Summary
Den nuværende protokol beskriver partikelbilledvelocimetri (PIV) målinger udført for at undersøge sinusstrømmen gennem in vitro-opsætningen af transkateterens aortaklap (TAV). De hæmodynamiske parametre baseret på hastighed bestemmes også.
Abstract
Aortaklappen dysfunktion og slagtilfælde er for nylig blevet rapporteret hos transkateter aortaklappen implantation (TAVI) patienter. Trombose i aorta sinus og neo-sinus på grund af hæmodynamiske ændringer er blevet mistænkt. In vitro-eksperimenter hjælper med at undersøge de hæmodynamiske egenskaber i de tilfælde, hvor en in vivo-vurdering viser sig at være begrænset. In vitro-eksperimenter er også mere robuste, og de variable parametre styres let. Partikelbilledvelocimetri (PIV) er en populær velocimetrimetode til in vitro-undersøgelser . Det giver et hastighedsfelt med høj opløsning, således at selv små flowfunktioner observeres. Formålet med dette studie er at vise, hvordan PIV bruges til at undersøge flowfeltet i aorta sinus efter TAVI. In vitro-opsætningen af aortafantomet, TAVI for PIV og dataindsamlingsprocessen og efterbehandlingsflowanalysen er beskrevet. De hæmodynamiske parametre er afledt, herunder hastighed, strømningsstasis, hvirvel, vorticitet og partikelophold. Resultaterne bekræfter, at in vitro-eksperimenter og PIV hjælper med at undersøge de hæmodynamiske træk i aorta-sinus.
Introduction
Aortastenose er en almindelig sygdom hos ældre voksne, og det er, når aortaklappen ikke åbner, hvilket reducerer blodgennemstrømningen. Problemet skyldes fortykkelse eller forkalkning af aortaklappen1. Derfor er det en nødvendig behandling for at forbedre blodgennemstrømningen og mindske belastningen på hjertet. Det behandles ved at ombygge aortaklappen eller erstatte den med en kunstig ventil. Denne undersøgelse fokuserer på transkateter aortaklappen implantation (TAVI), der erstatter den funktionsdygtige aortaklap med en kunstig ved hjælp af et kateter.
TAVI er blevet anbefalet til patienter, der er udfordret ved operation, og dødeligheden har også været lav2. For nylig er det blevet rapporteret, at trombose hos patienter efter TAVI forårsagede ventildysfunktion og slagtilfælde 3,4. Trombose i aorta sinus og neo-sinus er mistænkt, med sin årsag sandsynligvis er ændringerne i hæmodynamikken forårsaget af TAVI. Det udføres uden at fjerne de oprindelige foldere; disse brochurer kan forstyrre sinusstrømmen og øge risikoen for trombose5.
Det er vanskeligt at bestemme, hvordan blodgennemstrømningen påvirkes af TAVI, og hvordan trombose induceres hos patienter. Det er ønskeligt at belyse forholdet mellem blodgennemstrømning og trombosedannelse in vivo. Manglen på praktiske teknikker til måling af blodgennemstrømningen gør dette imidlertid problematisk. På den anden side har in vitro-teknikker den fordel, at man kan overvåge ændringerne i blodgennemstrømningen ved at begrænse de parametre, der skal undersøges. In vitro-opsætning og partikelbilledvelocimetri (PIV) er blevet brugt til at identificere hastighed inden for medicinske områder 6,7,8. Derfor er in vitro og PIV tilstrækkelige til at bestemme de parametre, der skal rapporteres ved at efterligne patientens tilstand: puls og tryk, viskositet og sinusgeometri og lade en kontrollere disse parametre.
