Micro-stromingsvisualisatie voor Velocity Profiel Metingen van Micro Blood Flows
Summary
Micro-stromingsvisualisatie (μPIV) wordt gebruikt om gepaarde beelden microdeeltjes uitgezet in bloedstromen die kruis-gecorreleerde een accurate snelheidsprofiel geven visualiseren. Afschuifsnelheid, maximale snelheid, snelheid profielvorm en debiet, die elk klinische toepassingen kan worden afgeleid uit deze metingen.
Abstract
Micro-particle image velocimetry (μPIV) wordt gebruikt om gepaarde beelden van microdeeltjes uitgezaaid in bloed stroomt visualiseren. De beelden zijn cross-gecorreleerde om een nauwkeurige snelheidsprofiel geven. Een protocol wordt gepresenteerd voor μPIV metingen van het bloed stroomt in microkanalen. Aan de omvang van de microcirculatie, kan het bloed niet als een homogene vloeistof, zoals een suspensie van flexibele deeltjes in plasma, een Newtonse vloeistof. Afschuifsnelheid, maximale snelheid, snelheid profielvorm en debiet kan worden afgeleid uit deze metingen. Een aantal belangrijke parameters zoals scherptediepte, deeltje concentratie, en compliance-systeem, worden gepresenteerd in om ervoor te zorgen accurate, bruikbare gegevens samen met voorbeelden en representatieve resultaten voor de verschillende hematocrietwaarden en stromingscondities.
Introduction
Het menselijk lichaam bevat talrijke vaten met een diameter kleiner dan 50 urn, die de hoofdcentrale plaats tussen bloed en weefsels. De studie van de bloedstroom in deze vaten een aanzienlijke uitdaging vanwege zowel de omvang van de metingen en de vloeistof eigenschappen van bloed. Deze metingen, waaronder de drukgradiënt, de afschuiving op de muur, en de snelheidsprofielen in arteriolen en venulen, zijn belangrijke factoren in verband met fysiologische reacties. Er zijn nu ongekende mogelijkheden om deze meting uitdagingen op te lossen, dankzij nieuwe experimentele technieken op micro schaal om de microcirculatie te bestuderen en dit multiscale probleem op te lossen.
Micro-particle image velocimetry (μPIV) is een deeltje-gebaseerde stroom visualisatie techniek die wordt gebruikt om de snelheidsprofielen van de bloedstroom in microkanalen via kruis correlatie evalueren. μPIV, eerst ontwikkeld door Santiago et al.., is gebruikt met hemorheologystudies sinds Sugii et al.. In 2001 gebruikte de techniek om de bloedstroom te meten bij 100 micrometer ronde glazen buizen 1,2. Verschillende benaderingen van μPIV bestaan. High speed camera's kunnen worden gebruikt om de beweging van rode bloedcellen (RBC) correleren en gepulste beelden kunnen worden gebruikt om de beweging van tracer deeltjes correleren. Elk van deze opties kan worden gekoppeld met een rechtopstaande of omgekeerde microscoop, afhankelijk van de toepassing. In beide gevallen is het resultaat een 2D snelheidsprofiel. Een andere benadering is een confocale microscoop 2D en 3D profielen bereiken. Deze werkwijze is toegepast om bloed 3,4,5.
Microschaal PIV heeft verschillende complicaties in vergelijking met macro PIV. In macro PIV de gegevens kunnen worden beperkt tot een vlak door vellen van licht, maar op microschaal volume verlichting noodzakelijk is. Volume verlichting is een groter probleem voor de beeldvorming van micro bloed stroomt, zoals de RBCs zelf groot in vergelijking met de channels en met RBC als tracer deeltjes tot een diepte van correlatie (DOC) die de nauwkeurigheid van de kruiscorrelatie resultaten 6,7,8 aanzienlijk kan verminderen. Na Wereley et al.. (1998) de DOC voor een 40 micrometer lang kanaal met RBC als tracers is 8,8 micrometer, terwijl met een 1 micrometer tracer deeltje het DOC is 6,7 micrometer. Dit verschil wordt meer uitgesproken bij het wisselen van kanaal hoogte en vergroting. Daarnaast RBC ondoorzichtig en verhogen van de dichtheid van RBC in de stroom veroorzaakt imaging moeilijkheden. Fluorescerende tracer deeltjes, voor het eerst gebruikt door Santiago et al.. (1998), werden bepleit als een instrument om de invloed van de out-of-focus deeltjes, afnemen bij het gebruik van de kleinste deeltjes mogelijk. Gebruik 1 urn diameter fluorescerende microdeeltjes combinatie met een laser is een benadering die de scherptediepte probleem kan afnemen micro bloedstroom beeldvorming 10. Er zijn verschillende lopende beoordelingen van de staat van μPIV technology, die elk benadrukt het belang van μPIV om de bloedstroom studies 11,12. Aantal belangrijke overwegingen moet rekening worden gehouden bij het gebruik μPIV voor bloed. Op microniveau, de omvang van de microcirculatie, bloed niet als een homogene vloeistof, zoals een suspensie van flexibele rode bloedcellen (RBC), grote witte bloedcellen, bloedplaatjes en andere proteïnen gesuspendeerd in een Newtonse vloeistof (plasma) .
