体外メゾスケール粒子画像流速測定法研究神経血管の流れ
Summary
ここで透明な神経血管ファントムを作製し、そこに流れを特徴づけるの簡略化手法を提示します。我々 は、いくつかの重要なパラメーターを強調表示し、フィールドの精度との関係を示します。
Abstract
粒子画像流速測定法 (PIV) は、幅広い分野、正確に可視化と大規模な時空間の範囲にわたって流の定量化は、機会のために使用されます。ただし、その実装は通常高価で、専門的な計測器より広範な応用を制限する使用を必要です。また、バイオ エンジニア リングの分野で体外流れ可視化研究は、しばしば、さらにそれらのために特に必要な解剖学的構造を要約するだろう商業的供給された生体ファントムの高コストによって制限されます。メソスケール政権 (すなわちミリメートルの長さスケール サブミリ) に します。本明細書で提案する簡易実験プロトコルが重要な要素に 1) 3次元印刷及びシリコン鋳造を用いたメソ組織ファントムを作製する比較的低コスト方法は、これらの制限に対処するために開発、2)メソスケールの流れを測定するための計測時に需要を減らしてオープン ソース画像の解析と処理のフレームワーク (すなわち、数十ミリの最大速度/秒)。まとめて、これは既に多くの工学研究者の処分で資源を活用してのうえ、エントリへの障壁を下げます。私たち刻みフロー解析、神経血管のコンテキスト内でこのプロトコルの適用しかし、それは生体内外のメソスケール アプリケーションの広い範囲に関連するとなっています。
Introduction
PIV は、流れの可視化と微小循環フロー1,2,3大気から長さスケールで変わる流体運動の定量調査のための実験流体力学で使用されています。その実装の詳細は、その応用として広く異なります 1 つの側面のほぼすべての PIV 研究に共通はトレーサー粒子連続の画像フレームのペア分析に続いて、作動流体内シードのビデオ画像の使用必要な流量特性を抽出。通常、これは、尋問 windows と呼ばれる小さな地域ごとのイメージのフレームを分割で。分散粒子のランダムな位置、結果として各尋問ウィンドウにはユニークな輝度分布が含まれています。ウィンドウ サイズとデータ レートが適切に選択されている場合は、その領域内で平均変位を推定する各ウィンドウで輝度信号の相互相関を使用できます。最後に、倍率とフレーム レートが実験的パラメーターを知られていることを考えれば、瞬時速度ベクトル フィールドは計算して容易に。
PIV のシングル ポイント測定技術上の主な利点は、2 次元または 3 次元ドメイン全体でベクトル フィールドをマップする機能です。血行動態のアプリケーション、特に、恩恵を受けているこの機能から血管疾患や改造 (例えば、アテローム性動脈硬化、血管新生) で重要な役割を果たすことが知られているローカルの流れの徹底的な調査が可能4,5,6また血管流の評価のために行われている、ことができます血管内デバイス (例えば、流れリネンカード、ステント、intrasaccular コイル)、このようなアプリケーションで関連する長さスケール以来とその相互作用。1 つ以上の桁 (例えば、ミリのマイクロメータから)、およびデバイスのジオメトリにまたがることが多いと配置することができますローカル流体力学7に大きく影響します。
PIV を用いた血行動態調査を行うほとんどのグループは、ステント血管7,8影響の最も早い調査のいくつかを近づける実験のセットアップに頼ってきました。通常、これらを含む、) パルス レーザーと高速フローをキャプチャするための高速カメラb) シンクロナイザー、レーザーのパルス周波数とカメラ フレーム レート; のエイリアシングを防ぐためにc) 円筒光学、光シートを形成し、トレーサー粒子尋問平面の上下からのバック グラウンド蛍光を最小限に抑えるため、d) 商業ターンキー システム、相互相関解析を実行するための独自のソフトウェア パッケージの場合します。ただし、一部のアプリケーションでは、パフォーマンスおよび/または総称してこれらのコンポーネントによって与えられる汎用性も必要ですが、多くの他はありません。また、目的の血管構造を要約ファントムがまた証明できる商業的供給された組織のコストが高い多くの in vitro研究を制限するとファントムの特に機能橋メソスケール政権 (> 500 米ドル/怪人)。通常空間の両方にある神経血管の流れと一時的メソスケール政権 (すなわち長さのスケールの範囲内の in vitro視覚化の PIV を実装するための簡略化されたプロトコルの開発を報告します。サブミリ波ミリ波、し数十ミリメートルの最大速度/秒)。プロトコルは、うえのエントリへの障壁を押えて、バイオ エンジニア リングの研究者の処分で既にリソースの活用を目指しています。
