Summary
Det nuvarande protokollet beskriver partikelbildsverocimetrimätningar (PIV) som utförs för att undersöka sinusflödet genom in vitro-inställningen av transkateteraortaklaffen (TAV). De hemodynamiska parametrarna baserade på hastighet bestäms också.
Abstract
Aortaklaffens dysfunktion och stroke har nyligen rapporterats hos patienter med transkateteraortaklaffimplantation (TAVI). Trombos i aorta sinus och neo-sinus på grund av hemodynamiska förändringar har misstänkts. In vitro-experiment hjälper till att undersöka de hemodynamiska egenskaperna i de fall där en in vivo-bedömning visar sig vara begränsad. In vitro-experiment är också mer robusta, och de variabla parametrarna styrs lätt. Partikelbildsvelocimetri (PIV) är en populär velocimetrimetod för in vitro-studier . Det ger ett högupplöst hastighetsfält så att även småskaliga flödesfunktioner observeras. Syftet med denna studie är att visa hur PIV används för att undersöka flödesfältet i aorta sinus efter TAVI. In vitro-inställningen av aortafantomen, TAVI för PIV, och datainsamlingsprocessen och efterbehandlingsflödesanalysen beskrivs. De hemodynamiska parametrarna härleds, inklusive hastighet, flödestasis, virvel, virvel och partikelresidens. Resultaten bekräftar att in vitro-experiment och PIV hjälper till att undersöka de hemodynamiska egenskaperna i aorta sinus.
Introduction
Aortastenos är en vanlig sjukdom hos äldre vuxna, och det är när aortaklaffen inte öppnas, vilket minskar blodflödet. Problemet orsakas av förtjockning eller förkalkning av aortaklaffen1. Därför är det en nödvändig behandling för att förbättra blodflödet och minska belastningen på hjärtat. Det behandlas genom att ombygga aortaklaffen eller ersätta den med en konstgjord ventil. Denna studie fokuserar på transkateter aortaklaffimplantation (TAVI), som ersätter den felaktiga aortaklaffen med en konstgjord med hjälp av en kateter.
TAVI har rekommenderats för patienter som utmanas i kirurgi, och dödligheten har också varit låg2. Nyligen har det rapporterats att trombos hos patienter efter TAVI orsakade klaffdysfunktion och stroke 3,4. Trombos i aorta sinus och neo-sinus misstänks, med orsaken förmodligen de förändringar i hemodynamiken som orsakas av TAVI. Det utförs utan att ta bort de inhemska broschyrerna; dessa broschyrer kan störa sinusflödet och öka risken för trombos5.
Det är svårt att avgöra hur blodflödet påverkas av TAVI och hur trombos induceras hos patienter. Det är önskvärt att belysa förhållandet mellan blodflöde och trombbildning in vivo. En brist på praktiska tekniker för att mäta blodflödet gör detta dock problematiskt. Å andra sidan har in vitro-tekniker fördelen att man kan övervaka förändringarna i blodflödet genom att begränsa de parametrar som måste undersökas. In vitro-inställning och partikelbildsveocimetri (PIV) har använts för att identifiera hastighet inom medicinska områden 6,7,8. Därför är in vitro och PIV tillräckliga för att bestämma parametrarna som ska rapporteras genom att efterlikna patientens tillstånd: hjärtfrekvens och tryck, viskositet och sinusgeometri och låta en styra dessa parametrar.
I denna studie används in vitro setup och PIV för att undersöka flödet i aorta sinus efter TAVI. Aortafantomen och TAVI för PIV och datainsamlingsprocessen och efterbehandlingsflödesanalysen beskrivs i detta protokoll. Olika hemodynamiska parametrar härleds, inklusive hastighet, stasis, virvel, virvel och partikelresidens. Resultaten visar att in vitro-inställning och PIV hjälper till att undersöka de hemodynamiska egenskaperna i aorta sinus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. In vitro-inställning
- Förbered den experimentella installationen på ett optiskt bord, inklusive en kolvpump, datainsamlingsanordning (DAQ) och en dator med nödvändig systemteknisk programvara och en motorstyrningsprogramvara (se Materialtabell) (Figur 1).
OBS: Kolvpumpen har tidigare testats och kalibrerats och består av en motor, motordrivdon och linjärt ställdon9. - Importera kalkylarksfilen med flödeshastighetsinformationen till systemteknikprogramvaran.
