Micro-Particle Image Velocimetry per Velocity Misure profilo dei flussi Micro sangue
Summary
Velocimetria immagine Micro-particelle (μPIV) è usato per visualizzare le immagini appaiate di micro particelle seminate nei flussi di sangue, che sono cross-correlato per dare un profilo di velocità accurato. Shear rate, velocità massima, forma del profilo di velocità e portata, ognuno dei quali ha applicazioni cliniche, possono essere derivati da queste misurazioni.
Abstract
Velocimetria immagine Micro-particelle (μPIV) è usato per visualizzare le immagini appaiate di micro particelle seminate nei flussi sanguigni. Le immagini sono cross-correlata per dare un profilo di velocità accurato. Un protocollo è presentato per le misure μPIV di flussi sanguigni nei microcanali. Alla scala del microcircolo, il sangue non può essere considerato un fluido omogeneo, in quanto è una sospensione di particelle in sospensione flessibili nel plasma, un fluido Newtoniano. Gradiente di velocità, la velocità massima, forma del profilo di velocità e portata possono essere derivate da queste misurazioni. Diversi parametri chiave come la profondità focale, la concentrazione di particelle, e la conformità del sistema, vengono presentati in modo da garantire dati accurati e utili con esempi e risultati rappresentativi per le varie ematocrito e le condizioni di flusso.
Introduction
Il corpo umano contiene numerosi vasi con diametro inferiore a 50 micron, che sono il principale sito di scambio tra sangue e tessuti. Lo studio del flusso sanguigno in questi vasi rappresenta una sfida considerevole sia per la scala delle misurazioni e le proprietà del fluido di sangue. Queste misure, tra cui il gradiente di pressione, il taglio alla parete, e profili di velocità in arteriole e venule, sono fattori chiave collegati con risposte fisiologiche. Ora ci sono opportunità senza precedenti per risolvere queste sfide di misura, grazie alle nuove tecniche sperimentali alla scala micro a studiare il microcircolo e risolvere questo problema multiscala.
Velocimetria immagine Micro-particelle (μPIV) è una tecnica di visualizzazione del flusso di particelle a base che viene utilizzato per valutare i profili di velocità del flusso sanguigno in microcanali tramite correlazione incrociata. μPIV, sviluppato da Santiago et al., è stato utilizzato con EmoreologiaGli studi fin Sugii et al. nel 2001 hanno utilizzato la tecnica per misurare il flusso sanguigno in 100 micron provette rotonde 1,2. Differenti approcci di esistere μPIV. Telecamere ad alta velocità possono essere utilizzate per correlare il movimento dei globuli rossi (RBC), e le immagini pulsate possono essere usate per correlare il movimento delle particelle traccianti. Una di queste opzioni può essere accoppiato con un microscopio diritta o capovolta, a seconda dell'applicazione. In entrambi i casi, il risultato è un profilo di velocità 2D. Un altro approccio è quello di utilizzare un microscopio confocale per realizzare profili 2D e 3D. Questo metodo è stato applicato al sangue 3,4,5.
Micro scala PIV ha diverse complicazioni rispetto alle macro PIV. In macro PIV i dati possono essere limitati ad un singolo piano attraverso i fogli di luce, ma alla micro illuminazione volume di scala è necessario. Illuminazione volume è un problema maggiore per l'imaging di micro flussi ematici, come gli RBC stessi sono grandi in confronto alla channels, quindi con gli RBC come le particelle traccianti porta ad una profondità di correlazione (DOC), che può ridurre notevolmente la precisione dei risultati di cross-correlazione 6,7,8. Seguendo Wereley et al. (1998) la DOC per un canale alto 40 micron con RBC come traccianti è 8.8 micron, mentre con una particella 1 micron tracciante il DOC è 6.7 micron. Questa differenza diventa più pronunciata quando si cambia altezza del canale e l'ingrandimento. Ulteriormente, eritrociti sono opache, e aumentando la densità dei globuli rossi nel flusso provoca difficoltà di imaging. Particelle traccianti fluorescenti, prima usati da (1998) Santiago et al., Sono stati proposti come strumento per diminuire l'influenza delle particelle out-of-focus, quando si utilizzano le particelle più piccole possibili. Utilizzando 1 micron di diametro microparticelle fluorescenti accoppiata con un laser è un approccio che può diminuire la profondità di fuoco in micro problema dell'imaging flusso sanguigno 10. Ci sono diverse recensioni correnti dello stato di μPIV technology, ognuno dei quali mette in evidenza l'importanza di μPIV a studi di flusso di sangue 11,12. Diverse considerazioni importanti devono essere prese in considerazione quando si utilizza μPIV di sangue. A livello micro, la scala del microcircolo, il sangue non può essere considerato un fluido omogeneo, in quanto è una sospensione di cellule flessibili rossi del sangue (RBC), grandi globuli bianchi, piastrine e altre proteine sospese in un fluido Newtoniano (plasma) .
