Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt PIV-Messungen (Particle Image Velocimetry), die durchgeführt wurden, um den Sinusfluss durch den In-vitro-Aufbau der Transkatheter-Aortenklappe (TAV) zu untersuchen. Die hämodynamischen Parameter basierend auf der Geschwindigkeit werden ebenfalls bestimmt.
Abstract
Aortenklappendysfunktion und Schlaganfall wurden kürzlich bei Patienten mit Transkatheter-Aortenklappenimplantation (TAVI) berichtet. Thrombus in der Aortenhöhle und Neo-Sinus aufgrund hämodynamischer Veränderungen wurde vermutet. In-vitro-Experimente helfen, die hämodynamischen Eigenschaften in den Fällen zu untersuchen, in denen sich eine In-vivo-Bewertung als begrenzt erweist. In-vitro-Experimente sind auch robuster, und die variablen Parameter werden leicht kontrolliert. Die Partikelbild-Velocimetrie (PIV) ist eine beliebte Velocimetrie-Methode für In-vitro-Studien . Es bietet ein hochauflösendes Geschwindigkeitsfeld, so dass auch kleinräumige Strömungsmerkmale beobachtet werden. Ziel dieser Studie ist es, zu zeigen, wie PIV verwendet wird, um das Strömungsfeld in der Aortenhöhle nach TAVI zu untersuchen. Der In-vitro-Aufbau des Aortenphantoms, TAVI für PIV sowie der Datenerfassungsprozess und die Nachbearbeitungsflussanalyse werden beschrieben. Die hämodynamischen Parameter werden abgeleitet, einschließlich der Geschwindigkeit, der Strömungstasierung, des Vortex, der Vortizität und der Partikelresidenz. Die Ergebnisse bestätigen , dass In-vitro-Experimente und PIV helfen, die hämodynamischen Merkmale in der Aortenhöhle zu untersuchen.
Introduction
Aortenstenose ist eine häufige Erkrankung bei älteren Erwachsenen, und es ist, wenn sich die Aortenklappe nicht öffnet, was den Blutfluss reduziert. Das Problem wird durch die Verdickung oder Verkalkung der Aortenklappe1 verursacht. Daher ist es eine notwendige Behandlung, um den Blutfluss zu verbessern und die Belastung des Herzens zu verringern. Es wird behandelt, indem die Aortenklappe umgebaut oder durch eine künstliche Klappe ersetzt wird. Diese Studie konzentriert sich auf die Transkatheter-Aortenklappenimplantation (TAVI), bei der die fehlerhafte Aortenklappe durch eine künstliche mit einem Katheter ersetzt wird.
TAVI wurde für Patienten empfohlen, die in der Operation herausgefordert wurden, und die Mortalität war ebenfalls niedrig2. Kürzlich wurde berichtet, dass Thrombus bei Patienten nach TAVI Klappenfunktionsstörungen und Schlaganfallverursachte 3,4. Es wird vermutet, dass Thrombus in der Aortenhöhle und im Neosinus vermutet wird, wobei seine Ursache wahrscheinlich die durch TAVI verursachten Veränderungen in der Hämodynamik sind. Es wird durchgeführt, ohne die einheimischen Flugblätter zu entfernen; Diese Packungsbeilagen können den Sinusfluss stören und das Thromboserisiko erhöhen5.
Es ist schwierig zu bestimmen, wie der Blutfluss durch TAVI beeinflusst wird und wie Thrombose bei Patienten induziert wird. Es ist wünschenswert, den Zusammenhang zwischen Blutfluss und Thrombusbildung in vivo aufzuklären. Ein Mangel an praktischen Techniken zur Messung des Blutflusses macht dies jedoch problematisch. Auf der anderen Seite haben In-vitro-Techniken den Vorteil, dass man die Veränderungen im Blutfluss überwachen kann, indem man die zu untersuchenden Parameter begrenzt. In-vitro-Setup und Partikelbild-Velocimetrie (PIV) wurden verwendet, um die Geschwindigkeit in medizinischen Bereichen zu identifizieren 6,7,8. Daher sind in vitro und PIV ausreichend, um die zu meldenden Parameter zu bestimmen, indem der Zustand des Patienten nachgeahmt wird: die Herzfrequenz und der Druck, die Viskosität und die Sinusgeometrie, und es ermöglicht, diese Parameter zu kontrollieren.
