Partikkelbilde velocimetry undersøkelse av hemodynamikk via aortisk fantom
Summary
Den nåværende protokollen beskriver partikkelbilde velocimetry (PIV) målinger utført for å undersøke sinusstrømmen gjennom in vitro-oppsettet av transkateteraortaventilen (TAV). De hemodynamiske parametrene basert på hastighet bestemmes også.
Abstract
Aortaventil dysfunksjon og hjerneslag har nylig blitt rapportert hos transkateter aortaventil implantasjon (TAVI) pasienter. Trombe i aorta sinus og neo-sinus på grunn av hemodynamiske endringer har blitt mistenkt. In vitro-eksperimenter bidrar til å undersøke de hemodynamiske egenskapene i de tilfellene hvor en in vivo-vurdering viser seg å være begrenset. In vitro-eksperimenter er også mer robuste, og de variable parametrene styres lett. Partikkelbilde velocimetry (PIV) er en populær velocimetry metode for in vitro studier. Det gir et høyoppløselig hastighetsfelt slik at selv småskala strømningsfunksjoner observeres. Hensikten med denne studien er å vise hvordan PIV brukes til å undersøke strømningsfeltet i den aortaiske bihulen etter TAVI. In vitro-oppsettet av det aortafantomet, TAVI for PIV, og datainnsamlingsprosessen og etterbehandlingsflytanalysen er beskrevet. De hemodynamiske parametrene er avledet, inkludert hastighet, strømningstasis, virvel, vorticity og partikkelbolig. Resultatene bekrefter at in vitro eksperimenter og PIV bidrar til å undersøke de hemodynamiske egenskapene i den aorta sinus.
Introduction
Aortastenose er en vanlig sykdom hos eldre voksne, og det er når aortaventilen ikke åpnes, noe som reduserer blodstrømmen. Problemet er forårsaket av fortykning eller forkalkning av aortaventilen1. Derfor er det en nødvendig behandling for å forbedre blodstrømmen og redusere belastningen på hjertet. Det behandles ved å ombygge aortaventilen eller erstatte den med en kunstig ventil. Denne studien fokuserer på transkateter aortaventilimplantasjon (TAVI), og erstatter den defekte aortaventilen med en kunstig ved hjelp av et kateter.
TAVI er anbefalt for pasienter som blir utfordret i kirurgi, og dødeligheten har også vært lav2. Nylig har det blitt rapportert at trombe hos pasienter etter TAVI forårsaket ventildysfunksjon og slag 3,4. Trombe i aorta sinus og neo-sinus mistenkes, med årsaken sannsynligvis være endringene i hemodynamikk forårsaket av TAVI. Det utføres uten å fjerne de innfødte brosjyrene; disse brosjyrene kan forstyrre sinusstrømmen og øke risikoen for trombose5.
Det er vanskelig å avgjøre hvordan blodstrømmen påvirkes av TAVI og hvordan trombose induserer hos pasienter. Det er ønskelig å belyse forholdet mellom blodstrøm og trombedannelse in vivo. Mangel på praktiske teknikker for måling av blodstrøm gjør imidlertid dette problematisk. På den annen side har in vitro-teknikker fordelen av å la en overvåke endringene i blodstrømmen ved å begrense parametrene som må undersøkes. In vitro-oppsett og partikkelbildehastighet (PIV) har blitt brukt til å identifisere hastighet i medisinske felt 6,7,8. Derfor er in vitro og PIV tilstrekkelig for å bestemme parametrene som skal rapporteres ved å etterligne pasientens tilstand: hjertefrekvens og trykk, viskositet og bihulegeometri, og la en kontrollere disse parametrene.
I denne studien brukes in vitro-oppsett og PIV til å undersøke strømmen i aorta sinus etter TAVI. Aortafantomet og TAVI for PIV og datainnsamlingsprosessen og etterbehandlingsflytanalysen er beskrevet i denne protokollen. Ulike hemodynamiske parametere er avledet, inkludert hastighet, stasis, virvel, vorticity og partikkelbolig. Resultatene viser at in vitro oppsett og PIV bidra til å undersøke hemodynamiske trekk i aorta sinus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sinusstrømmen endret seg på grunn av forskjellig sinusgeometri etter TAVI. Virvelen ble dannet av aortaventilåpningen og samspillet med den fremre strålen av systole22. I studiet av den kunstige kirurgiske ventilen uten innfødte brosjyrer var virvel observert i sinusregionen ved systole normalt23. Denne studien danner virvelen som presenteres ved diastole ved å redusere fremoverstrålen og komme inn i bihulen. Sinusstrømmen møtte det opprinnelige pakningsvedlegget; …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av Basic Science Research Program fra National Research Foundation of Korea, som er finansiert av Kunnskapsdepartementet (NRF-2021R1I1A3040346 og NRF-2020R1A4A1019475). Denne studien ble også støttet av 2018 Research Grant (PoINT) fra Kangwon National University.
Materials
| 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/1.4 | |
| 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: 1-2×109 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. , (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. , (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. , (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).