I denne undersøgelse bruges in vitro-opsætning og PIV til at undersøge strømmen i aorta-sinus efter TAVI. Aortafantomet og TAVI for PIV og dataindsamlingsprocessen og efterbehandlingsflowanalysen er beskrevet i denne protokol. Forskellige hæmodynamiske parametre er afledt, herunder hastighed, stasis, hvirvel, vorticitet og partikelophold. Resultaterne viser, at in vitro-opsætning og PIV hjælper med at undersøge de hæmodynamiske træk i aorta-sinus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. In vitro-opsætning
- Forbered forsøgsopstillingen på et optisk bord, herunder en stempelpumpe, dataindsamlingsenhed (DAQ) og en computer med den nødvendige systemtekniske software og en motorstyringssoftware (se tabel over materialer) (figur 1).
BEMÆRK: Stempelpumpen er tidligere testet og kalibreret og består af en motor, motordriver og lineær aktuator9. - Importer regnearksfilen med flowhastighedsoplysningerne til systemudviklingssoftwaren.
BEMÆRK: For eksempel er pulsen 60 bpm, den maksimale strømningshastighed er 20 L / min, hjerteudgangen er 4,8 L / min, og slagvolumen er 70 ml. - Indstil parameteren i systemudviklingssoftware, såsom DAQ-input- og outputkanal; eksempelur er 1.000, og feedback-iteration er 10.
- Indstil parameteren i motorstyringssoftwaren; føringsskruelængden er 10 mm, analog indgang og udgang er 14,5 mm / spænding.
- Installer kontraventilen og modstandsventilen i reservoiret10.
BEMÆRK: Kontraventilen er forbundet til stempelpumpen som et indløb i systemet, og kugleventilen er forbundet til akryl sinusmodellen som et udløb af systemet. - Fastgør akryl sinusmodellen (figur 2) med en firkantet aluminiumsstang til det optiske bord.
BEMÆRK: Dimensionerne på akryl sinusmodellen er præsenteret i tabel 1. - Installer manometeret (~ 0-15 psi) på trykhanen på akryl sinusmodellen for at modtage et tryksignal fra en anden computer.
BEMÆRK: Trykhanerne er placeret 140 mm fra det sinotubulære kryds (STJ). - Forbered en arbejdsvæske ved at blande saltvand og glycerin (se materialetabel) i et masseforhold på 60:40.
BEMÆRK: Et viskometer og et refraktometer blev brugt til at måle arbejdsvæskens viskositet og brydningsindeks. Viskositeten er ~4 cp, brydningsindekset er 1,45, og densiteten er 1.100 kg/m3. - Tilslut reservoiret, stempelpumpen og akryl sinusmodellen med en silikoneslange (se Materialetabel).
- Bind transkateterens aortaklap (TAV) (se Materialetabel) til den oprindelige folder fremstillet af en 3D-printer med en gevind11.
- Kombiner den faste TAV på den oprindelige folder med akryl sinusmodellen.
BEMÆRK: Den TAV, der anvendes her (opnået kommercielt), har en diameter på 23 mm og 26 mm, og højden er henholdsvis 18 mm og 20 mm12. For TAV (23 mm) var udrulningsdybden og indlægssedlens længde 1,8 mm og 9 mm, og for TAV (26 mm) er den henholdsvis 2,0 mm og 10 mm. Den indvendige diameter af den oprindelige indlægsseddel var 21 mm i betragtning af patientens annulusstørrelse.
FORSIGTIG: TAV tørrer ud, hvis den ikke bevares i saltopløsning. Det opbevares i væsken, selv efter at det er bundet til den oprindelige folder. - Fyld arbejdsvæsken (trin 1.8) i in vitro-systemet .
FORSIGTIGHED. Undgå at lave bobler på akryl sinusmodellen, fordi det påvirker PIV-resultaterne.
2. Opsætning af PIV
- Find laseren på et andet optisk bord og en-akset skinne.
BEMÆRK: Laseren er en kontinuerlig Nd: YAG-laser, der udsender lys med en bølgelængde på 532 nm, og hvis effekt kan stige til 10 W (se Materialetabel). Laserpladen, der passeres gennem optik, har en afstand på 1 m fra akryl sinusmodellen. - Find højhastighedskameraet på en 2-akset travers, og flyt traversen.