In dieser Studie werden in vitro Setup und PIV verwendet, um den Fluss in der Aortenhöhle nach TAVI zu untersuchen. Das Aortenphantom und TAVI für den PIV sowie den Datenerfassungsprozess und die Nachbearbeitungsflussanalyse werden in diesem Protokoll beschrieben. Verschiedene hämodynamische Parameter werden abgeleitet, einschließlich Geschwindigkeit, Stasis, Vortex, Vortizität und Partikeldomäne. Die Ergebnisse zeigen, dass in vitro Setup und PIV helfen, die hämodynamischen Merkmale in der Aortenhöhle zu untersuchen.
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Protocol
1. In-vitro-Setup
- Bereiten Sie den Versuchsaufbau auf einem optischen Tisch vor, einschließlich einer Kolbenpumpe, einer Datenerfassungsvorrichtung (DAQ) und einem Computer mit der erforderlichen Systementwicklungssoftware und einer Motorsteuerungssoftware (siehe Materialtabelle) (Abbildung 1).
HINWEIS: Die Kolbenpumpe wurde zuvor getestet und kalibriert und besteht aus einem Motor, einem Motortreiber und einem Linearantrieb9. - Importieren Sie die Tabellenkalkulationsdatei mit den Flussrateninformationen in die Systementwicklungssoftware.
HINWEIS: Zum Beispiel beträgt die Herzfrequenz 60 bpm, die maximale Durchflussrate beträgt 20 l / min, das Herzzeitvolumen beträgt 4,8 l / min und das Schlagvolumen beträgt 70 ml. - Legen Sie den Parameter in der Systems Engineering-Software fest, z. B. Datenerfassungseingangs- und -ausgangskanal. Die Sample-Uhr ist 1.000 und die Feedback-Iteration ist 10.
- Stellen Sie den Parameter in der Motorsteuerungssoftware ein; Die Länge der Gewindetriebe beträgt 10 mm, der analoge Eingang und Ausgang 14,5 mm / Spannung.
- Installieren Sie das Rückschlagventil und das Widerstandsventil am Behälter10.
HINWEIS: Das Rückschlagventil ist als Einlass des Systems mit der Kolbenpumpe verbunden, und der Kugelhahn ist als Auslass des Systems mit dem Acryl-Sinus-Modell verbunden. - Befestigen Sie das Acryl-Sinus-Modell (Abbildung 2) mit einer quadratischen Aluminiumstange am optischen Tisch.
HINWEIS: Die Abmessungen des Acryl-Sinus-Modells sind in Tabelle 1 dargestellt. - Installieren Sie das Manometer (~0-15 psi) am Druckhahn des Acryl-Sinusmodells, um ein Drucksignal von einem anderen Computer zu empfangen.
HINWEIS: Die Druckhähne befinden sich 140 mm vom sinotubularen Übergang (STJ) entfernt. - Bereiten Sie eine Arbeitsflüssigkeit vor, indem Sie Kochsalzlösung und Glycerin (siehe Materialtabelle) in einem Massenverhältnis von 60:40 mischen.
HINWEIS: Ein Viskosimeter und ein Refraktometer wurden verwendet, um die Viskosität und den Brechungsindex des Arbeitsmediums zu messen. Die Viskosität beträgt ~ 4 cp, der Brechungsindex beträgt 1,45 und die Dichte beträgt 1.100 kg / m3. - Verbinden Sie das Reservoir, die Kolbenpumpe und das Acryl-Sinus-Modell mit einem Silikonschlauch (siehe Materialtabelle).
- Binden Sie die Transkatheter-Aortenklappe (TAV) (siehe Materialtabelle) an die native Packungsbeilage, die von einem 3D-Drucker mit einem Gewinde11 hergestellt wird.
- Kombinieren Sie den festen TAV auf dem nativen Prospekt mit dem Acryl-Sinus-Modell.
HINWEIS: Das hier verwendete TAV (kommerziell gewonnen) hat einen Durchmesser von 23 mm und 26 mm und die Höhe beträgt 18 mm bzw. 20 mm bzw.12 mm. Für TAV (23 mm) betrugen die Einsatztiefe und die native Packungslänge 1,8 mm bzw. 9 mm, und für TAV (26 mm) beträgt sie 2,0 mm bzw. 10 mm. Der Innendurchmesser der nativen Packungsbeilage betrug 21 mm, wenn man die Ringgröße des Patienten berücksichtigt.
