Meso-גודל החלקיקים תמונה Velocimetry מחקרים של נוירו-וסקולריים זורם במבחנה
Summary
כאן אנו מציגים שיטות מפושטת בדיית שקוף נוירו-וסקולריים פאנטום ואפיון הזרימה בו. עלינו להדגיש מספר פרמטרים חשובים, להדגים את הקשר שדה דיוק.
Abstract
Velocimetry תמונה של חלקיקים (PIV) משמש במגוון רחב של תחומים, בגלל ההזדמנות שהיא מספקת בדיוק להמחיש וכימות זורם על פני טווח זמן-מרחבי גדול. עם זאת, יישומה בדרך כלל דורש השימוש במכשור מיוחד ויקר, אשר מגביל את השירות שלה רחב יותר. יתר על כן, בתוך השדה של בביו-הנדסה, במבחנה זרימה ויזואליזציה מחקרים הם לעתים קרובות גם נוסף מוגבל על-ידי העלות הגבוהה של רקמות מסחרית מתוצרת פאנטום זה מסכם את הדברים הרצויים מבנים אנטומיים, במיוחד עבור אלה אשר להקיף את המשטר mesoscale (כלומר, submillimeter כדי פיסיקליות מילימטר). במסמך זה, אנו מציגים את פרוטוקול נסיוני פשוטה שפותחה כדי לטפל מגבלות אלו, אשר המרכיבים העיקריים של כלול 1) שיטה יחסית נמוכים עבור בדיית mesoscale רקמות פאנטום באמצעות הדפסה תלת-ממדית, יציקת סיליקון, ו- 2) ניתוח פתוח תמונה ומסגרת עיבוד המפחיתה את דרישה המכשור למדידת זרמי mesoscale (כלומר, מהירויות עד עשרות מילימטרים/שניה). באופן קולקטיבי, שילוב זה מפחית את חסם כניסה עבור nonexperts, על-ידי מינוף המשאבים כבר לרשותם של חוקרים רבים בביו-הנדסה. אנחנו אחת הישימות של פרוטוקול זה בהקשר של נוירו-וסקולריים זרימה אפיון; עם זאת, הוא צפוי להיות רלוונטי מגוון רחב יותר של יישומים mesoscale בביו-הנדסה ומעבר.
Introduction
PIV הוא בשימוש נרחב ב מכניקת הזורמים ניסיוני הדמיית זרימה וחקירות כמותית של נוזלים משתנים בקנה מידה אורך מן האטמוספירה זורם microcirculatory1,2,3. בעוד הפרטים של יישומה יכול להשתנות באותו האופן כמו היישומים שלה, היבט אחד משותף כמעט כל הלימודים PIV הוא השימוש של הסרטונים הדמיה של חלקיקים מעקב נזרע בתוך הנוזל לעבוד, ואחריו ניתוח pair-wise של מסגרות תמונה רצופים כדי לחלץ את מאפייני הזרימה הרצויה. בדרך כלל, זו מושגת על ידי הראשון סוגייה משפטית כל מסגרת התמונה לאזורים קטנים יותר כינה החקירה windows. כתוצאה מכך העמדות אקראי של החלקיקים התפזרו, כל חלון החקירה מכיל בהתפלגות ייחודי של פיקסל עוצמות. אם קצב רכישת חלון וגודל נתוני נבחרו כראוי, קרוס-המתאם של האות בעוצמה בכל חלון ניתן להעריך העקירה הממוצע באזור הזה. בסופו של דבר, בהתחשב בכך רמת ההגדלה ואת קצב מסגרות ידועים פרמטרים ניסיוני, שדה וקטורי המהירות מיידי יכול להיות בקלות מחושב.
יתרון גדול של PIV על טכניקות מדידה נקודה אחת היא היכולת שלה מיפוי שדות וקטוריים על פני שני – או תלת ממדית תחום. יישומים והמודינמיקה, בפרט, שיפרו את מצבן של יכולת זו, שכן הוא מאפשר חקירה יסודית של תזרימי המקומי, אשר ידועים לשחק תפקיד משמעותי מחלת כלי דם או שיפוץ (למשל, טרשת עורקים, אנגיוגנזה) 4 , 5 , 6. זה גם היה נכון על ההערכה של נוירו-וסקולריים תזרימי, ויכול האינטראקציות שלו עם מכשירים endovascular (למשל, זרימה diverters, סטנטים, סלילי intrasaccular), מאז הרלוונטיות-פיסיקליות ביישומים כאלה לעיתים קרובות להקיף פעם אחת או יותר סדרי גודל (למשל, מ מיקרומטר כדי מילימטר), התקן גאומטריה, השמה יכולה להשפיע באופן משמעותי את מכניקת הזורמים מקומיים7.
