دراسة قياس سرعة صورة الجسيمات لديناميكا الدم عبر الأبهر الوهمي
Summary
يصف هذا البروتوكول قياسات قياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) التي أجريت للتحقيق في تدفق الجيوب الأنفية من خلال الإعداد المختبري للصمام الأبهري عبر القسطرة (TAV). يتم أيضا تحديد المعلمات الديناميكية الدموية على أساس السرعة.
Abstract
تم الإبلاغ مؤخرا عن خلل وظيفي في الصمام الأبهري والسكتة الدماغية في مرضى زرع الصمام الأبهري عبر القسطرة (TAVI). يشتبه في حدوث خثرة في الجيوب الأنفية الأبهرية والجيوب الأنفية الجديدة بسبب التغيرات الديناميكية الدموية. تساعد التجارب في المختبر على التحقيق في خصائص الدورة الدموية في الحالات التي يثبت فيها التقييم في الجسم الحي أنه محدود. التجارب في المختبر هي أيضا أكثر قوة ، ويتم التحكم في المعلمات المتغيرة بسهولة. قياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) هي طريقة شائعة لقياس السرعة للدراسات في المختبر . يوفر حقل سرعة عالي الدقة بحيث يتم ملاحظة ميزات التدفق على نطاق صغير. الغرض من هذه الدراسة هو إظهار كيفية استخدام PIV للتحقيق في مجال التدفق في الجيب الأبهري بعد TAVI. يتم وصف الإعداد المختبري للشبح الأبهري ، TAVI ل PIV ، وعملية الحصول على البيانات وتحليل تدفق ما بعد المعالجة. يتم اشتقاق معلمات الدورة الدموية ، بما في ذلك السرعة ، وركود التدفق ، والدوامة ، والدوامة ، وسكن الجسيمات. تؤكد النتائج أن التجارب في المختبر و PIV تساعد في التحقيق في ميزات الدورة الدموية في الجيوب الأنفية الأبهرية.
Introduction
تضيق الأبهر هو مرض شائع لدى كبار السن، وهو عندما لا يفتح الصمام الأبهري، مما يقلل من تدفق الدم. تحدث المشكلة بسبب سماكة أو تكلس الصمام الأبهري1. لذلك ، إنه علاج ضروري لتعزيز تدفق الدم وتقليل الحمل على القلب. يتم علاجه عن طريق إعادة تشكيل الصمام الأبهري أو استبداله بصمام اصطناعي. تركز هذه الدراسة على زرع الصمام الأبهري عبر القسطرة (TAVI)، واستبدال الصمام الأبهري المعطل بصمام اصطناعي باستخدام قسطرة.
وقد أوصى TAVI للمرضى الذين يواجهون تحديات في الجراحة، وكانت الوفيات منخفضة أيضا2. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن أن الجلطة في المرضى بعد TAVI تسببت في خلل في الصمام والسكتة الدماغية 3,4. يشتبه في حدوث خثرة في الجيوب الأنفية الأبهرية والجيوب الأنفية الجديدة ، مع احتمال أن يكون سببها هو التغيرات في ديناميكا الدم التي تسببها TAVI. يتم تنفيذه دون إزالة المنشورات الأصلية ؛ هذه المنشورات يمكن أن تزعج تدفق الجيوب الأنفية وترفع من خطر تجلط الدم5.
من الصعب تحديد كيفية تأثر تدفق الدم ب TAVI وكيف يتم تحفيز الجلطة في المرضى. من المستحسن توضيح العلاقة بين تدفق الدم وتكوين الجلطة في الجسم الحي. ومع ذلك ، فإن عدم وجود تقنيات عملية لقياس تدفق الدم يجعل هذا الأمر مشكلة. من ناحية أخرى ، تتمتع التقنيات المخبرية بميزة السماح للمرء بمراقبة التغيرات في تدفق الدم عن طريق الحد من المعلمات التي يجب التحقيق فيها. تم استخدام الإعداد في المختبر وقياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) لتحديد السرعة في المجالات الطبية6،7،8. لذلك ، في المختبر و PIV كافية لتحديد المعلمات التي سيتم الإبلاغ عنها عن طريق محاكاة حالة المريض: معدل ضربات القلب والضغط ، واللزوجة ، وهندسة الجيوب الأنفية ، والسماح للمرء بالتحكم في هذه المعلمات.
في هذه الدراسة ، يتم استخدام الإعداد في المختبر و PIV للتحقيق في التدفق في الجيوب الأنفية الأبهرية بعد TAVI. يتم وصف شبح الأبهر و TAVI ل PIV وعملية الحصول على البيانات وتحليل تدفق ما بعد المعالجة في هذا البروتوكول. يتم اشتقاق العديد من المعلمات الديناميكية الدموية ، بما في ذلك السرعة والركود والدوامة والدوامة وسكن الجسيمات. تظهر النتائج أن الإعداد في المختبر و PIV يساعدان في التحقيق في ميزات الدورة الدموية في الجيوب الأنفية الأبهرية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تغير تدفق الجيوب الأنفية بسبب هندسة الجيوب الأنفية المختلفة بعد TAVI. تشكلت الدوامة من خلال فتح الصمام الأبهري والتفاعل مع النفاثة الأمامية للانقباض22. في دراسة الصمام الجراحي الاصطناعي بدون وريقات أصلية ، كانت الدوامة التي لوحظت في منطقة الجيوب الأنفية عند الانقباض طبيعية<sup c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج أبحاث العلوم الأساسية التابع للمؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا ، والذي تموله وزارة التعليم (NRF-2021R1I1A3040346 و NRF-2020R1A4A1019475). تم دعم هذه الدراسة أيضا من خلال منحة الأبحاث لعام 2018 (PoINT) من جامعة كانغوون الوطنية.
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).
