الجسيمات الدقيقة Velocimetry صورة لسرعة الشخصي قياسات يتدفق الدم مايكرو
Summary
يتم استخدام الجسيمات الدقيقة velocimetry صورة (μPIV) لتصور الصور المقترنة من الجسيمات الدقيقة المصنفة في تدفقات الدم التي هي عبر المترابطة لإعطاء لمحة سرعة دقيقة. معدل القص، وأقصى سرعة، سرعة شكل الملف الشخصي، ومعدل التدفق، كل منها لديه التطبيقات السريرية، ويمكن أن تستمد من هذه القياسات.
Abstract
يتم استخدام الجسيمات الدقيقة velocimetry صورة (μPIV) لتصور الصور المقترنة من الجسيمات الدقيقة المصنفة في تدفقات الدم. هذه الصور هي عبر المترابطة لإعطاء لمحة سرعة دقيقة. ويرد بروتوكول لقياسات μPIV من تدفقات الدم في microchannels. على نطاق دوران الأوعية الدقيقة، لا يمكن اعتبار الدم السائل متجانسة، كما هو تعليق جسيمات مرنة معلقة في البلازما، والسائل النيوتونية. معدل القص، وأقصى سرعة، سرعة شكل الملف الشخصي، ومعدل التدفق يمكن استخلاصها من هذه القياسات. العديد من المعايير الأساسية مثل عمق التنسيق، وتركيز الجسيمات، والامتثال نظام، وتعرض من أجل ضمان بيانات دقيقة ومفيدة جنبا إلى جنب مع أمثلة ونتائج ممثلة لمختلف hematocrits وظروف التدفق.
Introduction
جسم الإنسان يحتوي على العديد من السفن ذات أقطار أقل من 50 ميكرون، والتي هي موقع تبادل الرئيسي بين الدم والأنسجة. دراسة تدفق الدم في هذه الأوعية يمثل تحديا كبيرا بسبب كل من حجم قياسات وخصائص السائل من الدم. هذه القياسات، بما في ذلك التدرج الضغط، والقص عند الحائط، وملامح سرعة في الشرايين والأوردة، هي عوامل أساسية مرتبطة مع الاستجابات الفسيولوجية. هناك الآن فرصا غير مسبوقة لحل هذه التحديات قياس، وذلك بفضل تقنيات تجريبية جديدة على النطاق الجزئي لدراسة دوران الأوعية الدقيقة ويحل هذه المشكلة متعددة النطاقات.
الدقيقة الجسيمات velocimetry صورة (μPIV) هو ومقرها الجسيمات تدفق تقنية التصور الذي يتم استخدامه لتقييم ملامح سرعة تدفق الدم في microchannels عبر ارتباط الصليب. وقد استخدم μPIV، أول من طور سانتياغو آخرون، مع hemorheologyدراسات منذ Sugii وآخرون. في عام 2001 استخدمت تقنية لقياس تدفق الدم في 100 ميكرون أنابيب زجاجية مستديرة 1،2. مناهج مختلفة في الوجود μPIV. الكاميرات عالية السرعة يمكن استخدامها لربط حركة خلايا الدم الحمراء (كرات الدم الحمراء)، والصور نابض يمكن استخدامها لربط حركة الجسيمات التتبع. يمكن أن يقترن أي من هذه الخيارات مع المجهر تستقيم أو المقلوب، اعتمادا على التطبيق. في كلتا الحالتين، فإن النتيجة هي سرعة الشخصي 2D. وثمة نهج آخر هو استخدام المجهر متحد البؤر لتحقيق محات 2D و 3D. وقد تم تطبيق هذا الأسلوب ل3،4،5 الدم.