רוב הקבוצות מבוססת-PIV מחקרים והמודינמיקה צריכים לסמוך על set-ups ניסיוניים המחקים חלק החקירות המוקדם של סטנט השפעה על זרימת הדם7,8מקרוב. בדרך כלל, אלה כוללים) פעמו לייזרים ומצלמות מהירות גבוהה, כדי ללכוד זורם במהירות גבוהה; b) המסנכרנים, כדי למנוע החלקה בין תדירות הדופק לייזר את קצב המסגרות של רכישת המצלמה; ג) אופטיקה גלילי, כדי ליצור גיליון אור, לפיכך, למזער את רקע זריחה של חלקיקים מעקב מעל ומתחת המטוס החקירה; ד) במקרה של מערכות מפתח הפעלה מסחריות, חבילות תוכנה קניינית, כדי לבצע את ניתוח קרוס-המתאם. עם זאת, בעוד חלק מהיישומים מחייבים את הביצועים ו/או רב-תכליתיות קולקטיבי המוענקת על ידי רכיבים אלה, ורבים אחרים עושים לא. יתר על כן, העלות הגבוהה של רקמות מסחרית מתוצרת פאנטום זה מסכם את הדברים הרצויים מבנים כלי הדם יכול להוכיח גם הגבלת למחקרים רבים במבחנה , במיוחד עבור מטוסי פאנטום עם כולל את הגשר הזה, המשטר mesoscale (> 500 USD / פנטום). במסמך זה, אנחנו מדווחים על התפתחות פרוטוקול פשוטה ליישום PIV עבור הפריט במבחנה החזותי של נוירו-וסקולריים תזרימי, אשר בדרך כלל שקר שניהם במרחב ובתוך חנותם המשטר mesoscale (קרי, פיסיקליות החל מ submillimeter מ מ, מהירויות עד עשרות מילימטרים/שניה). הפרוטוקול שואפת למנף את המשאבים כבר לרשותם של חוקרים רבים בביו-הנדסה, ובכך להקטין את חסם כניסה עבור nonexperts.
הרכיב הראשון של פרוטוקול זה כרוכה בשימוש שיטת הליהוק השקעות כדי לאפשר הזיוף שבאתר של שקוף, polydimethylsiloxane (PDMS)-מבוסס רקמות מטוסי פאנטום מטייסת מודפס ממד 3 תבניות ההקרבה. באמצעות מינוף הזמינות הגוברת של מדפסות תלת-ממדי בשנים האחרונות, במיוחד אלה במתקנים משותפים/מולטי-משתמש (למשל, מתקנים מוסדיים או makerspaces ציבורית), מתודולוגיה זו חותך בעלויות באופן משמעותי (למשל, < USD 100/פנטום בתיק המוצגים כאן), תוך מתן אפשרות של תגובה מהיר להרכבת מגוון רחב של עיצובים וגיאומטריה. בפרוטוקול הנוכחי, תצהיר מאוחה מידול מערכת עם styrene טבעי בוטאדיאן (ABS) משמש חומרי הבנייה, והוא החלק המודפס משמש תבנית ההקרבה לליהוק פנטום עוקבות. הנסיון מראה כי ABS הוא מתאים היטב עבור שימוש כזה מאז הוא מסיס ממיסים משותף (למשל, אצטון), וזה מספיק חוזק, קשיחות כדי לשמור על שלמות עובש לאחר הסרת החומר תמיכה (למשל, למנוע את דפורמציה או שבר של תכונות עובש זעיר). בפרוטוקול הנוכחי, עובש תקינות נוספות מובטחת באמצעות דגמים מודפסים מוצק, למרות שזה בא על חשבון זמן פירוק מוגבר. השימוש של מודלים חלול ייתכן גם במקרים מסוימים, כדי לשפר את הגישה הממס, ובכך גם להפחית זמן פירוק. עם זאת, זהיר להתחשב על אפקט זה ייתכן יושרה עובש. לבסוף, בעוד הרוחות מפוברק, והאירועים מתבססת על ייצוגים אידאלית של מבנים נוירו-וסקולריים שנוצר באמצעות חבילת תוכנה נפוצה של תכנון בעזרת מחשב (CAD), הפרוטוקול צפוי להיות מקובל הזיוף של מורכבות יותר , החולה הספציפי גיאומטריות כמו גם (למשל, באמצעות השימוש של מודל קבצים שנוצרו על-ידי ההמרה של נתונים קליניים הדמיה. STL תבנית קובץ בשימוש על ידי רוב מדפסות תלת-ממדי). פרטים נוספים על תהליך ייצור דמה ניתנים בסעיף 2 של הפרוטוקול.
