Мезомасштабных частиц изображение Велосиметрия исследования нервно-сосудистого потоков в пробирке
Summary
Здесь мы представляем упрощенные методы для изготовления фантомы прозрачный нервно-сосудистого и характеризующие потока в нем. Мы выделить несколько важных параметров и продемонстрировать их отношения к точности поля.
Abstract
Велосиметрия изображение частиц (PIV) используется в самых различных областях, из-за возможность, которую она предоставляет для точно визуализировать и количественной оценке потоков через множество пространственно-временных. Однако ее осуществление обычно требует использования дорогих и специализированных инструментария, который ограничивает его широкой полезности. Кроме того, в области биотехнологии, в vitro исследования визуализации потока также часто еще ограничено высокой стоимости фантомы коммерчески источников тканей, которые пилки желаемого анатомических структур, особенно для тех, охватывают мезомасштабные режима (то есть, субмиллиметровом миллиметра длины шкалы). Здесь, мы представляем упрощенной экспериментальный протокол, разработанный для устранения этих недостатков, основные элементы которого включают 1) относительно недорогой метод для изготовления мезомасштабные фантомы тканей с использованием 3-D печати и силиконовые литья и 2) открытым исходным кодом изображения анализа и обработки структуры, которая уменьшает спрос на приборы для измерения потоков мезомасштабные (то есть, скорости до десятков миллиметров в секунду). Коллективно это понижает барьер для вступления для неспециалистов, путем мобилизации ресурсов, уже имеющихся в распоряжении многих исследователей биоинженерии. Мы demonstratethe применимость этого протокола в контексте нервно-сосудистого потока характеристика; Однако как ожидается, отношение к более широкий спектр приложений мезомасштабные биоинженерии и за его пределами.
Introduction
PIV широко используется в экспериментальной механики жидкости для визуализации потока и количественные исследования движение жидкости, которые различаются по длине шкале от атмосферных микроциркуляторного потоков1,2,3. Хотя специфика ее осуществления могут различаться как его применения шире, одним из аспектов общей для почти всех PIV исследования является использование видео изображений трассирующими частиц посеян в пределах рабочей жидкости, затем попарного анализ последовательных фотошоп для извлечения желаемой характеристики потока. Как правило это достигается путем первое дробление каждого кадра на меньшие регионы, называется windows допроса. Вследствие случайных позиции дисперсных частиц каждый допрос окно содержит уникальный распределение интенсивности пикселей. Если стоимость приобретения окно размер и данных выбираются надлежащим образом, кросс корреляции интенсивности сигнала в каждом окне может использоваться для оценки среднее смещение в пределах этого региона. Наконец учитывая, что масштаб и частота кадров известны экспериментальные параметры, мгновенной скорости векторное поле может быть легко вычислена.
Основным преимуществом PIV над методы точечные измерения является его способность карта векторных полей в двух – и трехмерных домене. Гемодинамики приложений, в частности, выиграли от этой возможности, поскольку он позволяет провести тщательное расследование местными потоков, которые известны играть значительную роль в болезни сосудов или реконструкции (например, атеросклероз, ангиогенез) 4 , 5 , 6. Это также было верно для оценки потоков нервно-сосудистого и взаимодействия их с устройства Эндоваскулярная (например, поток диверторы, стенты, intrasaccular катушки), с соответствующей длины весы в таких приложениях можно часто охватывают один или более порядков величины (например, от микрометров до миллиметра) и устройство геометрии и размещения может существенно повлиять местные механики жидкости7.
Большинство групп, проведение на основе PIV гемодинамические исследования опирались на экспериментальных установок, которые тесно имитировать некоторые из ранних исследований влияния стента на кровоток7,8. Как правило, к ним относятся) импульсных лазеров и высокоскоростные камеры, чтобы захватить высокой скорости потоков; b) синхронизаторы, чтобы предотвратить сглаживание между частота импульсов лазерного и частота кадров приобретения камеры; c) цилиндрические Оптика, чтобы сформировать лист света и, таким образом, свести к минимуму флуоресценции фон от трассирующими частиц выше и ниже плоскости допроса; d) в случае использования коммерческих систем под ключ, пакеты несвободных программ, для выполнения анализа кросс корреляции. Однако, в то время как некоторые приложения требуют производительность и универсальность, коллективно, обеспечиваемой этими компонентами, многие другие этого не делают. Кроме того, высокая стоимость коммерчески источников ткани, призраки, которые пилки желаемого сосудистых структур также могут оказаться ограничения для многих в vitro исследования, особенно для фантомы с есть что мост режима мезомасштабные (> 500 USD / призрак). Здесь мы приводим в разработке упрощенного протокола для реализации PIV для визуализации в vitro нервно-сосудистого потоков, которые обычно лежат как пространственно и височно в рамках режима мезомасштабные (т.е., длина шкалы начиная от субмиллиметровом миллиметра, и скорости до десятков миллиметров в секунду). Протокол направлен на мобилизацию ресурсов, уже имеющихся в распоряжении многих исследователей биоинженерии, таким образом понижая барьер для вступления для неспециалистов.
