التحقيق التجريبي للهياكل تدفق الثانوية المصب من الفشل نموذج النوع الرابع الدعامة في قسم اختبار 180 درجة الشريان منحني
Summary
Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to “Type IV” failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant “Type IV” stent failures.
Abstract
شبكة الشرايين في الأوعية الدموية البشرية تتكون من الأوعية الدموية الحالية بتواجد مطلق مع هندستها معقدة (الفروع، التقوسات وتعرج). هياكل تدفق الثانوية أنماط تدفق دوامة التي تحدث في الشرايين منحنية بسبب العمل المشترك للقوى الطرد المركزي، تدرجات الضغط السلبية وخصائص تدفق. هذه الأشكال التضاريسية تدفق تتأثر كثيرا pulsatility والتوافقيات متعددة من الظروف تدفق الفسيولوجية وتختلف اختلافا كبيرا في الخصائص حجم القوة الشكل مقارنة مع غير الفسيولوجية (ثابتة ومتذبذبة) تدفقات 1-7.
هياكل تدفق الثانوية قد تؤثر في نهاية المطاف الضغط جدار القص والتعرض لفترة من الجسيمات التي تنتقل عن طريق الدم نحو تطور تصلب الشرايين، عودة التضيق، وتوعية الصفائح وتخثر 4-6، 8-13 ولذلك، فإن القدرة على كشف وتميز هذه الهياكل تحت المختبر. الظروف التي تسيطر عليها هي precursأو لمزيد من التحقيقات السريرية.
والعلاج الجراحي مشتركة لتصلب الشرايين هي زرع الدعامة، لفتح الشرايين stenosed لتدفق الدم دون عائق. لكن الاضطرابات تدفق يصاحب ذلك بسبب المنشآت الدعامة يؤدي إلى تعدد النطاق الأشكال التضاريسية تدفق الثانوية 4 – 6 أعلى تدريجيا تعقيدات النظام مثل عدم التماثل والخسارة في التماسك يمكن أن يتسبب التي تلت ذلك الفشل الدعامات وجها لوجه الذين تقل أعمارهم عن التدفقات رابط الجأش 5. وقد تم تصنيف هذه الإخفاقات الدعامة ب "أنواع I-إلى الرابع" بناء على اعتبارات الفشل وشدة السريرية 14.
تقدم هذه الدراسة على بروتوكول للتحقيق التجريبي للهياكل تدفق الثانوي معقدة بسبب استكمال كسر الدعامات عرضية والتشرد الخطي قطع بكسر ( "النوع الرابع") في نموذج الشريان المنحني. ويشمل المنهج التجريبي تنفيذ السرعة بواسطة الصور الملتقطة للجسيمات (2C-2D التعريف الشخصي) التقنيات مع الشريان السباتي تدفق الموجي التوراتية، مطابقة معامل الانكسار الدم التناظرية سائل العمل لقياسات متوسط مرحلة 15 – 18 وقد تحقق تحديد الكمي للهياكل تدفق الثانوية باستخدام مفاهيم الفيزياء التدفق، ونظرية النقطة الحرجة ورواية المويجات تحويل الخوارزمية تطبيقها على بيانات التعريف الشخصية التجريبية 5، 6، 19 – 26.
