Experimentell undersökning av sekundärflöde strukturer nedströms en modell av typ IV Stent Misslyckande i en 180 ° Böjd Artery testsektionen

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

Den arteriella nätverket i den mänskliga kärl består av ubiquitously närvarande blodkärl med komplexa geometrier (grenar, krökningar och slingrighet). Sekundära flödesstrukturerna är virvelflödesmönster som förekommer i krökta artärer på grund av den kombinerade effekten av centrifugalkrafter, negativa tryckgradienter och inflödes egenskaper. Sådana flödes morfologier påverkas i hög grad av pulsatilitet och flera övertoner av fysiologiska inflödesförhållanden och varierar mycket i storlek-styrka-formegenskaper jämfört med icke-fysiologiska (stadig och oscillerande) flödar ^1-7.

Sekundära flödesstrukturerna i slutändan kan påverka tiden för blodburna partiklar vägg skjuvspänningen och exponering mot progression av ateroskleros, restenos, sensibilisering av blodplättar och trombos ^{4-6, 8-13} Därför förmågan att detektera och karakterisera dessa strukturer under laboratorie. -kontrollerade betingelser är precurseller att ytterligare kliniska undersökningar.

En vanlig kirurgisk behandling för att åderförkalkning är stent implantation, för att öppna upp förträngda artärer för obehindrat blodflöde. Men de åtföljande flödesstörningar på grund av stent installationer resulterar i flera skala sekundära flödes morfologier ^{4 -. 6} Successivt högre ordningens komplexitet såsom asymmetri och förlust i överensstämmelse kan framkallas genom efterföljande stent fel gentemot de under ostörda flöden ^5. Dessa stent misslyckanden har klassificerats som "typ I-till-IV" som baseras på fel överväganden och klinisk svårighetsgrad ^14.

Denna studie presenterar ett protokoll för experimentella undersökningar av de komplexa sekundära flödesstrukturerna på grund av att slutföra tvär stent fraktur och linjär förflyttning av brutna delar ( "typ IV") i en krökt artär modell. Den experimentella metoden innebär genomförandet av Particle Image Velocimetry (2C-2D PIV) tekniker med en arketypisk halspulsådern inflöde vågform, matchade ett brytningsindex blod analog arbetsvätska för fas genomsnittliga mätningar ^{15 -. 18} Kvantitativ identifiering av sekundära flödesstrukturerna uppnåddes använda begrepp flödes fysik, kritisk punkt teori och en roman wavelet omvandla algoritm tillämpas på experimentell PIV uppgifter ^{5, 6, 19-26.}

Introduction

Sekundära flödesstrukturerna är virvelflödesmönster som förekommer i den interna flödesgeometrier med krökningar som böjda rör och kanaler. Dessa virvel strukturer uppkommer på grund av den kombinerade effekten av centrifugalkrafter, negativa tryckgradienter och inflödes egenskaper. I allmänhet, sekundära flödesstrukturerna visas i plana tvärsnitt av bågrör som symmetriska Dean-typ virvlar under konstant inflöde och, symmetriska Dean- och Lyne-typ virvlar enligt oscillerande inflödesförhållanden ^{1 -. 3} Sekundära flödes morfologier påverkas i hög grad av pulsatilitet och flera övertoner av pulserande, fysiologiska inflödesförhållanden. Dessa strukturer förvärva markant olika storleks styrka formegenskaper jämfört med icke-fysiologiska (stadig och oscillerande) strömmar ^{en -. 6} aterosklerotisk skada utveckling i artärerna påverkas av förekomsten av högfrekventa skjuvning svängningar i regioner med låg genomsnittlig skjuvning ^{27, 28} </sup>. Sekundära flödesstrukturerna kan påverka fortskridandet av sjukdomar såsom ateroskleros och möjligen, medierar den endoteliala svar på grund av pulserande blodflöde genom att förändra vägg skjuvspänningar och exponeringstider av blodburna partiklar.

En vanlig behandling för ateroskleros, en komplikation som leder till förträngning av artärerna med obstruktiva lesioner, är implantation av stentar. Stent frakturer är strukturella misslyckanden implanterade stentar som leder till ytterligare medicinska komplikationer såsom in-stent restenos (ISR), stenttrombos och aneurysm bildning ^{9 -. 13} stentfrakturer har kategoriserats i olika fel "typ I-till-IV", vari "typ IV" präglar den högsta kliniska svårighetsgraden och definieras som den fullständiga tvärgående fraktur av stentstag tillsammans med linjära förskjutningar av stent fragmenten ^14. protokollet presenteras i denna studie beskriver en Experimental metod visualisering av sekundära flödesstrukturer nedströms en idealiserad "typ IV" stent fraktur i en krökt artär modell.