مايكرو نطاق التعريف الشخصية لديه العديد من المضاعفات مقارنة مع التعريف الشخصية الماكرو. في التعريف الشخصية ماكرو البيانات يمكن أن تقتصر على طائرة واحدة من خلال ورقة من الضوء، ولكن في الدقيقة الإضاءة حجم النطاق هو ضروري. إضاءة حجم مشكلة أكبر للتصوير من تدفقات الدم الصغرى، حيث أن كرات الدم الحمراء نفسها كبيرة بالمقارنة مع جhannels، وباستخدام كرات الدم الحمراء كما الجزيئات التتبع يؤدي إلى عمق الارتباط (DOC) والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من دقة النتائج عبر الارتباط 6،7،8. بعد Wereley وآخرون (1998) وDOC لقناة طويل القامة 40 ميكرون مع RBC كما استشفاف هو 8.8 ميكرون، بينما مع 1 ميكرومتر الجسيمات التتبع وDOC هو 6.7 ميكرون. هذا الاختلاف يصبح أكثر وضوحا عند تغيير القناة وارتفاع التكبير. بالإضافة إلى ذلك، كرات الدم الحمراء هي مبهمة، وزيادة كثافة كرات الدم الحمراء في تدفق يسبب صعوبات التصوير. وقد دعا الاستشعاع الجزيئات التتبع، استخدم لأول مرة من قبل سانتياغو وآخرون (1998)، كأداة لتقليل تأثير الجسيمات خارج نطاق التركيز، عند استخدام جسيمات أصغر ممكن. باستخدام 1 ميكرون الاستشعاع قطر المجهرية الدقيقة إلى جانب وجود الليزر هو النهج الوحيد الذي قد يقلل من عمق مشكلة التركيز في التصوير الجزئي تدفق الدم 10. وهناك العديد من الاستعراضات الحالية لدولة μPIV تكhnology، كل من الذي يسلط الضوء على أهمية μPIV لدراسات تدفق الدم 11،12. يجب أن تؤخذ عدة اعتبارات هامة في الاعتبار عند استخدام μPIV للدم. على المستوى الجزئي، فإن حجم دوران الأوعية الدقيقة، لا يمكن اعتبار الدم السائل متجانسة، كما هو تعليق مرونة خلايا الدم الحمراء (كرات الدم الحمراء)، وخلايا الدم البيضاء الكبيرة، والصفائح الدموية والبروتينات الأخرى معلقة في السوائل النيوتونية (البلازما) .
لمحات سرعة تقاس هنا يمكن أن تستخدم لقياس خصائص معينة من تدفقات الدم الصغيرة. العوامل الهامة في microhemorheology هي معدل تدفق الدم، وشكل الملف الشخصى سرعة، وإجهاد القص في جدار السفينة. هذه المعلومات لها آثار السريرية، كما دوران الأوعية الدقيقة هو موقع لتبادل المغذيات في الجسم، وهذا التبادل هو التي تعتمد على القص. هناك العديد من الدراسات الاستعراض الحالي عن حالة البحوث في دوران الأوعية الدقيقة وكذلك 13،14،15.