De snelheidsprofielen hier gemeten kunnen worden gebruikt om bepaalde kenmerken van het micro bloed stroomt te meten. De belangrijke factoren in microhemorheology de stroomsnelheid van het bloed, de vorm van het snelheidsprofiel en de schuifspanning in de wand van het vat. Deze informatie heeft klinische implicaties, zoals de microcirculatie is de site voor nutriënten uitwisseling in het lichaam en deze uitwisseling afschuifafhankelijke. Er zijn verschillende lopende evaluatie studies over de stand van het onderzoek in de microcirculatie en 13,14,15.
Hier gepresenteerde is een protocol voor μPIV metingen van bloed stroomt in polydimethylsiloxaan (PDMS) microkanalen. PDMS kanalen werden gefabriceerd in-house na de bronnen in deel 1 van het protocol. Varkens bloedmonsters werden verkregen van een erkend slachthuis en schoongemaakt na deel 2 van het protocol. Alle gegevens werden verkregen met behulp van de LaVision MITAS μPIV systeem, zoals beschreven in paragraaf 3 van het protocol. De opzet bestaat uit een Nd: YAG laser (New Wave Research, USA) en CCD camera (Image Intense, Lavision) bestuurd door een programmeerbare triggering eenheid, een fluorescentiemicroscoop combinatie met een bewegende fase in 3 assen, en een computer, naast een hoge snelheid camera (Dalsa 1M150, Nederland) werd toegevoegd voor visualisatie van RBC zelf. Beide camera's zijn aangesloten op een 2-poort optische doos (Custom door Zeiss, Duitsland). In typische in vivo metingen van de bloedstroom, wordt een rechtopstaande microscoop gebruikt om RBC volgen demselves, terwijl typische in vitro toepassingen een omgekeerde microscoop wordt gebruikt om de tracer deeltjes volgen. In dit unieke dual set-up, de doos optiek maakt beide tracers worden afgebeeld met behulp van de omgekeerde microscoop. Bloed werd in de microchips via een precisie spuitpomp (Nexus3000, Chemyx Inc, USA). Een diagram van het systeem wordt getoond in figuur 1, waarbij het bovenste gedeelte van de figuur is de 140 urn met 40 urn rechthoekige kanalen gemaakt van PDMS, en het onderste deel betreft het gehele systeem, inclusief beide camera, de laser, de spuitpomp en de microscoop.
Huidige μPIV set-ups beschikbaar, meestal met eigen software, onder andere TSI, Dantec Dynamics, en LaVision. Standaard kruiscorrelatie algoritmen kan door talrijke softwareprogramma's zoals MATLAB. De software is niet de sleutel, te begrijpen wat de dialoog vakjes komen overeen met zal mathematisch het gebruik dienenr veel beter. In dit protocol Davis, zijn eigen software LaVision's of MATLAB gebruikt. Het protocol is geen software-specifieke, maar de menu-opties zijn mogelijk op verschillende plaatsen in verschillende softwarepakketten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met behulp μPIV voor bloedstroom metingen op de schaal van de microcirculatie kan inzicht geven in een groot aantal relevante biomedische, mechanische en chemische techniek processen. Enkele van de belangrijkste factoren om rekening te houden met de dichtheid van de RBC zelf, de aggregatie en vervormbaarheid van de RBC, samenvoeging of verplaatsing van de fluorescerende micro-deeltjes, en de regeling van de RBC in de kanalen. Al deze kan worden verklaard indien de hierboven vastgestelde algemene richtlijnen worden gevo…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag NSERC (Natural Sciences and Engineering Council of Canada) bedanken voor financiering, Catherine Pagiatikis voor haar hulp in de eerste runs, Sura Abu-Mallouh en Frederick Fahim voor het testen van het protocol, Richard Prevost van LaVision, Inc voor technische ondersteuning, en Guy Cloutier van de Universiteit van Montreal voor de lening van de Dalsa high-speed camera.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| poly(dimethylsiloxane) (PDMS), i.e. Sylgard-184 | Dow-Corning | 3097358-1004 | |
| ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich | E9884-100G | |
| poshpate buffered saline (PBS) | Sigma Aldrich | P5368-10PAK | |
| fluorescing micro particles | Microgenics/FisherSci | R900 | |
| glycerol (OPTIONAL) | Sigma Aldrich | G6279-500 ml | |
| microcentrifuge, i.e. CritSpin | FisherSci | 22-269-291 | |
| syringe, i.e. 50 μl Gastight | Hamilton | 80965 | |
| camera, i.e. Imager Intense, high speed | LaVision, Dalsa | Imager Intense | |
| microscope, i.e. MITAS | LaVision | MITAS | |
| Nd:YAG laser | New Wave Research | Solo-II | |
| syringe pump, i.e. Nexus3000 | Chemyx, Inc. | Nexus-3000 | |
| flexible tubing, i.e. Tygon | FisherSci | 14-169-1A | |
| data processing software, i.e. DaVis | LaVision | DaVis | |
| centrifuge, i.e. Thermo Scientific CL2 | Thermo Scientific | 004260F |
Riferimenti
- Santiago, J. G., Wereley, S. T., Meinhart, C. D. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids. 25, 316-319 (1998).