このプロトコルの最初の要素は、透明、ポリジメチルシロキサン (PDMS) の社内製作を可能にする投資鋳造技術の使用を含む-いけにえ金型の 3 D 印刷から生体ファントムを用いた。近年特に、共有/マルチ ユーザー (例えば、機関施設または設備公共 makerspaces) 3 D プリンターの増加空室状況を活用することにより、この方法論カット コスト大幅 (例えば、<ここに提示の場合 100 ドル/ファントム)、さまざまな設計と形状の作製の急激な方向転換を可能にしながら。現在のプロトコルの溶融堆積モデリング システムはアクリロニ トリル ・ ブタジエン ・ スチレン (ABS) で建築材料として使用、その後ファントム鋳造用犠牲型として印刷されて。我々 の経験はそれが (例えばアセトン)、一般的な溶剤に可溶であり十分な強さ及び剛性サポート材料を除去した後の金型の整合性を維持するため、ABS はそのような使用に適してを示している (例えば、防ぐため変形や小柄なモールド フィーチャーの破壊)。現在のプロトコルの金型の整合性はさらに保証印刷のソリッド モデルを使用して、溶解が増加時間を犠牲にして来ているがこれ。中空モデルの使用溶媒のアクセスを高め、溶解時間を削減する、いくつかのケースで可能な場合もあります。ただし、考慮する必要があります注意してください効果をこれにあります金型整合性。最後に、本作製したファントムは、一般的なコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェア パッケージを使用して生成された神経血管構造の理想的な表現に基づいています、間プロトコルがより複雑な加工にする予定です。、患者固有のジオメトリ (例えば、経由での使用に臨床画像データの変換によって生成されたモデル ファイル、。STL ファイル形式ほとんどの 3 D プリンターで使用される)。ファントムの作製プロセスに関する詳細については、プロトコルのセクション 2 で提供されます。
プロトコルの 2 番目の要素には、オープン ソース相互相関解析9を実施する ImageJ のプラグインの使用が含まれます。これは単純な統計しきい値方式の実装とつながれる (すなわち強度の上限) 正規化された postcorrelation ベクトルの検証スキームと同様に、相互相関、送る前に画像信号を改善するために10中間テスト (NMT)、その最も近い隣人11にそれぞれの比較を通してスプリアス ベクトルを排除します。総称して、これは典型的な PIV システム (例えば、パルス レーザーの高価なコンポーネントの多くの取得の必要性がなくなり、バイオ エンジニア リングの研究所で一般的に見られる機器を使用して実行するイメージングによりシンクロナイザー、円筒形の光学系と独自のソフトウェア)。ビデオ コレクション、画像処理、データ分析に関する詳細については、セクション 5 および 6 のプロトコルで提供されます。
図 1の連続の白色光源 (すなわち、メタルハライド ランプ) を外部だけでなく、イメージングのための高速カメラを搭載した蛍光顕微鏡に依存してこのプロトコルで使用されている PIV セットアップを示しています。目的によって体積の照明。神経血管組織ファントムで透明な模擬血液ソリューションの循環気流を課すため変速歯車ポンプに使用します。ソリューションは脱イオン (DI) 水とグリセリンは、一般的な代替は、血液循環動態の研究ために12,13,14, 60: 40 の混合物から成る、) と同様の密度と粘度 (はすなわち、1,080 kg/m3と 3.5 cP vs 1,050 kg/m3との血のための 3-5 cP)15,16;b) 表示の範囲で透明度c) そのような屈折率 PDMS (1.38対1.42 PDMS の)17,18,19、20、光の歪みを最小限に抑えますd) 必要な場合は、非ニュー トン粘性挙動を導入することができますしやすさを介してxanthane21を追加。最後に、蛍光のポリスチレン ビーズはトレーサー粒子 (直径 10.3 μ m; 480 nm/501 nm 励起/蛍光) として使用されます。中立的に浮揚性のビーズが必要なとき最適な流体の力学特性 (例えば密度、サイズ、組成) と発光波長トレーサー粒子を調達挑戦証明することができます。たとえば、ここで用いられるビーズはグリセロールの解決 (1,050 kg/m3 対1,080 kg/m3) よりわずかにより少なく密です。ただし、流体力学的効果は、そのはごく典型的な実験の期間は浮力効果に関連付けられたタイム スケールよりもはるかに短いことを考える (すなわち、5 分、20 分、それぞれ)。さらに模擬血液ソリューションの定式化と体外循環システムのセットアップに関する詳細は、セクション 3 と 4 のプロトコルで提供されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルは、神経血管を可視化する PIV 研究を実行するための簡易法流生理関連寸法と流量条件体外のアウトラインを記載しました。そうすることで、はるかに大きい長さの考察スケール25またはより低い流れを必要とする非常に異なるコンテキスト内でが、ベクトル場の定量化を簡素化に集中しても他の人によって報告されたプロトコルを補完するために提供して…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、研究所とカリフォルニア大学リバーサイド校で経済発展から共同種の助成金によって提供されるこのプロジェクトの部分的なサポートを認めます。
