Deeltjesbeeld Velocimetrie Onderzoek van hemodynamiek via aortafantoom
Summary
Het huidige protocol beschrijft deeltjesbeeld velocimetrie (PIV) metingen die worden uitgevoerd om de sinusstroom door de in vitro opstelling van de transkatheter aortaklep (TAV) te onderzoeken. De hemodynamische parameters op basis van snelheid worden ook bepaald.
Abstract
Aortaklepdisfunctie en beroerte zijn onlangs gemeld bij patiënten met transkatheter aortaklepimplantatie (TAVI). Trombus in de aorta sinus en neo-sinus als gevolg van hemodynamische veranderingen is vermoed. In vitro experimenten helpen bij het onderzoeken van de hemodynamische kenmerken in de gevallen waarin een in vivo beoordeling beperkt blijkt te zijn. In vitro experimenten zijn ook robuuster en de variabele parameters worden gemakkelijk gecontroleerd. Particle image velocimetry (PIV) is een populaire velocimetriemethode voor in vitro studies. Het biedt een snelheidsveld met hoge resolutie, zodat zelfs kleinschalige stromingskenmerken worden waargenomen. Het doel van deze studie is om aan te tonen hoe PIV wordt gebruikt om het stroomveld in de aorta-sinus na TAVI te onderzoeken. De in vitro opstelling van het aortafantoom, TAVI voor PIV, en het data-acquisitieproces en de nabewerkingsstroomanalyse worden beschreven. De hemodynamische parameters worden afgeleid, waaronder de snelheid, stroomstasis, vortex, vorticiteit en deeltjesverblijf. De resultaten bevestigen dat in vitro experimenten en PIV helpen bij het onderzoeken van de hemodynamische kenmerken in de aorta-sinus.
Introduction
Aortastenose is een veel voorkomende ziekte bij oudere volwassenen en het is wanneer de aortaklep niet opent, waardoor de bloedstroom wordt verminderd. Het probleem wordt veroorzaakt door de verdikking of verkalking van de aortaklep1. Daarom is het een noodzakelijke behandeling om de bloedstroom te verbeteren en de belasting van het hart te verminderen. Het wordt behandeld door de aortaklep te verbouwen of te vervangen door een kunstklep. Deze studie richt zich op transkatheter aortaklepimplantatie (TAVI), waarbij de defecte aortaklep wordt vervangen door een kunstmatige met behulp van een katheter.
TAVI is aanbevolen voor patiënten die worden uitgedaagd tijdens operaties, en de mortaliteit is ook laag2. Onlangs is gemeld dat trombus bij patiënten na TAVI klepdisfunctie en beroerte 3,4 veroorzaakte. Trombus in de aorta sinus en neo-sinus wordt vermoed, met als oorzaak waarschijnlijk de veranderingen in de hemodynamiek veroorzaakt door TAVI. Het wordt uitgevoerd zonder de inheemse folders te verwijderen; deze folders kunnen de sinusstroom verstoren en het risico op tromboseverhogen 5.
Het is moeilijk om te bepalen hoe de bloedstroom wordt beïnvloed door TAVI en hoe trombose wordt geïnduceerd bij patiënten. Het is wenselijk om de relatie tussen bloedstroom en trombusvorming in vivo op te helderen. Een gebrek aan praktische technieken voor het meten van de bloedstroom maakt dit echter problematisch. Aan de andere kant hebben in vitro technieken het voordeel dat men de veranderingen in de bloedstroom kan volgen door de parameters die moeten worden onderzocht te beperken. In vitro setup en particle image velocimetry (PIV) zijn gebruikt om snelheid in medische velden te identificeren 6,7,8. Daarom zijn in vitro en PIV voldoende voor het bepalen van de te rapporteren parameters door de toestand van de patiënt na te bootsen: de hartslag en druk, viscositeit en sinusgeometrie, en om deze parameters te kunnen regelen.
In deze studie worden in vitro setup en PIV gebruikt om de stroming in de aorta sinus na TAVI te onderzoeken. Het aortafantoom en TAVI voor de PIV en het data-acquisitieproces en de nabewerkingsstroomanalyse worden in dit protocol beschreven. Verschillende hemodynamische parameters worden afgeleid, waaronder de snelheid, stasis, vortex, vorticiteit en deeltjesresidentie. De resultaten tonen aan dat in vitro setup en PIV helpen bij het onderzoeken van de hemodynamische kenmerken in de aorta-sinus.
Protocol
Representative Results
Discussion
De sinusstroom veranderde door verschillende sinusgeometrie na TAVI. De vortex werd gevormd door de opening van de aortaklep en de interactie met de voorwaartse straal van systole22. In de studie van de kunstmatige chirurgische klep zonder inheemse blaadjes was de vortex waargenomen in het sinusgebied bij systole normaal23. Deze studie vormt de vortex die bij diastole wordt gepresenteerd door de voorwaartse straal te verminderen en in de sinus te komen. De sinusstroom stuit…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door het Basic Science Research Program van de National Research Foundation of Korea, dat wordt gefinancierd door het ministerie van Onderwijs (NRF-2021R1I1A3040346 en NRF-2020R1A4A1019475). Deze studie werd ook ondersteund door 2018 Research Grant (PoINT) van Kangwon National University.
Materials
| 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/1.4 | |
| 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: 1-2×109 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. , (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. , (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. , (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).