FORSIGTIG: Højhastighedskameraet er vinkelret på laserpladen og akrylskarosmodellen. - Udstyr linsen til højhastighedskameraet.
BEMÆRK: Makroobjektivet monteret på højhastighedskameraet har en brændvidde på 105 mm, og blænden er f/2.8. - Frøpartikel (se Materialetabel) i reservoiret.
BEMÆRK: Partiklen er en hul glaskugle med en gennemsnitlig diameter på 10 μm og en densitet på 1.090 kg/m3. Reservoiret har en rektangulær form, og bredden, længden og højden indeni er henholdsvis 23 cm, 23 cm, 35 cm. Der er et hul til fastgørelse i den øverste del. Låget havde også et hul til fastgørelse og en bolthane til installation af pærepumpen for at påføre tryk. - Programmer en ekstern udløser ved hjælp af en open source elektronisk prototypisk platform, Arduino (se Tabel over materialer).
BEMÆRK: Når stempelpumpen bevæger sig en forudbestemt afstand, bliver udgangen fra Arduino 1, som overføres til højhastighedskameraet som en udløser, der skal fotograferes. - Kør kameraets styringssoftware (se Tabel over materialer), klik på Current Session Reference (CSR), og fjern objektivdækslet.
- Tænd for laseren, indstil den til 7 W, og find laserarket i midten af TAV.
- Tag et øjebliksbillede, og kontroller partikeltætheden og diameteren.
BEMÆRK: For at reducere fejl skal du bekræfte, at ~ 8-10 partikler er i forhørsvinduet med en partikeldiameter på 2-4 pixels13. - Indstil parametrene, såsom opløsning (1280 x 720), tilfældig billedhastighed, eksponeringstid til maksimum i henhold til tilfældig billedhastighed i kamerastyringssoftwaren.
- Klik først på knappen Aktivér i motorstyringssoftwaren, og klik på Start-knappen i systemingeniørsoftwaren for at betjene stempelpumpen.
- Tag et billede og kontroller, om den maksimale partikelafstand er mindre end 4-6 pixels.
BEMÆRK: Denne undersøgelse svarer til 50% af forhørsvinduet, som satte 16 pixels mellem hastighedsvektorer. Den maksimale afstand af partikler i forhørsvinduet er begrænset til 8 pixels. - Gentag trin 2.11 for at sikre den maksimale partikelafstand inden for dette område ved at justere frames per second (fps), hvis det er mere end 6 pixels, og sænke fps'en, hvis den er mindre end 4 pixels.
3. Undersøgelse af hæmodynamik
- Kontroller, om der er lækage fra forbindelsesdelen af akryl sinusmodellen, eller silikoneslangen bliver foldet.
- Importer Excel-filen med gemte flowhastigheds- og bpm-oplysninger i systemudviklingssoftwaren.
BEMÆRK: For eksempel er pulsen 60 bpm, den maksimale strømningshastighed er 20 L / min, hjerteudgangen er 4,8 L / min, slagvolumen er 70 ml (figur 3A). - Bekræft systemudviklingssoftwareparameteren, f.eks. DAQ-enhedens indgangs- og udgangskanal. Eksempeluret er 1.000, og feedback-iterationen er 10.
- Bekræft, at den motorstyrende softwareparameter f.eks. er føringsskruelængden 10 mm, analog indgang og udgang er 14,5 mm / spænding.
- Tænd for højhastighedskameraet, og kør kameraets styringssoftware.
- Klik på CSR og fjern en objektivhætte.
- Indstil kameraet til at styre softwareparametre, f.eks. opløsningen på 1280 x 720, en billedhastighed på 300 fps, burstperioden på 200 μs og 150 μs, burstantal på 3 og eksponering (tvunget af burstperioden).