Den föreslagna protokollet har följande fyra viktiga funktioner:

Utformning och tillverkning av laboratorieskala stent modeller: geometrisk beskrivning av stentar kan associeras med en uppsättning av självexpander spiraler (fjädrar eller helixar) sammanflätade med hjälp av Nitinol (en legering av nickel och titan) ledningar ^29. Längden på stenten och dess strut diameter beror på längden skala av arteriella lesioner som uppstår under klinisk implantation ^5. Parametrisk variation av strut diameter och resningen av lindning (eller pitch) leder till stentar med olika geometriska former. En sammanfattning av stentkonstruktionsparametrar som valts för 3D-utskrift presenteras i tabell 1.

Framställning av en blod analog arbetsfluid matchasmed kinematisk viskositet av blod och brytningsindexet hos testsektionen: Optisk åtkomst till den krökta artären testsektionen krävs för att göra icke-invasiva mätningar velocity. Följaktligen är en newtonsk blodliknande arbetsfluid med brytningsindex för det vaskulära modellen och idealiskt, en dynamisk viskositet, matchande humant blod används för att erhålla noggrann blodflödesmätningar ^{16 -. 18, 30} Den arbetsfluid som används i denna studie rapporterades av Deutsch et al. (2006), som bestod av 79% mättad vattenlösning av natriumjodid (Nal), 20% ren glycerol och 1% vatten (räknat på volymen) ^16.

Experimentell arrangemang för detektering av sammanhängande sekundära flödesstrukturer med hjälp av en två-komponent, tvådimensionell Particle Image Velocimetry (2C-2D PIV): Experiment utformade för att förvärva fas-genomsnitt sekundärt flöde hastighetsdata på olika plana tvärsnitts platser nedströms en kombination av straight och böjda stent sektioner förkroppsligar en idealiserad "typ IV" stent fraktur ^{5, 6, 9, 14.} Protokollet steg som hänför sig till förvärvet av sekundär flödeshastighetsfält med hjälp av partikel bild Velocimetry (PIV) teknik innebär en PIV-system som består av en laser (ljus ark) källa, optik att fokusera och belysa regionerna flöde, en speciell korskorrelationsladdningskopplad enhet (CCD-sensor eller kamera) och spårpartiklar att belysas av ljuset arket inom en kort tidsintervall (At ; se tabell 4) ^{31, 32.}

Stegen i protokollet antar följande: För det första, en kalibrerad, experimentuppställning av en två-komponent, tvådimensionell (2C-2D) PIV system som utvärderar bilder genom att dubbel ram, inspelningar enda exponering. För det andra, beräknar 2C-2D PIV-systemet medel förskjutningar av spårpartiklar genom att utföra korskorrelation mellan två bildramar som förvärvats under varje inspelning. En brIEF sammanfattning av PIV specifikationer och bilden förvärvet programvara redovisas i tabellen material och utrustning. För det tredje, alla säkerhetsåtgärder som krävs för att driva lasern följt av utbildad laboratoriepersonal enligt de riktlinjer som värdinstitution. Författarna föreslår ref. 31 och 32 för en helhetsförståelse av genomförandet, funktionalitet och tillämpning av PIV teknik flyg-, vatten- och mikrofluiddynamik, korrelationstoppdetektering och förskjutning uppskattning, materiella och densitet av spårpartiklar och mätbrus och noggrannhet. Observera också att lasern och kameran kan styras av PIV datainsamling dator (figur 3A) och databearbetningsmjukvara.

Datainsamling och efterbearbetning för koherent struktur detektering: Fas-genomsnitt sekundära flödeshastighet mätningar med en 2C-2D PIV genererades med användning av protokollet beskrivningen som följer. Efterbehandling Ing av data inblandade sammanhängande sekundärflödesstruktur upptäckt med hjälp av följande tre metoder: kontinuerlig wavelettransformationer, ^{5, 6, 19-24, 26.}

Författarna noterar att hastighetsgradienten tensor är i huvudsak, en 3 x 3 matris,
.

Protokollet presenterar en metod för att förvärva tvådimensionella experimentella mätningar (från 2C-2D PIV teknik). Därför kommer fullständig experimentell tillgång till hastighetsgradienten tensor inte kan uppnås med denna metod. Hastighetsgradienten tensor för varje pixel av PIV bilden bör vara en 2 x 2 matris, . Z-komponenten vorticitetquation 6 "src =" / filer / ftp_upload / 51.288 / 51288eq6.jpg "/> för varje pixel beräknas med hjälp av anti-symmetriska delen av hastighetsgradienten tensor . Resultatet blir en 2D matris med virvelbildning som kan visualiseras i en konturkurva. Författarna föreslår starkt Ref. 25 för en vältalig diskussion experimentell tillgång till hastighetsgradient tensor mot att öka kunskapen om vorticity avledning, töjningshastigheter och sammanhängande struktur upptäckt. Vidare har författarna inte försöka utforska det inbördes förhållandet mellan de ovannämnda sammanhängande struktur detektionsmetoder och föreslå Ref. 23, 24 för en omfattande diskussion om detta ämne.

