Micro-Измерение скорости Изображения Частиц для профиля скорости Измерения Micro приливает кровь
Summary
Micro-Измерение скорости Изображения Частиц (μPIV) используется для визуализации парных изображений микрочастиц высевают в потоках крови, которые являются взаимной корреляции дать точный профиль скорости. Скорость сдвига, максимальная скорость, форма профиля скорости, а скорость потока, каждый из которых имеет клинического применения, могут быть получены из этих измерений.
Abstract
Micro-Измерение скорости Изображения Частиц (μPIV) используется для визуализации парных изображений микрочастиц высевают в течет кровь. Изображения взаимной корреляции, чтобы дать точный профиль скорости. Протокол представляется для измерений μPIV крови потоков в микроканалов. На уровне микроциркуляции, кровь не может считаться однородной жидкости, поскольку она представляет собой суспензию гибкий частиц, взвешенных в плазме ньютоновской жидкости. Скорость сдвига, максимальная скорость, форма профиля скорости, и скорость потока может быть получена из этих измерений. Несколько ключевых параметров, таких как глубина очага, концентрации частиц и системы соответствия, представлены в целях обеспечения точного, полезные данные вместе с примерами и репрезентативные результаты для различных гематокрита и условий обтекания.
Introduction
Организм человека содержит многочисленные сосуды с диаметром менее 50 мкм, которые являются основной сайт обмена между кровью и тканями. Исследование кровотока в этих сосудах представляет собой значительную проблему как за счет масштаба измерения и свойства жидкости крови. Эти измерения, в том числе градиент давления, сдвига на стене, и профилей скорости в артериол и венул, являются ключевыми факторами, связанными с физиологическими реакциями. Есть в настоящее время беспрецедентные возможности, чтобы решить эти проблемы оценки, благодаря новой экспериментальной техники на микроуровне для изучения микроциркуляции и решить эту многомасштабная проблемы.
Микро-изображения частицы велосиметрии (μPIV) является частица на основе визуализации потока метод, который используется для оценки профилей скорости кровотока в микроканалов через кросс-корреляции. μPIV, впервые разработанная Сантьяго и др.., был использован с гемореологииИсследования с Сугии соавт. в 2001 году использовал технику для измерения кровотока в 100 мкм круглые стеклянные трубки 1,2. Различные подходы к μPIV существует. Камеры высокого скорости может использоваться для корреляции, движение красных кровяных телец (эритроцитов) и импульсного изображения могут использоваться для корреляции движения меченых частиц. Любой из этих вариантов могут быть соединены с прямой или инвертированный микроскоп, в зависимости от применения. В обоих случаях результатом является 2D профиль скорости. Другой подход заключается в использовании конфокальной микроскопии для достижения 2D и 3D профилей. Этот метод был применен к крови 3,4,5.
Микроуровне PIV имеет несколько осложнений по сравнению с макро PIV. В макро PIV данных может быть ограничена одной плоскости через листы света, но в микро освещения объем шкала является необходимым. Объем освещения большей проблемой для визуализации микро потоками крови, так как эритроциты самой большой по сравнению с Сhannels и используя эритроциты как маркерные частицы приводит к глубине корреляции (DOC), которые могут существенно снизить точность взаимной корреляции результатов 6,7,8. После Wereley соавт. (1998) DOC для 40 мкм высокий канал с РБК как индикаторов составляет 8,8 мкм, в то время как с 1 мкм частицы Tracer DOC составляет 6,7 мкм. Эта разница становится более выраженным при изменении высоты канала и увеличения. Кроме того, эритроциты являются непрозрачными и увеличения плотности эритроцитов в потоке приводит изображений трудности. Флуоресцирующего трассирующих частиц, впервые использовал Сантьяго и соавт. (1998), были выступал в качестве инструмента для снижения влияния несфокусированный частиц, при использовании мельчайших частиц возможно. Использование диаметром 1 мкм флуоресцирующих микрочастиц в сочетании с лазерным является одним из подходов, которые могут уменьшить глубину резкости проблема в микро визуализации кровотока 10. Есть несколько текущие обзоры состояния μPIV TEChnology, каждый из которых подчеркивает важность μPIV кровотоку исследования 11,12. Несколько важных соображения должны быть приняты во внимание при использовании μPIV крови. На микроуровне, масштаб микроциркуляции, кровь не может считаться однородной жидкости, поскольку она представляет собой суспензию гибкий красных кровяных телец (эритроцитов), большие лейкоциты, тромбоциты и другие белки суспендировали в ньютоновской жидкости (плазмы) .
