Indagine sperimentale di strutture flusso secondario a valle di una mancata Modello Tipo IV stent in una sezione di prova a 180 ° curvo Artery

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

La rete arteriosa nel sistema vascolare umano si compone di ubiquitariamente presenti vasi sanguigni con geometrie complesse (rami, curvature e tortuosità). strutture flusso secondario sono modelli flusso vorticoso che si verificano nelle arterie curve dovuto all'azione combinata delle forze centrifughe, gradienti di pressione negativi e le caratteristiche di afflusso. Tali morfologie di flusso sono fortemente influenzati da pulsatilità e più armoniche di condizioni di afflusso fisiologiche e variano notevolmente nelle caratteristiche alta resistenza a forma di dimensioni rispetto ai non-fisiologica (costante e oscillatorio) flussi di ^1-7.

Strutture flusso secondario definitiva possono influenzare il tempo di sforzi di taglio e l'esposizione delle particelle ematica verso progressione dell'aterosclerosi, restenosi, sensibilizzazione delle piastrine e trombosi ^{4 – 6, 8 – 13} Perciò, la capacità di rilevare e caratterizzare tali strutture in laboratorio. condizioni controllate dallo è precurso ad ulteriori indagini cliniche.

Un trattamento chirurgico comune per l'aterosclerosi è l'impianto di stent, per aprire le arterie stenotiche per il flusso di sangue senza ostacoli. Ma le perturbazioni dei flussi concomitanti dovuti agli impianti di stent risultato in multi-scala morfologie flusso ^{secondario. 4 – 6} progressivamente più elevate complessità di ordine, come l'asimmetria e la perdita di coerenza può essere indotta da successivi fallimenti stent nei confronti quelli sotto i flussi perturbati ^5. Questi fallimenti stent sono stati classificati come "Tipi Ia-IV" sulla base di considerazioni di guasto e gravità clinica ^14.

Questo studio presenta un protocollo per l'indagine sperimentale delle complesse strutture del flusso secondario causa completare frattura dello stent trasversale e spostamento lineare di parti fratturate ( "Tipo IV") in un modello di arteria curvo. Il metodo sperimentale prevede l'implementazione dell'immagine particelle velocimetry (2C-2D PIV) tecniche con un archetipo carotide afflusso di forma d'onda, un indice di rifrazione abbinato sangue-analogico fluido di lavoro per le misure di fase-media di ^{15 -. 18} individuazione quantitativa delle strutture flusso secondario è stata ottenuta utilizzando concetti della fisica flusso, teoria dei punti critici e un romanzo trasformata wavelet algoritmo applicata ai dati sperimentali PIV ^{5, 6, 19 – 26.}

Introduction

strutture flusso secondario sono modelli flusso vorticoso che si verificano in geometrie di flusso interni con curvature come tubi curvi e canali. Queste strutture vorticose sorgono a causa dell'azione combinata di forze centrifughe, gradienti di pressione avverse e le caratteristiche di afflusso. In generale, le strutture secondarie di flusso appaiono in planari sezioni di tubi curvi come vortici Dean di tipo simmetrico sotto afflusso costante e, simmetriche vortici Dean- e Lyne tipo in condizioni di afflusso oscillatori ^{1 – 3.} Morfologie flusso secondario sono notevolmente influenzati dalla pulsatilità e più armoniche di pulsatile, condizioni di afflusso fisiologico. Queste strutture acquistano marcatamente differenti caratteristiche resistenza-shape dimensioni rispetto ai non fisiologica (costante e oscillatorio) fluisce ^{1 -. 6} sviluppo aterosclerotica lesione nelle arterie è influenzato dalla presenza di oscillazioni di taglio ad alta frequenza nelle regioni colpite partire medio di taglio ^{27, 28} </sup>. strutture flusso secondario possono influenzare lo stato di avanzamento di malattie come l'aterosclerosi e possibilmente, mediare la risposta endoteliale a causa del flusso di sangue pulsatile alterando sforzi di taglio delle pareti e tempi di esposizione di particelle per via ematica.

Un trattamento comune ad aterosclerosi, una complicazione conseguente restringimento delle arterie da lesioni ostruttive, è l'impianto di stent. Fratture dello stent sono cedimenti strutturali di stent impiantati che portano a ulteriori complicazioni mediche, come in-stent restenosi (ISR), la trombosi dello stent e formazione di ^{aneurismi. 9 – 13} fratture dello stent sono stati classificati in varie fallimento "Tipi Ia-IV", in cui "Tipo IV" caratterizza la massima gravità clinica ed è definito come la frattura trasversale completa di maglie dello stent insieme a spostamenti lineari dei frammenti stent ^14. il protocollo presentato in questo studio descrive un experimental metodo di visualizzazione di strutture secondarie flusso a valle di una "Tipo IV" frattura dello stent idealizzato in un modello un'arteria curvo.