Fokus för stegen i protokollet är den kvantitativa identifiering av sekundärflöde (virvel) structures (även känd som sammanhängande strukturer). Tre metoder för sammanhängande struktur upptäckt nämligen., och wavelet transforme vorticitet tillämpas på hastighet fältdata mot detektion av flera skala, multi-styrka förekomster av sekundära flödesstrukturer nedströms den idealiserade "typ IV" stent fraktur.

De , Definierar en virvel som en rumslig region där den euklidiska normen av vorticitet tensor dominerar det av hastigheten av stammen ^{19, 23, 24} .Det hastighetsgradient matrisen sönderdelas till symmetriska (töjningshastighet) och anti-symmetriska (rotation) delar. Egenvärden av töjningshastigheten matris beräknas; . Norm av töjningshastigheten beräknas sedan; <img alt = "Equation 14" src = "/ filer / ftp_upload / 51.288 / 51288eq14.jpg" />. Vorticity beräknas från anti- symmetriska delen. Enstrophy eller kvadraten av z-komponent vorticity, ) Beräknas därefter. De är slutligen beräknas; . En kontur tomt på hela uppsättningen av med iso-regioner , Indikerar sekundär flödesstrukturer ^19.

De , Även känd som "virvlande styrka" är en virvelidentifieringsmetod som utförs av kritisk-punkt-analys av det lokala hastighetsgradienten tensor och dess motsvarande egenvärden ^20-24 <sTrong>. Egenvärden i hastighetsgradienten tensor vid varje pixel beräknas. Egenvärdena bör vara av formen, . En kontur tomt på med iso-regioner indikerar sekundära flödesstrukturerna ^20-22.

Wavelet transformmetoden utnyttjar en analysfunktion (eller wavelet) som har jämnhet i fysiska och spektrala utrymmen är tillåtlig (eller har noll medelvärde) och har en ändlig ^{5, 6, 26.} Genom faltning en utvidgad eller kontrakterade wavelet med en 2D-virvelfält, wavelet transformerade virvel fält genereras comprising sammanhängande strukturer med ett brett spektrum av skalor och styrkor ^{5, 6, 26.} Shannon entropi av 2D wavelet-transformerade virvelfält beräknas att uppskatta den optimala wavelet skala där alla sammanhängande strukturer är tillräckligt löst. Detta entropi uppskattningen innebär en uppsättning sannolikheter för varje pixel Så att Den normaliserade kvadrat modul av virvelbildningen i samband med pixeln på plats m, n ^{5, 6.} Procedur steg presenteras grafiskt i figur 6. De restriktioner på valet av wavelet presenteras i detalj i ref. 26. Detta protokoll steg beskriver proceduren för koherent struktur upptäckt med hjälp av en 2D Ricker wavelet. Motiveringen för användningen av detta wavelet för virvelmönstermatchning presenteras i ref. 5, 6 och de relevanta referenser som citeras däri.

Protocol

1. Design och tillverkning av Stent modeller Obs: Följande steg har följts för att skapa laboratorieskalemodeller av raka och böjda stentar. Installationen av de två stent modellerna kommer att förkroppsliga en "typ IV" fraktur (fragmentering och linjär förflyttning av brutna stentdelar). Notera: Författarna använde Pro / Engineer programvara vid tiden för forskning för att skapa CAD-modeller av stenten geometri. Proceduren nedan är generell …

Representative Results

Resultaten som presenteras i Figur 7A-D alstrades efter efterbearbetning sekundärt flöde hastighetsdata (se figurerna 5, 6) förvärvades från 2C-2D PIV system som visas i figur 3A. Inflödet tillstånd matas till den krökta artären testsektionen med en idealiserad "typ IV" stent fraktur var karotisartären vågform som visas i figur 4B. Våra tidigare studier har visat att känsligheten hos sekundära fl?…

Discussion

Protokollet presenteras i detta dokument beskriver förvärvet av hifi experimentella data med hjälp av partikel bild Velocimetry teknik (PIV) och sammanhängande struktur detektionsmetoder, nämligen., Kontinuerliga wavelettransformationer, , Lämpar sig för identifiering av virvel och skjuvning dominerade flöden. Analys av experimentella data från fysiologiska inflöden i närvaro av en idealiserad "typ IV" fraktu…

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.