Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מדידות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שבוצעו כדי לחקור את זרימת הסינוסים באמצעות ההתקנה במבחנה של שסתום אבי העורקים transcatheter (TAV). הפרמטרים המודינמיים המבוססים על מהירות נקבעים גם הם.
Abstract
תפקוד לקוי של מסתם אבי העורקים ושבץ דווחו לאחרונה בהשתלת שסתום אבי העורקים transcatheter (TAVI) חולים. יש חשד לתערובת בסינוס אבי העורקים ובסינוסים ניאו-סינוסים עקב שינויים המודינמיים. ניסויים במבחנה מסייעים לחקור את המאפיינים המודינמיים במקרים שבהם הערכת in vivo מוכיחה להיות מוגבלת. ניסויים במבחנה הם גם חזקים יותר, ואת הפרמטרים המשתנים נשלטים בקלות. ולוצימיטריית תמונת חלקיקים (PIV) היא שיטת ולוצימיטריה פופולרית למחקרי הפריה חוץ גופית . הוא מספק שדה מהירות ברזולוציה גבוהה כך שאפילו תכונות זרימה בקנה מידה קטן נצפות. מטרת מחקר זה היא להראות כיצד PIV משמש כדי לחקור את שדה הזרימה בסינוס אבי העורקים לאחר TAVI. ההתקנה במבחנה של פנטום אבי העורקים, TAVI עבור PIV, ואת תהליך רכישת הנתונים וניתוח זרימת לאחר העיבוד מתוארים. הפרמטרים המודינמיים נגזרים, כולל המהירות, קיפאון הזרימה, המערבולת, המערבולת, המערבולת ומגורים חלקיקים. התוצאות מאשרות כי ניסויים במבחנה ו- PIV מסייעים לחקור את התכונות המודינמיות בסינוס אבי העורקים.
Introduction
היצרות אבי העורקים היא מחלה נפוצה אצל מבוגרים, וזה כאשר שסתום אבי העורקים אינו נפתח, הפחתת זרימת הדם. הבעיה נגרמת על ידי עיבוי או הסתיידות של שסתום אבי העורקים1. לכן, זהו טיפול הכרחי כדי לשפר את זרימת הדם ולהפחית את העומס על הלב. הוא מטופל על ידי שיפוץ שסתום אבי העורקים או החלפתו בשסתום מלאכותי. מחקר זה מתמקד בהשתלת שסתום אבי העורקים transcatheter (TAVI), החלפת שסתום אבי העורקים תקלה עם אחד מלאכותי באמצעות קטטר.
TAVI הומלץ לחולים מאותגרים בניתוח, והתמותה הייתה גם נמוכה2. לאחרונה, דווח כי פקקת בחולים לאחר TAVI גרם תפקוד לקוי שסתום ושבץ 3,4. פקקת בסינוס אבי העורקים וניאו-סינוס חשוד, עם הסיבה שלה כנראה להיות השינויים בהודינמיקה הנגרמת על ידי TAVI. זה מבוצע מבלי להסיר את העלונים המקומיים; עלונים אלה יכולים להפריע לזרימת הסינוסים ולהעלות את הסיכון לפקקת5.
קשה לקבוע כיצד זרימת הדם מושפעת על ידי TAVI וכיצד פקקת מושרה בחולים. רצוי להבהיר את הקשר בין זרימת הדם לבין היווצרות פקקת ב vivo. עם זאת, היעדר טכניקות מעשיות למדידת זרימת הדם הופך את זה לבעייתי. מצד שני, בטכניקות הפריה חוץ גופית יש את היתרון של מתן אפשרות לאחד לפקח על השינויים בזרימת הדם על ידי הגבלת הפרמטרים שיש לחקור. התקנה במבחנה ו velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שימשו לזיהוי מהירות בשדות רפואיים 6,7,8. לכן, אין ויטרו ו- PIV מספיקים לקביעת הפרמטרים שיש לדווח עליהם על ידי חיקוי מצבו של המטופל: קצב הלב והלחץ, הצמיגות והגיאומטריה של הסינוסים, ומאפשרים לאדם לשלוט בפרמטרים אלה.