- Tænd laseren, indstil den til 7 W, og find laserarket i midten af TAV. Fokuser på laserpladen ved at styre linsen.
- Juster trykket til reservoiret.
BEMÆRK: Det gennemsnitlige eftervalvulære tryk er 100 mmHg under drift af stempelpumpen (figur 3B,C). - Klik først på knappen Aktivér i motorstyringssoftwaren, og klik på Start-knappen i systemingeniørsoftwaren for at betjene stempelpumpen.
- Vent, indtil strømningshastigheden stabiliseres.
BEMÆRK: Strømningshastigheden beregner forskellen baseret på signalet fra stempelpumpen og udfører negativ feedback, så det tager tid at vente, indtil den stabiliseres. - Kontroller en udløser, der fungerer i Arduino serieplotteren.
- Tag partikelbilleder i kontinuerlige 14 cyklusser, og gentag i alt syv gange.
BEMÆRK: Lagerkapaciteten på et højhastighedskamera er relateret til opløsningen og antallet af partikelbilleder. Ifølge parameteren i trin 3.7 er det kun muligt at tage et billede i 14 cyklusser ad gangen.
4. Databehandling
- Konverter fra .cine-fil til .tiff filer ved hjælp af kamerastyringssoftwaren.
- Beregn det gennemsnitlige billede for alle partikelbillederne over tid. Fjern det område, der svarer til refleksionen af laseren ved væggen eller TAV'en, ved at trække det gennemsnitlige billede14 fra.
- Lav masken ved at adskille de områder, der skal analyseres, fra dem, der skal kasseres.
BEMÆRK: I denne undersøgelse blev der brugt to masker: en til at analysere sinusregionen alene og den anden til at analysere hele regionen, som indeholder regionen efter STJ. - Udfør PIV ved hjælp af PIVlab, et open source-værktøj baseret på MATLAB15 (se Tabel over materialer).
- Importer partikelbilleder, der er gemt ved hjælp af den tidsopløste metode eller parvise metode.
- Udfør kontrastbegrænset adaptiv histogramudligning (CLAHE)16.
BEMÆRK: CLAHE er en metode til billedforbehandling. Partikelbilledets kontrast omfordeles, så laseren afspejler stigningen og faldet i partikelintensiteten. Partikelbilledet er divideret med et vindue med 20 pixels. - Importer masken, og anvend den på alle partikelbillederne.
- Indstil multi-pass forhørsvinduet.
BEMÆRK: Forhørsvinduet er reduceret fra 64 x 64 til 32 x 32 med et overlap på 50%. Afstanden mellem de to vektorer svarer til 16 pixels. - Udfør krydskorrelationen13 om partikelbilledparret konverteret til frekvensdomænet ved hjælp af hurtig Fourier-transformation (FFT)13.
- Find en topværdi ved hjælp af et 2 x 3 gaussisk fit in korrelationsresultat.
BEMÆRK: Den maksimale værdi, der blev valgt i den gaussiske montering, bestemte partikelafstanden.
- Kør udjævningsprocessen, som involverer følgende processer.
- Fjern outliers i en "NaN" ved hjælp af den indbyggede "isoutlier" -funktion i MATLAB.
- Interpoler en nan til værdi ved hjælp af funktionen "inpaint_nans" i MATLAB15.
- Konverter fra "pixel/frame" til "m/s" i henhold til billedhastighed og burstperiode.
BEMÆRK: Konverteringen er relateret til tidsintervallet, bestemt af billedhastigheden og burstperioden. Specifikt er koefficienten for den tidsopløste metode afledt af billedhastigheden, og koefficienten for en parvis metode er afledt af burstperioden. - Flet den parvise metode og den tidsopløste metode ved hjælp af vægtningsfaktoren.
