Micro-partikel Billede Velocimetri for hastighedsprofil Målinger af Micro blod flyder
Summary
Micro-partikel billedet Velocimetri (μPIV) bruges til at visualisere parrede billeder af mikropartikler podet i blodet strømme, der er cross-korreleret at give en præcis hastighed profil. Forskydningshastighed, maksimal hastighed, hastighed profil form, og strømningshastigheden, som hver har kliniske anvendelser, kan afledes fra disse målinger.
Abstract
Micro-partikel billedet Velocimetri (μPIV) bruges til at visualisere parrede billeder af mikropartikler podet i blodet flyder. Billederne er krydskorreleret at give en præcis hastighed profil. En protokol præsenteres for μPIV målinger af blod strømme i microchannels. Over omfanget af mikrocirkulationen, kan blod ikke betragtes som en homogen væske, da det er en suspension af fleksible partikler suspenderet i plasma, en newtonsk væske. Forskydningshastighed, maksimal hastighed, hastighed profil form, og strømningshastigheden kan afledes fra disse målinger. Flere vigtige parametre såsom omdrejningspunkt dybde, partikelkoncentration og systemets overensstemmelse, præsenteres med henblik på at sikre præcise, brugbare data sammen med eksempler og repræsentative resultater for forskellige hæmatokrit og flow betingelser.
Introduction
Den menneskelige krop indeholder talrige skibe med diametre mindre end 50 um, som er den vigtigste udveksling sted mellem blod og væv. Undersøgelsen af blodgennemstrømningen i disse fartøjer udgør en betydelig udfordring på grund af den store målingerne og flydende egenskaber af blod. Disse målinger, herunder trykgradient, forskydningen på væggen, og hastighedsprofiler i arterioler og vener, er nøglefaktorer knyttet til fysiologiske reaktioner. Der er nu helt nye muligheder for at løse disse målinger udfordringer takket være nye eksperimentelle teknikker på mikroskala at studere mikrocirkulationen og løse dette multiscale problem.
Mikro-partikel billede Velocimetri (μPIV) er en partikel-baseret flow visualisering teknik, der anvendes til at vurdere hastighedsprofiler af blodgennemstrømningen i mikrokanaler via krydskorrelation. μPIV, først udviklet af Santiago et al., har været brugt med hemorheologyundersøgelser siden Sugii et al. i 2001 brugt teknikken til at måle blodgennemstrømning i 100 um runde glasrør 1,2. Forskellige tilgange til μPIV findes. Highspeedkameraer kan anvendes til at korrelere bevægelsen af røde blodlegemer (RBC), og pulserende billeder kan anvendes til at korrelere bevægelsen af sporstof partikler. Begge disse muligheder kan kobles med en opretstående eller omvendt mikroskop, afhængigt af programmet. I begge tilfælde er resultatet en 2D hastighedsprofil. En anden metode er at anvende et konfokalt mikroskop for at opnå 2D-og 3D-profiler. Denne metode er blevet anvendt på blod 3,4,5.
Mikrostørrelse PIV har flere komplikationer sammenlignet med makro PIV. I makro PIV data kan være begrænset til et enkelt plan gennem ark af lys, men på mikroskala volumen belysning er nødvendig. Volumen belysning er et større problem for billeddannelse af mikro blodstrømme, som RBC'erne selv er store i forhold til channels og ved hjælp af de røde blodlegemer, som de sporstof partikler fører til en dybde af korrelation (DOC), som væsentligt kan reducere nøjagtigheden af krydskorrelationsintervallerne resultater 6,7,8. Efter Wereley et al. (1998) DOC for en 40 um tall kanal med RBC som sporstoffer er 8,8 um, mens med en 1 um sporstof partikel DOC er 6,7 um. Denne forskel bliver mere udtalt ved kanalskift højde og forstørrelse. Derudover RBC er uigennemsigtige, og øge tætheden af RBC'er i strømmen forårsager imaging vanskeligheder. Fluorescerende sporstof partikler, første gang brugt af Santiago et al. (1998), er blevet anbefalet som et redskab til at mindske indflydelsen af out-of-fokus partikler, når du bruger de mindste partikler mulige. Anvendelse af 1 um diameter fluorescerende mikropartikler koblet med en laser er en tilgang, der kan mindske dybden af fokus problem i mikro blodgennemstrømning billeddannelse 10. Der er flere aktuelle anmeldelser af staten μPIV technology, som hver især fremhæver betydningen af μPIV til blodstrømningshastigheder undersøgelser 11,12. Flere vigtige overvejelser skal tages i betragtning ved brug μPIV for blod. På mikroniveau, omfanget af mikrocirkulationen kan blodet ikke betragtes som en homogen flydende, da det er en suspension af fleksible røde blodlegemer (RBC), store hvide blodlegemer, blodplader og andre proteiner suspenderet i en newtonsk væske (plasma) .