במחקר זה, הגדרת מבחנה ו- PIV משמשים כדי לחקור את הזרימה בסינוס אבי העורקים לאחר TAVI. פנטום אבי העורקים ו- TAVI עבור PIV ותהליך רכישת הנתונים וניתוח זרימת לאחר העיבוד מתוארים בפרוטוקול זה. נגזרים פרמטרים המודינמיים שונים, כולל המהירות, הקיפאון, המערבולת, המערבולת, המערבולת ומגורים של חלקיקים. התוצאות ממחישות כי הגדרת הפריה חוץ גופית ו- PIV מסייעים לחקור את התכונות המודינמיות בסינוס אבי העורקים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הגדרת במבחנה
- הכינו את ההתקנה הניסיונית בטבלה אופטית, כולל משאבת בוכנה, התקן לרכישת נתונים (DAQ) ומחשב עם התוכנה הנדרשת להנדסת מערכות ותוכנה לשליטה במנועים (ראו טבלת חומרים) (איור 1).
הערה: משאבת הבוכנה נבדקה וכוילתה בעבר ומורכבת ממנוע, נהג מנוע ומפעיל ליניארי9. - יבא את קובץ הגיליון האלקטרוני עם מידע קצב הזרימה לתוכנת הנדסת המערכת.
הערה: לדוגמה, הדופק הוא 60 bpm, קצב הזרימה המרבי הוא 20 ליטר / דקה, תפוקת הלב היא 4.8 ליטר / דקה, ונפח השבץ הוא 70 מ"ל. - הגדר את הפרמטר בתוכנת הנדסת מערכות, כגון ערוץ קלט ופלט DAQ; שעון לדוגמה הוא 1,000 ואיטרציה משוב הוא 10.
- הגדר את הפרמטר בתוכנת השליטה במנוע; אורך בורג העופרת הוא 10 מ"מ, כניסה אנלוגית ופלט הם 14.5 מ"מ / מתח.
- התקן את שסתום הבדיקה ושסתום ההתנגדות למאגר10.
הערה: שסתום הבדיקה מחובר למשאבת הבוכנה ככניסה של המערכת, ושסתום הכדור מחובר למודל הסינוס האקרילי כשקע של המערכת. - תקן את דגם הסינוס האקריליק (איור 2) עם מוט אלומיניום מרובע לשולחן האופטי.
הערה: הממדים של מודל הסינוס האקרילי מוצגים בטבלה 1. - התקן את מד הלחץ (~ 0-15 פסאיי) לברז הלחץ של מודל הסינוס האקרילי לקבלת אות לחץ ממחשב אחר.
הערה: ברזי הלחץ ממוקמים 140 מ"מ מצומת sinotubular (STJ). - הכן נוזל עבודה על ידי ערבוב מלוחים וגליצרין (ראה טבלת חומרים) ביחס מסה של 60:40.
הערה: צמיגות ותפסור שימשו למדידת צמיגות ומדד השבירה של נוזל העבודה. הצמיגות היא ~ 4 cp, מדד השבירה הוא 1.45, והצפיפות היא 1,100 ק"ג / מ '3. - חברו את המאגר, משאבת הבוכנה ודגם הסינוס האקרילי עם צינור סיליקון (ראו טבלת חומרים).
- לקשור את שסתום אבי העורקים transcatheter (TAV) (ראה טבלת חומרים) לעלון המקורי שנעשה על ידי מדפסת 3D עם חוט11.
- שלבו את ה-TAV הקבוע בעלון המקורי עם דגם הסינוס האקרילי.
הערה: TAV המשמש כאן (המתקבל מסחרית) יש קוטר של 23 מ"מ ו 26 מ"מ, והגובה הוא 18 מ"מ ו 20 מ"מ, בהתאמה12. עבור TAV (23 מ"מ), עומק הפריסה ואורך העלון המקורי היו 1.8 מ"מ ו -9 מ"מ, ועבור TAV (26 מ"מ), זה 2.0 מ"מ ו 10 מ"מ, בהתאמה. הקוטר הפנימי של העלון המקומי היה 21 מ"מ, בהתחשב בגודל האנולוס של המטופל.