Materials
| Solidworks 2015 | Dassault Systems | N/A | CAD Software |
| Dow Corning Sylgard 184 Kit | Ellsworth Adhesive | 184 SIL ELAST KIT 3.9KG | PDMS Kit |
| Stratasys Dimension Elite | Stratasys | 9180-00105 | 3D printer |
| P430 Model Material Cartridge | Stratasys | 340-21202 | ABS build material |
| P400 SR Soluble Support Material Cartridge | Stratasys | 340-30200 | Support material |
| CleanStation DT3 | PM3 Technologies | 00-00300R | Base bath |
| Lindberg Blue M LGO Box Furnace | Thermo Scientific | LB305745M | Oven |
| 21G BD PrecisionGlide Needle | Betcon Dickenson | BD 305167 | Branching perforator mold segment |
| Desiccator (Vacuum) | Polylab | 55205 | Desiccator |
| Branson 1800 Utrasonic Cleaning | Branson | CPX-952-116R | Sonicator |
| Acetone | Fisher Chemical | A9494 | Acetone |
| Isopropol Alcohol | Fisher Chemical | A4514 | Isopropol Alcohol |
| Glycerol | Fisher Chemical | GW33500 | Glycerol |
| 10um Polystyrene Yellow-Green Fluorescent Particles | Magsphere | PSF-010UM | Fluorescent beads |
| Phantom Miro | Vision Research | Miro M310 | High speed camera |
| Micropump | Cole-Parmer | 81101 | Recirculating pump |
| Leica DM2000 | Leica Microsystems | DM2000 | Fluorescent Microscope |
| Leica 10X Objective | Leica Microsystems | 506259 | Objective for perforator |
| Leica 2.5X Objective | Leica Microsystems | 11506083 | Objective aneurysm sac |
| Leica Blue Filter Cube L5 | Leica Microsystems | 513840 | Blue filter cube |
| Leica EL6000 | Leica Microsystems | 11504115 | Light source |
| Alconox | Alconox Inc | 1104-1 | Detergent |
| ImageJ | NIH | N/A | Open source image analysis software https://imagej.nih.gov/ij/ |
| Particle Image Velocimetry PIV Plugin | Qingson Tseng | N/A | https://sites.google.com/site/qingzongtseng/piv |
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