OBS: Till exempel är hjärtfrekvensen 60 slag per minut, den maximala flödeshastigheten är 20 L / min, hjärtminutvolymen är 4,8 L / min och slagvolymen är 70 ml. - Ställ in parametern i systemteknisk programvara, till exempel DAQ-ingångs- och utgångskanal; exempelklockan är 1 000 och feedbackiterationen är 10.
- Ställ in parametern i motorstyrningsprogramvaran; blyskruvlängden är 10 mm, analog ingång och utgång är 14,5 mm / spänning.
- Montera backventilen och motståndsventilen i behållaren10.
OBS: Backventilen är ansluten till kolvpumpen som ett inlopp i systemet, och kulventilen är ansluten till akryl sinusmodellen som ett utlopp av systemet. - Fäst akryl sinusmodellen (Figur 2) med en fyrkantig aluminiumstång på det optiska bordet.
OBS: Måtten på akryl sinusmodellen presenteras i tabell 1. - Installera tryckmätaren (~ 0-15 psi) på tryckkranen på akryl sinusmodellen för att ta emot en trycksignal från en annan dator.
OBS: Tryckkranarna är placerade 140 mm från den sinotubulära korsningen (STJ). - Förbered en arbetsvätska genom att blanda saltlösning och glycerin (se materialtabell) i ett massförhållande på 60:40.
OBS: En viskosimeter och en refraktometer användes för att mäta arbetsvätskans viskositet och brytningsindex. Viskositeten är ~ 4 cp, brytningsindexet är 1,45 och densiteten är 1 100 kg / m3. - Anslut behållaren, kolvpumpen och akryl sinusmodellen med en silikonslang (se Materialtabell).
- Bind transkateterns aortaklaff (TAV) (se Materialtabell) till den ursprungliga bipacksedeln från en 3D-skrivare med en gänga11.
- Kombinera den fasta TAV på den ursprungliga broschyren med akryl sinusmodellen.
OBS: TAV som används här (erhållen kommersiellt) har en diameter på 23 mm och 26 mm, och höjden är 18 mm respektive 20 mm12. För TAV (23 mm) var utbyggnadsdjupet och den ursprungliga broschyrlängden 1,8 mm och 9 mm, och för TAV (26 mm) är den 2,0 mm respektive 10 mm. Den inre diametern på den ursprungliga bipacksedeln var 21 mm, med tanke på patientens ringformiga storlek.
VARNING: TAV torkar ut om den inte bevaras i saltlösning. Den hålls i vätskan även efter att ha bundits till den inhemska bipacksedeln. - Fyll på arbetsvätskan (steg 1.8) i in vitro-systemet .
FÖRSIKTIGHET. Undvik att göra bubblor på akryl sinusmodellen eftersom det påverkar PIV-resultaten.
2. PIV-inställning
- Leta reda på lasern på ett annat optiskt bord och enaxlig skena.
OBS: Lasern är en kontinuerlig Nd: YAG-laser som avger ljus med en våglängd på 532 nm och vars effekt kan öka till 10 W (se Materialtabell). Laserarket som passerar genom optiken har ett avstånd från akryl sinusmodellen. - Leta reda på höghastighetskameran på en 2-axlig travers och flytta traversen.
VARNING: Höghastighetskameran är vinkelrät mot laserarket och akryl sinusmodellen. - Utrusta objektivet med höghastighetskameran.
OBS: Makroobjektivet monterat på höghastighetskameran har en brännvidd på 105 mm och bländaren är f/2,8. - Fröpartikel (se Materialtabell) i behållaren.
OBS: Partikeln är en ihålig glaskula med en medeldiameter på 10 μm och en densitet på 1 090 kg/m3. Behållaren har en rektangulär form och bredden, längden och höjden inuti är 23 cm, 23 cm, 35 cm. Det finns ett hål för fästning i övre delen. Locket hade också ett hål för fästning och en bultkran för att installera glödlampans pump för att applicera tryck. - Programmera en extern utlösare med hjälp av en elektronisk prototypplattform med öppen källkod, Arduino (se Materialtabell).
OBS: När kolvpumpen flyttar ett förutbestämt avstånd blir Arduinos utgång 1, som överförs till höghastighetskameran som en utlösare som ska fotograferas. - Kör programvaran för kamerastyrning (se Materialtabell), klicka på Aktuell sessionsreferens (CSR) och ta bort objektivlocket.
