Velocímetro de Micro-partículas para Velocity perfil mediciones de flujos de sangre Micro
Summary
Velocimetría de imágenes de micro-partículas (μPIV) se utiliza para visualizar imágenes pareadas de micro partículas sembradas en los flujos sanguíneos que son correlación cruzada para dar un perfil exacto de velocidad. Velocidad de cizallamiento, la velocidad máxima, la forma del perfil de velocidad, y la velocidad de flujo, cada uno de los cuales tiene aplicaciones clínicas, se pueden derivar de estas mediciones.
Abstract
Velocimetría de imágenes de micro-partículas (μPIV) se utiliza para visualizar imágenes pareadas de micro partículas sembradas en los flujos sanguíneos. Las imágenes son de correlación cruzada para dar un perfil exacto de velocidad. Un protocolo se presenta para μPIV mediciones de los flujos sanguíneos en microcanales. En la escala de la microcirculación, la sangre no puede ser considerado como un fluido homogéneo, ya que es una suspensión de partículas flexibles suspendidas en el plasma, un fluido newtoniano. Velocidad de cizallamiento, la velocidad máxima, la forma del perfil de velocidad, y la velocidad de flujo se pueden derivar de estas mediciones. Varios parámetros clave tales como la profundidad focal, la concentración de partículas, y el sistema de cumplimiento, se presentan con el fin de garantizar, datos útiles precisos junto con ejemplos y resultados representativos de los diferentes hematocritos y condiciones de flujo.
Introduction
El cuerpo humano contiene numerosos vasos con diámetros de menos de 50 micras, que son el principal sitio de intercambio entre la sangre y los tejidos. El estudio del flujo sanguíneo en los vasos representa un reto considerable, tanto por la magnitud de las medidas y las propiedades de los fluidos de la sangre. Estas medidas, incluido el gradiente de presión, la fuerza cortante en la pared, y perfiles de velocidad en las arteriolas y vénulas, son factores clave relacionados con las respuestas fisiológicas. En la actualidad hay oportunidades sin precedentes para resolver estos desafíos de medición, gracias a las nuevas técnicas experimentales a escala micro para estudiar la microcirculación y resolver este problema multiescala.
Velocimetría de imágenes de micro-partículas (μPIV) es una técnica de visualización de flujo basado en partículas que se utiliza para evaluar los perfiles de velocidad de flujo de sangre en microcanales a través de la correlación cruzada. μPIV, desarrollada por primera vez por Santiago et al., se ha utilizado con hemorheologyestudios desde Sugii et al. en 2001 utilizaron la técnica para medir el flujo de sangre en tubos de vidrio de 100 micras redondas 1,2. Diferentes enfoques para existir μPIV. Cámaras de alta velocidad se pueden utilizar para correlacionar el movimiento de las células rojas de la sangre (glóbulos rojos), y las imágenes de impulsos se pueden utilizar para correlacionar el movimiento de las partículas trazadoras. Cualquiera de estas opciones se puede acoplar con un microscopio en posición vertical o invertida, dependiendo de la aplicación. En ambos casos, el resultado es un perfil de velocidad 2D. Otro enfoque es el uso de un microscopio confocal para lograr perfiles 2D y 3D. Este método ha sido aplicado a la sangre 3,4,5.
Micro escala PIV tiene varias complicaciones en comparación con la macro PIV. En macro PIV los datos pueden limitarse a un único plano a través de las hojas de la luz, pero en el micro iluminación volumen de escala es necesario. Iluminación de volumen es un problema mayor para la formación de imágenes de los flujos de sangre micro, como los propios glóbulos rojos son grandes en comparación con el Channels, y el uso de los glóbulos rojos como las partículas trazadoras conduce a una profundidad de correlación (DOC) que puede disminuir significativamente la exactitud de los resultados de correlación cruzada 6,7,8. Tras Wereley et al. (1998), el DOC para un canal de 40 m de altura con RBC como trazadores es de 8,8 micras, mientras que con una partícula de 1 m trazador del DOC es de 6,7 micras. Esta diferencia se vuelve más pronunciada cuando se cambia la altura de canal y magnificación. Además, los glóbulos rojos son opacas, y el aumento de la densidad de los glóbulos rojos en el flujo provoca dificultades de formación de imágenes. Fluorescentes partículas trazadoras, utilizadas por primera vez por Santiago et al. (1998), se han defendido como una herramienta para disminuir la influencia de las partículas fuera de foco, al utilizar las partículas más pequeñas posibles. Uso de 1 m de diámetro micropartículas fluorescentes acoplado con un láser es un método que puede disminuir la profundidad de foco problema en micro imágenes de flujo de sangre 10. Hay varias opiniones actuales del estado de μPIV technology, cada uno de los cuales se destaca la importancia de μPIV de estudios del flujo sanguíneo 11,12. Varias consideraciones importantes deben tenerse en cuenta cuando se utiliza μPIV para la sangre. En el nivel micro, la escala de la microcirculación, la sangre no puede ser considerado como un fluido homogéneo, ya que es una suspensión de células flexibles rojas de la sangre (glóbulos rojos), grandes células blancas de la sangre, plaquetas y otras proteínas en suspensión en un fluido newtoniano (plasma) .
