माइक्रो रक्त प्रवाह के वेग प्रोफ़ाइल माप के लिए सूक्ष्म कण छवि velocimetry
Summary
सूक्ष्म कण छवि velocimetry (μPIV) एक सटीक वेग प्रोफाइल देने के लिए पार से सहसंबद्ध होते हैं जो रक्त प्रवाह में वरीयता प्राप्त सूक्ष्म कणों की बनती छवियों कल्पना करने के लिए प्रयोग किया जाता है. नैदानिक आवेदन किया है, जिनमें से प्रत्येक कतरें दर, अधिकतम गति, वेग प्रोफाइल आकार, और प्रवाह की दर, इन मापों से प्राप्त किया जा सकता है.
Abstract
सूक्ष्म कण छवि velocimetry (μPIV) रक्त प्रवाह में वरीयता प्राप्त सूक्ष्म कणों की बनती छवियों कल्पना करने के लिए प्रयोग किया जाता है. छवियों के एक सटीक वेग प्रोफाइल देने के पार सहसंबद्ध हैं. एक प्रोटोकॉल microchannels में रक्त प्रवाह की μPIV मापन के लिए प्रस्तुत किया है. Microcirculation के पैमाने पर, रक्त प्लाज्मा, एक न्यूटन द्रव में निलंबित लचीला कणों के निलंबन के रूप में, एक सजातीय तरल पदार्थ नहीं माना जा सकता. कतरें दर, अधिकतम गति, वेग प्रोफाइल आकार, और प्रवाह की दर इन मापों से प्राप्त किया जा सकता है. ऐसे फोकल गहराई, कण एकाग्रता, और सिस्टम अनुपालन के रूप में कई महत्वपूर्ण पैरामीटर, विभिन्न hematocrits और प्रवाह की स्थिति के लिए उदाहरण और प्रतिनिधि परिणामों के साथ सही, उपयोगी डेटा सुनिश्चित करने के क्रम में प्रस्तुत कर रहे हैं.
Introduction
मानव शरीर के रक्त और ऊतकों के बीच मुख्य विनिमय स्थल हैं जो व्यास कम से कम 50 माइक्रोन, के साथ कई वाहिकाओं शामिल हैं. इन वाहिकाओं में रक्त के प्रवाह का अध्ययन माप के पैमाने और रक्त का द्रव गुण दोनों की वजह से काफी चुनौती का प्रतिनिधित्व करता है. दबाव ढाल, दीवार पर कतरनी, और धमनियों और venules में वेग प्रोफाइल सहित इन मापों, शारीरिक प्रतिक्रियाओं के साथ जुड़े महत्वपूर्ण कारक हैं. इन माप चुनौतियों को हल करने के लिए अभूतपूर्व अवसर, microcirculation में अध्ययन करने और इस multiscale समस्या को हल करने के लिए सूक्ष्म स्तर पर नई प्रयोगात्मक तकनीक की बदौलत अब कर रहे हैं.
सूक्ष्म कण छवि velocimetry (μPIV) पार सहसंबंध के माध्यम से microchannels में रक्त के प्रवाह के वेग प्रोफाइल मूल्यांकन किया जाता है कि एक कण आधारित प्रवाह दृश्य तकनीक है. पहले सैंटियागो एट अल. द्वारा विकसित μPIV, hemorheology के साथ इस्तेमाल किया गया हैSugii एट अल के बाद से अध्ययन करता है. 2001 में 100 माइक्रोन दौर ग्लास ट्यूब में 1,2 रक्त प्रवाह को मापने के लिए तकनीक का इस्तेमाल किया. ΜPIV अस्तित्व के लिए अलग अलग दृष्टिकोण. उच्च गति कैमरों लाल रक्त कोशिकाओं (आरबीसी) की आवाजाही सहसंबंधी करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, और स्पंदित छवियों ट्रेसर कणों के आंदोलन सहसंबंधी करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इन विकल्पों में से किसी भी आवेदन पर निर्भर करता है, एक ईमानदार या उलटा माइक्रोस्कोप के साथ मिलकर किया जा सकता है. दोनों ही मामलों में, परिणाम एक 2D वेग प्रोफाइल है. एक और दृष्टिकोण को 2 डी और 3 डी प्रोफाइल को प्राप्त करने के लिए एक confocal खुर्दबीन का उपयोग करने के लिए है. इस विधि रक्त 3,4,5 के लिए लागू किया गया है.