- Slå på lasern, ställ in den på 7 W och leta reda på laserarket till mitten av TAV.
- Ta en ögonblicksbild och kontrollera partikeldensiteten och diametern.
OBS: För att minska fel, bekräfta att ~ 8-10 partiklar finns i förhörsfönstret, med en partikeldiameter på 2-4 pixlar13. - Ställ in parametrarna, till exempel upplösning (1280 x 720), slumpmässig bildhastighet, exponeringstid till maximal enligt slumpmässig bildhastighet i kamerans styrprogramvara.
- Klicka först på knappen Aktivera i motorstyrningsprogramvaran och klicka på Start-knappen i systemteknikprogramvaran för att styra kolvpumpen.
- Ta en bild och kontrollera om det maximala partikelavståndet är mindre än 4-6 pixlar.
OBS: Denna studie motsvarar 50% av förhörsfönstret, som satte 16 pixlar mellan hastighetsvektorer. Det maximala avståndet för partiklar i förhörsfönstret är begränsat till 8 pixlar. - Upprepa steg 2.11 för att säkerställa det maximala partikelavståndet inom det intervallet genom att justera bildrutorna per sekund (fps) om det är mer än 6 pixlar och sänka fps om det är mindre än 4 pixlar.
3. Undersökning av hemodynamik
- Kontrollera om det finns läckage från anslutningsdelen av akryl sinusmodellen eller silikonslangen blir vikad.
- Importera Excel-filen med lagrad flödeshastighet och bpm-information i systemteknikprogramvaran.
OBS: Till exempel är hjärtfrekvensen 60 slag per minut, den maximala flödeshastigheten är 20 L / min, hjärtminutvolymen är 4,8 L / min, slagvolymen är 70 ml (Figur 3A). - Bekräfta parametern för systemteknisk programvara, till exempel DAQ-enhetens in- och utdatakanal. Exempelklockan är 1 000 och feedbackiterationen är 10.
- Bekräfta parametern för motorstyrningsprogramvara, t.ex. blyskruvens längd är 10 mm, analog ingång och utgång är 14,5 mm/spänning.
- Slå på höghastighetskameran och kör programvaran för kamerastyrning.
- Klicka på CSR och ta bort ett linslock.
- Ställ in programvaruparametrarna för kamerastyrning, t.ex. upplösningen på 1280 x 720, en bildhastighet på 300 fps, burst-period på 200 μs och 150 μs, burst-antal på 3 och exponering (tvingad av burst-perioden).
- Slå på lasern, ställ in den på 7 W och leta reda på laserarket i mitten av TAV. Fokusera på laserarket genom att styra linsen.
- Justera trycket till behållaren.
OBS: Det genomsnittliga postvalvulärtrycket är 100 mmHg vid drift av kolvpumpen (figur 3B,C). - Klicka först på knappen Aktivera i motorstyrningsprogramvaran och klicka på Start-knappen i systemteknikprogramvaran för att använda kolvpumpen.
- Vänta tills flödeshastigheten stabiliseras.
OBS: Flödeshastigheten beräknar skillnaden baserat på signalen från kolvpumpen och utför negativ feedback, så det tar tid att vänta tills den stabiliseras. - Kontrollera en utlösare som fungerar i Arduino seriell plotter.
- Ta partikelbilder i kontinuerliga 14 cykler och upprepa totalt sju gånger.
OBS: Lagringskapaciteten för en höghastighetskamera är relaterad till upplösningen och antalet partikelbilder. Enligt parametern i steg 3.7 är det möjligt att ta en bild endast i 14 cykler åt gången.
4. Behandling av uppgifter
- Konvertera från .cine-fil till .tiff filer med hjälp av kamerans styrprogramvara.
- Beräkna den genomsnittliga bilden för alla partikelbilder över tid. Ta bort det område som motsvarar laserns reflektion vid väggen eller TAV genom att subtrahera den genomsnittliga bilden14.
- Gör masken genom att separera de områden som ska analyseras från de som ska kasseras.
OBS: I denna studie användes två masker: en för att analysera sinusregionen ensam och den andra för att analysera hela regionen, som innehåller regionen efter STJ. - Utför PIV med PIVlab, ett verktyg med öppen källkod baserat på MATLAB15 (se Materialtabell).
- Importera partikelbilder som sparats med den tidsupplösta metoden eller parvisa metoden.