Il protocollo proposto ha le seguenti quattro caratteristiche essenziali:

Progettazione e realizzazione di modelli stent scala di laboratorio: descrizione geometrica degli stent può essere associato con una serie di spirali auto-espandibile (molle o eliche) intrecciate usando Nitinol (una lega di nichel e titanio) fili ^29. La lunghezza dello stent e il suo diametro puntone dipendono dalla scala di lunghezza delle lesioni arteriose incontrati durante l'impianto clinica ^5. variazione parametrica di diametro puntone e il sorgere del avvolgimento (o passo) porta a stent di varie configurazioni geometriche. Una sintesi di parametri di progetto stent scelti per la stampa 3D sono presentati nella tabella 1.

Preparazione di un fluido analogico sangue lavorare abbinatoavente una viscosità cinematica di sangue e l'indice di rifrazione della sezione di prova: accesso ottico alla sezione di prova dell'arteria curvo è necessaria per effettuare misure di velocità non invasive. Di conseguenza, un newtoniano sangue mima fluido di lavoro con l'indice di rifrazione del modello vascolare e idealmente, una viscosità dinamica, corrispondenti sangue umano viene utilizzato per eseguire misurazioni di flusso sanguigno accurata ^{16 -. 18, 30} Il fluido di lavoro utilizzato in questo studio è stato riportato by Deutsch et al. (2006), che comprende ioduro 79% satura di sodio acquoso (NaI), 20% di glicerolo puro e acqua 1% (in volume) ^16.

Disposizione sperimentale per l'individuazione di strutture di flusso secondarie coerenti con un bicomponente, bidimensionale velocimetry immagine di particelle (2C-2D PIV): Esperimenti sono stati progettati per acquisire i dati di velocità di flusso di fase secondaria media in varie posizioni trasversali planari valle di una combinazione di straight e sezioni stent curve che incarnano una idealizzata "di tipo IV" frattura dello stent ^{5, 6, 9, 14.} Il protocollo passaggi relativi alla acquisizione di campi di velocità del flusso secondario utilizzando l'immagine di particelle velocimetry tecnica (PIV) comporta un sistema PIV che si compone di un laser (foglio di luce) fonte, l'ottica di concentrarsi e di illuminare le regioni di flusso, uno speciale dispositivo di carica correlazione incrociata (CCD-sensore o della fotocamera) e particelle traccianti per essere illuminato dal foglio luce entro un breve intervallo di tempo (Dt ; vedi tabella 4) ^{31, 32.}

Le fasi del protocollo assumono la seguente: in primo luogo, un calibrato, set-up sperimentale di un sistema PIV a due componenti, a due dimensioni (2C-2D) che valuta le immagini con un doppio telaio, registrazioni singola esposizione. In secondo luogo, il sistema 2C-2D PIV calcola gli spostamenti medi di particelle traccianti eseguendo cross-correlazione tra due fotogrammi acquisiti durante ogni registrazione. A BRsintesi IEF di PIV specifiche e acquisizione di immagini software è presentato nella tabella di materiali e attrezzature. In terzo luogo, tutte le misure di sicurezza necessarie per operare il laser sono seguiti da personale di laboratorio addestrato secondo le linee guida fornite dalla istituzione ospitante. Gli autori suggeriscono Refs. 31 e 32 per una comprensione olistica della realizzazione, funzionalità e l'applicazione della tecnica PIV in aerodinamica, idrocarburi e Microfluid, la correlazione di rilevamento di picco e di stima di spostamento, di materiale e la densità delle particelle traccianti e, rumore di misura e precisione. Si noti inoltre che il laser e telecamera possono essere controllate dal computer di acquisizione dati PIV (Figura 3A) e software di elaborazione dei dati.

L'acquisizione dei dati e post-elaborazione per la rilevazione struttura coerente: misure di velocità del flusso di fase secondaria media usando un PIV 2C-2D sono stati generati utilizzando il protocollo descrizione che segue. Dopo processo ING dei dati coinvolti rilevamento struttura flusso secondario coerente con i seguenti tre metodi: trasformate wavelet continue, ^{5, 6, 19 – 24, 26.}

Gli autori di notare che il tensore gradiente di velocità è essenzialmente, una matrice 3 x 3,
.

Il protocollo presenta un metodo di acquisizione di misure sperimentali bidimensionali (di Tecnica 2C-2D PIV). Pertanto, l'accesso completo sperimentale alla tensore gradiente di velocità non sarà ottenibile con questo metodo. Il tensore gradiente di velocità per ogni pixel dell'immagine PIV deve essere una matrice 2 x 2, . La vorticità componente Zquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> per ogni pixel è calcolata utilizzando la parte anti-simmetrica del tensore gradiente di velocità . Il risultato sarà una matrice 2D di vorticità che possono essere visualizzati in una trama di contorno. Gli autori suggeriscono fortemente Ref. 25 per una discussione eloquente accesso sperimentale al gradiente di velocità tensore verso migliorando la conoscenza della dissipazione vorticità, velocità di deformazione e la rilevazione struttura coerente. Inoltre, gli autori non cercano di esplorare le interrelazioni tra i suddetti metodi di rilevamento struttura coerente e suggerire Ref. 23, 24 per una discussione approfondita su questo tema.