मैक्रो PIV के साथ तुलना में माइक्रो पैमाने PIV कई जटिलताओं है. मैक्रो PIV में डेटा प्रकाश की चादरों के माध्यम से एक ही विमान तक सीमित किया जा सकता है, लेकिन सूक्ष्म स्तर मात्रा रोशनी में आवश्यक है. लाल रक्त कोशिकाओं को खुद ग की तुलना में बड़े होते हैं के रूप में वॉल्यूम रोशनी, सूक्ष्म रक्त प्रवाह की इमेजिंग के लिए एक बड़ी समस्या हैhannels, और ट्रेसर कणों के रूप में लाल रक्त कोशिकाओं का उपयोग काफी पार सहसंबंध परिणाम 6,7,8 की सटीकता की कमी कर सकते हैं जो सहसंबंध की गहराई (डॉक्टर) की ओर जाता है. एक 1 माइक्रोन ट्रेसर कण के साथ डॉक्टर 6.7 माइक्रोन है जबकि tracers साथ आरबीसी के साथ एक 40 माइक्रोन लंबा चैनल के लिए Wereley एट अल. (1998) डॉक्टर के बाद, 8.8 माइक्रोन है. चैनल ऊंचाई और बढ़ाई बदल रहा है जब यह अंतर और अधिक स्पष्ट हो जाता है. इसके अतिरिक्त, लाल रक्त कोशिकाओं अपारदर्शी हैं, और प्रवाह में लाल रक्त कोशिकाओं के घनत्व में वृद्धि इमेजिंग कठिनाइयों का कारण बनता है. संभव छोटे कणों का उपयोग करते समय पहले सैंटियागो एट अल. (1998) द्वारा इस्तेमाल Fluorescing ट्रेसर कण, बाहर का ध्यान केंद्रित कणों के प्रभाव को कम करने के लिए एक उपकरण के रूप में वकालत की गई है. 1 माइक्रोन व्यास fluorescing का प्रयोग एक लेजर के साथ मिलकर microparticles सूक्ष्म रक्त प्रवाह इमेजिंग 10 में ध्यान समस्या की गहराई कम हो सकती है कि एक दृष्टिकोण है. ΜPIV tec की राज्य के कई वर्तमान समीक्षा कर रहे हैंरक्त प्रवाह पढ़ाई 11,12 को μPIV के महत्व पर प्रकाश डाला गया है, जिनमें से प्रत्येक hnology,. रक्त के लिए μPIV का उपयोग करते समय कई महत्वपूर्ण बातों को ध्यान में रखा जाना चाहिए. सूक्ष्म स्तर पर, microcirculation के पैमाने, रक्त यह एक न्यूटन द्रव (प्लाज्मा) में निलंबित लचीला लाल रक्त कोशिकाओं (आरबीसी), बड़े सफेद रक्त कोशिकाओं, प्लेटलेटों और अन्य प्रोटीन के निलंबन के रूप में, एक सजातीय तरल पदार्थ नहीं माना जा सकता .
यहाँ मापा वेग प्रोफाइल सूक्ष्म रक्त प्रवाह की कुछ विशेषताओं को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. microhemorheology में महत्वपूर्ण कारकों में रक्त के प्रवाह की दर, वेग प्रोफाइल के आकार, और पोत की दीवार पर कतरनी तनाव हैं. Microcirculation में शरीर में पोषक तत्वों के आदान प्रदान के लिए साइट है, के रूप में यह जानकारी, नैदानिक प्रभाव पड़ता है, और इस मुद्रा कतरनी पर निर्भर है. Microcirculation में अनुसंधान की स्थिति पर कई वर्तमान समीक्षा पढ़ाई, साथ ही 13 कर रहे हैं14,15.