אזהרה: ה- TAV מתייבש אם לא נשמר בתמיסת מלח. הוא נשמר בנוזל גם לאחר שהיה קשור לעלון המקומי. - מלא את נוזל העבודה (שלב 1.8) במערכת הפריה חוץ גופית .
זהירות. הימנע ביצוע בועות על מודל סינוס אקרילי כי זה משפיע על תוצאות PIV.
2. הגדרת PIV
- אתר את הלייזר על שולחן אופטי אחר ומעקה חד-צירי.
הערה: הלייזר הוא לייזר Nd: YAG רציף הפולט אור עם אורך גל של 532 ננומטר ועוצמתו יכולה לגדול ל- 10 W (ראה טבלת חומרים). יריעת הלייזר העוברת דרך אופטיקה יש מרחק של 1 מ 'ממודל הסינוס האקריליק. - אתר את המצלמה המהירה במעבר דו-צירי והזז את המעבר.
אזהרה: המצלמה המהירה מאונכת לגיליון הלייזר ולדגם הסינוס האקריליק. - צייד את העדשה למצלמה המהירה.
הערה: לעדשת המאקרו המותקנת במצלמה המהירה יש אורך מוקד של 105 מ"מ, והצמצם הוא f/2.8. - חלקיק זרעים (ראה טבלת חומרים) במאגר.
הערה: החלקיק הוא כדור זכוכית חלול עם קוטר ממוצע של 10 מיקרומטר וצפיפות של 1,090 ק"ג / מ '3. למאגר צורה מלבנית והרוחב, האורך והגובה בתוכו הם 23 ס"מ, 23 ס"מ, 35 ס"מ, בהתאמה. יש חור להידוק בחלק העליון. למכסה היה גם חור להידוק וברז ברגים להתקנת משאבת הנורה כדי להפעיל לחץ. - לתכנת טריגר חיצוני באמצעות פלטפורמת אב טיפוס אלקטרונית בקוד פתוח, Arduino (ראה טבלת חומרים).
הערה: כאשר משאבת הבוכנה נעה מרחק קבוע מראש, הפלט של Arduino הופך 1, אשר מועבר למצלמה במהירות גבוהה כגורם לצילום. - הפעל את התוכנה לשליטה במצלמה (ראה טבלת חומרים), לחץ על הפניה להפעלה נוכחית (CSR) והסר את מכסה העדשה.
- הפעל את הלייזר, הגדר אותו ל- 7 W, ואתר את יריעת הלייזר למרכז ה- TAV.
- קח תמונה ובדוק את צפיפות החלקיקים ואת הקוטר.
הערה: כדי להפחית שגיאות, לאשר כי ~ 8-10 חלקיקים נמצאים בחלון החקירה, עם קוטר חלקיקים של 2-4 פיקסלים13. - הגדר את הפרמטרים, כגון רזולוציה (1280 x 720), קצב פריימים אקראי, זמן חשיפה למקסימום בהתאם לקצב הפריימים האקראי בתוכנה לשליטה במצלמה.
- לחץ על כפתור אפשר בתוכנה לשליטה במנוע בהתחלה ולחץ על כפתור התחל בתוכנת הנדסת המערכות כדי להפעיל את משאבת הבוכנה.
- צלם תמונה ובדוק אם מרחק החלקיקים המרבי הוא פחות מ- 4-6 פיקסלים.
הערה: מחקר זה מתאים ל-50% מחלון החקירה, המגדיר 16 פיקסלים בין וקטורים של מהירות. המרחק המרבי של חלקיקים בחלון החקירה מוגבל ל-8 פיקסלים. - חזור על שלב 2.11 כדי להבטיח את מרחק החלקיקים המרבי בטווח זה על-ידי התאמת המסגרות לשניה (fps) אם הוא גדול מ- 6 פיקסלים והורדת ה- fps אם הוא קטן מ- 4 פיקסלים.