قدم هنا هو بروتوكول لقياسات μPIV من تدفقات الدم في polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels. ملفقة قنوات PDMS في المنزل في أعقاب مصادر في المادة 1 من البروتوكول. وتم الحصول على عينات دم الخنازير من المسالخ المعتمدة وتنظيفها بعد المادة 2 من البروتوكول. تم الحصول على جميع البيانات باستخدام LaVision MITAS μPIV النظام، كما هو موضح في القسم 3 من البروتوكول. تتكون مجموعة المتابعة من والثانية: YAG الليزر (الموجة الجديدة للبحوث، الولايات المتحدة الأمريكية) واتفاقية مكافحة التصحر الكاميرا (صورة مكثفة، Lavision) التي تسيطر عليها وحدة برمجة اثار، المجهر الفلورسنت بالإضافة إلى مرحلة تتحرك في 3 محاور، وجهاز كمبيوتر، بالإضافة إلى كاميرا عالية السرعة (DALSA 1M150، هولندا) وأضيف لتصور من كرات الدم الحمراء نفسها. وترتبط كل من الكاميرات إلى منفذ مربع البصرية 2 (مخصص بواسطة زايس، ألمانيا). في نموذجي في القياسات المجراة من تدفق الدم، ويستخدم المجهر تستقيم لتتبع كرات الدم الحمراء فيmselves، في حين نموذجي في تطبيقات المختبر ويستخدم مجهر مقلوب لتعقب جزيئات التتبع. في هذا فريدة من نوعها المزدوج انشاء، مربع البصريات يسمح على حد سواء استشفاف ليمكن تصوير باستخدام مجهر مقلوب. وقدم الدم في الرقائق عن طريق ضخ حقنة عالية الدقة (Nexus3000، Chemyx شركة، الولايات المتحدة الأمريكية). ويظهر رسم تخطيطي للنظام في الشكل 1، حيث الجزء العلوي من هذا الرقم يمثل 140 ميكرون بنسبة 40 ميكرون قنوات مستطيلة ملفقة من PDMS، ويمثل الجزء السفلي النظام بأكمله بما في ذلك الكاميرات، ليزر، ضخ حقنة و المجهر.
μPIV الحالي مجموعة عمليات المتاحة، وعادة مع البرمجيات الاحتكارية، وتشمل TSI، DANTEC حيوية، وLaVision. ويمكن تحقيق معيار خوارزميات عبر الارتباط من خلال العديد من خيارات البرمجيات، بما في ذلك MATLAB. البرنامج ليس المفتاح، وفهم ما تتوافق مربعات الحوار إلى سيخدم رياضيا استخدامR أفضل بكثير. في هذا البروتوكول ديفيس، تستخدم البرمجيات LaVision في الملكية أو MATLAB. البروتوكول لا تعتبر برامج محددة، ولكن الخيارات القائمة قد تكون في أماكن مختلفة في حزم البرامج المختلفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويمكن استخدام μPIV لقياس تدفق الدم في نطاق من دوران الأوعية الدقيقة تعطي نظرة ثاقبة لعدد كبير من عمليات الهندسة الطبية والميكانيكية والكيميائية ذات الصلة. بعض من العوامل الرئيسية لحساب هي كثافة RBC أنفسهم، وتجميع والتشوه من RBC، تجميع أو حركة الجسيمات الدقيقة الاستشعاع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر NSERC (العلوم الطبيعية والهندسة مجلس كندا) للحصول على التمويل، كاثرين Pagiatikis لمساعدتها في أشواط الأولي، سورة أبو ملوح وفريدريك فهيم لاختبار البروتوكول، ريتشارد بريفوست من LaVision، وشركة للدعم التقني، وغاي كلوتير من جامعة مونتريال للحصول على القرض من DALSA كاميرا عالية السرعة.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| poly(dimethylsiloxane) (PDMS), i.e. Sylgard-184 | Dow-Corning | 3097358-1004 | |
| ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich | E9884-100G | |
| poshpate buffered saline (PBS) | Sigma Aldrich | P5368-10PAK | |
| fluorescing micro particles | Microgenics/FisherSci | R900 | |
| glycerol (OPTIONAL) | Sigma Aldrich | G6279-500 ml | |
| microcentrifuge, i.e. CritSpin | FisherSci | 22-269-291 | |
| syringe, i.e. 50 μl Gastight | Hamilton | 80965 | |
| camera, i.e. Imager Intense, high speed | LaVision, Dalsa | Imager Intense | |
| microscope, i.e. MITAS | LaVision | MITAS | |
| Nd:YAG laser | New Wave Research | Solo-II | |
| syringe pump, i.e. Nexus3000 | Chemyx, Inc. | Nexus-3000 | |
| flexible tubing, i.e. Tygon | FisherSci | 14-169-1A | |
| data processing software, i.e. DaVis | LaVision | DaVis | |
| centrifuge, i.e. Thermo Scientific CL2 | Thermo Scientific | 004260F |
References
- Santiago, J. G., Wereley, S. T., Meinhart, C. D. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids. 25, 316-319 (1998).