BEMÆRK: Vægtningsfaktoren afhænger af hastighedsstørrelsen og har en samlet værdi på 1 i hvert afsnit. Hvis hastighedsstørrelsen overstiger en bestemt tærskel, er faktoren for den parvise metode højere end for den tidsopløste metode. - Kør DCT-PLS' "smoothn"-funktion ved hjælp af en udjævningsfaktor på 0,5915,17.
BEMÆRK: Funktionerne "smoothn" og "inpaint_nans" er til stede i PIVlab.
5. Analyse af data
- Indlæs PIV-data i MATLAB.
- Uddrag "u" og "v" komponenter fra PIV-dataene.
- Beregn hastighedsfeltet18 (ligning 1, supplerende fil 1).
- Udled hæmodynamikparametre ved hjælp af den interne kode og den indbyggede funktion19.
- Udled vorticiteten med MATLAB indbygget funktion "curl"18 (ligning 2, supplerende fil 1).
- Udled stasis med den interne kode20 (ligning 3, supplerende fil 1).
- Udled Γ1 med den interne kode21 (ligning 4, supplerende fil 1).
- Udled partikelboligen med en intern kode19 (ligning 5, supplerende fil 1).
- Beregn gennemsnittet og standardafvigelsen for hæmodynamikparametre (tabel 2).
BEMÆRK: Tophastighed, vorticitet, Γ1 og stasis blev beregnet for i alt 98 cyklusser. Henfaldet blev opnået ved eksponentiel tilpasning til procentdelen af partikelophold. Henfaldet satte 14 cyklusser som ét datasæt og beregnede gennemsnits- og standardafvigelsen for syv gange.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hastighedsfelterne viste en anden sinusstrømningsstruktur afhængigt af ventildiameteren i figur 4. For TAV (23 mm) var hastigheden højere end 0,05 m/s mellem TAV og STJ fra tidlig systole til peak systole, som TAV blev åbnet ved hjælp af videresendelsesstrålen. Høj hastighed blev derefter fordelt i et snævert område nær stenten ved sen systole. Hastigheden ved diastol var lavere end 0,025 m/s, og to hvirvler med lav hastighed dukkede op. For TAV (26 mm), da ventilen åbnede, blev høj hastighed målt ved STJ. Med undtagelse af tidlig systol var hastighedsfordelingen i sinus lavere end 0,05 m/s. Specifikt var hastigheden ved sen systole lavere end på et andet tidspunkt. Den en-retnings hvirvel, som havde en oval form, observeres over den oprindelige folder ved diastol.
Hæmodynamikparametrene afledt af hastighed er vist i figur 5 og tabel 2. Tophastigheden i TAV (23 mm) var højere end TAV (26 mm). Stasis blev observeret i sinus bortset fra videresendelsesstrålen og blev til sinus. Stasisområdet dannet i TAV (23 mm) var bredt, men brøkdelen af stasis var lav. Hvirvlen og vorticiteten ved diastol præsenterede noget, der ikke var bekræftet i hastighedsfeltet. For TAV (23 mm) blev der bemærket to lignende hvirvler over og under den oprindelige folder. Men for TAV (26 mm) var hvirvlen med uret ikke klar; hvirvlen mod uret havde en elliptisk form. Vorticiteten viste, at det var lignende resultater som hvirvlen. Den positive var nær stent og native folder, og den negative blev observeret i en anden region.
Procentdelen og øjebliksbilledet af partikelbolig er vist i figur 6. Øjebliksbillederne af partikelophold viste partikelfordeling i sinusområdet i 2 s, og procentdelen af partikelophold viste den brøkdel af resterende partikler i sinusområdet i 14 s. I figur 6B faldt TAV (26 mm) hurtigere end TAV (23 mm), men begge tilfælde blev præsenteret, at alle partikler forlod sinusområdet inden for 6 s. Partiklerne bevægede sig ud af området i figur 6A, men det var ikke identisk i tilfælde. For TAV (23 mm) blev partikler fordelt i hele sinusområdet og gik ud af flyet, efterhånden som cyklussen skred frem. Dette skete ikke for TAV (26 mm) og viste forskellige aspekter. Partiklerne var koncentreret nær annulus, som forlod sinusområdet fra bunden af den oprindelige folder.