ACHTUNG: Das TAV trocknet aus, wenn es nicht in Salzlösung konserviert wird. Es wird in der Flüssigkeit gehalten, auch nachdem es an das native Blättchen gebunden wurde. - Die Arbeitsflüssigkeit (Schritt 1.8) wird in das In-vitro-System gefüllt.
VORSICHT. Vermeiden Sie Blasen auf dem Acryl-Sinus-Modell, da dies die PIV-Ergebnisse beeinflusst.
2. PIV-Einrichtung
- Platzieren Sie den Laser auf einem anderen optischen Tisch und einer Einachsschiene.
HINWEIS: Der Laser ist ein kontinuierlicher Nd:YAG-Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm emittiert und dessen Leistung auf 10 W ansteigen kann (siehe Materialtabelle). Die Laserfolie, die durch die Optik geleitet wird, hat einen Abstand von 1 m vom Acryl-Sinusmodell. - Suchen Sie die Hochgeschwindigkeitskamera auf einer 2-Achsen-Traverse und bewegen Sie die Traverse.
ACHTUNG: Die Hochgeschwindigkeitskamera steht senkrecht zum Laserblech- und Acryl-Sinus-Modell. - Rüsten Sie das Objektiv mit der Hochgeschwindigkeitskamera aus.
HINWEIS: Das an der Hochgeschwindigkeitskamera montierte Makroobjektiv hat eine Brennweite von 105 mm und die Blende ist f/2.8. - Saatgutpartikel (siehe Materialtabelle) im Reservoir.
HINWEIS: Das Partikel ist eine Hohlglaskugel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 μm und einer Dichte von 1.090 kg/m3. Der Behälter hat eine rechteckige Form und die Breite, Länge und Höhe im Inneren beträgt 23 cm, 23 cm, 35 cm. Im oberen Teil befindet sich ein Loch zur Befestigung. Der Deckel hatte auch ein Loch zum Befestigen und einen Bolzenhahn, um die Glühbirnenpumpe zu installieren, um Druck auszuüben. - Programmieren Sie einen externen Auslöser mit einer elektronischen Open-Source-Prototypenplattform, Arduino, (siehe Materialverzeichnis).
HINWEIS: Wenn sich die Kolbenpumpe in einer vorgegebenen Entfernung bewegt, wird die Ausgabe von Arduino zu 1, die als zu fotografierender Auslöser an die Hochgeschwindigkeitskamera übertragen wird. - Führen Sie die Kamerasteuerungssoftware aus (siehe Materialtabelle), klicken Sie auf Current Session Reference (CSR) und entfernen Sie den Objektivdeckel.
- Schalten Sie den Laser ein, stellen Sie ihn auf 7 W ein und platzieren Sie das Laserblatt in der Mitte des TAV.
- Machen Sie einen Schnappschuss und überprüfen Sie die Partikeldichte und den Durchmesser.
HINWEIS: Um Fehler zu reduzieren, bestätigen Sie, dass sich ~ 8-10 Partikel im Abfragefenster befinden, mit einem Partikeldurchmesser von 2-4 Pixeln13. - Stellen Sie die Parameter wie Auflösung (1280 x 720), zufällige Bildrate, Belichtungszeit auf Maximum entsprechend der zufälligen Bildrate in der Kamerasteuerungssoftware ein.
- Klicken Sie zunächst in der Motorsteuerungssoftware auf die Schaltfläche Aktivieren und klicken Sie in der Systems Engineering Software auf die Schaltfläche Start , um die Kolbenpumpe zu betreiben.
- Machen Sie ein Foto und prüfen Sie, ob der maximale Partikelabstand weniger als 4-6 Pixel beträgt.
HINWEIS: Diese Studie entspricht 50% des Abfragefensters, das 16 Pixel zwischen Geschwindigkeitsvektoren setzt. Der maximale Abstand der Partikel im Abfragefenster ist auf 8 Pixel begrenzt. - Wiederholen Sie Schritt 2.11, um den maximalen Partikelabstand innerhalb dieses Bereichs sicherzustellen, indem Sie die Bilder pro Sekunde (fps) anpassen, wenn sie mehr als 6 Pixel betragen, und die fps senken, wenn sie weniger als 4 Pixel betragen.
