Méso-échelle Particle Image Velocimetry études de neurovasculaire Flows In Vitro
Summary
Nous présentons des méthodes simplifiées de fabrication neurovasculaire transparent fantômes et caractérisant l’écoulement qui y sont. Nous mettre en évidence plusieurs paramètres importants et démontrer leur relation à la précision du champ.
Abstract
Vélocimétrie par image de particules (PIV) est utilisé dans un large éventail de domaines, en raison de l’occasion, qu’il prévoit précisément, visualiser et quantifier les flux à travers une large gamme de spatio-temporelle. Cependant, son application nécessite généralement l’utilisation de l’instrumentation coûteuse et spécialisée, ce qui limite son utilité plus large. En outre, dans le domaine de la bio-ingénierie, des études in vitro flux visualisation sont aussi souvent plus limitée par le coût élevé des fantômes de tissu sur le marché de produits locaux que récapituler les structures anatomiques désirés, particulièrement pour ceux qui étendre le régime de méso-échelle (c.-à-d., Planck à des échelles de longueur millimètre). Ici, nous présentons un plan expérimental simplifié mis au point pour pallier ces lacunes, dont les éléments clés comprennent 1) une méthode relativement faible coût de fabrication des fantômes de tissu de méso-échelle utilisant l’impression 3D et le moulage de silicone et 2) une cadre de l’analyse et le traitement d’Open source image qui réduit la demande sur l’instrumentation pour la mesure des flux de méso-échelle (c.-à-d., des vitesses jusqu’à plusieurs dizaines de millimètres/seconde). Collectivement, il permet d’abaisser la barrière à l’entrée pour les profanes, en s’appuyant sur des ressources déjà à la disposition de nombreux chercheurs de bio-ingénierie. Nous demonstratethe application du présent protocole dans le cadre de la caractérisation des flux neurovasculaires ; Toutefois, il devrait intéresser un plus large éventail d’applications de méso-échelle en bio-ingénierie et au-delà.
Introduction
PIV est largement utilisé en mécanique des fluides expérimentale pour la visualisation de l’écoulement et des enquêtes quantitatives de mouvements fluides qui varient à l’échelle de longueur d’atmosphérique à flux microcirculatoire1,2,3. Bien que les détails de sa mise en œuvre peuvent varier aussi largement que ses applications, un aspect commun à presque toutes les études PIV est l’utilisation de l’imagerie vidéo de traceur particules ensemencées dans le fluide de travail, suivi d’une analyse par paires des trames d’images consécutives pour extraire les caractéristiques du débit souhaité. En général, ceci est accompli en premier subdiviser chaque trame d’image dans des régions plus petites appelées windows de l’interrogatoire. En raison de la position aléatoire des particules dispersées, chaque fenêtre d’interrogation contienne une distribution unique des intensités de pixels. Si la fréquence d’acquisition des données et la taille fenêtre est choisi de manière appropriée, la corrélation croisée de l’intensité de signal dans chaque fenêtre peut être utilisée pour estimer le déplacement moyen dans cette région. Enfin, étant donné que le grossissement et la cadence sont connus des paramètres expérimentaux, un champ de vecteurs Vitesse instantanée peut être facilement calculé.
Un avantage majeur de PIV sur des techniques de mesure de point unique est sa capacité à mapper les champs de vecteurs sur un domaine de deux ou trois dimensions. Les applications hémodynamiques, en particulier, ont bénéficié de cette capacité, puisqu’elle permet une étude approfondie des flux les, qui sont connus pour jouer un rôle important dans la maladie vasculaire ou la retouche (p. ex., l’athérosclérose, l’angiogenèse) 4 , 5 , 6. c’est également pour l’évaluation des flux neurovasculaire, et leurs interactions avec les dispositifs endovasculaires (p. ex., inverseurs de courant, stents, bobines intrasaccular), depuis les longueur-échelles pertinentes dans de telles applications peuvent souvent couvrent un ou plus ordres de grandeur (par exemple, du micromètre au millimètre) et la géométrie de l’appareil et placement peut un impact significatif sur la mécanique des fluides local7.
