एक 180 डिग्री घुमावदार धमनी जांच खंड में एक मॉडल प्रकार चतुर्थ स्टेंट विफलता के डाउनस्ट्रीम माध्यमिक प्रवाह संरचनाएं की प्रयोगात्मक जांच

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

मानव वाहिका में धमनी नेटवर्क जटिल geometries (शाखाओं, curvatures और टेढ़ा-मेढ़ापन) के साथ सर्वत्र उपस्थित रक्त वाहिकाओं के शामिल हैं। माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं फेरने का प्रवाह पैटर्न है कि केंद्रत्यागी बलों, प्रतिकूल दबाव ढ़ाल और प्रवाह विशेषताओं की संयुक्त कार्रवाई के कारण घुमावदार धमनियों में होते हैं। ऐसे प्रवाह morphologies बहुत pulsatility और शारीरिक प्रवाह की स्थिति के कई harmonics से प्रभावित और गैर-शारीरिक (स्थिर और oscillatory) बहती ¹ की तुलना में आकार-शक्ति-आकार विशेषताओं में काफी भिन्नता है ^{– 7।}

माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं अंततः atherosclerosis, restenosis, प्लेटलेट्स की संवेदीकरण और घनास्त्रता ⁴ की प्रगति की ओर रक्त जनित कणों की दीवार कतरनी तनाव और जोखिम समय को प्रभावित कर सकते हैं ^{– 6, 8 – 13} इसलिये, प्रयोगशाला के तहत पता लगाने और इन संरचनाओं को चिह्नित करने की क्षमता। नियंत्रित स्थितियों precurs हैया नैदानिक ​​जांच को आगे बढ़ाने के लिए।

atherosclerosis करने के लिए एक आम शल्य चिकित्सा उपचार स्टेंट आरोपण, अबाधित रक्त के प्रवाह के लिए stenosed धमनियों को खोलने के लिए है। लेकिन स्टेंट प्रतिष्ठानों के कारण सहवर्ती प्रवाह perturbations बहु पैमाने माध्यमिक प्रवाह morphologies ⁴ में परिणाम ^{-। 6} ऐसे विषमता और जुटना में नुकसान के रूप में उत्तरोत्तर अधिक आदेश जटिलताओं आगामी स्टेंट विफलताओं बेफिक्र प्रवाह ^{5 के} तहत उन तुलना- A- विज़ द्वारा प्रेरित किया जा सकता है। इन स्टेंट विफलताओं "प्रकार मैं करने वाली चतुर्थ" की विफलता के विचार और नैदानिक ​​गंभीरता ¹⁴ के आधार पर के रूप में वर्गीकृत किया गया है।

इस अध्ययन जटिल माध्यमिक प्रवाह एक घुमावदार धमनी मॉडल में अनुप्रस्थ स्टेंट फ्रैक्चर और खंडित भागों के रैखिक विस्थापन ( "प्रकार चतुर्थ") पूरा करने के कारण संरचनाओं की प्रायोगिक जांच के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है। प्रयोगात्मक विधि कण छवि velocimetry के कार्यान्वयन शामिल है (2 सी -2डी PIV) एक ठेठ कैरोटिड धमनी प्रवाह तरंग के साथ तकनीक, एक अपवर्तनांक से मिलान रक्त अनुरूप चरण में औसत माप ^{15 के} लिए काम कर द्रव ^{-। 18} माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं के मात्रात्मक पहचान प्रवाह भौतिक विज्ञान की अवधारणाओं, महत्वपूर्ण बिंदु सिद्धांत और एक उपन्यास का उपयोग कर हासिल की थी ^{26 –} तरंगिका प्रयोगात्मक PIV डेटा ^{5, 6, 19} के लिए लागू एल्गोरिथ्म बदलना।