Introduction
هياكل تدفق الثانوية أنماط تدفق دوامة التي تحدث في هندستها تدفق الداخلية مع انحناءات مثل الأنابيب والقنوات المنحنية. هذه الهياكل دوامة تنشأ نتيجة لعمل المشترك لقوى الطرد المركزي، تدرجات الضغط السلبية وخصائص تدفق. بشكل عام، يبدو أن الهياكل تدفق الثانوية في مستو المقاطع العرضية من أنابيب منحنية كما متماثل الدوامات دين من نوع تحت تدفقا ثابتا و، متماثل Dean- ولين من نوع الدوامات في ظل ظروف تدفق متذبذبة 1 – 3 الأشكال التضاريسية تدفق الثانوية تتأثر كثيرا pulsatility والتوافقيات متعددة من نابض، وظروف تدفق الفسيولوجية. هذه الهياكل تكتسب مختلفة بشكل ملحوظ خصائص حجم القوة الشكل مقارنة مع غير الفسيولوجية (ثابتة ومتذبذبة) التدفقات 1 – 6 يتأثر تطور الآفة تصلب الشرايين في الشرايين بسبب وجود ذبذبات القص عالية التردد في المناطق التي تعاني من انخفاض متوسط القص 27، 28 </suص>. قد تؤثر على الهياكل تدفق الثانوية التقدم من الأمراض مثل تصلب الشرايين وربما توسط الاستجابة البطانية بسبب تدفق الدم نابض عن طريق تغيير اجهادات القص الجدار ومرات التعرض للجزيئات التي تنتقل عن طريق الدم.
علاج مشتركة لتصلب الشرايين، ومضاعفات مما أدى إلى تضييق الشرايين التي كتبها الآفات الانسداد، هو زرع الدعامات. كسور الدعامة هي الإخفاقات الهيكلية الدعامات زرعها التي تؤدي إلى مزيد من المضاعفات الطبية مثل في الدعامة عودة التضيق (ISR)، تخثر الدعامة وتشكيل تمدد الأوعية الدموية 9 – 13 تم تصنيف الكسور الدعامة في مختلف الفشل "أنواع-I-إلى الرابع"، حيث "النوع الرابع" يميز أعلى شدة السريرية وتعرف بأنها كسر عرضية كاملة من الدعامات الدعامات جنبا إلى جنب مع نزوح خطية من شظايا الدعامة 14. ويصف بروتوكول المعروضة في هذه الدراسة experimentaطريقة لتر من التصور من الهياكل تدفق الثانوية المصب من "النوع الرابع" كسر الدعامة المثالية في نموذج الشريان المنحني.
بروتوكول اقترح لديه أربع سمات أساسية التالية:
تصميم وتصنيع نماذج الدعامات على نطاق المختبر: وصف هندسي من الدعامات يمكن أن تترافق مع مجموعة من-توسيع النفس اللوالب (الينابيع أو اللوالب) متداخلة باستخدام الننتول (سبيكة من النيكل والتيتانيوم) الأسلاك (29). طول الدعامات وقطر تبختر لها تعتمد على مقياس طول الآفات الشريانية التي واجهتها خلال غرس السريري 5. تباين حدودي من قطر تبختر وطلوع سلالم (أو الملعب) يؤدي إلى الدعامات مختلف تكوينات هندسية. وتعرض ملخص من المعلمات تصميم الدعامات المختار للطباعة 3D في الجدول 1.
إعداد السائل التناظرية الدم يعمل مطابقةمع اللزوجة الحركية من الدم ومعامل الانكسار من قسم الاختبار: مطلوب الوصول البصري إلى قسم اختبار الشريان المنحني من أجل إجراء قياسات سرعة غير الغازية. وفقا لذلك، يتم استخدام نيوتن الدم محاكاة سائل العمل مع معامل الانكسار من طراز الأوعية الدموية ومثالي، اللزوجة الديناميكية، ومطابقة الدم البشري للحصول على قياسات تدفق الدم دقيقة 16 – 18، 30 وذكرت وسائل العمل المستخدمة في هذه الدراسة من الألمانية وآخرون. (2006)، التي تتألف من 79٪ المشبعة يوديد الصوديوم المائي (ناي)، و 20٪ الجلسرين النقي، والمياه 1٪ (من حيث الحجم) 16.