La plupart des groupes effectuant des études hémodynamiques PIV ont compté sur des montages expérimentaux qui imitent certaines des premières enquêtes de stent influence sur le flux vasculaire7,8. En général, il s’agit un) pulsé lasers et des caméras à haute vitesse, pour capturer les flux haute vitesse ; b) synchroniseurs, afin d’éviter le crénelage entre la fréquence d’impulsion du laser et de la fréquence d’images de caméra acquisition ; c) cylindrique optique, pour former une nappe de lumière et, ainsi, réduire au minimum la fluorescence de fond de particules traceur au-dessus et au-dessous du plan de l’interrogatoire ; d) dans le cas des systèmes commerciaux de clés en main, paquets de logiciels propriétaires, pour effectuer les analyses de corrélation croisée. Cependant, bien que certaines applications nécessitent la performances et une polyvalence collectivement offertes par ces composants, beaucoup d’autres le font pas. En outre, le coût élevé du tissu sur le marché de produits locaux fantômes qui récapitulent les structures vasculaires désirées peuvent également s’avérer limitant pour les études nombreuses in vitro , en particulier pour les fantômes avec dispose ce pont le régime de méso-échelle (> 500 USD / alimentation fantôme). Ici, nous présentons l’élaboration d’un protocole simplifié pour l’exécution de PIV pour la visualisation in vitro des flux neurovasculaire, qui généralement se trouvent tous deux dans l’espace et dans le temps au sein du régime de méso-échelle (c.-à-d., des échelles de longueur allant de Planck au millimètre et les vitesses jusqu’à plusieurs dizaines de millimètres/seconde). Le protocole vise à exploiter les ressources déjà à la disposition de nombreux chercheurs de bio-ingénierie, abaissant ainsi la barrière à l’entrée pour les profanes.
Le premier élément de ce protocole implique l’utilisation d’une technique de coulée d’investissement pour permettre la fabrication interne du transparent, polydiméthylsiloxane (PDMS)-base de fantômes de tissu de 3-D-imprimé sacrificiels moules. En misant sur la disponibilité croissante des imprimantes 3-d au cours des dernières années, notamment ceux de partagé/multi-user installations (p. ex., installations institutionnelles ou makerspaces public), cette méthode réduit les coûts considérablement (par exemple, < 100 USD/phantom dans le cas présenté ici), tout en permettant un revirement rapid pour la fabrication d’une grande variété de conceptions et de géométries. Dans le protocole actuel, une déposition fusionnée système de modélisation est utilisée avec l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) comme le matériau de construction, et la partie imprimée sert un moule sacrificiels pour le casting de fantôme ultérieur. Notre expérience a montré que l’ABS est bien adapté pour un tel usage car il est soluble dans les solvants courants (p. ex., acétone), et il a suffisamment de solidité et de rigidité pour maintenir l’intégrité de la moule après le retrait du soutien matériel (par exemple, à empêcher la déformation ou fracture des fonctionnalités diminutif de moule). Dans le protocole actuel, moule intégrité est assurée plus loin en utilisant des modèles imprimés solides, bien que cela se fait aux dépens des temps de dissolution accrue. L’utilisation de modèles creux est également possible dans certains cas, à promouvoir l’accès du solvant et ainsi, réduire le temps de dissolution. Cependant, attention il faudrait à l’effet cela peut avoir sur l’intégrité de la moule. Enfin, tandis que les fantômes fabriqués dans les présentes sont basées sur les représentations idéalisées des structures neurovasculaires générées à l’aide d’un progiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) commun, le protocole devrait être prête à la fabrication des plus complexes , aussi bien des géométries spécifiques à un patient (par exemple, via l’utilisation des fichiers de modèle générés par la conversion des données d’imagerie cliniques à la. STL format de fichier utilisé par la plupart des imprimantes 3-d). Plus de détails concernant le processus de fabrication fantôme figurent à l’article 2 du protocole.
Le deuxième élément du protocole implique l’utilisation d’une plug-in pour ImageJ mener les analyses de corrélation croisée9open-source. Cela va de pair avec la mise en œuvre d’un régime de simple seuillage statistique (c.-à-d., intensité bouchage)10 pour améliorer le signal de l’image avant de corrélation croisée, ainsi qu’un système de validation postcorrelation vector, le normalisée test médian (NMT), pour éliminer les parasites vecteurs via une comparaison de chacune de ses plus proches voisins11. Collectivement, cela permet d’imagerie être accompli en utilisant le matériel couramment trouvé dans de nombreux laboratoires de bio-ingénierie, éliminant ainsi le besoin pour l’acquisition d’un grand nombre des composants coûteux de systèmes typiques de PIV (p. ex., laser pulsé, synchroniseur, optique cylindrique et un logiciel propriétaire). Plus de détails sur la collection de vidéos, traitement d’images et analyse de données sont fournis dans les sections 5 et 6 du protocole.