L'attenzione dei passaggi del protocollo è l'identificazione quantitativa del flusso secondario (vorticoso) structures (noto anche come strutture coerenti). Tre metodi di rilevazione coerente vale a dire la struttura., e Wavelet trasformato vorticità vengono applicati a dati del campo di velocità verso il rilevamento di multi-scala, eventi multi-resistenza delle strutture secondarie flusso a valle del "Tipo IV" frattura dello stent idealizzato.

Il , Definisce un vortice come una regione spaziale in cui la norma euclidea del tensore vorticità domina quella del tasso di deformazione ^{19, 23, 24} matrice gradiente di velocità .Il viene scomposto in simmetrica (velocità di deformazione) e parti antisimmetrici (rotazione). Autovalori della matrice di velocità di deformazione sono calcolati; . Norm della velocità di deformazione viene quindi calcolato; <img alt = "src" "equazione 14" = "/ files / ftp_upload / 51288 / 51288eq14.jpg" />. Vorticità viene calcolato dalla parte anti-simmetrica. Enstrophy o quadrata di z-componente vorticità, ) Viene quindi calcolata. Il è infine calcolato; . Una trama contorno l'intero set di con iso-regioni , Indicherà le strutture del flusso secondario ^19.

Il , Noto anche come 'forza vorticoso' è un metodo di identificazione vortex eseguita mediante analisi critica punto del tensore gradiente di velocità locale e le sue corrispondenti autovalori ^{20 – 24} <sTrong>. autovalori del tensore gradiente di velocità in ogni pixel sono calcolati. Gli autovalori devono essere di forma, . Una trama di contorno di con iso-regioni indicherà strutture flusso secondario ^{20 – 22.}

Trasformata wavelet metodo utilizza una funzione di analisi (o wavelet) che ha scorrevolezza in spazi fisici e spettrali, è ricevibile (o ha media zero) e ha una limitata ^{5, 6, 26.} Convolvendo un dilatate o contratte wavelet con un campo di vorticità 2D, Wavelet trasformato vorticità campo viene generato comprising di strutture coerenti con una vasta gamma di scale e punti di forza ^{5, 6, 26.} Shannon entropia del campo vorticità wavelet-trasformato 2D viene calcolata stimare la portata wavelet ottimale alla quale tutte le strutture coerenti sono adeguatamente risolti. Questa stima entropia comporta una serie di probabilità per ciascun pixel tale che , Normalizzata modulo quadro del vorticità associato al pixel alla posizione m, n ^{5, 6.} Le fasi procedurali sono rappresentati graficamente nella figura 6. Le restrizioni sulla scelta della wavelet sono presentati in dettaglio nel Ref. 26. Questo passaggio protocollo descrive la procedura per l'individuazione struttura coerente con un Wavelet 2D Ricker. La giustificazione per l'uso di questo wavelet per il pattern matching vorticoso è presentato in Ref. 5, 6 e riferimenti pertinenti ivi citata.

Protocol

1. progettazione e fabbricazione di modelli di stent Nota: Le seguenti operazioni sono state seguite per creare modelli su scala di laboratorio di stent rette e curve. L'installazione dei due modelli di stent incarnerà una frattura "Tipo IV" (frammentazione e spostamento lineare di parti stent fratturate). Nota: Gli autori hanno utilizzato software Pro / Engineer al momento della ricerca per la creazione di modelli CAD della geometria dello stent. La…

Representative Results

I risultati presentati in Figura 7A-D sono stati generati dopo che i dati di velocità di flusso secondario post elaborazione (vedi figure 5, 6) acquisita dal sistema 2C-2D PIV mostrato nella Figura 3A. La condizione afflusso fornita alla sezione di prova dell'arteria curvo con una frattura "Tipo IV" stent idealizzato era la forma d'onda carotidea mostrato nella Figura 4B. Nostri studi precedenti hanno …

Discussion

Il protocollo presentato in questo documento descrive l'acquisizione di alta fedeltà dati sperimentali utilizzando immagine di particelle tecnica velocimetria (PIV) e metodi di rilevamento struttura coerente, vale a dire., Continui trasformate wavelet, , Adatto per l'identificazione del vortice e flussi di taglio-dominato. Analisi dei dati sperimentali di raccolta fisiologiche in presenza di un idealizzato "Tipo IV…

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.