חקירה ניסויית של מבנים זרימה משני Downstream של כישלון IV סטנט דגם הקלד סעיף מבחן עורק 180 ° מפותל

Summary

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to “Type IV” failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant “Type IV” stent failures.

Abstract

הרשת העורקת בכלי הדם האנושיים כוללת של כלי דם נוכחיים ubiquitously בגיאומטריות מורכבות (סניפים, עקמומיות ו tortuosity). מבנים זרימת משניות הם דפוסי זרימת מְעַרבָּלִי המתרחשים בעורקים מעוקלים כתוצאה מפעולתם המשולבת של כוחות צנטריפוגליים, מפל לחץ לוואי ומאפייני יבוא. מורפולוגיה זרימה כזו מושפע מאוד pulsatility והרמוניות מספר תנאי יבוא פיסיולוגיים להשתנות במידה רבה במאפייני גודל-כוח-צורה לעומת הלא פיסיולוגי (יציב תנודתית) זורם ^{1 – 7.}

מבני זרימה משני בסופו של דבר עלולים להשפיע על זמן מתח וחשיפת קיר גזירה של חלקיקים הנישאים בדם לכיוון התקדמות הטרשת עורקת, restenosis, רגישות של טסיות ופקקתי ^{4 – 6, 8 – 13} לכן, את היכולת לזהות ולאפיין את המבנים האלה תחת מעבדה. תנאים בשליטה ממשלתיים הוא precursאו כדי לקדם חקירות קליניות.

טיפול כירורגי נפוץ טרשת עורקים היא השתלת סטנט, להיפתח העורקים stenosed עבור זרימת הדם בלא הפרעה. אבל הפרעות זרימת במקביל בשל התקנות סטנט לגרום מורפולוגיה זרימה משתי רב היקף ^{4 -. 6} בהדרגת מורכבות מסדר גבוהה כגון אסימטריה ופסד קוהרנטיות יכולות להיגרם על ידי כשלי סטנט שהתפתחו לְעוּמַת אלה במסגרת תזרים שאנן ^5. כשלים סטנט אלה סווגו כניירות ערך "סוגי I-to-IV" מבוססים על שיקולי כישלון ו ^-14 חומרה קלינית.

מחקר זה מציג פרוטוקול החקירה הניסויית של מבני זרימה משני המורכב בשל להשלים שבר סטנט רוחבי ועקירה ליניארי של חלקים שברים ( "IV סוג") במודל של עורק מפותל. שיטת הניסוי כרוך ביישום velocimetry תמונה החלקיקים (2C-2D PIV) טכניקות עם צורה-גל יבוא עורק תרדמה ארכיטיפיים, מקדם שבירה מתאימה-אנלוגי דם עובד נוזל למדידות ממוצעי שלב ^{15 -. 18} זיהוי כמותי של מבני זרימה משני הושג תוך שימוש במושגים של פיזיקת זרימה, תאורית שלב מכרעת רומן התמרת Wavelet אלגוריתם להחיל נתונים PIV ניסיוני ^{5, 6, 19 – 26.}

Introduction

מבנים זרימת משניות הם דפוסי זרימת מְעַרבָּלִי המתרחשים גיאומטריות זרימה פנימיות עם עקמומיות כגון צינורות ותעלות מעוקלים. מבנים מְעַרבָּלִי אלה נובעים כתוצאה מפעולתם המשולבת של כוחות צנטריפוגליים, הדרגתיים ומאפיין יבוא לחץ לוואי. באופן כללי, מבני זרימה משני מופיעים מישוריים בחיתוכים של צינורות מעוקלים כמו מערבולות סימטריות דין מהסוג תחת זרם יציב, סימטרי מערבולות Dean- ולין מהסוג בתנאי יבוא תנודתית ^{1 -. 3} מורפולוגיה זרימה משניים מושפעות מאוד pulsatility מרובים הרמוניים של pulsatile, תנאי יבוא פיסיולוגיים. מבנים אלה לרכוש מאפייני גודל-כוח-צורה שונה במידה ניכרת לעומת הלא פיזיולוגי (יציב תנודתית) זורם ^{1 -. 6} התפתחות הנגע של טרשת העורקים מושפע קיומו של תנודות גזירה בתדירות גבוהה באזורים חווה ²⁷ גזירה ממוצע ^{נמוך, 28} </sup>. מבנים זרימת משניים עשויים להשפיע על ההתקדמות של מחלות כגון טרשת עורקת ואולי, לתווך את התגובה אנדותל עקב זרימת דם pulsatile ידי שינוי מדגיש גזירת קיר זמן חשיפה של חלקיקים הנישאים בדם.