Introduction

माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं फेरने का प्रवाह पैटर्न है कि इस तरह घुमावदार पाइप और चैनल के रूप में curvatures के साथ आंतरिक प्रवाह geometries में पाए जाते हैं। ये फेरने संरचनाओं केंद्रत्यागी बलों, प्रतिकूल दबाव ढ़ाल और प्रवाह विशेषताओं की संयुक्त कार्रवाई के कारण उत्पन्न होती हैं। सामान्य तौर पर, माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं स्थिर प्रवाह के तहत सममित डीन प्रकार भेंवर के रूप में घुमावदार पाइप के तलीय पार वर्गों में दिखाई देते हैं और, oscillatory प्रवाह की शर्तों के तहत सममित Dean- और लिन प्रकार भेंवर ^{1 -। 3} माध्यमिक प्रवाह morphologies बहुत pulsatility से प्रभावित हैं और गुणवाला के कई harmonics, शारीरिक प्रवाह की स्थिति। इन संरचनाओं गैर शारीरिक (स्थिर और oscillatory) बहती ¹ की तुलना में प्राप्त स्पष्ट रूप से अलग आकार-शक्ति-आकार विशेषताओं ^{-। 6} धमनियों में atherosclerotic घाव विकास क्षेत्रों में उच्च आवृत्ति कतरनी दोलनों के अस्तित्व से प्रभावित होता है कम मतलब कतरनी ^{27, 28} सामना </sup>। माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं, ऐसे atherosclerosis के रूप में है और संभवतः रोगों की प्रगति को प्रभावित कर सकते दीवार कतरनी तनाव और रक्त जनित कणों का जोखिम बार बदलकर गुणवाला रक्त प्रवाह के कारण endothelial प्रतिक्रिया मध्यस्थता।

atherosclerosis करने के लिए एक सामान्य उपचार, एक उलझन प्रतिरोधी घावों से धमनियों का संकुचन में जिसके परिणामस्वरूप, स्टेंट का आरोपण है। स्टेंट भंग प्रत्यारोपित स्टेंट है कि आगे की चिकित्सा (आईएसआर) ऐसे में स्टेंट restenosis के रूप में जटिलताओं, स्टेंट घनास्त्रता और धमनीविस्फार गठन ⁹ के लिए नेतृत्व की संरचनात्मक विफलताओं हैं ^{-। 13} स्टेंट भंग विभिन्न विफलता "प्रकार मैं करने वाली चतुर्थ" में वर्गीकृत किया गया है, जिसमें "प्रकार चतुर्थ" उच्चतम नैदानिक ​​गंभीरता की विशेषता है और स्टेंट टुकड़े ¹⁴ के रैखिक विस्थापन के साथ स्टेंट struts की पूरी अनुप्रस्थ फ्रैक्चर के रूप में परिभाषित किया गया है। इस अध्ययन में प्रस्तुत प्रोटोकॉल एक Experimenta का वर्णनआर्दश "प्रकार चतुर्थ" स्टेंट एक घुमावदार धमनी मॉडल में फ्रैक्चर के बहाव माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं के दृश्य के एल विधि।

सुझाव प्रोटोकॉल के बाद चार आवश्यक सुविधाओं है:

डिजाइन और प्रयोगशाला पैमाने पर स्टेंट मॉडल का निर्माण: स्टेंट का जियोमेट्रिक विवरण आत्म-विस्तार योग्य बढ़ता (स्प्रिंग्स या सर्पिलों) के एक सेट के साथ संबद्ध किया जा सकता intertwined Nitinol तारों ²⁹ (निकल और टाइटेनियम की एक मिश्र धातु) का उपयोग। स्टेंट और अपनी अकड़ व्यास की लंबाई नैदानिक ​​आरोपण ⁵ के दौरान सामना धमनी घावों की लंबाई पैमाने पर निर्भर करते हैं। अकड़ व्यास के पैरामीट्रिक भिन्नता और घुमावदार (या पिच) की बढ़ती विभिन्न ज्यामितीय विन्यास की स्टेंट की ओर जाता है। 3 डी मुद्रण के लिए चुना स्टेंट डिजाइन मानकों का एक सारांश तालिका 1 में प्रस्तुत कर रहे हैं।