- Utför kontrastbegränsad adaptiv histogramutjämning (CLAHE)16.
OBS: CLAHE är en metod för bildförbehandling. Partikelbildens kontrast omfördelas så att lasern reflekterar ökningen och minskningen av partikelintensiteten. Partikelbilden divideras med ett fönster med 20 pixlar. - Importera masken och applicera den på alla partikelbilder.
- Ställ in förhörsfönstret med flera pass.
OBS: Förhörsfönstret minskas från 64 x 64 till 32 x 32 med en 50% överlappning. Avståndet mellan de två vektorerna motsvarar 16 pixlar. - Utför korskorrelationen13 om partikelbildparet som konverterats till frekvensdomänen med snabb Fouriertransform (FFT)13.
- Hitta ett toppvärde med hjälp av en 2 x 3 Gaussisk passform i korrelationsresultatet.
OBS: Toppvärdet som valts i Gaussian-kopplingen bestämde partikelavståndet.
- Kör utjämningsprocessen, som involverar följande processer.
- Ta bort extremvärdena till ett "NaN" med den inbyggda funktionen "isoutlier" i MATLAB.
- Interpolera en nan till värde med funktionen "inpaint_nans" i MATLAB15.
- Konvertera från "pixel / frame" till "m / s" enligt bildhastighet och burst-period.
OBS: Konverteringen är relaterad till tidsintervallet, bestämt av bildfrekvensen och burst-perioden. Specifikt härleds koefficienten för den tidsupplösta metoden av bildhastigheten, och den för en parvis metod härleds av burstperioden. - Slå samman parvis metod och tidsupplöst metod med hjälp av viktningsfaktorn.
OBS: Viktningsfaktorn beror på hastighetsstorleken och har ett totalt värde på 1 i varje sektion. Om hastighetsstorleken överstiger ett visst tröskelvärde är faktorn för parvismetoden högre än för den tidsupplösta metoden. - Kör "smoothn" -funktionen för DCT-PLS med en utjämningsfaktor på 0,5915,17.
OBS: Funktionerna "smoothn" och "inpaint_nans" finns i PIVlab.
5. Analys av data
- Ladda PIV-data i MATLAB.
- Extrahera "u" och "v" -komponenterna från PIV-data.
- Beräkna hastighetsfältet18 (ekvation 1, tilläggsfil 1).
- Härleda hemodynamikparametrar med hjälp av den interna koden och den inbyggda funktionen19.
- Härleda virveln med MATLAB inbyggd funktion "curl"18 (ekvation 2, kompletterande fil 1).
- Härleda stasis med den interna koden20 (ekvation 3, kompletterande fil 1).
- Härleda Γ1 med den interna koden21 (ekvation 4, tilläggsfil 1).
- Härleda partikelbostaden med en intern kod19 (ekvation 5, kompletterande fil 1).
- Beräkna medelvärdet och standardavvikelsen för hemodynamikparametrar (tabell 2).
OBS: Topphastighet, virvel, Γ1 och stasis beräknades för totalt 98 cykler. Förfallet erhölls genom exponentiell anpassning till procentandelen partikelresidens. Förfallet satte 14 cykler som en datauppsättning och beräknade genomsnittet och standardavvikelsen för sju gånger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hastighetsfälten visade en annan sinusflödesstruktur beroende på ventildiametern i figur 4. För TAV (23 mm) var hastigheten högre än 0,05 m/s mellan TAV och STJ från tidig systole till peak systole som TAV öppnades med hjälp av speditaren. Hög hastighet fördelades sedan i ett smalt område nära stenten vid sen systole. Hastigheten vid diastol var lägre än 0,025 m/s och två virvlar med låg hastighet uppträdde. För TAV (26 mm), när ventilen öppnades, mättes hög hastighet vid STJ. Med tiden, med undantag för tidig systole, var hastighetsfördelningen i sinus lägre än 0,05 m/s. Specifikt var hastigheten vid sen systole lägre än vid en annan tidpunkt. Den enriktade virveln, som hade en oval form, observeras ovanför den ursprungliga broschyren vid diastol.