3. חקירת המודינמיקה
- בדוק אם יש דליפה מחלק החיבור של מודל הסינוס האקריליק או צינור הסיליקון הופך מקופל.
- יבא את קובץ Excel עם קצב זרימה מאוחסן ומידע bpm בתוכנת הנדסת המערכת.
הערה: לדוגמה, קצב הלב הוא 60 פעימות לדקה, קצב הזרימה המרבי הוא 20 ליטר /דקה, תפוקת הלב היא 4.8 ליטר/דקה, נפח השבץ הוא 70 מ"ל (איור 3A). - אשר את פרמטר התוכנה של הנדסת המערכת, כגון ערוץ קלט ופלט של התקן DAQ. שעון המדגם הוא 1,000, ואיטרציית המשוב היא 10.
- אשר את הפרמטר של תוכנת השליטה במנוע, למשל, אורך בורג העופרת הוא 10 מ"מ, קלט ופלט אנלוגיים הם 14.5 מ"מ / מתח.
- הפעל את המצלמה המהירה והפעל את התוכנה השולטת במצלמה.
- לחץ על CSR ולהסיר מכסה עדשה.
- הגדר את הפרמטרים של התוכנה השולטת במצלמה, למשל, את הרזולוציה של 1280 x 720, קצב פריימים של 300 fps, תקופת פרץ של 200 μs ו 150 μs, ספירת פרץ של 3, וחשיפה (נכפה על ידי תקופת ההתפרצות).
- הפעל את הלייזר, הגדר אותו ל- 7 W, ואתר את יריעת הלייזר במרכז TAV. התמקד בגיליון הלייזר על ידי שליטה בעדשה.
- התאם את הלחץ למאגר.
הערה: הלחץ הממוצע לאחר valvular הוא 100 מ"מ כספית בעת הפעלת משאבת הבוכנה (איור 3B, C). - לחץ על כפתור הפוך לזמין בתוכנה לשליטה במנועים בהתחלה ולחץ על לחצן התחל בתוכנת הנדסת המערכת כדי להפעיל את משאבת הבוכנה.
- המתן עד שקצב הזרימה יתייצב.
הערה: קצב הזרימה מחשב את ההפרש בהתבסס על האות ממשאבת הבוכנה ומבצע משוב שלילי, כך שלוקח זמן להמתין עד שהוא מתייצב. - בדוק הדק שעובד במזימה הסדרתית Arduino.
- לכוד תמונות חלקיקים עבור 14 מחזורים רצופים ולחזור על סך של שבע פעמים.
הערה: קיבולת האחסון של מצלמה במהירות גבוהה קשורה לרזולוציה ולמספר תמונות החלקיקים. על פי הפרמטר שנקבע בשלב 3.7, ניתן לצלם תמונה רק עבור 14 מחזורים בכל פעם.
4. עיבוד נתונים
- המר מקובץ .cine לקבצי .tiff באמצעות התוכנה השולטת במצלמה.
- חשב את התמונה הממוצעת עבור כל תמונות החלקיקים לאורך זמן. הסר את האזור המתאים להשתקפות הלייזר בקיר או TAV על ידי חיסור התמונה הממוצעת14.
- הפוך את המסיכה על-ידי הפרדת האזורים שיש לנתח מאלה שיש להשליך.
הערה: במחקר זה, שתי מסכות שימשו: אחד כדי לנתח את אזור הסינוס לבד והשני כדי לנתח את האזור כולו, אשר מכיל את האזור לאחר STJ. - ביצוע PIV באמצעות PIVlab, כלי קוד פתוח המבוסס על MATLAB15 (ראה טבלת חומרים).
- יבא תמונות חלקיקים שנשמרו בשיטה או בשיטת pairwise שנפתרה בזמן.
- בצע השוואת היסטוגרמה אדפטיבית מוגבלת (CLAHE)16.