एक रक्त अनुरूप काम कर द्रव की तैयारी के लिए मिलानघुमावदार धमनी परीक्षा अनुभाग के लिए ऑप्टिकल का उपयोग क्रम में गैर इनवेसिव वेग मापन करने के लिए आवश्यक है: खून की विज्ञान सम्बन्धी चिपचिपाहट और परीक्षण खंड का अपवर्तनांक के साथ। तदनुसार, एक न्यूटन का खून नकल उतार संवहनी मॉडल का अपवर्तनांक और आदर्श रूप में, एक गतिशील चिपचिपापन, मानव रक्त मिलान के साथ काम कर द्रव सटीक रक्त प्रवाह माप प्राप्त करने के लिए ¹⁶ प्रयोग किया जाता ^{है। – 18, 30} कार्य इस अध्ययन में इस्तेमाल तरल पदार्थ की सूचना मिली थी Deutsch एट अल द्वारा। (2006), कि 79% संतृप्त जलीय सोडियम आयोडाइड (NAI), 20% शुद्ध ग्लिसरॉल, और 1% पानी (मात्रा से) ¹⁶ के शामिल।

सुसंगत माध्यमिक प्रवाह एक दो घटक, दो आयामी कण छवि velocimetry (-2 सी 2 डी PIV) का उपयोग संरचनाओं का पता लगाने के लिए प्रायोगिक व्यवस्था: प्रयोगों विभिन्न तलीय पार के अनुभागीय बहाव के स्थानों पर पहले चरण में औसतन माध्यमिक प्रवाह वेग डेटा प्राप्त करने के लिए डिजाइन किए गए थे एसटीआर का एक संयोजनaight और घुमावदार स्टेंट वर्गों embodying आर्दश "प्रकार चतुर्थ" स्टेंट फ्रैक्चर ^{5, 6, 9, 14।} कण छवि velocimetry (PIV) तकनीक का उपयोग माध्यमिक प्रवाह वेग के खेतों के अधिग्रहण से संबंधित प्रोटोकॉल-कदम एक PIV प्रणाली है कि के शामिल हैं शामिल एक लेजर प्रकाश (चादर) स्रोत, प्रकाशिकी ध्यान केंद्रित करने और प्रवाह, एक विशेष पार से संबंध प्रभारी युग्मित डिवाइस (सीसीडी सेंसर या कैमरा) और दरियाफ्त कणों के क्षेत्रों रोशन करने के लिए एक कम समय के अंतराल के भीतर प्रकाश चादर से प्रकाशित होने के लिए (Δt ; तालिका 4 देखें) ^{31, 32।}

प्रोटोकॉल में कदम मान निम्नलिखित हैं: सबसे पहले, एक calibrated, प्रयोगात्मक एक दो घटक, दो-आयामी (-2 सी 2 डी) PIV प्रणाली है कि डबल फ्रेम, एकल जोखिम रिकॉर्डिंग से छवियों का मूल्यांकन करता है के सेट-अप। दूसरा, -2 सी 2 डी PIV प्रणाली प्रत्येक रिकॉर्डिंग के दौरान अर्जित दो छवि फ्रेम के बीच पार से संबंध के प्रदर्शन से दरियाफ्त कणों का मतलब विस्थापन खरीदते हैं। एक brPIV विनिर्देशों और छवि अधिग्रहण सॉफ्टवेयर के IEF सारांश सामग्री और उपकरण तालिका में प्रस्तुत किया है। तीसरा, लेजर संचालित करने के लिए आवश्यक सभी सुरक्षा सावधानियों मेजबान संस्था द्वारा उपलब्ध कराए गए दिशा-निर्देशों के अनुसार प्रशिक्षित प्रयोगशाला कर्मियों द्वारा पीछा कर रहे हैं। लेखक का सुझाव Refs। 31 और 32 के कार्यान्वयन, कार्यक्षमता और, aero- पन और microfluid गतिशीलता, सहसंबंध चोटी का पता लगाने और विस्थापन के आकलन, सामग्री और दरियाफ्त कणों का घनत्व और, माप शोर और सटीकता में PIV तकनीक के आवेदन के लिए एक समग्र समझ के लिए। यह भी ध्यान रखें कि लेजर और कैमरा PIV डाटा अधिग्रहण कंप्यूटर (चित्रा 3 ए) और डाटा प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।

