Micro-partikkel Bilde velocimetry for Velocity Profil Målinger av Micro blodet flyter
Summary
Mikro-partikkel bilde velocimetry (μPIV) blir brukt til å visualisere sammenkoblede bilder av mikropartikler sås i blod flyter som er kryss-korrelert for å gi en nøyaktig hastighetsprofil. Skjærhastighet, maksimal hastighet, hastighet profilform, og strømningshastigheten, som hver har kliniske anvendelser, kan utledes fra disse målingene.
Abstract
Micro-partikkel bilde velocimetry (μPIV) brukes til å visualisere sammenkoblede bilder av mikropartikler seeded i blodet flyter. Bildene er kryss-korrelert å gi en nøyaktig hastighet profil. En protokoll er presentert for μPIV målinger av blod flyter i microchannels. På skalaen på mikrosirkulasjonen, kan blod ikke betraktes som en homogen væske, som det er en suspensjon av fleksible partikler som er suspendert i plasma, en Newtonsk væske. Skjærhastighet, maksimal hastighet, hastighet profilform, og strømningsmengden kan utledes fra disse målingene. Flere viktige parametere som samlingspunkt dybde, partikkelkonsentrasjonen, og systemet etterlevelse, presenteres for å sikre nøyaktige og nyttige data sammen med eksempler og representative resultater for ulike hematocrits og strømningsforhold.
Introduction
Menneskekroppen inneholder mange fartøy med diameter mindre enn 50 mikrometer, som er den viktigste utveksling området mellom blod og vev. Studiet av blodstrømmen i disse fartøyene representerer store tekniske utfordringer på grunn av både omfanget av målingene og de flytende egenskaper av blod. Disse målingene, inkludert trykkgradienten, klippe på veggen, og hastighet profiler i arterioler og venules, er viktige faktorer knyttet til fysiologiske responser. Det er nå helt nye muligheter til å løse disse måling utfordringer, takket være nye eksperimentelle teknikker på mikro skala for å studere mikrosirkulasjonen og løse dette multiscale problem.
Mikro-partikkel bilde velocimetry (μPIV) er en partikkel-basert flyt visualisering teknikk som brukes til å evaluere hastighetsprofiler av blodstrøm i mikrokanaler via krysskorrelasjon. μPIV, først utviklet av Santiago et al., har blitt brukt med hemorheologystudier siden Sugii et al. i 2001 brukte teknikk for å måle blodgjennomstrømningen i 100 mikrometer runde glassrør 1,2. Ulike tilnærminger til μPIV eksisterer. Høy hastighet kameraer kan brukes til å korrelere bevegelsen av røde blodceller (RBC) og pulset kan selvfølgelig også brukes til å korrelere bevegelsen av tracer partikler. Begge disse alternativene kan være kombinert med en stående eller invertert mikroskop, avhengig av programmet. I begge tilfeller er resultatet en 2D hastighetsprofil. En annen metode er å bruke en confocal mikroskop for å oppnå 2D-og 3D-profiler. Denne metoden har vært brukt til blod 3,4,5.
Mikro skala PIV har flere komplikasjoner sammenlignet med makro PIV. I makro PIV dataene kan være begrenset til et enkelt plan gjennom ark av lys, men i mikroskala volum belysning er nødvendig. Volum belysning er et større problem for avbildning av mikro blodet renner, som RBC-ene seg er stor i forhold til den channels, og ved hjelp av RBC som de tracer partikler fører til en dybde på korrelasjon (DOC) som kan betydelig redusere nøyaktigheten av kryss-korrelasjon resultater 6,7,8. Etter Wereley et al. (1998) DOC for en 40 mikrometer høy kanal med RBC som sporstoff er 8,8 mikrometer, mens med en 1 mikrometer tracer partikkel DOC er 6,7 mikrometer. Denne forskjellen blir mer uttalt når du skifter kanal høyde og forstørrelse. I tillegg-RBC er ugjennomsiktig, og øke tettheten av RBC-ene i strømningen forårsaker tenkelig vanskeligheter. Fluorescerende tracer partikler, først brukt av Santiago et al. (1998), har blitt anbefalt som et verktøy for å redusere påvirkning av ut-av-fokus partikler, ved bruk av de minste partiklene mulig. Ved hjelp av en mikrometer diameter fluorescerende mikropartikler kombinert med en laser er en tilnærming som kan redusere dybden av fokus problem i mikro blod flow imaging 10. Det er flere aktuelle vurderinger av staten μPIV technology, som hver fremhever betydningen av μPIV til blodstrøm studier 11,12. Flere viktige hensyn må tas hensyn til ved bruk μPIV for blod. På mikronivå, omfanget av mikrosirkulasjonen, kan blod ikke betraktes som en homogen væske, som det er en suspensjon av fleksible røde blodceller (RBC), store hvite blodceller, blodplater og andre proteiner suspendert i et Newtonsk fluidum (plasma) .
