Investigação de Velocimetria de Imagem de Partículas da Hemodinâmica via Fantasma Aórtico
Summary
O presente protocolo descreve as medições de velocimetria de imagem de partículas (PIV) realizadas para investigar o fluxo sinusino através da configuração in vitro da válvula aórtica transcateter (TAV). Os parâmetros hemodinâmicos baseados na velocidade também são determinados.
Abstract
Disfunção da válvula aórtica e derrame foram recentemente relatados em pacientes com implantação de válvula aórtica transcateter (TAVI). Thrombus no seio aórtico e neo-sinuso devido a alterações hemodinâmicas tem sido suspeito. Experimentos in vitro ajudam a investigar as características hemodinâmicas nos casos em que uma avaliação in vivo se mostra limitada. Experimentos in vitro também são mais robustos, e os parâmetros variáveis são controlados prontamente. A velocimetria de imagem de partículas (PIV) é um método popular de velocimetria para estudos in vitro . Ele fornece um campo de alta velocidade de alta resolução, de tal forma que até mesmo características de fluxo em pequena escala são observadas. O objetivo deste estudo é mostrar como o PIV é usado para investigar o campo de fluxo no seio aórtico após o TAVI. A configuração in vitro do fantasma aórtico, TAVI para PIV e o processo de aquisição de dados e análise de fluxo pós-processamento são descritos. Os parâmetros hemodinâmicos são derivados, incluindo velocidade, estase de fluxo, vórtice, vórtice e residência de partículas. Os resultados confirmam que experimentos in vitro e PIV ajudam a investigar as características hemodinâmicas no seio aórtico.
Introduction
A estenose aórtica é uma doença comum em idosos, e é quando a válvula aórtica não abre, reduzindo o fluxo sanguíneo. O problema é causado pelo espessamento ou calcificação da válvula aórtica1. Portanto, é necessário um tratamento para aumentar o fluxo sanguíneo e diminuir a carga no coração. É tratado remodelando a válvula aórtica ou substituindo-a por uma válvula artificial. Este estudo se concentra na implantação da válvula aórtica transcateter (TAVI), substituindo a válvula aórtica defeituosa por uma artificial usando um cateter.
A TAVI tem sido recomendada para pacientes desafiados em cirurgia, e a mortalidade também tem sido baixa2. Recentemente, foi relatado que o trombo em pacientes após tavi causou disfunção valvar e derrame 3,4. Suspeita-se de trombos no seio aórtico e neo-sinuso, sendo sua causa provavelmente as mudanças na hemodinâmica causadas pelo TAVI. É realizado sem a remoção dos folhetos nativos; esses folhetos podem perturbar o fluxo sinusino e elevar o risco de trombose5.
É difícil determinar como o fluxo sanguíneo é afetado pelo TAVI e como a trombose é induzida em pacientes. É desejável elucidar a relação entre fluxo sanguíneo e formação de trombos in vivo. No entanto, a falta de técnicas práticas para medir o fluxo sanguíneo torna isso problemático. Por outro lado, as técnicas in vitro têm a vantagem de permitir que se monitore as alterações no fluxo sanguíneo limitando os parâmetros que devem ser investigados. A configuração in vitro e a velocimetria de imagem de partículas (PIV) têm sido utilizadas para identificar velocidade nos campos médicos 6,7,8. Portanto, in vitro e PIV são suficientes para determinar os parâmetros a serem relatados imitando a condição do paciente: a frequência cardíaca e pressão, viscosidade e geometria sinusal, e permitindo que se controle esses parâmetros.
Neste estudo, a configuração in vitro e o PIV são usados para investigar o fluxo no seio aórtico após o TAVI. O fantasma aórtico e o TAVI para o PIV e o processo de aquisição de dados e análise de fluxo pós-processamento estão descritos neste protocolo. Vários parâmetros hemodinâmicos são derivados, incluindo velocidade, estase, vórtice, vórtice e residência de partículas. Os resultados demonstram que a configuração in vitro e o PIV ajudam a investigar as características hemodinâmicas no seio aórtico.
Protocol
Representative Results
Discussion
O fluxo sinuso mudou devido a diferentes geometria sinusas depois de TAVI. O vórtice foi formado pela abertura da válvula aórtica e pela interação com o jato dianteiro da sístole22. No estudo da válvula cirúrgica artificial sem folhetos nativos, o vórtice observado na região do seio na sístole foi normal23. Este estudo forma o vórtice apresentado na diastole reduzindo o jato dianteiro e entrando no seio. O fluxo sinuso encontrou o folheto nativo; como resultado,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Pesquisa em Ciência Básica da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, que é financiado pelo Ministério da Educação (NRF-2021R1I1A3040346 e NRF-2020R1A4A1019475). Este estudo também foi apoiado pelo Research Grant (PoINT) de 2018 da 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).