यहाँ प्रस्तुत polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels में रक्त प्रवाह की μPIV मापन के लिए एक प्रोटोकॉल है. PDMS चैनल प्रोटोकॉल की धारा 1 में सूत्रों का पालन घर में गढ़े गए थे. सुअर का खून के नमूने को एक मान्यता प्राप्त कसाईखाना से प्राप्त की और प्रोटोकॉल की धारा 2 पीछा कर साफ कर रहे थे. सभी डेटा के रूप में प्रोटोकॉल की धारा 3 में वर्णित LaVision MITAS μPIV प्रणाली का उपयोग कर प्राप्त किया गया था. YAG लेजर (न्यू वेव अनुसंधान, यूएसए) और सीसीडी कैमरा (छवि तीव्र, Lavision) एक प्रोग्राम ट्रिगर इकाई, 3 कुल्हाड़ियों में घूम रहा है एक मंच के साथ मिलकर एक फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोप, और एक कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित: सेट अप एक एन डी के होते हैं एक उच्च गति कैमरा (Dalsa 1M150, नीदरलैंड) के अलावा लाल रक्त कोशिकाओं को खुद के दृश्य के लिए जोड़ा गया है. दोनों कैमरों एक 2 बंदरगाह ऑप्टिक बॉक्स (Zeiss द्वारा कस्टम, जर्मनी) से जुड़े हैं. रक्त प्रवाह के vivo माप में ठेठ में, एक ईमानदार माइक्रोस्कोप लाल रक्त कोशिकाओं को ट्रैक करने के लिए प्रयोग किया जाता हैmselves, इन विट्रो अनुप्रयोगों में ठेठ में एक औंधा माइक्रोस्कोप ट्रेसर कणों को ट्रैक करने के लिए प्रयोग किया जाता है, जबकि. सेट अप के इस अद्वितीय दोहरी में, प्रकाशिकी बॉक्स दोनों tracers उलटा माइक्रोस्कोप का उपयोग imaged किया जा करने की अनुमति देता है. रक्त एक उच्च परिशुद्धता सिरिंज पंप (Nexus3000, Chemyx इंक, यूएसए) के माध्यम से माइक्रोचिप्स में पेश किया गया था. प्रणाली का एक चित्र आकृति के शीर्ष भाग PDMS की गढ़े 40 माइक्रोन आयताकार चैनलों से 140 माइक्रोन का प्रतिनिधित्व करता है जहां चित्र 1 में दिखाया गया है, और नीचे के हिस्से को दोनों कैमरा, लेजर, सिरिंज पंप और सहित पूरे तंत्र का प्रतिनिधित्व करता है माइक्रोस्कोप.
वर्तमान μPIV सेट अप उपलब्ध है, आमतौर पर मालिकाना सॉफ्टवेयर के साथ, TSI, Dantec गतिशीलता, और LaVision शामिल हैं. स्टैंडर्ड पार से संबंध एल्गोरिदम MATLAB सहित कई सॉफ्टवेयर विकल्प है, के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है. सॉफ्टवेयर संवाद बॉक्स गणितीय उपयोग की सेवा करेंगे के अनुरूप क्या समझ, कुंजी नहीं हैआर ज्यादा बेहतर है. इस प्रोटोकॉल डेविस, LaVision मालिकाना सॉफ्टवेयर या MATLAB का उपयोग किया जाता है. प्रोटोकॉल विशेष सॉफ्टवेयर नहीं है, लेकिन मेनू विकल्पों अलग सॉफ्टवेयर संकुल में विभिन्न स्थानों में हो सकता है.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microcirculation के पैमाने पर रक्त प्रवाह मापन के लिए μPIV का प्रयोग प्रासंगिक, जैव चिकित्सा यांत्रिक और रासायनिक इंजीनियरिंग प्रक्रियाओं की एक बड़ी संख्या में जानकारी दे सकते हैं. के लिए खाते में महत्वपूर्ण कारक…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों प्रारंभिक रन, में उसकी मदद के लिए धन, कैथरीन Pagiatikis लिए NSERC (प्राकृतिक विज्ञान और कनाडा के इंजीनियरिंग परिषद) को धन्यवाद देना चाहूंगा सुरा अबू Mallouh और प्रोटोकॉल, LaVision के रिचर्ड Prevost, तकनीकी सहायता के लिए उद्योग जगत, परीक्षण के लिए फ्रेडरिक फहीम और Dalsa उच्च गति कैमरा के ऋण के लिए मॉन्ट्रियल विश्वविद्यालय के लड़के Cloutier.
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 |
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