Micro-partikel Image Velocimetry för Mätningar hastighetsprofil av Micro blodflöden
Summary
Micro-partikel bild velocimetry (μPIV) används för att visualisera parade bilder av mikropartiklar sådda i blodflöden som är korskorreleras att ge en exakt hastighetsprofil. Skjuvhastighet, maximal hastighet, hastighetsprofil form, och flödeshastighet, vilka vardera har kliniska applikationer, kan härledas från dessa mätningar.
Abstract
Micro-partikel bild velocimetry (μPIV) används för att visualisera parade bilder av mikropartiklar sådda i blodflöden. Bilderna är korskorreleras att ge en exakt hastighetsprofil. Ett protokoll presenteras för μPIV mätning av blodflöden i mikrokanaler. Vid omfattningen av mikrocirkulationen, kan blod inte betraktas som en homogen vätska, eftersom det är en suspension av flexibla partiklar suspenderade i plasma, en Newtonsk vätska. Skjuvhastighet, maximal hastighet, hastighetsprofil form, och flödeshastighet kan härledas från dessa mätningar. Flera viktiga parametrar såsom skärpedjup, partikel koncentration, och systemet efterlevs, presenteras i syfte att säkerställa korrekta och användbara data tillsammans med exempel och representativa resultat för olika hematokriter och flödesförhållanden.
Introduction
Den mänskliga kroppen innehåller många fartyg med diametrar mindre än 50 um, som är det viktigaste utbytet platsen mellan blod och vävnader. Studien av blodflödet i dessa kärl utgör en stor utmaning på grund av både omfattningen av mätningarna och de fluidegenskaper av blod. Dessa mätningar, inklusive tryckgradient, den skjuvning vid väggen, och profiler hastighet i arterioler och venoler, är viktiga faktorer kopplade till fysiologiska reaktioner. Det finns nu helt nya möjligheter att lösa dessa mätningar utmaningar, tack vare nya experimentella tekniker på mikro skala för att studera mikrocirkulationen och lösa detta multiscale problem.
Micro-partikel bild Velocimetry (μPIV) är en partikel-baserad flöde visualisering teknik som används för att utvärdera hastighetsprofiler av blodflödet i mikrokanaler via korskorrelation. μPIV, utvecklades först av Santiago et al., har använts med hemorheologystudier sedan Sugii et al. 2001 använde tekniken för att mäta blodflödet i 100 pm runda glasrör 1,2. Olika metoder för att μPIV existerar. High speed kameror kan användas för att korrelera flödet av röda blodkroppar (RBC), och pulsade bilder kan användas för att korrelera rörelsen av spårämne partiklar. Endera av dessa alternativ kan kopplas med en upprätt eller inverterat mikroskop, beroende på tillämpningen. I båda fallen är resultatet en 2D hastighetsprofil. Ett annat tillvägagångssätt är att använda ett konfokalt mikroskop för att uppnå 2D-och 3D-profiler. Denna metod har tillämpats på blod 3,4,5.
Micro skala PIV har flera komplikationer jämfört med makro PIV. I makro PIV uppgifterna kan begränsas till en enda plan genom skivor av ljus, men på mikronivå volymen belysning är nödvändig. Volym belysning är ett större problem för att avbilda mikro blodflöden, som RBC: ema själva är stora i jämförelse med den channels och använda RBC som spår-partiklar leder till ett djup av korrelation (DOC) som avsevärt kan minska noggrannheten hos korskorreleringen resultat 6,7,8. Efter Wereley et al. (1998) DOC för en 40 nm lång kanal med RBC som spårämnen är 8.8 um, medan med en 1 pm spårämne partikel DOC är 6.7 um. Denna skillnad blir mer uttalad när du byter kanal höjd och förstoring. Dessutom RBCs är ogenomskinliga, och öka densiteten hos de röda blodkropparna i flödet orsakar avbildning svårigheter. Fluorescerande spårämne partiklar, användes först av Santiago et al. (1998), har förespråkat som ett verktyg för att minska påverkan av out-of-focus partiklar, när man använder de minsta partiklarna möjligt. Använda en fluorescerande ^ m i diameter mikropartiklar kopplad med en laser är en metod som kan minska djupet i fokus problem i mikro blodflödet avbildning 10. Det finns flera aktuella recensioner av delstaten μPIV technology, vilka var och belyser vikten av μPIV till studier blodflödesegenskaper 11,12. Flera viktiga överväganden måste tas i beaktande vid användning av μPIV för blod. På mikronivå, omfattningen av mikrocirkulationen kan blodet inte betraktas som en homogen vätska, eftersom det är en suspension av flexibla röda blodkroppar (RBC), stora vita blodkroppar, trombocyter och andra proteiner suspenderade i en newtonsk vätska (plasma) .