Figur 1: In vitro eksperimentel opsætning. Den består af et højhastighedskamera, en akryl sinusmodel, et stempelpumpesystem, et reservoir, en Arduino og en computer. Det er et lukket system og strømmer kun i en retning på grund af kontraventilen installeret i reservoiret og TAV installeret i akryl sinusmodellen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Akryl sinusmodellen med indlægsseddel og TAV (23 mm). (A) Tegningen og navngivningen af dimensionerne er anført i tabel 1. For begge kunstige ventiler er akryl sinusmodellen den samme. (B) Modellering om indlægsseddel og stent af TAV (23 mm). Den oprindelige folder er cylindrisk i form og er ikke gennemsigtig. Ved modellering blev TAV's folder udeladt og kun præsenteret stent. TAV; Transkateter aortaklap, STJ; sinotubulært kryds. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Strømningshastighed og tryk for 1 s. (A) Strømningshastighed er afledt af slagvolumen i 1 s; maksimal strømningshastighed er 20 L/min. Den røde prikken i strømningshastigheden er instanstid fra venstre ved henholdsvis det tidlige systole, peak systole, late systole og diastole. (B) Trykket af TAV (23 mm). (C) Trykket af TAV (26 mm). Den blå linje er postvalvulært tryk, og den røde er præ-valvulært tryk. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Hastighedsfelt i sinusområdet. Hastighedskonturen varierer fra 0-0,05 m/s. Den venstre række er hastighedsfeltet for TAV (23 mm), og den højre række er TAV (26 mm). Kolonnen er forekomsttid defineret ved en strømningshastighed. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Sinus hæmodynamik resultat. Tophastighedskonturen præsenteres ved peak systole. Flowstasis projiceres for cyklussen, og det er det interne område, der vises med en hvid linje. Hvirvlen og vorticiteten er repræsenteret som hastighedsvektor og kontur ved diastol. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Snapshots og procentdel af partikelophold. (A) partikelophold for 2 s er præsenteret med en hvid plet angivet sinusområde og rød cirkel angivet virtuelle partikler. (B) Procentdelen af partikelophold i 14 s er, at den røde linje er TAV (23 mm), og den blå linje er TAV (26 mm). Klik her for at se en større version af denne figur.
| Tophastighed (m/s) | Vorticity (s-1) | Vortex | Stasis | Forfald | |
| 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) | 13.43 ± 0.03 | 7.42 ± 1.16 | 0,33 ± 0,10 | 0,50 ± 0,09 | -1.35 ± 0.28 |
Tabel 1: Dimensioner af akryl sinus model. Alle enheder er i mm.
| Enhed (mm) | |||||
| TAV Diameter | TAV højde | Implementeringsdybde | Længde på den oprindelige folder | Diameter på den oprindelige folder | |
| TAV (23 mm) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| TAV (26 mm) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| Enhed (mm) | |||||
| STJ Diameter | STJ Højde | Annulus Diameter | Sinus Diameter | Sinus højde | |
| TAV (23 mm) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| TAV (26 mm) |
Tabel 2: Gennemsnits- og standardafvigelse om sinushæmodynamikparameter.
Supplerende fil 1: Ligninger til dataanalyse. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sinusstrømmen ændrede sig på grund af forskellig sinusgeometri efter TAVI. Hvirvlen blev dannet af aortaklappens åbning og interaktionen med den fremadgående stråle af systol22. I undersøgelsen af den kunstige kirurgiske ventil uden indfødte foldere var hvirvel observeret i sinusområdet ved systole normal23. Denne undersøgelse danner hvirvlen præsenteret ved diastol ved at reducere den fremadrettede stråle og komme ind i sinus. Sinusstrømmen stødte på den indfødte folder; som følge heraf opdeles det med uret under den oprindelige folder og mod uret ovenfor. Det tyder på, at patienter efter TAVI er forskellige i forhold til raske uden trombose. Så sinusstrømmen ændrede sig efter TAVI, hvilket muligvis påvirker trombosedannelsen i sinus.