טיפול נפוץ לטיפול טרשת עורקים, סיבוך וכתוצאה מכך צמצום של העורקים על ידי נגעים חסימתית, הוא השתלת סטנטים. שברי סטנט הם כשלים מבניים של סטנטים מושתלים כי להוביל לסיבוכים רפואיים נוספים כגון סטנט restenosis (ISR), פקק סטנט היווצרות מפרצת ^{9 -. 13} שברי סטנט סווגו כשל שונה "סוגי I-to-IV", "הסוג IV" שבו המאפיין את החומרה הקלינית הגבוהה ביותר מוגדר שהבר הרוחבי המלא של תמוכות סטנט יחד עם התקות ליניארי של שברי סטנט ^14. הפרוטוקול המובא במחקר זה מתאר experimentaשיטת l של הדמיה של מבנים זרימה משני במורד הזרם של שבר סטנט אידיאליזציה "סוג IV" במודל עורק מפותל.

הפרוטוקול הציע לו את התכונות מהותיות ארבע הבאות:

תכנון ייצור של מודלי סטנט מעבדה בקנה מידה: תיאור גיאומטרי של סטנטים ניתן לשייך קבוצה של ספירלות עצמיות להרחבה (מעיין או סלילים) שזור באמצעות Nitinol (סגסוגת של ניקל וטיטניום) חוטים ^29. אורכו של סטנט וקוטר יתד שלה תלוי בקנה מידת האורך של נגעי עורקים נתקלו במהלך השתלה קלינית ^5. וריאציה פרמטרית של קוטר יתד ואת הזריחה (או המגרש) מתפתל מובילה סטנטים של תצורות גיאומטריות שונות. סיכום של פרמטרי עיצוב סטנט נבחרו להדפסת 3D מוצג בלוח 1.

הכנת נוזל עבד אנלוגי דם מתאיםעם צמיגות קינמטיקה של דם ואת מקדם שבירה של סעיף המבחן: גישה אופטית לקטע הבדיקה המעוקל עורק נדרשת על מנת לבצע מדידות מהירות לא פולשנית. לפיכך, נוזל ניוטוני דם-חיקוי לעבוד עם מקדם השבירה של מודל כלי הדם באופן אידיאלי, צמיגות דינמית, התאמת דם אדם משמש כדי להשיג מדידות זרימת דם מדויק ^{16 -. 18, 30} הזורם עובר השתמש במחקר זה דווח על ידי דויטש ואח '. (2006), כי מורכב יודיד נתרן המימי הרווי 79% (NAI), 20% גליצרול טהור, ומי 1% (לפי נפח) ^16.

הסדר ניסיוני לצורך זיהוי של מבני זרימה משתי קוהרנטית באמצעות velocimetry תמונת חלקיקים שני מרכיבים, דו ממדים (2C-2D PIV): ניסויים נועדו להשיג נתונים מהירים משני שלב בממוצע זרימה במקומות מישוריים חתך שונים במורד זרם של שילוב של straight וחתכי סטנט מעוקלים המגלמת אידיאליזציה "IV סוג" שבר סטנט ^{5, 6, 9, 14.} שלבי הפרוטוקול הנוגעים לרכישת שדות מהירות זרימה משני באמצעות טכניקת velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) כרוכים מערכת PIV אשר כוללת לייזר (גיליון אור) מקור, אופטיקה להתמקד ולהאיר את האזורים של זרימה, מכשיר תשלום מצמידים חוצה קשר מיוחד (חיישן CCD או מצלמה) וחלקיקים נותב להיות מואר על ידי גיליון אור בתוך פרק זמן קצר (Δt ; ראה טבלה 4) ^{31, 32.}

השלבים בפרוטוקול להניח את הדברים הבאים: ראשית, הגדרה מכוילת, ניסיוני של מערכת PIV שני מרכיבים, דו ממדים (2C-2D) המחושבת תמונות מהקלטות פעמי מסגרת חד חשיפה. שנית, מערכת PIV 2C-2D מחשבת את ההתקות הממוצעות של חלקיקים נותבו על ידי ביצוע מתאמים צולבים בין שתי מסגרות תמונה שנרכשו במהלך כל הקלטה. brסיכום IEF של מפרטי PIV ורכישת תמונת תוכנה מוצג בטבלת החומרים וציוד. שלישית, כל אמצעי הבטיחות הדרושים כדי להפעיל את הלייזר מלוות אנשי המעבדה הכשרה בהתאם להנחיות שסופקו על ידי המוסד המארח. החוקרים מציעים שופטים. 31 ו -32 עבור הבנה הוליסטית של היישום, פונקציונליות היישום של טכניקת PIV בדינמיקת aero-, הדרה microfluid, זיהוי שיא קורלציה ואמיד עקירה, חומר צפיפות חלקיקים נותבים, רעש מדידה ודיוק. כמו כן שימו לב כי הליזר והמצלמה יכולים להיות נשלטו על ידי מחשב רכישת נתוני PIV (איור 3 א), ותוכנת עיבוד נתונים.