3. Untersuchung der Hämodynamik
- Prüfen Sie, ob der Anschlussteil des Acryl-Sinus-Modells undicht ist oder der Silikonschlauch gefaltet wird.
- Importieren Sie die Excel-Datei mit gespeicherten Fluss- und BPM-Informationen in der System-Engineering-Software.
HINWEIS: Zum Beispiel beträgt die Herzfrequenz 60 bpm, die maximale Durchflussrate beträgt 20 l / min, das Herzzeitvolumen beträgt 4,8 l / min und das Schlagvolumen beträgt 70 ml (Abbildung 3A). - Bestätigen Sie den Systementwicklungssoftwareparameter, z. B. den Eingangs- und Ausgangskanal des Datenerfassungsgeräts. Der Sample-Takt ist 1.000 und die Feedback-Iteration ist 10.
- Bestätigen Sie den Parameter der Motorsteuerungssoftware, z. B. die Länge der Leitspindel beträgt 10 mm, der analoge Eingang und Ausgang beträgt 14,5 mm / Spannung.
- Schalten Sie die Hochgeschwindigkeitskamera ein und führen Sie die Kamerasteuerungssoftware aus.
- Klicken Sie auf CSR und entfernen Sie einen Objektivdeckel.
- Stellen Sie die Softwareparameter für die Kamerasteuerung ein, z. B. die Auflösung von 1280 x 720, eine Bildrate von 300 fps, eine Berstzeit von 200 μs und 150 μs, eine Berstzahl von 3 und die Belichtung (erzwungen durch die Berstperiode).
- Schalten Sie den Laser ein, stellen Sie ihn auf 7 W ein und platzieren Sie das Laserblatt in der Mitte des TAV. Konzentrieren Sie sich auf das Laserblatt, indem Sie das Objektiv steuern.
- Stellen Sie den Druck auf das Reservoir ein.
HINWEIS: Der mittlere Nachklappendruck beträgt 100 mmHg während des Betriebs der Kolbenpumpe (Abbildung 3B,C). - Klicken Sie zunächst in der Motorsteuerungssoftware auf die Schaltfläche Aktivieren und klicken Sie in der Systemtechnik-Software auf die Schaltfläche Start , um die Kolbenpumpe zu betreiben.
- Warten Sie, bis sich die Durchflussrate stabilisiert hat.
HINWEIS: Die Durchflussrate berechnet die Differenz basierend auf dem Signal der Kolbenpumpe und führt eine negative Rückkopplung durch, so dass es einige Zeit dauert, bis sie sich stabilisiert hat. - Überprüfen Sie einen Auslöser, der im seriellen Arduino-Plotter funktioniert.
- Erfassen Sie Partikelbilder für kontinuierliche 14 Zyklen und wiederholen Sie sie insgesamt sieben Mal.
HINWEIS: Die Speicherkapazität einer Hochgeschwindigkeitskamera hängt mit der Auflösung und der Anzahl der Partikelbilder zusammen. Gemäß dem in Schritt 3.7 eingestellten Parameter ist es möglich, ein Bild nur für jeweils 14 Zyklen aufzunehmen.
4. Datenverarbeitung
- Konvertieren Sie mit der Kamerasteuerungssoftware von der .cine-Datei in .tiff-Dateien.
- Berechnen Sie das durchschnittliche Bild für alle Partikelbilder im Laufe der Zeit. Entfernen Sie den Bereich, der der Reflexion des Lasers an der Wand oder dem TAV entspricht, indem Sie das durchschnittliche Bild14 subtrahieren.
- Machen Sie die Maske, indem Sie die zu analysierenden Bereiche von denen trennen, die verworfen werden sollen.
HINWEIS: In dieser Studie wurden zwei Masken verwendet: eine zur Analyse der Sinusregion allein und die andere zur Analyse der gesamten Region, die die Region nach STJ enthält. - Führen Sie PIV mit PIVlab durch, einem Open-Source-Tool, das auf MATLAB15 basiert (siehe Materialverzeichnis).