הערה: CLAHE היא שיטה לעיבוד מראש של תמונה. הניגודיות של תמונת החלקיקים מופצת מחדש כך שהלייזר משקף את העלייה והירידה בעוצמת החלקיקים. תמונת החלקיקים מחולקת על ידי חלון עם 20 פיקסלים. - יבא את המסיכה והחיל אותה על כל תמונות החלקיקים.
- הגדר את חלון החקירה מרובה המעברים.
הערה: חלון החקירה יורד מ- 64 x 64 ל- 32 x 32 עם חפיפה של 50%. המרחק בין שני הווקטורים מתאים ל-16 פיקסלים. - בצע את המתאם הנגדי13 אודות זוג תמונת החלקיקים שהוסב לתחום התדרים באמצעות התמרת פורייה מהירה (FFT)13.
- מצא ערך שיא באמצעות התאמה גאוסית בגודל 2 x 3 בתוצאה של מתאם.
הערה: ערך השיא שנבחר במתאימה הגאוסית קבע את מרחק החלקיקים.
- הפעל את תהליך ההחלקה, הכולל את התהליכים הבאים.
- הסר את החריגים לתוך "NaN" באמצעות הפונקציה המובנית "isoutlier" ב- MATLAB.
- אינטרפולציה של נאן לערך באמצעות הפונקציה "inpaint_nans" ב- MATLAB15.
- המר מ"פיקסל/מסגרת" ל-"m/s" בהתאם לקצב הפריימים ולתקופת ההתפרצות.
הערה: ההמרה קשורה למרווח הזמן, שנקבע לפי קצב הפריימים ותקופת ההתפרצות. באופן ספציפי, מקדם השיטה שנפתרה בזמן נגזר על-ידי קצב הפריימים, וזה של שיטת pairwise נגזר על-ידי תקופת הפרץ. - מזג את פעולת השירות pairwise ואת פעולת השירות שפתרה את הזמן באמצעות גורם השקול.
הערה: מקדם השקלול תלוי בגודל המהירות ויש לו ערך כולל של 1 בכל מקטע. אם גודל המהירות חורג מסף מסוים, הגורם עבור שיטת pairwise גבוה מזה של פעולת השירות שנפתרה בזמן. - הפעל את הפונקציה "החלקה" של DCT-PLS באמצעות גורם החלקה של 0.5915,17.
הערה: הפונקציות "החלקה" ו"inpaint_nans" נמצאות ב- PIVlab.
5. ניתוח נתונים
- טען נתוני PIV ל- MATLAB.
- חלץ רכיבי "u" ו- "v" מנתוני PIV.
- חשב את שדה המהירות18 (משוואה 1, קובץ משלים 1).
- להפיק פרמטרי המודינמיקה באמצעות הקוד הפנימי ופונקציה מובנית19.
- להפיק את המערבולת עם הפונקציה המובנית MATLAB "תלתל"18 (משוואה 2, קובץ משלים 1).
- לגזור את הקיפאון עם קוד בתוך הבית20 (משוואה 3, קובץ משלים 1).
- לגזור את Γ1 עם קודפנימי 21 (משוואה 4, קובץ משלים 1).
- להפיק את מגורי החלקיקים עם קודפנימי 19 (משוואה 5, קובץ משלים 1).
- חשב את הממוצע ואת סטיית התקן של פרמטרי המודינמיקה (טבלה 2).