Trombose opstår, fordi røde blodlegemer ødelægges af forskydningsstress, stagnationsstrømmen og eksterne stoffer såsom stent af TAV24. I denne undersøgelse blev trombose dannet af stagnationsstrøm overvejet, hvilket blev bekræftet af hæmodynamiske parametre såsom flowstasis og partikelophold. Den indfødte folder forbyder fysisk sinusstrømmen og begrænser sinusområdet. Sinusstrømmen nær annulus bliver mere begrænset, hvilket øger stasis. Og for partikelboligen forlader partikler over den oprindelige folder hurtigt regionen, mens de nedenfor ikke gør det. De røde blodlegemer har en lille afstand, der aggregerer i bihulen. Det blev også undersøgt, at flowstasis observeres i bunden af sinus, når der er en indfødt folder4. Problemet efter TAVI er, at native folder forbliver, og forskning er nødvendig for at revidere for at hæmme trombose.
In vitro-eksperimenter og PIV observerer med succes hastighedsfeltet i sinus. Der er dog stadig forskelle fra de faktiske patienter, og det kræver forbedring. For det første forenkles akryl sinusmodellen for at tillade fremstilling på én gang. Højre og venstre koronar er placeret på to af de tre cusps; blodet går til koronararterien ~ 5% af det samlede antal under diastol10,25. En af begrænsningerne ved den nuværende in vitro-model er, at den nuværende model ikke efterligner fysiologiske egenskaber som reologi, vaskulær struktur, 3D-kargeometri osv. Den nuværende model inkluderer heller ikke koronar strømning. De tidligere undersøgelser viste, at koronar strømning påvirker sinusstrømmen. For det andet omfatter den nuværende 2D PIV-analyse ikke strømmens bevægelse uden for planet. Yderligere undersøgelse med volumetrisk måling (f.eks. 3D PIV / Partikelsporingsvelocimetri (PTV)) kan afsløre det komplekse strømningsfelt i aortastrømmen. For det tredje eksisterer PIV's nøjagtighedsbegrænsninger på grund af individuelle variationer af partikelbilledintensiteter. Bevægelsen uden for flyet, selv uden støj, begrænser den opnåelige nøjagtighed26,27. I denne undersøgelse er nøjagtigheden af PIV-måling med subpixelinterpolation ~0,1 pixel, hvilket svarer til 0,03 m/s ved TAV (23 mm) og 0,041 m/s ved TAV (26 mm).
Fremtidige undersøgelser planlægger at bruge in vitro-eksperimenter og 3D-væskevisualiseringsmetoder til at forstå sinushæmodynamik. Akryl sinusmodellen er designet til at have en tricuspid med en koronararterie. Det vil blive opdelt ved at undgå indblanding i sinusområdet. I denne undersøgelse blev det målte område efter STJ også analyseret for at bekræfte, om hastighedsfeltet er ens. Selvom det ikke forklares, antages det, at sinusstrømmen påvirker tav's folderbevægelse. Det stikker ikke ud som følge heraf. Det målte område vil kun fokusere på bihulen for at minimere problemer såsom slørede partikelbilleder ved brudt laser. 3D PTV forberedes også til at observere bevægelsen af partiklen26,27. Det vil være nyttigt at forstå princippet om trombose i sinus efter TAVI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af Det Grundvidenskabelige Forskningsprogram fra Koreas Nationale Forskningsfond, som er finansieret af Undervisningsministeriet (NRF-2021R1I1A3040346 og NRF-2020R1A4A1019475). Denne undersøgelse blev også støttet af 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).