- Importieren Sie Partikelbilder, die mit der zeitaufgelösten Methode oder der paarweisen Methode gespeichert wurden.
- Führen Sie die kontrastbegrenzte adaptive Histogrammentzerrung (CLAHE)16 aus.
HINWEIS: CLAHE ist eine Methode zur Bildvorverarbeitung. Der Kontrast des Partikelbildes wird so verteilt, dass der Laser die Zunahme und Abnahme der Partikelintensität widerspiegelt. Das Partikelbild wird durch ein Fenster mit 20 Pixeln geteilt. - Importieren Sie die Maske und wenden Sie sie auf alle Partikelbilder an.
- Legen Sie das Multi-Pass-Abfragefenster fest.
HINWEIS: Das Abfragefenster wird von 64 x 64 auf 32 x 32 mit einer Überlappung von 50% reduziert. Der Abstand zwischen den beiden Vektoren entspricht 16 Pixeln. - Führen Sie die Kreuzkorrelation 13 über das in den Frequenzbereichkonvertierte Teilchenbildpaar mit der schnellen Fourier-Transformation (FFT)13 aus.
- Finden Sie einen Spitzenwert mit einem 2 x 3 Gaußschen Anpassungsergebnis in der Korrelation.
HINWEIS: Der im Gaußschen Fitting ausgewählte Spitzenwert bestimmte den Partikelabstand.
- Führen Sie den Glättungsprozess aus, der die folgenden Prozesse umfasst.
- Entfernen Sie die Ausreißer in ein "NaN" mit der integrierten Funktion "isoutlier" in MATLAB.
- Interpolieren Sie eine Nan zum Wert mithilfe der Funktion "inpaint_nans" in MATLAB15.
- Konvertieren Sie von "Pixel / Frame" in "m / s" entsprechend der Bildrate und der Burst-Periode.
HINWEIS: Die Konvertierung bezieht sich auf das Zeitintervall, das durch die Bildrate und die Burst-Periode bestimmt wird. Insbesondere wird der Koeffizient der zeitaufgelösten Methode von der Bildrate abgeleitet, und der einer paarweisen Methode wird von der Berstperiode abgeleitet. - Führen Sie die paarweise Methode und die zeitaufgelöste Methode mithilfe des Gewichtungsfaktors zusammen.
HINWEIS: Der Gewichtungsfaktor hängt von der Geschwindigkeitsgröße ab und hat in jedem Abschnitt einen Gesamtwert von 1. Wenn die Geschwindigkeitsgröße einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, ist der Faktor für die paarweise Methode höher als der für die zeitaufgelöste Methode. - Führen Sie die "Glättungsfunktion" von DCT-PLS mit einem Glättungsfaktor von 0,5915,17 aus.
HINWEIS: Die Funktionen "smoothn" und "inpaint_nans" sind im PIVlab vorhanden.
5. Datenanalyse
- Laden Sie PIV-Daten in MATLAB.
- Extrahieren Sie die Komponenten "u" und "v" aus den PIV-Daten.
- Berechnen Sie das Geschwindigkeitsfeld18 (Gleichung 1, Zusatzdatei 1).
- Leiten Sie Hämodynamikparameter unter Verwendung des hauseigenen Codes und der integrierten Funktion19 ab.
- Leiten Sie die Vortizität mit der MATLAB-integrierten Funktion "curl"18 ab (Gleichung 2, Zusatzdatei 1).
- Leiten Sie den Stillstand mit dem hauseigenen Code20 ab (Gleichung 3, Ergänzungsdatei 1).
- Leiten Sie die Γ1 mit dem hauseigenen Code21 ab (Gleichung 4, Zusatzdossier 1).
- Leiten Sie den Partikelwohnsitz mit einem hauseigenen Code19 ab (Gleichung 5, Zusatzdatei 1).
- Berechnen Sie den Durchschnitt und die Standardabweichung der hämodynamischen Parameter (Tabelle 2).
HINWEIS: Spitzengeschwindigkeit, Vortizität, Γ1 und Stasis wurden für insgesamt 98 Zyklen berechnet. Der Zerfall wurde durch exponentielle Anpassung an den Prozentsatz der Teilchenresidenz erhalten. Der Zerfall legte 14 Zyklen als einen Datensatz fest und berechnete den Durchschnitt und die Standardabweichung für das Siebenfache.
