعة الذروة في ذروة الانقباض. يتم توقع ركود التدفق للدورة ، وهي تلك المنطقة الداخلية الموضحة بخط أبيض. يتم تمثيل الدوامة والدوامة كمتجه سرعة وكفاف عند الانبساط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: لقطات ونسبة مئوية من سكن الجسيمات . (أ) يتم تقديم سكن الجسيمات لمدة 2 ثانية مع رقعة بيضاء تشير إلى منطقة الجيوب الأنفية ودائرة حمراء تشير إلى الجسيمات الافتراضية. (ب) النسبة المئوية لعمر الجسيمات ل 14 ثانية هي أن الخط الأحمر هو TAV (23 مم) ، والخط الأزرق هو TAV (26 مم). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| سرعة الذروة (m/s) | دوامة (ق-1) | دوار | ركود | اضمحلال | |
| تاف (23 مم) | 1.74 ± 0.03 | 10.13 ± 1.76 | 0.58 ± 0.08 | 0.44 ± 0.13 | -0.95 ± 0.21 |
| تاف (26 مم) | 1.43 ± 0.03 | 7.42 ± 1.16 | 0.33 ± 0.10 | 0.50 ± 0.09 | -1.35 ± 0.28 |
الجدول 1: أبعاد نموذج الجيوب الأنفية الاكريليك. جميع الوحدات بالملم.
| الوحدة (مم) | |||||
| قطر TAV | ارتفاع تاف | عمق النشر | طول النشرة الأصلية | قطر النشرة الأصلية | |
| تاف (23 مم) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| تاف (26 مم) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| الوحدة (مم) | |||||
| قطر STJ | ارتفاع سوريون من أجل الحقيقة والعدالة | قطر الحلقة | قطر الجيوب الأنفية | ارتفاع الجيوب الأنفية | |
| تاف (23 مم) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| تاف (26 مم) |
الجدول 2: متوسط الانحراف والمعياري حول معلمة ديناميكا الدم الجيبية.
الملف التكميلي 1: معادلات تحليل البيانات. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تغير تدفق الجيوب الأنفية بسبب هندسة الجيوب الأنفية المختلفة بعد TAVI. تشكلت الدوامة من خلال فتح الصمام الأبهري والتفاعل مع النفاثة الأمامية للانقباض22. في دراسة الصمام الجراحي الاصطناعي بدون وريقات أصلية ، كانت الدوامة التي لوحظت في منطقة الجيوب الأنفية عند الانقباض طبيعية23. تشكل هذه الدراسة الدوامة المقدمة عند الانبساط عن طريق تقليل النفاثة الأمامية والدخول إلى الجيوب الأنفية. واجه تدفق الجيوب الأنفية النشرة الأصلية. ونتيجة لذلك ، فإنه ينقسم في اتجاه عقارب الساعة أسفل النشرة الأصلية وعكس اتجاه عقارب الساعة أعلاه. ويشير إلى أن المرضى بعد TAVI مختلفون مقارنة بالأصحاء دون تجلط الدم. لذلك ، تغير تدفق الجيوب الأنفية بعد TAVI ، مما قد يؤثر على تكوين الجلطة في الجيوب الأنفية.
يحدث الجلطة لأن خلايا الدم الحمراء يتم تدميرها بسبب إجهاد القص ، وتدفق الركود ، والمواد الخارجية مثل دعامة TAV24. في هذه الدراسة ، تم النظر في الجلطة التي تشكلت من تدفق الركود ، والتي تم تأكيدها من خلال معلمات ديناميكا الدم مثل ركود التدفق وإقامة الجسيمات. تحظر النشرة الأصلية فعليا تدفق الجيوب الأنفية وتحد من منطقة الجيوب الأنفية. يصبح تدفق الجيوب الأنفية بالقرب من الحلقة أكثر تقييدا ، مما يزيد من الركود. وبالنسبة لسكن الجسيمات ، فإن الجسيمات الموجودة فوق النشرة الأصلية تخرج بسرعة من المنطقة ، في حين أن تلك الموجودة أدناه لا تفعل ذلك. تحتوي خلايا الدم الحمراء على مسافة صغيرة ، تتجمع في الجيوب الأنفية. وقد درس أيضا أن ركود التدفق لوحظ في الجزء السفلي من الجيوب الأنفية عندما يكون هناك نشرة محلية4. المشكلة بعد TAVI هي أن النشرة الأصلية لا تزال قائمة ، وهناك حاجة إلى البحث لمراجعتها لمنع تجلط الدم.