ترتيب تجريبي للكشف عن الهياكل تدفق الثانوية متماسكة باستخدام مكون اثنين، واثنين من الأبعاد السرعة بواسطة الصور الملتقطة للجسيمات (2C-2D التعريف الشخصي): تم تصميم التجارب للحصول على البيانات سرعة تدفق الثانوية متوسط المرحلة على مختلف المواقع مستو مستعرضة المصب مزيج من شارعaight وأقسام الدعامة المنحنية التي تجسد والمثالية "النوع الرابع" كسر الدعامات 5، 6، 9، 14، و-خطوات بروتوكول المتعلقة باقتناء حقول سرعة تدفق الثانوي باستخدام الصور الملتقطة للجسيمات السرعة بواسطة (التعريف الشخصية) الأسلوب الذي ينطوي على نظام التعريف الشخصية التي تضم جهاز ليزر (ورقة الخفيفة) مصدر والبصريات على التركيز وتسليط الضوء على مناطق التدفق، جهاز خاص تهمة عبر الارتباط إلى جانب (CCD الاستشعار أو الكاميرا) والجسيمات التتبع لتكون مضيئة من قبل ورقة الخفيفة داخل فترة زمنية قصيرة (Δt وانظر الجدول 4) 31، 32.
تفترض الخطوات في البروتوكول ما يلي: أولا، معايرة، انشاء التجريبية من نظام التعريف الشخصية يومين عنصر، ثنائي الأبعاد (2C-2D) أن يقيم الصور بالنقر المزدوج الإطار، التسجيلات واحد التعرض. ثانيا، نظام 2C-2D التعريف الشخصية بحساب نزوح متوسط الجسيمات التتبع عن طريق إجراء عبر ارتباط بين اثنين من إطارات الصور المكتسبة خلال كل تسجيل. ورويرد موجز منتدى الطاقة الدولي من التعريف الشخصية المواصفات والحصول على الصور البرمجيات في جدول المواد والمعدات. ثالثا، يتم اتباع جميع احتياطات السلامة اللازمة لتشغيل الليزر من قبل العاملين في المختبرات المتدربين وفقا للمبادئ التوجيهية التي تقدمها المؤسسة المضيفة. ويقترح المؤلفان الحكام. 31 و 32 لفهم شامل للتنفيذ، وظائف وتطبيق تقنية التعريف الشخصي في ديناميات aero-، الهيدرولوجية وmicrofluid، والارتباط ذروة الكشف وتقدير التشريد والمادية وكثافة الجسيمات التتبع والضوضاء قياس ودقة. نلاحظ أيضا أن الليزر والكاميرا يمكن التحكم بواسطة الكمبيوتر الحصول على البيانات التعريف الشخصي (الشكل 3A) وبرامج معالجة البيانات.
تم إنشاء قياسات سرعة تدفق الثانوية متوسط المرحلة باستخدام 2C-2D التعريف الشخصية باستخدام وصف البروتوكول الذي يلي: الحصول على البيانات ومرحلة ما بعد المعالجة للكشف عن بنية متماسكة. مرحلة ما بعد العملية تشارك جي البيانات متماسك الكشف عن هيكل تدفق الثانوي باستخدام الأساليب الثلاثة التالية: التحويلات المويجات المستمر، 
5، 6، 19 – 24، 26.
يلاحظ المؤلف أن موتر سرعة التدرج هو الأساس، ومصفوفة 3 × 3، 
.
يقدم البروتوكول وسيلة لاكتساب القياسات التجريبية ثنائية الأبعاد (من تقنية 2C-2D التعريف الشخصي). ولذلك، فإن وصول التجريبي الكامل للموتر سرعة التدرج لا يمكن تحقيقه باستخدام هذا الأسلوب. موتر سرعة التدرج لكل بكسل 
صورة التعريف الشخصية 
يجب أن تكون مصفوفة 2 × 2، 
. والدوامي زي مكونquation 6 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> لكل بكسل 
يتم احتساب باستخدام جزء مكافحة متماثل من موتر سرعة التدرج 
. وستكون النتيجة مجموعة 2D من الدوامي 
يمكن تصور في مؤامرة كفاف. ويقترح المؤلفان بقوة المرجع. 25 لمناقشة الوصول التجريبي بليغة إلى التدرج موتر سرعة نحو تعزيز المعرفة من تبديد الدوامي، ومعدلات الإجهاد وكشف هيكل متماسك. وعلاوة على ذلك، فإن الكتاب لا يحاول استكشاف العلاقات المتداخلة بين الأساليب المذكورة أعلاه كشف هيكل متماسك واقتراح المرجع. 23، 24 للمناقشة شاملة حول هذا الموضوع.