Los perfiles de velocidad medidos aquí se pueden utilizar para medir ciertas características de los flujos de sangre micro. Los factores importantes en microhemorheology son la velocidad de flujo de la sangre, la forma del perfil de velocidad, y la tensión de cizallamiento en la pared del vaso. Esta información tiene implicaciones clínicas, como la microcirculación es el sitio para el intercambio de nutrientes en el cuerpo, y de este intercambio es dependiente de cizalladura. Hay varios estudios de revisión en curso sobre el estado de la investigación en la microcirculación y 13,14,15.
Se presenta aquí es un protocolo para μPIV mediciones de los flujos sanguíneos en microcanales polidimetilsiloxano (PDMS). Canales PDMS fueron fabricados en la casa después de las fuentes en la sección 1 del protocolo. Muestras de sangre de porcinos se obtuvieron a partir de un matadero autorizado y limpiar la sección 2 del protocolo siguiente. Todos los datos se obtuvieron usando el sistema de MITAS μPIV LaVision, tal como se describe en el apartado 3 del protocolo. La puesta a punto consiste en un láser Nd: YAG (New Wave Research, EE.UU.) y cámara CCD (Imagen intensa, LaVision) controlado por una unidad programable de activación, un microscopio de fluorescencia junto con una etapa de movimiento en 3 ejes, y un ordenador, además de una cámara de alta velocidad (Dalsa 1M150, Países Bajos) se añadió para la visualización de los propios glóbulos rojos. Ambas cámaras están conectadas a una caja óptica 2 puertos (Personalizado por Zeiss, Alemania). En típico en mediciones in vivo de flujo de sangre, un microscopio vertical se utiliza para realizar un seguimiento de los glóbulos rojos de lamselves, mientras que, en el típico en aplicaciones in vitro un microscopio invertido se utiliza para rastrear las partículas trazadoras. En este singular doble configuración, el cuadro de la óptica permite que ambos trazadores para obtener imágenes con el microscopio invertido. La sangre se introduce en los microchips a través de una bomba de jeringa de alta precisión (Nexus3000, Chemyx Inc., EE.UU.). Un diagrama del sistema se muestra en la Figura 1, donde la porción superior de la figura representa el 140 micras por 40 micras canales rectangulares fabricadas de PDMS, y la parte inferior representa todo el sistema, incluyendo ambas cámaras, el láser, la bomba de jeringa y el microscopio.
ΜPIV actual configuraciones disponibles, por lo general con el software propietario, incluyen TSI, Dantec Dynamics, y LaVision. Algoritmos de correlación cruzada se puede adquirir a través de numerosas opciones de software, incluyendo el MATLAB. El software no es la clave, entender lo que los cuadros de diálogo corresponden a matemáticamente servirá el usor mucho mejor. En este protocolo Davis, se utilizan software propietario de LaVision o MATLAB. El protocolo no es un software específico, pero las opciones de menú puede estar en diferentes lugares en diferentes paquetes de software.
Protocol
Representative Results
Discussion
Usando μPIV para mediciones de flujo sanguíneo en la escala de la microcirculación puede dar una idea de un gran número de procesos de ingeniería biomédica, mecánica y química pertinentes. Algunos de los factores claves para tener en cuenta son la densidad de los propios glóbulos rojos, la agregación y la deformabilidad de los glóbulos rojos, la agregación o el movimiento de las micro partículas fluorescentes, y la sedimentación de los glóbulos rojos en los canales. Todo esto puede explicarse si se siguen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a NSERC (Ciencias Naturales e Ingeniería del Consejo de Canadá) para su financiación, Catherine Pagiatikis por su ayuda en carreras iniciales, Sura Abu-Mallouh y Frederick Fahim para probar el protocolo, Richard Prevost de LaVision, Inc para soporte técnico, y Guy Cloutier, de la Universidad de Montreal para el préstamo del Dalsa cámara de alta velocidad.
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).