רכישת נתונים שלאחר עיבוד לגילוי מבנה קוהרנטי: מדידות מהירות הזרימה משני ממוצעים שלב באמצעות 2C-2D PIV נוצרו באמצעות תיאור פרוטוקול העוקב. תהליך שלאחרי ing של נתונים מעורבים זיהוי מבנה זרימה משני קוהרנטית באמצעות שלוש השיטות הבאות: התמרת Wavelet רציפה, ^{5, 6, 19 – 24, 26.}

החוקרים מציינים כי מותח שיפוע מהירות הוא בעיקרו, מטריצה ​​3 x 3,
.

הפרוטוקול מציג שיטה של ​​רכישת מדידות ניסיוני דו ממדים (מן 2C-2D טכניקת PIV). לכן, גישה ניסויית מלאה מותח שיפוע מהירות לא תהיה ברת השגה באמצעות שיטה זו. טנזור שיפוע מהירות עבור כל פיקסל של התמונה PIV צריך להיות מטריצה ​​2 x 2, . ערבוליות z-רכיב6 quation "src =" / files / ftp_upload / 51,288 / 51288eq6.jpg "/> עבור כל פיקסל מחושב באמצעות החלק אנטי-הסימטרי של מותח השיפוע המהיר . התוצאה תהיה מערך 2D של ערבוליות כי יכול להיות דמיינו מגרש קונטור. המחברים ממליצים Ref. 25 עבור גישה ניסיונית דיון נוקב מותח שיפוע מהירות לקראת שיפור הידע של פיזור ערבוליות, שיעורי זן וזיהוי מבנה קוהרנטי. יתר על כן, המחברים אינם מנסים לחקור את-היחסים ההדדיים בין שיטות זיהוי מבנה קוהרנטי הנ"ל ולהציע Ref. 23, 24 לדיון מקיף בנושא זה.

ההתמקדות של הצעדים בפרוטוקול היא זיהוי כמותי של זרימה משנית (מְעַרבָּלִי) רחructures (הידוע גם בשם מבנים קוהרנטי). שלוש שיטות של דהה זיהוי מבנה קוהרנטי., ו אדוה טרנספורמציה ערבוליות מוחלים על נתוני שדה מהיר לכיוון זיהוי מופעים רב היקף, רב-כוח של מבני זרימה משני במורד זרם של שבר סטנט האידיאליזציה "סוג IV".

ה , מגדיר מערבולת כאזור המרחבי שבו הנורמה האוקלידית של מותח ערבוליות שולטת כי שיעור זן ^{19, 23, 24} מטריקס שיפוע מהירות .the מפורקים לתוך (שיעור זן) סימטרי וחלקים אנטי-סימטריים (סיבוב). ערכים עצמיים של מטריצה ​​שיעור זן מחושבים; . נורם של שיעור זן ואז מחושב; <img alt = "14 משוואה" src = "/ files / ftp_upload / 51,288 / 51288eq14.jpg" />. ערבוליות מחושבת מהחלק סימטרי אנטי. Enstrophy או מרובע של ערבוליות z-רכיב, ) מחושב אז. ה לבסוף הוא מחושב; . עלילת קווי מתאר של המערכת השלמה של עם-אזורי iso של , יציין מבני זרימה משני ^19.