La figure 1 illustre la mise en place PIV utilisé dans le présent protocole, qui s’appuie sur un microscope à fluorescence équipé d’une caméra haute vitesse pour l’imagerie, ainsi que de l’externe, source de lumière blanche continue (c.-à-d., lampe aux halogénures métalliques) pour par objectif éclairage volumétrique. Une pompe à vitesse variable est utilisée pour imposer le débit de recirculation d’une solution transparente sang simulé par les fantômes de tissu neurovasculaire. La solution est composée d’un mélange 60/40 (DI) de l’eau désionisée et du glycérol, qui est un substitut commun pour sang dans hémodynamiques études12,13,14, due à un) sa densité et sa viscosité (c.-à-d., similaire 1 080 kg/m3 et 3,5 cP vs 1 050 kg/m3 et 3-5 cP pour le sang)15,16; b) sa transparence dans le domaine du visible ; c) son indice de réfraction similaire au PDMS (1,38 vs 1,42 pour PDMS)17,18,19,20, minimisant la distorsion optique ; d) la facilité avec laquelle les comportement non-newtonien peut être introduit, le cas échéant, par l’ajout de xanthane21. Enfin, les billes de polystyrène fluorescents sont utilisés sous forme de particules de traceur (10,3 µm de diamètre ; 480 nm/501 nm excitation/émission). Alors que les perles de façon neutre flottants sont souhaitées, sourcing de particules traceur avec d’excellentes propriétés mécaniques fluides (p. ex., densité, taille, composition) et de la longueur d’onde d’émission peut s’avérer difficile. Par exemple, les perles utilisées dans les présentes sont légèrement moins denses que la solution de glycérol (1 050 kg/m3 vs 1 080 kg/m3). Cependant, les effets hydrodynamiques, ceux-ci, sont négligeables, étant donné que la durée d’une expérience typique est beaucoup plus courte que l’échelle de temps associée aux effets de flottabilité (c.-à-d., 5 min et 20 min, respectivement). Autres détails concernant l’installation de faux sang solution formulation et in vitro du système circulatoire sont fournis dans les sections 3 et 4 du protocole.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole décrit ci-après décrit une méthode simplifiée pour la réalisation d’études de la PIV pour visualiser neurovasculaire coule aux dimensions physiologiquement pertinentes et flux des conditions in vitro. Ce faisant, elle sert à compléter les protocoles rapportés par d’autres qui ont aussi porté sur la simplification de la quantification des champs de vecteurs, mais dans des contextes très différents qui nécessitent que l’examen de longueur beaucoup plus grande échelles<sup class="x…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent un soutien partiel pour ce projet fourni par une subvention de démarrage Collaborative de l’Office de la recherche et le développement économique à UC Riverside.
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 |
Referências
- Grant, I. Particle image velocimetry: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (1997).
- Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J. Micro-Particle Image Velocimetry (µPIV): Recent developments, applications, and guidelines. Lab on a Chip. 9 (17), 2551 (2009).
- Hove, J. R., et al. Intracardiac fluid forces are an essential epigenetic factor for embryonic cardiogenesis. Nature. 421, 172 (2003).
- Ando, J., Yamamoto, K. Vascular Mechanobiology. Circulation Journal. 73 (11), 1983-1992 (2009).
- Conway, D. E., et al. Fluid Shear Stress on Endothelial Cells Modulates Mechanical Tension across VE-Cadherin and PECAM-1. Current Biology. 23 (11), (2013).
- Kuhlencordt, P. J., et al. Accelerated Atherosclerosis, Aortic Aneurysm Formation, and Ischemic Heart Disease in Apolipoprotein E/Endothelial Nitric Oxide Synthase Double-Knockout Mice. Circulation. 104 (4), 448-454 (2001).
- Lieber, B. B., Stancampiano, A. P., Wakhloo, A. K. Alteration of hemodynamics in aneurysm models by stenting: Influence of stent porosity. Annals of Biomedical Engineering. 25 (3), 460-469 (1997).
- Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180° Curved Artery Test Section. Journal of Visualized Experiments. (113), e51288 (2016).
- Tseng, Q., et al. Spatial organization of the extracellular matrix regulates cell-cell junction positioning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (5), 1506-1511 (2012).
- Shavit, U., Lowe, R. J., Steinbuck, J. V. Intensity Capping: a simple method to improve cross-correlation PIV results. Experiments in Fluids. 42 (2), 225-240 (2007).
- Raffel, M., Willert, C. E., Werely, S., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry: a Practical Guide. , (2007).