הרכיב השני של הפרוטוקול כרוכה בשימוש פתוח התוספת עבור ImageJ לנהל את הצלב-המתאם ניתוחים9. זה זה משולב עם היישום של ערכת סף סטטיסטית פשוטה (קרי, עוצמת מיצוי)10 כדי לשפר את האות התמונה לפני הצלב-קורלציה, כמו גם ערכת אימות וקטור postcorrelation, מנורמל בדיקת חציון (nmt ב), כדי לחסל וקטורים כדין דרך השוואה של כל השכנים הקרובה שלה11. באופן קולקטיבי, הדבר מאפשר הדמיה להתבצע באמצעות ציוד מתמקמות במעבדות בביו-הנדסה רבים, ובכך מבטל את הצורך עבור רכישת רבים של רכיבי מערכות PIV טיפוסי (למשל, לייזר פעמו, יקר מסנכרן אופטיקה גלילי, תוכנה קניינית). פרטים נוספים על אוסף הווידאו, עיבוד תמונה, ניתוח נתונים ניתנים בסעיפים 5 ו- 6 של הפרוטוקול.
איור 1 מדגימה את הסידור PIV בשימוש פרוטוקול זה, אשר נשענת על מיקרוסקופ פלורסצנטיות מצויד with a מצלמה במהירות גבוהה עבור הדמיה, כמו גם חיצוני, רציף מקור אור לבן (כלומר, מטאל-הליד) עבור תאורה הנפחי דרך המטרה. משאבה מהירות משתנה הציוד משמש להטיל את הזרימה recirculating של פתרון שקוף דם מדומה דרך הרוחות רקמות נוירו-וסקולריים. הפתרון מורכב תערובת מתקפל 60: 40 של יונים גליצרול, המהווה תחליף נפוץ עבור דם והמודינמיקה מחקרים12,13,14, בשל ומים (DI)) שלה צפיפות, צמיגות (כלומר, דומה 1,080 kg/m3 ו cP 3.5 לעומת 1,050 kg/m3 ו- 3-5 cP לדם)15,16; b) שקיפותו בטווח גלוי; ג) שלה דומה מקדם שבירה כמו PDMS (1.38 אינץ לעומת 1.42 עבור PDMS)17,18,19,20, אשר מצמצם את עיוות אופטי; ד) הקלות שבה שיוכל התנהגות לא-ניוטונים, במידת הצורך, באמצעות התוספת של xanthane21. לבסוף, חרוזי פוליסטירן פלורסנט משמשים חלקיקים מעקב (מיקרומטר 10.3 בקוטר; 480 ננומטר/501 nm עירור/פליטה). בעוד חרוזים נייטרליים קליל הם הרצויה, לחיזוי מעקב חלקיקים עם אופטימלית תכונות מכניות נוזלים (למשל, צפיפות, גודל, קומפוזיציה) ואת פליטת הגל יכול להוכיח מאתגר. לדוגמה, החרוזים הסעיפים הם מעט פחות צפוף מאשר הפתרון גליצרול (1,050 kg/m3 לעומת 1,080 kg/m3). עם זאת, ההשפעות hydrodynamic, ממנו הם זניחים, בהתחשב בכך משך ניסוי טיפוסי הוא קצר יותר ציר הזמן המשויכת ציפה אפקטים (כלומר, 5 דקות, 20 דקות, בהתאמה). עוד פרטים בנוגע דם מדומה פתרון ניסוח ו במבחנה מערכת הדם קביעת ניתנים בסעיפים 3 ו- 4 של הפרוטוקול.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המפורטים להלן מתאר שיטה פשוטה לביצוע מחקרים PIV להמחיש נוירו-וסקולריים זורם המימדים הרלוונטיים מבחינה פיזיולוגית, תנאי זרימה בתוך חוץ גופית. בעשותו כן, הוא משמש כדי להשלים פרוטוקולים שדווחו על-ידי אחרים גם התמקדו פישוט כימות של שדות וקטוריים, אך בתוך בהקשרים שונים הדורשים ש?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים להכיר תמיכה חלקית עבור פרויקט זה מסופק על ידי מענק זרע שיתופי של Office של מחקר ופיתוח כלכלי ב 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).