De hemodynamiska parametrar som härleds av hastighet visas i figur 5 och tabell 2. Topphastigheten i TAV (23 mm) var högre än TAV (26 mm). Stasis observerades i sinus förutom att framåtriktad stråle och blev in i sinus. Stasisområdet som bildades i TAV (23 mm) var brett, men fraktionen av stasis var låg. Virveln och virveln vid diastolen presenterade något som inte bekräftats i hastighetsfältet. För TAV (23 mm) noterades två liknande virvlar ovanför och under den ursprungliga bipacksedeln. Men för TAV (26 mm) var den medurs virveln inte klar; den moturs virveln hade en elliptisk form. Virveln visade att det var liknande resultat som virveln. Det positiva var nära stent och infödd broschyr, och det negativa observerades i en annan region.
Procentandelen och ögonblicksbilden av partikelresidens visas i figur 6. Ögonblicksbilderna av partikelresidens visade partikelfördelning i sinusregionen i 2 s, och procentandelen partikelresidens visade den fraktionen av återstående partiklar i sinusregionen i 14 s. I figur 6B minskade TAV (26 mm) snabbare än TAV (23 mm), men båda fallen presenterades att alla partiklar lämnade sinusområdet inom 6 s. Partiklarna rörde sig ut ur regionen i figur 6A, men det var inte identiskt i fall. För TAV (23 mm) fördelades partiklar i hela sinusregionen och gick ut ur planet när cykeln fortskred. Detta hände inte för TAV (26 mm) och visade olika aspekter. Partiklarna koncentrerades nära annulusen, som lämnade sinusregionen från botten av den inhemska broschyren.
Bild 1: Experimentell in vitro-inställning . Den består av en höghastighetskamera, en akryl sinusmodell, ett kolvpumpsystem, en reservoar, en Arduino och en dator. Det är ett slutet system och strömmar endast i en riktning på grund av backventilen installerad i behållaren och TAV installerad i akryl sinusmodellen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Akryl sinusmodellen med inbyggd broschyr och TAV (23mm). (A) Ritningen och namngivningen av måtten anges i tabell 1. För båda konstgjorda ventilerna är akryl sinusmodellen densamma. (B) Modellering om inhemsk bipacksedel och stent av TAV (23 mm). Den ursprungliga broschyren är cylindrisk i form och är inte transparent. Vid modellering utelämnades broschyren av TAV och presenterades endast stent. TAV; Transkateter aortaklaff, STJ; sinotubulär korsning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Flödeshastighet och tryck för 1 s. (A) Flödeshastigheten härleds av slagvolymen i 1 s. maximal flödeshastighet är 20 L/min. Den röda pricken i flödeshastigheten är instanstid från vänster vid tidig systole, peak systole, late systole respektive diastole. (B) Tav-trycket (23 mm). (C) Trycket på TAV (26 mm). Den blå linjen är postvalvulärt tryck och det röda är förvalvulärt tryck. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Hastighetsfält i sinusregionen. Hastighetskonturen varierar från 0-0,05 m/s. Den vänstra raden är hastighetsfältet för TAV (23 mm) och den högra raden är TAV (26 mm). Kolumnen är instanstid definierad med en flödeshastighet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Sinus hemodynamik resultat. Topphastighetskonturen presenteras vid toppsystolen. Flow stasis projiceras för cykeln, och det är den inre regionen som visas av en vit linje. Virveln och virveln representeras som hastighetsvektor och kontur vid diastol. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Ögonblicksbilder och procentandel av partikelresidens. (A) partikelresidens för 2 s presenteras med en vit fläck indikerad sinusregion och röd cirkel indikerade virtuella partiklar. (B) Procentandelen partikeluppehåll för 14 s är att den röda linjen är TAV (23 mm) och den blå linjen är TAV (26 mm). Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Topphastighet (m/s) | Virvel (s-1) | Vortex | Stasis | Förfall | |
| 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 |
Tabell 1: Mått på akryl sinusmodell. Alla enheter är i mm.
| Enhet (mm) | |||||
| TAV-diameter | TAV-höjd | Distributionsdjup | Inbyggd broschyr Längd | Inbyggd broschyr Diameter | |
| TAV (23 mm) | 23 | 18 | 1.8 | 9 | 26 |
| TAV (26 mm) | 26 | 20 | 2 | 10 | 29 |
| Enhet (mm) | |||||
| STJ-diameter | STJ Höjd | Ringformad diameter | Sinus Diameter | Sinus höjd | |
| TAV (23 mm) | 27 | 25.5 | 30 | 40 | 7.65 |
| TAV (26 mm) |
Tabell 2: Genomsnittlig och standardavvikelse om sinus hemodynamikparameter.