Первый элемент настоящего Протокола предполагает использование метода литья инвестиций для включения собственного изготовления прозрачной, полидиметилсилоксан (PDMS)-на основе ткани фантомы из печатных 3 объемным жертвенных формы. Используя все бóльшая доступность 3-D принтеры в последние годы, особенно в общих/multi пользователя услуги (например, организационные услуги или общественного makerspaces), эта методология значительно сокращает расходы (например, < 100 USD/phantom в дело, представленные здесь), обеспечивая быстрый поворот для изготовления различных конструкций и геометрии. В текущем протоколе плавленый осаждения системы моделирования используется с Акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) в качестве строительного материала, и печатные часть служит жертвенных прессформы для последующего Фантом литья. Наш опыт показал, что ABS хорошо подходит для такого использования, так как он растворяется в общих растворителей (например, ацетон), и он имеет достаточную прочность и жесткость поддерживать целостность формы после удаления поддержки материала (например, к предотвращения деформаций или разрушения уменьшительная форма функции). В текущем протоколе плесень целостность далее обеспечивается с помощью твердотельных моделей печатных, хотя это происходит за счет увеличения распада время. В некоторых случаях, расширения растворителя доступа, и таким образом, сократить время распада, возможно также использование полых моделей. Однако серьезное внимание следует уделять о том, это может иметь на плесень целостности. Наконец в то время как фантомы, изготовленные здесь, основаны на идеализированные представления нервно-сосудистых структур, создается с помощью общего пакета программного обеспечения компьютерного проектирования (CAD), протокол ожидается поддаются производство более сложных , пациент конкретных геометрии также (например, через использование модели файлов, созданных преобразованием клинических визуализации данных. STL формат файла, используемый в большинстве 3-D принтеры). Более подробная информация о фантомных технологическому процессу приводятся в разделе 2 протокола.
Второй элемент протокола включает в себя использование открытым исходным кодом плагина для ImageJ провести анализ кросс корреляции9. Это в сочетании с осуществлением простой статистический порог схемы (т.е., интенсивности укупорки)10 для улучшения сигнала изображения до кросс корреляции, а также схему проверки postcorrelation вектор, нормированного медианный тест (NMT), чтобы устранить ложные векторов через сравнение каждого ее ближайших соседей11. Коллективно это позволяет imaging для быть выполнены с использованием обычно встречаются во многих лабораториях биоинженерии, таким образом устраняя необходимость приобретения многих дорогостоящих компонентов типичных PIV систем (например, импульсного лазерного оборудования синхронизатор, цилиндрические Оптика и патентованного программного обеспечения). Дополнительные сведения о коллекции видео, обработки изображений и анализа данных приведены в разделах 5 и 6 протокола.
Рисунок 1 иллюстрирует PIV настройки, используемые в настоящем Протоколе, который опирается на флуоресценции микроскоп оснащен высокоскоростной камеры для изображений, а также внешней, непрерывного источника белого света (т.е., металлогалогенные лампы) объемное освещение через цели. Насос шестеренный переменной скорости используется навязать рециркуляционный потока раствора прозрачной макет крови через фантомы нервно-сосудистых тканей. Решение состоит из смеси переработке деонизированной воды (DI) и глицерин, который является общим замену крови в гемодинамические исследования12,13,14, из-за) его же плотность и вязкость (т.е., 1,080 кг/м3 и 3.5 cP против 1050 кг/м3 и cP 3-5 для крови)1615,; b) его прозрачность в видимом диапазоне; c) его аналогичный показатель преломления как PDMS (1,38 против 1,42 для PDMS)17,18,19,20, который минимизирует оптических искажений; d легкость, с которой могут быть введены неньютоновских поведение, при необходимости, через Добавление ксантана21. Наконец флуоресцентный шарики полистироля используются как трассировщик частиц (10,3 мкм в диаметре; 480 Нм/501 Нм возбуждения/выбросов). Хотя нейтральн плавучесть бусины желательны, поставщиков трассировочных частиц с оптимальной жидкости механических свойств (например, плотность, размер, состав) и длина волны излучения может оказаться сложной задачей. К примеру бусы, используемые здесь немного менее плотной, чем глицерола раствор (1050 кг/м3 против 1080 кг/м3). Однако, гидродинамические эффекты, их, незначительным, учитывая, что продолжительность типичного эксперимента намного короче, чем шкала времени, связанные с эффектами плавучести (т.е., 5 минут и 20 минут, соответственно). Дополнительные сведения о макет крови решение разработки и в пробирке кровеносной системы настройки приведены в разделах 3 и 4 протокола.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол описаного контуры, упрощенный метод для выполнения исследования PIV визуализировать нервно-сосудистого протекает в физиологически соответствующие размеры и условия потока в пробирке. Поступая таким образом, он служит, чтобы дополнить сообщили другие протоколы, которые б…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают частичную поддержку для этого проекта, предоставляемые совместных семян грант от управления исследований и экономического развития в 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).