التركيز على الخطوات في البروتوكول هو تحديد كمية تدفق الثانوي (دوامة) شructures (المعروف أيضا باسم الهياكل متماسكة). ثلاث طرق متماسك بمعنى الكشف عن هيكل.، 
والمويجات حولت الدوامي 
يتم تطبيقها على البيانات الميدانية سرعة نحو الكشف عن عدة الحجم، حوادث متعددة قوة الهياكل تدفق الثانوية المصب من المثالية "النوع الرابع" كسر الدعامات.
ال 
، يعرف دوامة كمنطقة المكانية حيث القاعدة الإقليدية من موتر الدوامي يهيمن على أن من معدل الضغط 19، 23، تتحلل 24. وسرعة التدرج المصفوفة إلى متماثل (معدل الضغط) ومكافحة متماثل (دوران) قطع. يتم حساب القيم الذاتية للمصفوفة معدل الضغط. 
. ثم يتم حساب القاعدة من معدل الضغط. <imز بديل = "معادلة 14" SRC = "/ ملفات / ftp_upload / 51288 / 51288eq14.jpg" />. يتم احتساب الدردورية من الجزء مكافحة متماثل. Enstrophy أو مربع الدوامي ض عنصر، 
) ثم يتم حسابها. ال 
غير المحسوبة في نهاية المطاف. 
. مؤامرة كفاف من مجموعة كاملة من 
مع ايزو مناطق 
، سيشير الهياكل تدفق الثانوي 19.
ال 
، المعروف أيضا باسم 'قوة دوامات' هو طريقة تحديد دوامة يؤديها تحليل النقطة الحرجة للموتر سرعة التدرج المحلي والقيم الذاتية المقابلة لها 20 – 24 <sترونج>. القيم الذاتية للموتر سرعة التدرج في كل بكسل 
يتم حسابها. يجب أن تكون القيم الذاتية للشكل، 
. مؤامرة محيط 
مع ايزو مناطق 
سيشير الهياكل تدفق الثانوية 20-22.
المويجات تحويل طريقة تستخدم وظيفة تحليل (أو المويجات) الذي يحتوي على نعومة في أماكن طبيعية وطيفية، غير مقبولة (أو لديه صفر الوسط)، ولها محدود 
5 و 6 و 26. وبحلول convolving والمتوسعة أو التعاقد المويجات مع حقل الدوامي 2D، المويجات تحول الدوامي 
يتم إنشاء الحقل جيتم احتساب omprising بنى متماسكة مع مجموعة واسعة من المقاييس ونقاط القوة 5 و 6 و 26. الانتروبيا شانون الحقل الدوامي-تحولت المويجات 2D إلى تقدير حجم المويجات الأمثل الذي يتم حل جميع الهياكل متماسكة على نحو كاف. ويشمل هذا التقدير الكون مجموعة من الاحتمالات 
لكل بكسل مثل ذلك 
، ومعامل تطبيع مربع من الدوامي المرتبطة بكسل في موقع م، ن 5 و 6. وترد الخطوات الإجرائية بيانيا في الشكل (6). وترد القيود المفروضة على اختيار المويجات بالتفصيل في المرجع. يصف 26. هذه الخطوة بروتوكول الإجراء للكشف عن هيكل متماسك باستخدام المويجات 2D ريكر. مبررات استخدام هذا ثويرد avelet لمطابقة نمط دوامة في المرجع. 5 و 6 و المراجع ذات الصلة واستشهدت فيها.