डाटा अधिग्रहण और सुसंगत संरचना का पता लगाने के लिए पोस्ट प्रसंस्करण: पहले चरण में औसतन माध्यमिक प्रवाह वेग माप एक -2 सी 2 डी PIV का उपयोग कर प्रोटोकॉल विवरण है कि इस प्रकार का उपयोग कर उत्पन्न किया गया। पद प्रक्रिया डेटा का आईएनजी शामिल सुसंगत माध्यमिक प्रवाह संरचना का पता लगाने के बाद तीन तरीकों का उपयोग: सतत तरंगिका रूपांतरण, ^{5, 6, 19 – 24, 26।}

लेखकों, ध्यान दें एक 3 एक्स 3 मैट्रिक्स है कि वेग ढाल tensor अनिवार्य है,
।

प्रोटोकॉल (-2 सी 2 डी PIV तकनीक से) दो आयामी प्रयोगात्मक माप प्राप्त करने की एक विधि प्रस्तुत करता है। इसलिए, वेग ढाल tensor के लिए पूर्ण पहुँच प्रयोगात्मक इस पद्धति का उपयोग प्राप्य नहीं होगा। प्रत्येक पिक्सेल के लिए ढाल वेग tensor PIV छवि के एक 2 x 2 मैट्रिक्स होना चाहिए, । जेड घटक vorticityquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> प्रत्येक पिक्सेल के लिए वेग ढाल tensor के विरोधी सममित भाग का उपयोग कर गणना की जाती है । परिणाम vorticity की एक 2 डी सरणी हो जाएगा कि एक समोच्च साजिश में देखे जा सकते हैं। लेखकों जोरदार रेफरी सुझाव देते हैं। vorticity लंपटता, तनाव दरों और सुसंगत संरचना का पता लगाने के ज्ञान को बढ़ाने की ओर वेग ढाल tensor के लिए एक भाषण चर्चा प्रयोगात्मक उपयोग के लिए 25। इसके अलावा, लेखकों ऊपर उल्लिखित सुसंगत संरचना का पता लगाने के तरीकों के बीच अंतर-संबंधों का पता लगाने और रेफरी का सुझाव करने का प्रयास नहीं करते। 23, 24 है कि इस विषय पर व्यापक चर्चा के।

प्रोटोकॉल में कदम का ध्यान केंद्रित माध्यमिक प्रवाह (फेरने) के मात्रात्मक पहचान है structures (भी सुसंगत संरचनाओं के रूप में जाना जाता है)। सुसंगत संरचना का पता लगाने अर्थात के तीन तरीकों।, और तरंगिका तब्दील vorticity बहु पैमाने, बहु-शक्ति आर्दश "प्रकार चतुर्थ" स्टेंट फ्रैक्चर के बहाव माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं की घटनाओं का पता लगाने की ओर वेग क्षेत्र डेटा पर लागू कर रहे हैं।

, एक स्थानिक क्षेत्र के रूप में एक भंवर को परिभाषित करता है जहां vorticity tensor के इयूक्लिडियन आदर्श हावी है कि तनाव ^{19, 23,} की दर के ²⁴ व्याप्ति वेग ढाल मैट्रिक्स सममित (तनाव दर) और विरोधी सममित (रोटेशन) भागों में विघटित किया जाता है। तनाव दर मैट्रिक्स के eigenvalues ​​गणना कर रहे हैं; । तनाव दर के आदर्श तो गणना की जाती है; <imजी alt = "समीकरण 14" src = "/ files / ftp_upload / 51288 / 51288eq14.jpg" />। Vorticity विरोधी सममित भाग से गणना की जाती है। Enstrophy या जेड घटक vorticity के वर्ग, ) तो गणना की जाती है। अंत में गणना की जाती है; । के पूरे सेट का एक समोच्च साजिश के आईएसओ क्षेत्रों के साथ , माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं ¹⁹ का संकेत होगा।