Kompletterande fil 1: Ekvationer för dataanalys. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sinusflödet förändrades på grund av olika sinusgeometri efter TAVI. Virveln bildades av aortaklafföppningen och interaktionen med den främre strålen av systole22. I studien av den artificiella kirurgiska ventilen utan inhemska broschyrer var virvel som observerades i sinusregionen vid systole normal23. Denna studie bildar virveln som presenteras vid diastol genom att minska den främre strålen och komma in i sinus. Sinusflödet stötte på den inhemska broschyren; som ett resultat delas den medurs under den ursprungliga broschyren och moturs ovan. Det tyder på att patienter efter TAVI är annorlunda jämfört med friska utan trombos. Så sinusflödet förändrades efter TAVI, vilket möjligen påverkar trombbildning i sinus.
Trombos uppstår eftersom röda blodkroppar förstörs av skjuvspänning, stagnationsflödet och yttre ämnen som stenten i TAV24. I denna studie övervägdes tromb bildad av stagnationsflöde, vilket bekräftades av hemodynamiska parametrar såsom flödestasis och partikelresidens. Den inhemska broschyren förbjuder fysiskt sinusflödet och begränsar sinusregionen. Sinusflödet nära annulus blir mer begränsat, vilket ökar stasis. Och för partikelbostaden lämnar partiklar ovanför den ursprungliga broschyren snabbt regionen, medan de nedan inte gör det. De röda blodkropparna har ett litet avstånd, aggregerat i sinus. Det studerades också att flödestasis observeras längst ner i sinus när det finns en inbyggd broschyr4. Problemet efter TAVI är att inhemsk bipacksedel kvarstår, och forskning behövs för att revidera för att hämma trombos.
In vitro-experiment och PIV observerar framgångsrikt hastighetsfältet i sinus. Det finns dock fortfarande skillnader från faktiska patienter, och det kräver förbättring. För det första förenklas akryl sinusmodellen för att möjliggöra tillverkning på en gång. Höger och vänster koronar ligger på två av de tre kusparna; blodet går till kranskärlet ~ 5% av det totala under diastol10,25. En av begränsningarna med den nuvarande in vitro-modellen är att den nuvarande modellen inte efterliknar fysiologiska egenskaper som reologi, vaskulär struktur, 3D-kärlgeometri etc. Den nuvarande modellen inkluderar inte heller koronarflöde. De tidigare studierna visade att kranskärlsflödet påverkar sinusflödet. För det andra inkluderar den nuvarande 2D PIV-analysen inte flödets rörelse utanför planet. Ytterligare studier med volymetrisk mätning (t.ex. 3D PIV/Particle tracking velocimetry (PTV)) kan avslöja det komplexa flödesfältet i aortaflödet. För det tredje finns PIV: s noggrannhetsbegränsningar på grund av individuella variationer av partikelbildintensiteter. Rörelsen utanför planet, även utan buller, begränsar den uppnåeliga noggrannheten26,27. I denna studie är noggrannheten för PIV-mätning med subpixelinterpolering ~ 0,1 pixel, vilket motsvarar 0,03 m/ s vid TAV (23 mm) och 0,041 m / s vid TAV (26 mm).
Framtida studier planerar att använda in vitro-experiment och 3D-vätskevisualiseringsmetoder för att förstå sinus hemodynamik. Akryl sinusmodellen är utformad för att ha en tricuspid med en kransartär. Det kommer att delas genom att undvika störningar i sinusregionen. I denna studie analyserades också det uppmätta området efter STJ för att bekräfta om hastighetsfältet är liknande. Även om det inte förklaras, är det hypotesen att sinusflödet påverkar BIPACKSEDELRÖRELSEN FÖR TAV. Det sticker inte ut som ett resultat. Det uppmätta området kommer endast att fokusera på sinus för att minimera problem som suddiga partikelbilder med bruten laser. Dessutom förbereds 3D PTV för att observerapartikelns rörelse 26,27. Det kommer att vara till hjälp att förstå principen om trombos i sinus efter TAVI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Denna forskning stöddes av basic science research program från National Research Foundation of Korea, som finansieras av utbildningsministeriet (NRF-2021R1I1A3040346 och NRF-2020R1A4A1019475). Denna studie stöddes också av 2018 Research Grant (PoINT) från 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).