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Representative Results
Die Geschwindigkeitsfelder zeigten in Abbildung 4 je nach Ventildurchmesser eine unterschiedliche Sinusströmungsstruktur. Für TAV (23 mm) war die Geschwindigkeit höher als 0,05 m/s zwischen TAV und STJ von der frühen Systole bis zur Peak-Systole, dass TAV mit dem Weiterleitungsstrahl geöffnet wurde. Die hohe Geschwindigkeit wurde dann in einem engen Bereich in der Nähe des Stents an der späten Systole verteilt. Die Geschwindigkeit an der Diastole war niedriger als 0,025 m/s, und es erschienen zwei Wirbel mit niedriger Geschwindigkeit. Für TAV (26 mm) wurde beim Öffnen des Ventils eine hohe Geschwindigkeit bei STJ gemessen. Mit Ausnahme der frühen Systole war die Geschwindigkeitsverteilung im Sinus zeitlich niedriger als 0,05 m/s. Insbesondere war die Geschwindigkeit bei der späten Systole niedriger als zu einem anderen Zeitpunkt. Der einseitige Wirbel, der eine ovale Form hatte, wird über dem nativen Blättchen an der Diastole beobachtet.
Die durch die Geschwindigkeit abgeleiteten hämodynamischen Parameter sind in Abbildung 5 und Tabelle 2 dargestellt. Die Spitzengeschwindigkeit in TAV (23 mm) war höher als in TAV (26 mm). Stasis wurde im Sinus beobachtet, mit Ausnahme des Vorwärtsstrahls und des Eindringens in den Sinus. Der in TAV gebildete Stasisbereich (23 mm) war breit, aber der Anteil der Stasis war gering. Der Wirbel und die Vortizität bei Diastole stellten etwas dar, das im Geschwindigkeitsfeld nicht bestätigt wurde. Für TAV (23 mm) wurden zwei ähnliche Wirbel oberhalb und unterhalb des nativen Blättchens bemerkt. Aber für TAV (26 mm) war der Wirbel im Uhrzeigersinn nicht klar; Der Wirbel gegen den Uhrzeigersinn hatte eine elliptische Form. Die Vortizität zeigte, dass ähnliche Ergebnisse wie der Wirbel waren. Das Positive war in der Nähe des Stents und des einheimischen Blättchens, und das Negative wurde in einer anderen Region beobachtet.
Der Prozentsatz und die Momentaufnahme der Partikelresidenz sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Momentaufnahmen der Partikelresidenz zeigten die Partikelverteilung in der Sinusregion für 2 s, und der Prozentsatz der Partikelresidenz zeigte diesen Anteil der verbleibenden Partikel in der Sinusregion für 14 s. In Abbildung 6B nahm der TAV (26 mm) schneller ab als der TAV (23 mm), aber in beiden Fällen wurde dargestellt, dass alle Partikel die Sinusregion innerhalb von 6 s verließen. Die Partikel bewegten sich in Abbildung 6A aus dem Bereich, waren aber in den Fällen nicht identisch. Für TAV (23 mm) wurden Partikel in der gesamten Sinusregion verteilt und verließen die Ebene im Laufe des Zyklus. Dies geschah nicht für TAV (26 mm) und zeigte verschiedene Aspekte. Die Partikel konzentrierten sich in der Nähe des Rings, der die Sinusregion vom Boden des einheimischen Blättchens verließ.