في التجارب المختبرية و PIV بنجاح مراقبة حقل السرعة في الجيوب الأنفية. ومع ذلك ، لا تزال هناك اختلافات عن المرضى الفعليين ، ويتطلب الأمر تحسينا. أولا ، يتم تبسيط نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك للسماح بالتصنيع في وقت واحد. يقع الشريان التاجي الأيمن والأيسر على شرفتين من الشريطات الثلاث. يذهب الدم إلى الشريان التاجي ~ 5٪ من المجموع أثناء الانبساط10,25. أحد قيود النموذج الحالي في المختبر هو أن النموذج الحالي لا يحاكي الخصائص الفسيولوجية مثل الريولوجيا ، بنية الأوعية الدموية ، هندسة الأوعية الدموية 3D ، إلخ. أيضا ، لا يشمل النموذج الحالي تدفق الشريان التاجي. أظهرت الدراسات السابقة أن تدفق الشريان التاجي يؤثر على تدفق الجيوب الأنفية. ثانيا ، لا يتضمن تحليل PIV 2D الحالي الحركة خارج المستوى للتدفق. يمكن لمزيد من الدراسة مع القياس الحجمي (على سبيل المثال ، قياس سرعة تتبع الجسيمات 3D PIV / Particle (PTV)) أن تكشف عن مجال التدفق المعقد في تدفق الأبهر. ثالثا ، توجد قيود دقة PIV بسبب الاختلافات الفردية في كثافة صورة الجسيمات. الحركة خارج الطائرة ، حتى بدون ضوضاء ، تحد من الدقة القابلة للتحقيق26,27. في هذه الدراسة ، تبلغ دقة قياس PIV مع استيفاء البكسل الفرعي ~ 0.1 بكسل ، وهو ما يتوافق مع 0.03 م / ث عند TAV (23 مم) و 0.041 م / ث عند TAV (26 مم).
تخطط الدراسات المستقبلية لاستخدام التجارب في المختبر وطرق تصور السوائل 3D لفهم ديناميكا الدم الجيوب الأنفية. تم تصميم نموذج الجيوب الأنفية الأكريليك ليكون له شرف ثلاثي الشرف مع شريان تاجي. سيتم تقسيمها عن طريق تجنب التدخل في منطقة الجيوب الأنفية. في هذه الدراسة ، تم أيضا تحليل المساحة المقاسة بعد STJ للتأكد مما إذا كان حقل السرعة مشابها. على الرغم من عدم شرحه ، إلا أنه من المفترض أن تدفق الجيوب الأنفية يؤثر على حركة نشرة TAV. انها ليست بارزة نتيجة لذلك. ستركز المنطقة المقاسة فقط على الجيوب الأنفية لتقليل المشاكل مثل صور الجسيمات غير الواضحة بواسطة الليزر المنكسر. أيضا ، يتم إعداد 3D PTV لمراقبة حركة الجسيم26,27. سيكون من المفيد فهم مبدأ تجلط الدم في الجيوب الأنفية بعد TAVI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج أبحاث العلوم الأساسية التابع للمؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا ، والذي تموله وزارة التعليم (NRF-2021R1I1A3040346 و NRF-2020R1A4A1019475). تم دعم هذه الدراسة أيضا من خلال منحة الأبحاث لعام 2018 (PoINT) من جامعة كانغوون الوطنية.
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).