הערה: מהירות שיא, מערבולות, Γ1 וקיפאון חושבו במשך 98 מחזורים בסך הכל. הריקבון הושג באמצעות התאמה מעריכית לאחוז מגורי החלקיקים. הריקבון הגדיר 14 מחזורים כערכת נתונים אחת וחישב את הממוצע ואת סטיית התקן במשך שבע פעמים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
שדות המהירות הראו מבנה זרימת סינוס שונה בהתאם לקוטר השסתום באיור 4. עבור TAV (23 מ"מ), המהירות הייתה גבוהה מ-0.05 מ'/ש' בין TAV ל-STJ מהסיסטולית המוקדמת ועד שיא הסיסטולית שנפתחה על ידי TAV באמצעות מטוס השילוח. מהירות גבוהה הופצה אז בטווח צר ליד הסטנט בסוף הסיסטוליה. המהירות בדיאסטולה הייתה נמוכה מ-0.025 מ'/ש', והופיעו שתי מערבולות במהירות נמוכה. עבור TAV (26 מ"מ), כאשר השסתום נפתח, מהירות גבוהה נמדדה ב STJ. עם הזמן, למעט סיסטולית מוקדמת, התפלגות המהירות בסינוסים הייתה נמוכה מ-0.05 מ'/ש'. באופן ספציפי, המהירות בסוף הסיסטולית הייתה נמוכה יותר מאשר בזמן אחר. המערבולת החד-כיוונית, שהייתה בעלת צורה אליפטית, נצפתה מעל העלון המקומי בדיאסטולה.
הפרמטרים המודינמיקה הנגזרים מהמהירות מוצגים באיור 5 ובטבלה 2. מהירות השיא ב-TAV (23 מ"מ) הייתה גבוהה מ-TAV (26 מ"מ). קיפאון נצפה בסינוס למעט סילון ההעברה ולהפוך לתוך הסינוס. אזור הקיפאון שנוצר ב- TAV (23 מ"מ) היה רחב, אך שבר הקיפאון היה נמוך. המערבולת והמערבולת בדיאסטול הציגו משהו שלא אושר בשדה המהירות. עבור TAV (23 מ"מ), שתי מערבולות דומות נצפו מעל ומתחת לעלון המקומי. אבל עבור TAV (26 מ"מ), המערבולת בכיוון השעון לא הייתה ברורה; למערבולת נגד כיוון השעון הייתה צורה אליפטית. המערבולת הראתה כי היו תוצאות דומות למערבולת. החיובי היה ליד הסטנט ועלון הילידים, והשלילי נצפה באזור אחר.
האחוזים והתמונה של מגורי החלקיקים מוצגים באיור 6. התמונות של מגורי החלקיקים הראו התפלגות חלקיקים באזור הסינוס עבור 2 s, ואחוז מגורי החלקיקים הראה כי שבר של חלקיקים שנותרו באזור הסינוס עבור 14 s. באיור 6B, ה-TAV (26 מ"מ) ירד מהר יותר מ-TAV (23 מ"מ), אך בשני המקרים הוצגו כי כל החלקיקים עזבו את אזור הסינוס בטווח של 6 שניות. החלקיקים יצאו מהאזור באיור 6A, אך הם לא היו זהים במקרים. עבור TAV (23 מ"מ), חלקיקים חולקו בכל אזור הסינוסים ויצאו מהמישור ככל שהמחזור התקדם. זה לא קרה עבור TAV (26 מ"מ) והראה היבטים שונים. החלקיקים התרכזו ליד האנולוס, שעזב את אזור הסינוס מתחתית העלון המקומי.