Abbildung 1: In-vitro-Versuchsaufbau Es besteht aus einer Hochgeschwindigkeitskamera, einem Acryl-Sinus-Modell, einem Kolbenpumpensystem, einem Reservoir, einem Arduino und einem Computer. Es handelt sich um ein geschlossenes System und fließt aufgrund des im Reservoir installierten Rückschlagventils und des im Acryl-Sinus-Modell installierten TAV nur in eine Richtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Das Acryl-Sinus-Modell mit nativem Prospekt und TAV (23mm). (A) Die Zeichnung und Benennung der Abmessungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Für beide künstlichen Ventile ist das Acryl-Sinus-Modell das gleiche. (B) Modellierung über natives Flugblatt und Stent von TAV (23 mm). Das native Flugblatt hat eine zylindrische Form und ist nicht transparent. Bei der Modellierung wurde das Merkblatt von TAV weggelassen und nur Stent präsentiert. TAV; Transkatheter-Aortenklappe, STJ; sinotubuläre Verbindung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Durchfluss und Druck für 1 s. (A) Die Durchflussrate wird durch das Hubvolumen für 1 s abgeleitet; Die maximale Durchflussmenge beträgt 20 l/min. Der rote Punkt in der Durchflussrate ist die Instanzzeit von links bei der frühen Systole, der Peak-Systole, der späten Systole und der Diastole. (B) Der Druck von TAV (23 mm). (C) Der Druck von TAV (26 mm). Die blaue Linie ist der postvalvulare Druck und die rote ist der prävalvulare Druck. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Geschwindigkeitsfeld im Sinusbereich. Die Geschwindigkeitskontur liegt im Bereich von 0-0,05 m/s. Die linke Reihe ist das Geschwindigkeitsfeld von TAV (23 mm) und die rechte Zeile ist die von TAV (26 mm). Die Spalte ist die Instanzzeit, die mit einer Flussrate definiert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Ergebnis der Hämodynamik des Sinus. Die Peak-Velocity-Kontur wird bei Peak Systole dargestellt. Die Strömungsstasis wird für den Zyklus projiziert, und es ist dieser interne Bereich, der durch eine weiße Linie dargestellt wird. Der Wirbel und die Vortizität werden als Geschwindigkeitsvektor und Kontur an der Diastole dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Momentaufnahmen und Prozentsatz der Partikeldomäne . (A) Die Partikelresidenz für 2 s wird mit einem weißen Fleck dargestellt, der auf eine Sinusregion und einen roten Kreis auf virtuelle Partikel hinweist. (B) Der Prozentsatz des Partikelaufenthalts für 14 s ist, dass die rote Linie TAV (23 mm) und die blaue Linie TAV (26 mm) ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Spitzengeschwindigkeit (m/s) | Vortizität (s-1) | Wirbel | Stasis | Verfallen | |
| TAV (23 mm) | 1,74 ± 0,03 | 10.13 ± 1.76 | 0,58 ± 0,08 | 0,44 ± 0,13 | -0,95 ± 0,21 |
| TAV (26 mm) | 1,43 ± 0,03 | 7,42 ± 1,16 | 0,33 ± 0,10 | 0,50 ± 0,09 | -1,35 ± 0,28 |
Tabelle 1: Abmessungen des Sinusmodells Acryl. Alle Einheiten sind in mm.
| Einheit (mm) | |||||
| TAV-Durchmesser | TAV Höhe | Bereitstellungstiefe | Native Prospektlänge | Durchmesser des nativen Prospekts | |
| TAV (23 mm) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| TAV (26 mm) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| Einheit (mm) | |||||
| STJ Durchmesser | STJ Höhe | Ringdurchmesser | Sinusdurchmesser | Sinushöhe | |
| TAV (23 mm) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| TAV (26 mm) |
Tabelle 2: Durchschnitt und Standardabweichung über den Parameter der Hämodynamik der Nebenhöhlen.
Ergänzende Datei 1: Gleichungen für die Datenanalyse. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Die Sinusströmung änderte sich aufgrund unterschiedlicher Sinusgeometrie nach TAVI. Der Wirbel wurde durch die Aortenklappenöffnung und die Wechselwirkung mit dem Vorwärtsstrahl von Systole22 gebildet. Bei der Untersuchung der künstlichen chirurgischen Klappe ohne native Blättchen war der in der Sinusregion an der Systole beobachtete Wirbel normal23. Diese Studie bildet den an der Diastole präsentierten Wirbel, indem sie den Vorwärtsstrahl reduziert und in den Sinus gelangt. Der Sinusfluss traf auf das einheimische Blättchen; Infolgedessen teilt es sich im Uhrzeigersinn unter dem einheimischen Flugblatt und gegen den Uhrzeigersinn oben. Es deutet darauf hin, dass Patienten nach TAVI anders sind als gesunde ohne Thrombose. So veränderte sich der Sinusfluss nach TAVI, was möglicherweise die Thrombusbildung im Sinus beeinflusste.