I profili di velocità misurati qui possono essere usati per misurare alcune caratteristiche dei micro flussi sanguigni. I fattori importanti nel microhemorheology sono la velocità di flusso del sangue, la forma del profilo di velocità, e la tensione tangenziale alla parete del vaso. Questa informazione ha implicazioni cliniche, come la microcircolazione è il sito per scambio di nutrienti nel corpo, e questo scambio è shear-dipendente. Ci sono diversi studi revisione in corso sullo stato della ricerca nel microcircolo e 13,14,15.
Presentato qui è un protocollo per le misure μPIV di flussi sanguigni nel polidimetilsilossano (PDMS) microcanali. Canali di PDMS sono stati fabbricati in casa seguendo le fonti in sezione 1 del protocollo. Campioni di sangue di suini sono stati ottenuti da un macello accreditato e puliti dopo la sezione 2 del protocollo. Tutti i dati sono stati ottenuti utilizzando il sistema MITAS μPIV LaVision, come descritto nella sezione 3 del protocollo. Il set-up è costituito da un laser Nd: YAG (New Wave Research, USA) e camera CCD (Immagine intenso, Lavision) comandato da una unità programmabile di attivazione, un microscopio a fluorescenza accoppiato con una fase mobile a tre assi, e un computer, oltre ad una telecamera ad alta velocità (Dalsa 1M150, Paesi Bassi) è stato aggiunto per la visualizzazione dei globuli rossi stessi. Entrambe le telecamere sono collegate ad una scatola ottica 2 porte (personalizzata da Zeiss, Germania). In tipico misure in vivo di flusso di sangue, un microscopio verticale viene utilizzato per tenere traccia dei globuli rossi delmselves, mentre nelle tipiche applicazioni in vitro un microscopio invertito è usato per tracciare le particelle traccianti. In questo doppio unico set-up, la scatola ottica permette entrambi traccianti di essere ripreso con il microscopio invertito. Il sangue è stato introdotto nei microchip mediante una pompa a siringa di alta precisione (Nexus3000, Chemyx Inc., USA). Lo schema del sistema è mostrato in Figura 1, in cui la parte superiore della figura rappresenta il 140 micron da 40 micron canali rettangolari fabbricazione di PDMS, e la porzione inferiore rappresenta l'intero sistema compreso entrambe le fotocamere, il laser, la pompa a siringa e il microscopio.
ΜPIV attuale set-up disponibile, di solito con il software proprietario, includere TSI, Dantec Dynamics, e LaVision. Algoritmi standard cross-correlazione può essere raggiunto attraverso numerose opzioni di software, tra cui il MATLAB. Il software non è la chiave, capire quali sono le finestre di dialogo corrispondono a matematicamente servirà l'usor molto migliore. In questo protocollo Davis, software proprietario di LaVision o MATLAB sono utilizzati. Il protocollo non è un software specifico, ma le opzioni di menu potrebbero essere in luoghi diversi in diversi pacchetti software.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utilizzando μPIV per misure di flusso di sangue alla scala del microcircolo può dare visione in un gran numero di importanti processi di ingegneria biomedica, meccanica e chimica. Alcuni dei fattori chiave per spiegare sono la densità del RBC stessi, l'aggregazione e deformabilità del RBC, aggregazione o movimento delle micro particelle fluorescenti, e l'insediamento dei RBC nei canali. Tutti questi possono essere valutate se le linee guida generali di cui sopra sono seguiti. C'è una lista di controllo …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare NSERC (scienze naturali e ingegneria del Consiglio del Canada) per il finanziamento, Catherine Pagiatikis per il suo aiuto nelle sequenze iniziali, Sura Abu-Mallouh e Federico Fahim per testare il protocollo, Richard Prevost di LaVision, Inc. per il supporto tecnico, e Guy Cloutier dell'Università di Montréal per il prestito della macchina fotografica ad alta velocità Dalsa.
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).