איור 1: התקנה ניסיונית במבחנה . הוא מורכב ממצלמה מהירה, דגם סינוס אקרילי, מערכת משאבת בוכנה, מאגר, ארדואינו ומחשב. זוהי מערכת סגורה וזורמת רק בכיוון אחד בשל שסתום הבדיקה המותקן במאגר ו- TAV המותקן במודל הסינוס האקרילי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: דגם הסינוס האקרילי עם עלון מקורי ו- TAV (23 מ"מ). (A) הציור ושמות הממדים מפורטים בטבלה 1. עבור שני שסתומים מלאכותיים, מודל הסינוס האקריליק זהה. (B) דוגמנות על עלון מקומי וסטנט של TAV (23 מ"מ). העלון המקורי הוא גלילי בצורתו ואינו שקוף. בדוגמנות, העלון של TAV הושמט והוצג רק סטנט. TAV; שסתום אבי העורקים Transcatheter, STJ; צומת סינוטובולר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: קצב זרימה ולחץ עבור 1 s. (A) קצב זרימה נגזר על ידי נפח קו עבור 1 s; קצב הזרימה המרבי הוא 20 ליטר /דקה. הנקודה האדומה בקצב הזרימה היא זמן המופע משמאל בסיסטולית המוקדמת, שיא הסיסטולית, סיסטולית מאוחרת ודיאסטולה, בהתאמה. (B) הלחץ של TAV (23 מ"מ). (ג) הלחץ של TAV (26 מ"מ). הקו הכחול הוא לחץ פוסט-valvular, והאדום הוא לחץ טרום valvular. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: שדה מהירות באזור הסינוסים. מתאר המהירות נע בין 0-0.05 מ'/ש'. השורה השמאלית היא שדה המהירות של TAV (23 מ"מ), והשורה הימנית היא של TAV (26 מ"מ). העמודה היא שעת מופע המוגדרת בקצב זרימה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תוצאת המודינמיקה של הסינוסים. קווי המתאר של מהירות השיא מוצגים בשיא הסיסטולה. הקפאת זרימה מוקרן עבור המחזור, וזה האזור הפנימי המוצג על ידי קו לבן. המערבולת והמערבולת מיוצגות כקטף מהירות וקווי מתאר בדיאסטולה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: תמונות ואחוז מגורי החלקיקים. (A) מגורים של חלקיקים עבור 2 s מוצגים עם תיקון לבן המצוין באזור הסינוסים ועיגול אדום המצוין בחלקיקים וירטואליים. (B) אחוז מגורים חלקיקים עבור 14 s הוא כי הקו האדום הוא TAV (23 מ"מ), ואת הקו הכחול הוא TAV (26 מ"מ). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| מהירות שיא (מ"ק/ש') | מערבולות (s-1) | מערבולת | קיפאון | דעיכה | |
| TAV (23 מ"מ) | 1.74 ± 0.03 | 10.13 ± 1.76 | 0.58 ± 0.08 | 0.44 ± 0.13 | -0.95 ± 0.21 |
| TAV (26 מ"מ) | 1.43 ± 0.03 | 7.42 ± 1.16 | 0.33 ± 0.10 | 0.50 ± 0.09 | -1.35 ± 0.28 |
טבלה 1: מידות של מודל סינוס אקרילי. כל היחידות במ"מ.
| יחידה (מ"מ) | |||||
| קוטר TAV | גובה TAV | עומק פריסה | אורך עלון מקורי | קוטר עלון מקורי | |
| TAV (23 מ"מ) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| TAV (26 מ"מ) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| יחידה (מ"מ) | |||||
| קוטר STJ | גובה STJ | קוטר אנולוס | קוטר סינוס | גובה הסינוס | |
| TAV (23 מ"מ) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| TAV (26 מ"מ) |
טבלה 2: ממוצע וסטיית תקן לגבי פרמטר המודינמיקה של סינוס.
קובץ משלים 1: משוואות לניתוח נתונים. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
זרימת הסינוס השתנתה עקב גיאומטריית סינוס שונה לאחר TAVI. המערבולת נוצרה על ידי פתיחת שסתום אבי העורקים ואת האינטראקציה עם סילון קדמי של systole22. במחקר של שסתום כירורגי מלאכותי ללא עלונים מקומיים, מערבולת שנצפתה באזור הסינוס ב systole היה נורמלי23. מחקר זה יוצר את המערבולת המוצגת בדיאסטולה על ידי הפחתת הסילון הקדמי והכניסה לסינוס. זרימת הסינוסים נתקלה בעלון המקומי; כתוצאה מכך, הוא מתפצל בכיוון השעון מתחת לעלון המקורי ונגד כיוון השעון לעיל. זה מרמז כי חולים לאחר TAVI שונים בהשוואה בריאים ללא פקקת. אז, זרימת הסינוסים השתנתה לאחר TAVI, אולי משפיע על היווצרות פקקת בסינוס.