Thrombose tritt auf, weil rote Blutkörperchen durch Scherstress, den Stagnationsfluss und äußere Substanzen wie den Stent von TAV24 zerstört werden. In dieser Studie wurde Thrombus betrachtet, der durch Stagnationsfluss gebildet wurde, was durch hämodynamische Parameter wie Strömungsstauung und Partikelresidenz bestätigt wurde. Das einheimische Blättchen verbietet physikalisch den Sinusfluss und begrenzt die Sinusregion. Der Sinusfluss in der Nähe des Rings wird eingeschränkter, was den Stillstand erhöht. Und für die Partikelresidenz verlassen Partikel über dem nativen Blättchen schnell die Region, während die folgenden dies nicht tun. Die roten Blutkörperchen haben einen kleinen Abstand und aggregieren sich im Sinus. Es wurde auch untersucht, dass eine Strömungsstauung an der Unterseite des Sinus beobachtet wird, wenn sich ein natives Blättchen4 befindet. Das Problem nach TAVI ist, dass natives Flugblatt übrig bleibt, und Forschung ist notwendig, um zu überarbeiten, um Thrombose zu hemmen.
In-vitro-Experimente und PIV beobachten erfolgreich das Geschwindigkeitsfeld im Sinus. Es gibt jedoch immer noch Unterschiede zu den tatsächlichen Patienten, und es muss verbessert werden. Erstens wird das Acryl-Sinus-Modell vereinfacht, um die Herstellung sofort zu ermöglichen. Der rechte und der linke Koronarbereich befinden sich an zwei der drei Spitzen; Das Blut geht während der Diastole10,25 in die Koronararterie ~ 5% der Gesamtmenge. Eine der Einschränkungen des vorliegenden In-vitro-Modells besteht darin, dass das aktuelle Modell keine physiologischen Eigenschaften wie Rheologie, Gefäßstruktur, 3D-Gefäßgeometrie usw. nachahmt. Außerdem enthält das aktuelle Modell keinen koronaren Fluss. Die bisherigen Studien zeigten, dass der Koronarfluss den Sinusfluss beeinflusst. Zweitens umfasst die aktuelle 2D-PIV-Analyse nicht die Bewegung der Strömung außerhalb der Ebene. Weitere Untersuchungen mit volumetrischer Messung (z. B. 3D-PIV/Particle Tracking Velocimetry (PTV)) können das komplexe Strömungsfeld in der Aortenströmung aufdecken. Drittens bestehen die Genauigkeitsbeschränkungen von PIV aufgrund individueller Variationen der Partikelbildintensitäten. Die Bewegung außerhalb der Ebene, auch ohne Rauschen, begrenzt die erreichbare Genauigkeit26,27. In dieser Studie beträgt die Genauigkeit der PIV-Messung mit Subpixelinterpolation ~0,1 Pixel, was 0,03 m/s bei TAV (23 mm) und 0,041 m/s bei TAV (26 mm) entspricht.
Zukünftige Studien planen, In-vitro-Experimente und 3D-Fluidvisualisierungsmethoden zu verwenden, um die Hämodynamik der Sinus zu verstehen. Das Modell der Acryl-Sinus ist so konzipiert, dass es einen Trikuspid mit einer Koronararterie hat. Es wird gespalten, indem Interferenzen in der Sinusregion vermieden werden. In dieser Studie wurde auch die gemessene Fläche nach STJ analysiert, um zu bestätigen, ob das Geschwindigkeitsfeld ähnlich ist. Obwohl nicht erklärt, wird angenommen, dass der Sinusfluss die Flugblattbewegung von TAV beeinflusst. Es ragt dadurch nicht hervor. Der gemessene Bereich konzentriert sich nur auf den Sinus, um Probleme wie verschwommene Partikelbilder durch gebrochenen Laser zu minimieren. Außerdem wird 3D-PTV vorbereitet, um die Bewegung des Partikels26,27 zu beobachten. Es wird hilfreich sein, das Prinzip der Thrombose im Sinus nach TAVI zu verstehen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Acknowledgments
Diese Forschung wurde durch das Basic Science Research Program der National Research Foundation of Korea unterstützt, das vom Bildungsministerium finanziert wird (NRF-2021R1I1A3040346 und NRF-2020R1A4A1019475). Diese Studie wurde auch durch den 2018 Research Grant (PoINT) der Kangwon National University unterstützt.
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 |
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