भी 'घूमता ताकत' के रूप में जाना जाता है एक भंवर पहचान स्थानीय वेग ढाल tensor के महत्वपूर्ण बिंदु विश्लेषण द्वारा किया जाता विधि है और अपनी इसी eigenvalues ^{​​20 – 24} <strong>। प्रत्येक पिक्सेल पर वेग ढाल tensor के eigenvalues गणना कर रहे हैं। eigenvalues, फार्म की होनी चाहिए । की एक समोच्च साजिश के आईएसओ क्षेत्रों के साथ माध्यमिक प्रवाह संरचनाओं से संकेत मिलता है ^{20 – 22।}

तरंगिका विधि को बदलने के एक विश्लेषण समारोह (या तरंगिका) शारीरिक और वर्णक्रम रिक्त स्थान में चिकनाई है कि इस्तेमाल करता है, स्वीकार्य है (या शून्य मतलब है) और एक परिमित है ^{5, 6, 26।} एक फैली हुई या convolving द्वारा अनुबंधित एक 2 डी vorticity क्षेत्र के साथ तरंगिका, तरंगिका तब्दील vorticity क्षेत्र ग उत्पन्न होता हैतराजू और ताकत ^{5, 6} की एक विस्तृत ^{श्रृंखला,} 2 डी तरंगिका तब्दील vorticity क्षेत्र के ^26। शैनन एन्ट्रापी साथ सुसंगत संरचनाओं के omprising इष्टतम तरंगिका पैमाने पर जो सब पर सुसंगत संरचनाओं पर्याप्त रूप से हल कर रहे हैं अनुमान लगाने के लिए गणना की जाती है। यह एन्ट्रापी अनुमान संभावनाओं का एक सेट शामिल है प्रत्येक पिक्सेल के लिए ऐसा है कि , स्थान मीटर की ऊंचाई पर पिक्सेल के साथ जुड़े vorticity की सामान्यीकृत वर्ग मापांक, एन ^{5, 6।} प्रक्रियात्मक कदम चित्रा 6 में रेखांकन भी प्रस्तुत कर रहे हैं। तरंगिका की पसंद पर लगाए प्रतिबंधों रेफरी में विस्तार से प्रस्तुत कर रहे हैं। 26. इस प्रोटोकॉल कदम के लिए एक 2 डी रिकर तरंगिका का उपयोग कर सुसंगत संरचना का पता लगाने के लिए प्रक्रिया का वर्णन करता है। इस का उपयोग w के लिए औचित्यफेरने का पैटर्न से मेल खाते के लिए avelet रेफरी में प्रस्तुत किया है। 5, 6 और उचित संदर्भ उसमें आह्वान किया।

Protocol

1. डिजाइन और स्टेंट मॉडल का निर्माण नोट: निम्न चरणों में सीधे और घुमावदार स्टेंट की प्रयोगशाला पैमाने पर मॉडल बनाने के लिए पालन किया गया है। दो स्टेंट मॉडल की स्थापना के लिए एक "प्रकार चतुर्थ…

Representative Results

चित्रा 7A-डी में प्रस्तुत परिणाम (देखें आंकड़े 5, 6) चित्रा 3 ए में दिखाया गया -2 सी 2 डी PIV प्रणाली से अर्जित पोस्ट प्रोसेसिंग माध्यमिक प्रवाह वेग डेटा के बाद उत्पन्न किया गया। ?…

Discussion

इस पत्र में प्रस्तुत प्रोटोकॉल उच्च निष्ठा प्रयोगात्मक कण छवि velocimetry तकनीक (PIV) और सुसंगत संरचना का पता लगाने के तरीकों, अर्थात।, सतत तरंगिका रूपांतरण का उपयोग कर डेटा के अधिग्रहण का वर्णन है, <img alt="1 समीकरण" sr…

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.