פקקת מתרחשת כי תאי דם אדומים נהרסים על ידי מתח גזירה, זרימת הקיפאון, וחומרים חיצוניים כגון סטנט של TAV24. במחקר זה, פקקת שנוצרה על ידי זרימת קיפאון נחשבה, אשר אושרה על ידי פרמטרים המודינמיקה כגון קיפאון זרימה ומגורים חלקיקים. העלון המקומי אוסר פיזית על זרימת הסינוסים ומגביל את אזור הסינוסים. זרימת הסינוסים ליד האנולוס הופכת מוגבלת יותר, מה שמגביר את הקיפאון. ועבור מגורי החלקיקים, חלקיקים מעל העלון המקורי יוצאים במהירות מהאזור, ואילו אלה שמתחת לא. לתא הדם האדום יש מרחק קטן, המצטבר בסינוס. כמו כן נחקר כי קיפאון זרימה נצפה בתחתית הסינוס כאשר יש עלון מקומי4. הבעיה לאחר TAVI היא כי עלון מקומי נשאר, ומחקר נדרש כדי לתקן כדי לעכב פקקת.
ניסויי הפריה חוץ גופית ו- PIV מתבוננים בהצלחה בשדה המהירות בסינוס. עם זאת, ישנם עדיין הבדלים בין חולים בפועל, וזה דורש שיפור. ראשית, מודל הסינוס האקריליק הוא פשוט יותר כדי לאפשר ייצור בבת אחת. כלי הדם הימני והשמאלי ממוקמים על שניים משלושת החודים; הדם הולך לעורק הכלילי ~ 5% מכלל במהלך דיאסטולה10,25. אחת המגבלות של מודל הפריה חוץ גופית הנוכחי היא כי המודל הנוכחי אינו מחקה תכונות פיזיולוגיות כגון rheology, מבנה כלי דם, גיאומטריה כלי 3D, וכו '. כמו כן, המודל הנוכחי אינו כולל זרימה כלילית. המחקרים הקודמים הראו כי זרימה כלילית משפיעה על זרימת הסינוסים. שנית, ניתוח ה- 2D PIV הנוכחי אינו כולל את התנועה מחוץ למטוס של הזרימה. מחקר נוסף עם מדידת נפח (למשל, 3D PIV / חלקיקים מעקב velocimetry (PTV)) יכול לחשוף את שדה הזרימה המורכב בזרימה אבי העורקים. שלישית, מגבלות הדיוק של PIV בשל וריאציות בודדות של עוצמות תמונת חלקיקים קיימות. התנועה מחוץ למטוס, גם ללא רעש, מגבילה את הדיוק בר השגה26,27. במחקר זה, הדיוק של מדידת PIV עם אינטרפולציה subpixel הוא ~ 0.1 פיקסל, אשר מתאים 0.03 m/s ב TAV (23 מ"מ) ו 0.041 מ'/ש' ב TAV (26 מ"מ).
מחקרים עתידיים מתכננים להשתמש בניסויים במבחנה ובשיטות הדמיה של נוזלים תלת-ממדיים כדי להבין את המודינמיקה של סינוסים. דגם הסינוס האקריליק מתוכנן להיות בעל תלת צלעות עם עורק כלילי. זה יהיה לפצל על ידי הימנעות הפרעה באזור הסינוסים. במחקר זה, האזור הנמדד לאחר STJ נותח גם כדי לאשר אם שדה המהירות דומה. אמנם לא הסביר, הוא ההשערה כי זרימת הסינוסים משפיעה על תנועת העלון של TAV. זה לא בולט כתוצאה מכך. האזור הנמדד יתמקד רק בסינוס כדי למזער בעיות כגון תמונות חלקיקים מטושטשות על ידי לייזר שבור. כמו כן, 3D PTV הוא להיות מוכן להתבונן בתנועה של החלקיק26,27. זה יהיה מועיל להבין את העיקרון של פקקת בסינוס לאחר TAVI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר המדעי הבסיסית של קרן המחקר הלאומית של קוריאה, הממומנת על ידי משרד החינוך (NRF-2021R1I1A3040346 ו- NRF-2020R1A4A1019475). מחקר זה נתמך גם על ידי מענק מחקר 2018 (PoINT) מהאוניברסיטה הלאומית של קנגוון.
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).