Профили скорости измеряется здесь может быть использован для измерения определенных характеристик микро потоками крови. Важными факторами являются microhemorheology скорость потока крови, форма профиля скорости, а напряжение сдвига на стенке сосуда. Эта информация имеет клиническое значение, так как микроциркуляции является местом для питательных обмена в организме, и этот обмен сдвига-зависимыми. Есть несколько современных исследований мнение о состоянии исследований в микроциркуляции, а также 13,14,15.
Представленные здесь протокол для измерения μPIV крови потоков в полидиметилсилоксана (PDMS) микроканалов. PDMS каналы были изготовлены в доме после источников в разделе 1 Протокола. Образцы крови свиней были получены от аккредитованного бойню и убрали следующий раздел 2 протокола. Все данные были получены при использовании LaVision MITAS μPIV системы, как описано в разделе 3 протокола. Установка состоит из Nd: YAG лазера (New Wave Research, США) и ПЗС-камеры (изображение Intense, Lavision), управляемый программируемым запуском блока, флуоресцентного микроскопа в сочетании с этапом перемещения по 3 осям, и компьютер, В дополнение к высокой скорости камеры (Dalsa 1M150, Нидерланды) добавляют для визуализации эритроцитов собой. Обе камеры подключены к порту 2-оптические окна (Пользовательский по Zeiss, Германия). В типичных в естественных условиях измерения кровотока, прямой микроскоп используется для отслеживания эритроцитыmselves, в то время как в типичных приложениях в пробирке инвертированный микроскоп используется для отслеживания трассирующих частиц. В этой уникальной двойной установки, коробки оптика позволяет как индикаторов для включения в образ использованием инвертированного микроскопа. Кровь была введена в микрочипами с помощью насоса высокого шприц точности (Nexus3000, Chemyx Инк, США). Схема системы показана на рисунке 1, где в верхней части фигуры представляет 140 мкм на 40 мкм прямоугольных каналов изготовлены из PDMS, а нижняя часть представляет всю систему, включая обе камеры, лазерный, шприцевой насос и микроскопом.
Текущий μPIV установок доступны, как правило, с проприетарного ПО, включают TSI, Дантек Динамика и LaVision. Стандартный кросс-корреляции алгоритмов может быть достигнуто путем многочисленных вариантов программного обеспечения, в том числе MATLAB. Программное обеспечение не является ключевым, понимая, что диалоговые окна соответствуют математически будет служить использованиеR намного лучше. В этом протоколе Дэвис, проприетарное программное обеспечение LaVision или MATLAB используются. Этот протокол не является конкретным программным обеспечением, но меню пункты могут быть в разных местах, в разных пакетах программного обеспечения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Использование μPIV для измерения кровотока в масштабе микроциркуляции может дать представление большого количества соответствующих медико-биологических, механических и химических процессов машиностроения. Некоторые из ключевых факторов для учета являются плотность РБК себе, агрега…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить NSERC (естественных наук и инженерного совета Канады) для финансирования, Екатерина Pagiatikis за помощь в начальные отрезки, Сура Абу-Mallouh и Фредерик Фахим для тестирования протокола, Ричард Прево из LaVision, Inc для технической поддержки, и Гай Cloutier из Монреальского университета за кредит Dalsa высокоскоростную камеру.
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).