- Sugii, Y., Okamoto, K., Nishio, S., Nakano, A. Evaluation of Velocity Measurement in Micro Tube by Highly Accurate PIV Technique. , 1-5 (2001).
- Park, J. S., Choi, C. K., Kihm, K. D. Optically sliced micro-PIV using confocal laser scanning microscopy (CLSM). Exp. Fluids. 37 (1), 105-119 (2004).
- King, M. R., Bansal, D., Kim, M. B., Sarelius, I. H. The effect of hematocrit and leukocyte adherence on flow direction in the microcirculation. Ann. of Biomed. Eng. 32 (6), 803-814 (2004).
- Lima, R., Wada, S., Tsubota, K., Yamaguchi, T. Confocal micro-PIV measurements of three-dimensional profiles of cell suspension flow in a square microchannel. Meas. Sci. Tech. 17 (4), 797-808 (2006).
- Wereley, S. T., Santiago, J. G., Chiu, R., Meinhart, C. D., Adrian, R. J. Micro-resolution particle image velocimetry. Micro- and Nanofabricated Structures and Devices for Biomedical Environmental Applications. 3258, 122-133 (1998).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 11, 809-814 (2000).
- Chayer, B., Pitts, K. L., Cloutier, G. Velocity measurement accuracy in optical microhemodynamics: experiment and simulation. Physiological Measurement. , (2012).
- Tabeling, P. . Introduction to Microfluidics. , (2005).
- Olson, M. G., Adrian, R. J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 29, S166-S174 (2000).
- Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent advances in micro-particle image velocimetry techniques. Ann. Rev. Fluid Mech. 42, 557-576 (2010).
- Williams, S. J., Park, C., Wereley, S. T. Advances and applications on microfluidic velocimetry. Microfluid. Nanofluid. 8 (6), 709-726 (2010).
- Chiu, J. J., Chen, S. Effects of disturbed flow on vascular endothelium: Pathophysiological basis and clinical perspectives. Physiol. Rev. 91 (1), 327-387 (2011).
- Secomb, T. W., Pries, A. R. The microcirculation: Physiology at the mesoscale. J. Physiol. 589 (5), 1047-1052 (2011).
- Popel, A. S., Johnson, P. C. Microcirculation and hemorheology. Annual Review of Fluid Mechancis. 37, 43-69 (2005).
- Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angewandte Chemie International Edition England. 37, 551-577 (1998).
- Whitesides, G. M., Stroock, A. D. Flexible methods for microfluidics. Physics Today. , 42-48 (2001).
- Sia, S. K., Whitesides, G. M. Microfluidic devices fabricated of poly(dimethylsiloxane) for biological studies. Electrophoresis. 24, 3563-3576 (2003).
- Zhou, J., Ellis, A. V., Voelcker, N. H. Recent developments in PDMS surface modifications for microfluidic devices. Electrophoresis. 31, 2-16 (2009).
- Pitts, K. L., Abu-Mallouh, S., Fenech, M. F. Contact angle study of blood dilutions on common microchip materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. , (2012).
- Hovav, T., Yedgar, S., Manny, N., Barshtein, G. Alteration of red blood cell aggregability and shape during blood storage. Transfusion. 39, 277-281 (1999).
- Pitts, K. L., Mehri, R., Mavriplis, C., Fenech, M. F. Micro-particle image velocimetry measurement of blood flow: validation and analysis of data pre-processing and processing methods. Measurement Science and Technology. 23, 105302 (2012).
- Kloosterman, A., Poelma, C., Westerweel, J. Flow rate estimation in large depth-of-field micro-PIV. Exp. Fluids. 50 (6), 1587-1599 (2011).
- Goldsmith, H. L., Skalak, R. Hemodynamics. Annual Review of Fluid Mechanics. 7, 213-247 (1975).