- Sugii, Y., Okamoto, K., Nishio, S., Nakano, A. Evaluation of Velocity Measurement in Micro Tube by Highly Accurate PIV Technique. , 1-5 (2001).
- Park, J. S., Choi, C. K., Kihm, K. D. Optically sliced micro-PIV using confocal laser scanning microscopy (CLSM). Exp. Fluids. 37 (1), 105-119 (2004).
- King, M. R., Bansal, D., Kim, M. B., Sarelius, I. H. The effect of hematocrit and leukocyte adherence on flow direction in the microcirculation. Ann. of Biomed. Eng. 32 (6), 803-814 (2004).
- Lima, R., Wada, S., Tsubota, K., Yamaguchi, T. Confocal micro-PIV measurements of three-dimensional profiles of cell suspension flow in a square microchannel. Meas. Sci. Tech. 17 (4), 797-808 (2006).
- Wereley, S. T., Santiago, J. G., Chiu, R., Meinhart, C. D., Adrian, R. J. Micro-resolution particle image velocimetry. Micro- and Nanofabricated Structures and Devices for Biomedical Environmental Applications. 3258, 122-133 (1998).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 11, 809-814 (2000).
- Chayer, B., Pitts, K. L., Cloutier, G. Velocity measurement accuracy in optical microhemodynamics: experiment and simulation. Physiological Measurement. , (2012).
- Tabeling, P. . Introduction to Microfluidics. , (2005).
- Olson, M. G., Adrian, R. J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 29, S166-S174 (2000).
- Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent advances in micro-particle image velocimetry techniques. Ann. Rev. Fluid Mech. 42, 557-576 (2010).
- Williams, S. J., Park, C., Wereley, S. T. Advances and applications on microfluidic velocimetry. Microfluid. Nanofluid. 8 (6), 709-726 (2010).
- Chiu, J. J., Chen, S. Effects of disturbed flow on vascular endothelium: Pathophysiological basis and clinical perspectives. Physiol. Rev. 91 (1), 327-387 (2011).
- Secomb, T. W., Pries, A. R. The microcirculation: Physiology at the mesoscale. J. Physiol. 589 (5), 1047-1052 (2011).
- Popel, A. S., Johnson, P. C. Microcirculation and hemorheology. Annual Review of Fluid Mechancis. 37, 43-69 (2005).
- Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angewandte Chemie International Edition England. 37, 551-577 (1998).
- Whitesides, G. M., Stroock, A. D. Flexible methods for microfluidics. Physics Today. , 42-48 (2001).
- Sia, S. K., Whitesides, G. M. Microfluidic devices fabricated of poly(dimethylsiloxane) for biological studies. Electrophoresis. 24, 3563-3576 (2003).
- Zhou, J., Ellis, A. V., Voelcker, N. H. Recent developments in PDMS surface modifications for microfluidic devices. Electrophoresis. 31, 2-16 (2009).
- Pitts, K. L., Abu-Mallouh, S., Fenech, M. F. Contact angle study of blood dilutions on common microchip materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. , (2012).
- Hovav, T., Yedgar, S., Manny, N., Barshtein, G. Alteration of red blood cell aggregability and shape during blood storage. Transfusion. 39, 277-281 (1999).
- Pitts, K. L., Mehri, R., Mavriplis, C., Fenech, M. F. Micro-particle image velocimetry measurement of blood flow: validation and analysis of data pre-processing and processing methods. Measurement Science and Technology. 23, 105302 (2012).
- Kloosterman, A., Poelma, C., Westerweel, J. Flow rate estimation in large depth-of-field micro-PIV. Exp. Fluids. 50 (6), 1587-1599 (2011).
- Goldsmith, H. L., Skalak, R. Hemodynamics. Annual Review of Fluid Mechanics. 7, 213-247 (1975).