- Kerl, H. U., et al. Implantation of Pipeline Flow-Diverting Stents Reduces Aneurysm Inflow Without Relevantly Affecting Static Intra-aneurysmal Pressure. Neurosurgery. 74 (3), 321-334 (2014).
- Lieber, B. B., Livescu, V., Hopkins, L. N., Wakhloo, A. K. Particle Image Velocimetry Assessment of Stent Design Influence on Intra-Aneurysmal Flow. Annals of Biomedical Engineering. 30 (6), 768-777 (2002).
- 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).
- Rand, P. W., Lacombe, E., Hunt, H. E., Austin, W. H. Viscosity of normal human blood under normothermic and hypothermic conditions. Journal of Applied Physiology. 19 (1), 117-122 (1964).
- Kenner, T., Leopold, H., Hinghofer-Szalkay, H. The continuous high-precision measurement of the density of flowing blood. Pflügers Archiv European Journal of Physiology. 370 (1), 25-29 (1977).
- Hoyt, L. F. New Table of the Refractive Index of Pure Glycerol at 20°C. Industrial & Engineering Chemistry. 26 (3), 329-332 (1934).
- Cai, Z., Qiu, W., Shao, G., Wang, W. A new fabrication method for all-PDMS waveguides. Sensors and Actuators A: Physical. 204, 44-47 (2013).
- Bouillot, P., et al. Particle imaging velocimetry evaluation of intracranial stents in sidewall aneurysm: hemodynamic transition related to the stent design. PloS ONE. 9 (12), 113762 (2014).
- Trager, A. L., Sadasivan, C., Lieber, B. B. Comparison of the in vitro hemodynamic performance of new flow diverters for bypass of brain aneurysms. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (8), 084505 (2012).
- Clauser, J., et al. A Novel Plasma-Based Fluid for Particle Image Velocimetry (PIV): In-Vitro Feasibility Study of Flow Diverter Effects in Aneurysm Model. Annals of Biomedical Engineering. 46 (6), 841-848 (2018).
- Johnston, I. D., McCluskey, D. K., Tan, C. K. L., Tracey, M. C. Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (3), 035017 (2014).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Analytical Chemistry. 75 (23), 6544-6554 (2003).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields. Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285 (2000).
- Bosbach, J., Kühn, M., Wagner, C., Raffel, M., Resagk, C. Large-Scale Particle Image Velocimetry of Natural and Mixed Convection. 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. , (2006).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Experiments in Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
- Lima, R., et al. In vitro blood flow in a rectangular PDMS microchannel: experimental observations using a confocal micro-PIV system. Biomedical Microdevices. 10 (2), 153-167 (2008).
- Kuo, C. -. C., Mao, R. -. C. Development of a Precision Surface Polishing System for Parts Fabricated by Fused Deposition Modeling. Materials and Manufacturing Processes. 31 (8), 1113-1118 (2016).
- Kang, K., Oh, S., Yi, H., Han, S., Hwang, Y. Fabrication of truly 3D microfluidic channel using 3D-printed soluble mold. Biomicrofluidics. 12 (1), 014105 (2018).
- Prasad, A. K. Particle Image Velocimetry. Current Science. 79 (1), 51-60 (2000).
- Dellenback, P. A., Macharivilakathu, J., Pierce, S. R. Contrast-enhancement techniques for particle-image velocimetry. Applied Optics. 39 (32), 5978-5990 (2000).
- Cowen, E. A., Monismith, S. G. A hybrid digital particle tracking velocimetry technique. Experiments in Fluids. 22 (3), 199-211 (1997).
- Gruen, A. W. Adaptive least squares correlation: a powerful image matching technique. South African Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Cartography. 14 (3), 175-187 (1985).
- Nogueira, J., Lecuona, A., Rodríguez, P. A. Data validation, false vectors correction and derived magnitudes calculation on PIV data. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1493-1501 (1997).
- Loudon, C., Tordesillas, A. The Use of the Dimensionless Womersley Number to Characterize the Unsteady Nature of Internal Flow. Journal of Theoretical Biology. 191 (1), 63-78 (1998).
- Drost, S., De Kruif, B. J., Newport, D. Arduino control of a pulsatile flow rig. Medical Engineering and Physics. 51, 67-71 (2017).
- Tsai, W., Savaş, &. #. 2. 1. 4. ;. Flow pumping system for physiological waveforms. Medical & Biological Engineering & Computing. 48 (2), 197-201 (2010).
- Kato, T., et al. Contrast-enhanced 2D cine phase MR angiography for measurement of basilar artery blood flow in posterior circulation ischemia. American Journal of Neuroradiology. 23 (8), 1346-1351 (2002).