De hastighetsprofiler målt her kan brukes til å måle visse egenskaper av mikro blodet renner. De viktige faktorer i microhemorheology er strømningshastigheten for blodet, formen av hastighetsprofiler, og skjærspenningen på veggen av karet. Denne informasjonen har kliniske implikasjoner, som mikrosirkulasjonen er åsted for næringsstoff utveksling i kroppen, og denne utvekslingen er skjær-avhengig. Det er flere aktuelle gjennomgang studier om tilstanden i forskning i mikrosirkulasjonen i tillegg 13,14,15.
Presenteres her er en protokoll for μPIV målinger av blod flyter i polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels. PDMS kanaler ble fabrikkert in-house følge kilder i § 1 i protokollen. Svin blodprøver ble innhentet fra et akkreditert slakteri og rengjøres etter § 2 i protokollen. Alle data ble innhentet ved hjelp av LaVision MITAS μPIV system, som beskrevet i kapittel 3 i protokollen. Oppsettet består av en Nd: YAG laser (New Wave Research, USA) og CCD-kamera (Bilde Intense, Lavision) styres av en programmerbar utløsende enhet, et fluorescerende mikroskop kombinert med en scene i bevegelse i tre akser, og en datamaskin, i tillegg til en høy hastighet kameraet (Dalsa 1M150, Nederland) ble tilsatt for visualisering av RBC-ene selv. Begge kameraene er koblet til en 2 port optisk boks (Custom av Zeiss, Tyskland). I typisk in vivo målinger av blodstrøm, er en opprettstående mikroskop benyttet for å spore den RBCsmselves, mens i typisk in vitro-anvendelser et invertert mikroskop blir brukt til å spore tracer partikler. I denne unike doble oppsett, tillater optikk boksen begge sporstoff som skal bli avbildet ved hjelp av det inverterte mikroskop. Blod ble introdusert i microchips via en høy presisjon sprøytepumpe (Nexus3000, Chemyx Inc., USA). Et diagram av anlegget er vist i Figur 1, hvor den øverste delen av figuren representerer 140 mikrometer ved 40 mikrometer rektangulære kanaler fabrikkert av PDMS, og den nedre delen representerer hele det system inkludert både kameraer, laser, og sprøytepumpen mikroskopet.
Gjeldende μPIV set-ups tilgjengelig, vanligvis med proprietær programvare, inkluderer TSI, Dantec Dynamics, og LaVision. Standard cross-korrelasjon algoritmer kan oppnås gjennom en rekke programvare alternativer, inkludert MATLAB. Programvaren er ikke nøkkelen, forstå hva dialogboksene tilsvarer matematisk vil tjene brukr mye bedre. I denne protokollen Davis, er LaVision proprietære programvare eller MATLAB utnyttet. Protokollen er ikke programvaren spesifikk, men menyvalgene kan være på forskjellige steder i forskjellige programvarepakker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved hjelp μPIV for blodstrømsmåling på omfanget av mikrosirkulasjonen kan gi innsikt i et stort antall relevante biomedisinske, mekanisk og kjemisk tekniske prosesser. Noen av de viktige faktorer å ta hensyn til er tettheten av RBC seg selv, aggregering og deformerbarheten av RBC, aggregering eller bevegelse av den fluorescerende mikropartikler, og settling av RBC i kanalene. Alle disse kan gjøres rede for om de generelle retningslinjene som er lagt ut ovenfor blir fulgt. Det er en grunnleggende sjekkliste for å …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke NSERC (Natural Sciences and Engineering Council of Canada) for finansiering, Catherine Pagiatikis for hennes hjelp i første løp, Sura Abu-Mallouh og Frederick Fahim for testing av protokollen, Richard Prevost av LaVision, Inc for teknisk støtte, og Guy Cloutier ved Universitetet i Montréal for lånet av 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 |
References
- 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).