ה , הידוע גם בשם "כוח מתערבל 'היא שיטה לזיהוי מערבולת בביצוע ניתוח ביקורתי נקודות של מותח שיפוע מהירות המקומי וערכים עצמיים המתאימה לו ^{20 – 24} <sטרונג>. ערכים עצמיים של מותח שיפוע מהירות על כל פיקסל מחושבים. הערכים העצמיים צריכים להיות מהצורה, . עלילה מתארת ​​של עם-אזורי iso של יציין מבני זרימה משניים ^{20 – 22.}

אדווה להפוך שיטה משתמש פונקצית ניתוח (או ידווה) כי יש החלקות בחללים פיסיים רפאים, הוא קביל (או יש תוחלת אפס) ויש לו סופי ^{5, 6, 26.} על ידי convolving מורחבים או נדבק אדוה עם שדה ערבוליות 2D, ערבוליות טרנספורמציה אדוה שדה מופק גomprising מבנים קוהרנטי עם מגוון רחב של סולמות עוצמים ^{5, 6, 26.} שתנון האנטרופיה של השדה ערבוליות ידווה טרנספורמציה 2D מחושב להעריך את ההיקף ידווה האופטימלי שבו כל המבנים קוהרנטית נפתרים כראוי. להערכת אנטרופיה זה כרוך סט של הסתברויות עבור כל פיקסל כך ש , מודולוס המרובע המנורמל של ערבוליות הקשורים פיקסל ב מ מיקום, n ^{5, 6.} השלבים פרוצדורליים מוצגים בצורה גרפית באיור 6. את המגבלות שהוטלו על הבחירה של אדוה מוצגות בפירוט Ref. 26. זה צעד פרוטוקול מתאר את הליך לגילוי מבנה קוהרנטי באמצעות אדוה 2D Ricker. ההצדקה לשימוש זה wavelet עבור התאמת דפוסים מְעַרבָּלִי מוצג Ref. 5, 6 והאסמכתאות הרלוונטיים צטטו בה.

Protocol

תכנון ייצור 1. מודלים סטנט הערה: השלבים הבאים הקפידו ליצור מודלים במעבדה בקנה מידה של סטנטים ישרים ומתעקלים. המייצב של שני מודלים סטנט יהיה לגלם שבר "סוג IV" (פרגמנטציה ועקירה ליניארי של חלקי סטנט שבורים). <p class="jove_content" style=";text-a…

Representative Results

התוצאות המוצגות באיור 7 א-D נוצרו לאחר נתוני מהירות הזרימה משני עיבוד פוסט (ראה איורים 5, 6) רכשה 2C-2D מערכת PIV שמוצג באיור 3 א. תנאי היבוא המסופק בסעיף הבדיקה העורקת המפותל עם שבר סטנט אידיאליזציה "סוג IV" היה גל העורק הראשי…

Discussion

הפרוטוקול המובא במאמר זה מתאר את הרכישה של נתוני ניסוי באיכות גבוהה באמצעות טכניקת velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) ואת שיטות זיהוי מבנה קוהרנטי, דהה., תמרות תדווינה רציפות, , מתאים זיהוי של מערבולת ותזרים נשלטת גזירה. ניתוח…

Materials

Acrylic tubes and sheet	McMaster-Carr Supply Company		Inlet and outlet pipes and, material of the curved artery test section
Object24 Desktop 3D printer	Stratasys		Desktop rapid prototyping machine. http://www.stratasys.com/.
VeroWhitePlus Opaque material	Stratasys		Building material for Object24 Desktop 3D printer
Fullcure 705	Stratasys		Non-toxic gel-like photopolymer Support material for Object24 Desktop 3D printer
Ubbelhode viscometer	Cole Parmer	YO-98934-12	Toward measurement of kinematic viscosity of the blood-analog fluid
VELP scientifica – ESP stirrer	VELP Scientifica	F206A0179	Magnetic stirrer
Ohaus Scout Pro SP 601	The Lab Depot	SP4001	Weigh scale
Refractometer	Atago	PAL-RI	Toward measurement of refractive index of blood-analog fluid
Beakers, pipettes, syringes and spatula	Sigma-Aldrich	CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216	Toward handling materials required for blood-analog solution preparation
Sodium Iodide	Sigma-Aldrich	383112-2.5KG	Crystalline
Glycerol	Sigma-Aldrich	G5516-1L	Liquid
Deionized Water	–	–	Liquid
Sodium thiosulfate anhydrous	Sigma-Aldrich	72049-250G	Powder
PIV Recording medium	LaVision	Imager Intense 10Hz	PIV Image acquisition CCD camera
PIV Illumination source	New Wave Research	Solo III-15	PIV Laser source, Nd:YAG laser, 532 nm, dual pulse 70 mJ/pulse
PIV Imaging software	LaVision	DaVis 7.2	PIV data acquisition and instrument control
PIV Seeding material	Thermo-scientific	Flouro-Max	Red fluorescent polymer microspheres (≈ 7 µm); Dry dyed polystyrene (DVB) fluorescent microspheres emit bright and distinct colors when illuminated by the light of shorter  wavelengths than the emission wavelength.