De hastighedsprofiler målt her, kan anvendes til at måle visse egenskaber ved de mikro blodet flyder. De vigtige faktorer i microhemorheology er strømningshastigheden af blodet, formen af hastighedsprofilen, og forskydningsspændingen ved beholderens væg. Denne information har kliniske implikationer, da mikrocirkulationen er stedet for stofudvekslingen i kroppen, og denne udveksling er shear-afhængig. Der er flere af de nuværende anmeldelse undersøgelser om status for forskningen i mikrocirkulationen samt 13,14,15.
Præsenteret her er en protokol til μPIV målinger af blod flyder i polydimetylsiloxan (PDMS) microchannels. PDMS-kanaler blev fremstillet in-house efter kilderne i afsnit 1 i protokollen. Svin blodprøver blev opnået fra et akkrediteret slagteri og rengøres efter § 2 i protokollen. Alle data blev opnået ved hjælp af LaVision MITAS μPIV-system, som er beskrevet i afsnit 3 i protokollen. Det set-up består af en Nd: YAG laser (New Wave Research, USA) og CCD kamera (Image Intense, Lavision) kontrolleres af en programmerbar udløser enhed, en fluorescerende mikroskop kombineret med en scene bevæger sig i 3 akser, og en computer, i tillæg til en høj hastighed kamera (Dalsa 1M150, Holland) blev tilsat til visualisering af RBC'erne selv. Begge kameraer er tilsluttet en 2 port optisk boks (Custom af Zeiss, Tyskland). I typiske in vivo målinger af blodgennemstrømning, er en opretstående mikroskop bruges til at spore RBC'erne denmselves, mens typisk in vitro applikationer et inverteret mikroskop anvendes til at spore tracer partikler. I denne unikke dobbelt opsætning tillader optik kassen begge sporstoffer skal afbildes ved hjælp af omvendt mikroskop. Blod blev indført i mikrochips via en høj præcision sprøjtepumpe (Nexus3000, Chemyx Inc., USA). Et diagram over systemet er vist i figur 1, hvor den øverste del af figuren repræsenterer 140 um ved 40 um rektangulære kanaler fremstillet af PDMS og bunddelen repræsenterer hele systemet, herunder begge kameraer, den laser, sprøjtepumpen og mikroskopet.
Current μPIV set-ups til rådighed, som regel med proprietær software omfatter TSI, Dantec Dynamics, og LaVision. Standard krydskorrelationsintervallerne algoritmer kan opnås gennem mange software muligheder, herunder MATLAB. Softwaren er ikke nøglen forstå, hvad dialogbokse svarer til matematisk vil tjene brugenr meget bedre. I denne protokol Davis, er LaVision proprietære software eller MATLAB udnyttet. Protokollen er ikke software specifikke, men menupunkterne kan være i forskellige steder i forskellige softwarepakker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Brug μPIV for blod flowmålinger på omfanget af mikrocirkulationen kan give indsigt i en lang række relevante biomedicinske, mekaniske og kemiske tekniske processer. Nogle af de vigtigste faktorer at tage højde for, er tætheden af RBC selv, sammenlægning og deformerbarhed RBC, sammenlægning eller flytning af de fluorescerende mikropartikler og bundfældning af RBC i kanalerne. Alle disse kan forklares, hvis de generelle retningslinjer, der er fastlagt ovenfor, følges. Der er en grundlæggende checkliste ti…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke NSERC (Natural Sciences and Engineering Council of Canada) til finansiering, Catherine Pagiatikis for hendes hjælp i indledende kørsler, Sura Abu-Mallouh og Frederick Fahim til afprøvning af protokollen, Richard Prevost af LaVision, Inc til teknisk support, og Guy Cloutier fra University of Montréal for lånet af Dalsa high-speed kamera.
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 |
Referências
- 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).
