Велоциметрическое исследование гемодинамики с помощью аортального фантома
Summary
Настоящий протокол описывает измерения велоциметрии изображения частиц (PIV), выполненные для исследования потока пазух через установку in vitro транскатетерного аортального клапана (TAV). Также определяются гемодинамические параметры, основанные на скорости.
Abstract
Дисфункция аортального клапана и инсульт недавно были зарегистрированы у пациентов с транскатетерной имплантацией аортального клапана (TAVI). Подозревается тромб в синусе аорты и неосинусе из-за гемодинамических изменений. Эксперименты in vitro помогают исследовать гемодинамические характеристики в тех случаях, когда оценка in vivo оказывается ограниченной. Эксперименты in vitro также более надежны, а переменные параметры легко контролируются. Велоциметрия изображений частиц (PIV) является популярным методом велоциметрии для исследований in vitro . Он обеспечивает поле скоростей с высоким разрешением, так что наблюдаются даже мелкомасштабные особенности потока. Цель этого исследования – показать, как PIV используется для исследования поля потока в пазухе аорты после TAVI. Описана установка фантома аорты in vitro , TAVI для PIV, а также процесс сбора данных и анализ потока постобработки. Получены гемодинамические параметры, включая скорость, застой потока, вихрь, вихрь и резидентность частиц. Результаты подтверждают, что эксперименты in vitro и PIV помогают исследовать гемодинамические особенности в синусе аорты.
Introduction
Стеноз аорты является распространенным заболеванием у пожилых людей, и это когда аортальный клапан не открывается, уменьшая кровоток. Проблема вызвана утолщением или обызвествлением аортального клапана1. Поэтому это необходимое лечение для усиления кровотока и снижения нагрузки на сердце. Его лечат путем ремоделирования аортального клапана или замены его искусственным клапаном. Это исследование фокусируется на транскатетерной имплантации аортального клапана (TAVI), замене неисправного аортального клапана искусственным с использованием катетера.
TAVI был рекомендован для пациентов с трудностями в хирургии, и смертность также была низкой2. Недавно сообщалось, что тромб у пациентов после TAVI вызывал дисфункцию клапана и инсульт 3,4. Подозревается тромб в синусе аорты и неосинусе, причем его причиной, вероятно, являются изменения гемодинамики, вызванные TAVI. Выполняется без снятия родных листовок; эти листочки могут нарушать синусовое течение и повышать риск тромбоза5.
Трудно определить, как на кровоток влияет TAVI и как тромбоз индуцируется у пациентов. Желательно выяснить взаимосвязь между кровотоком и образованием тромбов in vivo. Однако отсутствие практических методов измерения кровотока делает это проблематичным. С другой стороны, методы in vitro имеют преимущество в том, что позволяют контролировать изменения в кровотоке, ограничивая параметры, которые необходимо исследовать. Установка in vitro и велоциметрия изображения частиц (PIV) были использованы для определения скорости в медицинских областях 6,7,8. Поэтому in vitro и PIV достаточно для определения параметров, о которых следует сообщать, имитируя состояние пациента: частоту сердечных сокращений и давление, вязкость и геометрию пазух, и позволяют контролировать эти параметры.
В этом исследовании установка in vitro и PIV используются для исследования потока в пазухе аорты после TAVI. Аортальный фантом и TAVI для PIV, а также процесс сбора данных и анализ потока постобработки описаны в этом протоколе. Получены различные гемодинамические параметры, включая скорость, застой, вихрь, вихрь и резидентность частиц. Результаты показывают, что установка in vitro и PIV помогают исследовать гемодинамические особенности в синусе аорты.
Protocol
Representative Results
Discussion
Синусовый поток изменился из-за другой геометрии пазух после TAVI. Вихрь образовывался при открытии аортального клапана и взаимодействии с передней струей систолы22. При исследовании искусственного хирургического клапана без нативных листочков вихрь, наблюдавшийся в синус…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Программой фундаментальных научных исследований Национального исследовательского фонда Кореи, которая финансируется Министерством образования (NRF-2021R1I1A3040346 и NRF-2020R1A4A1019475). Это исследование также было поддержано исследовательским грантом 2018 года (PoINT) от Национального университета Канвон.
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).