De hastighetsprofiler uppmätta här kan användas för att mäta vissa egenskaper hos mikro blodflöden. De viktiga faktorerna i microhemorheology är flödeshastigheten för blodet, formen av hastighetsprofilen och skjuvspänningen vid väggen av kärlet. Denna information har kliniska implikationer, eftersom mikrocirkulationen är platsen för näringsämnen utbyte i kroppen, och detta utbyte är skjuv-beroende. Det finns flera aktuella recension studier om forskningsläget i mikrocirkulationen samt 13,14,15.
Presenteras här är ett protokoll för μPIV mätning av blodflöden i polydimetylsiloxan (PDMS) mikrokanaler. PDMS kanaler tillverkades internt efter källor i avsnitt 1 i protokollet. Svin blodprover erhölls från ett ackrediterat slakteri och rengöras efter avsnitt 2 i protokollet. All data erhölls med LaVision MITAS μPIV systemet, som beskrivs i avsnitt 3 i protokollet. Upplägget består av en Nd: YAG-laser (New Wave Research, USA) och CCD-kamera (Bild Intense, Lavision) styrs av en programmerbar triggning enhet, en fluorescerande mikroskop kopplat till ett stadium rör sig i 3 axlar, och en dator, förutom en höghastighetskamera (Dalsa 1M150, Nederländerna) tillsattes för visualisering av RBC: ema själva. Båda kamerorna är anslutna till en 2-port optisk box (Custom av Zeiss, Tyskland). Vid typisk in vivo mätningar av blodflöde, är en upprätt mikroskop används för att spåra den RBCmselves, medan i typisk in vitro-applikationer ett inverterat mikroskop används för att spåra spår-partiklarna. I denna unika dubbla set-up, tillåter optik rutan båda spårämnen som skall avbildas med den inverterat mikroskop. Blodet infördes i mikrochips via en hög precision sprutpump (Nexus3000, Chemyx Inc., USA). En ritning över systemet visas i figur 1, där den övre delen av figuren representerar 140 ^ m genom 40 um rektangulära kanaler tillverkade av PDMS, och bottendelen representerar hela systemet inklusive både kameror, lasern, sprutpumpen och mikroskopet.
Aktuellt μPIV uppställningar tillgängliga, oftast med proprietär programvara, inkluderar TSI, Dantec Dynamics, och LaVision. Standard korskorrelationsegenskaper algoritmer kan uppnås genom många programvaror alternativ, inklusive MATLAB. Programvaran är inte nyckeln, att förstå vad dialogrutorna motsvarar matematiskt kommer att tjäna användningenr mycket bättre. I detta protokoll Davis, är LaVision egenutvecklade programvara eller MATLAB används. Protokollet är inte särskild programvara, men menyalternativen kan vara på olika platser i olika programpaket.
Protocol
Representative Results
Discussion
Använda μPIV för mätning av blodflödet i skala mikrocirkulationen kan ge inblick i ett stort antal relevanta biomedicinska, mekanisk och kemitekniska processer. Några av de viktigaste faktorerna för redovisning är densiteten hos RBC själva, sammanläggning och deformerbarheten av RBC, aggregering eller förflyttning av fluorescerande mikropartiklar, samt reglerandet av RBC i kanalerna. Alla dessa kan redovisas om de allmänna riktlinjer som anges ovan följs. Det finns en grundläggande checklista att tänka p?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka NSERC (naturvetenskap och teknik Council of Canada) för finansiering, Catherine Pagiatikis för hennes hjälp i första körningar, Sura Abu-Mallouh och Frederick Fahim för att testa protokollet, Richard Prevost av LaVision, Inc för teknisk support, och Guy Cloutier vid universitetet i Montréal för lånet av Dalsa höghastighetskamera.
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).