Protocol
Representative Results
Discussion
بروتوكول المعروضة في هذه الورقة يصف الحصول على البيانات التجريبية عالية الدقة باستخدام تقنية الصورة الجسيمات السرعة بواسطة (التعريف الشخصية) وطرق متماسكة كشف هيكل، وهي، تحويل المويجات المستمر، 
، مناسبة لتحديد …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب يعترف بدعم من منحة جبهة الخلاص الوطني CBET-0909678 وبتمويل من مركز GW لبيوميميتيقا وBioinspired الهندسة (كوبر). نشكر الطلاب، السيد كريستوفر Popma، والسيدة ليني بينا، السيدة شانون كالاهان، السيد Shadman حسين، والسيد محمد ر Najjari، والسيدة جيسيكا Hinke للمساعدة في المختبر، والسيد ماثيو Barraja للمساعدة في رسومات CAD.
Materials
| Acrylic tubes and sheet | McMaster-Carr Supply Company | Inlet and outlet pipes and, material of the curved artery test section | |
| Object24 Desktop 3D printer | Stratasys | Desktop rapid prototyping machine. http://www.stratasys.com/. | |
| VeroWhitePlus Opaque material | Stratasys | Building material for Object24 Desktop 3D printer | |
| Fullcure 705 | Stratasys | Non-toxic gel-like photopolymer Support material for Object24 Desktop 3D printer | |
| Ubbelhode viscometer | Cole Parmer | YO-98934-12 | Toward measurement of kinematic viscosity of the blood-analog fluid |
| VELP scientifica – ESP stirrer | VELP Scientifica | F206A0179 | Magnetic stirrer |
| Ohaus Scout Pro SP 601 | The Lab Depot | SP4001 | Weigh scale |
| Refractometer | Atago | PAL-RI | Toward measurement of refractive index of blood-analog fluid |
| Beakers, pipettes, syringes and spatula | Sigma-Aldrich | CLS710110, CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216 | Toward handling materials required for blood-analog solution preparation |
| Sodium Iodide | Sigma-Aldrich | 383112-2.5KG | Crystalline |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-1L | Liquid |
| Deionized Water | – | – | Liquid |
| Sodium thiosulfate anhydrous | Sigma-Aldrich | 72049-250G | Powder |
| PIV Recording medium | LaVision | Imager Intense 10Hz | PIV Image acquisition CCD camera |
| PIV Illumination source | New Wave Research | Solo III-15 | PIV Laser source, Nd:YAG laser, 532 nm, dual pulse 70 mJ/pulse |
| PIV Imaging software | LaVision | DaVis 7.2 | PIV data acquisition and instrument control |
| PIV Seeding material | Thermo-scientific | Flouro-Max | Red fluorescent polymer microspheres (≈ 7 µm); Dry dyed polystyrene (DVB) fluorescent microspheres emit bright and distinct colors when illuminated by the light of shorter wavelengths than the emission wavelength. |
References
- Dean, W. R. Note on the motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 208-223 (1927).
- Dean, W. R. The streamline motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 673-695 (1928).
- Lyne, W. H. Unsteady viscous flow in a curved pipe. J. Fluid. Mech. 45, 13-31 (1970).
- Glenn, A. L., Bulusu, K. V., Shu, F., Plesniak, M. W. Secondary flow structures under stent-induced perturbations for cardiovascular flow in a curved artery model. Int. J. Heat Fluid Fl. 35, 76-83 (2012).
- Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Secondary flow morphologies due to model stent-induced perturbations in a 180° curved tube during systolic deceleration. Exp. Fluids. 54, 1493 (2013).
- Bulusu, K. V., Hussain, S., Plesniak, M. W. Determination of secondary flow morphologies by wavelet analysis in a curved artery model with physiological inflow. Exp. Fluids. 55, 1832 (2014).
- Womersley, J. R. Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known. J. Physiol. 127, 553-563 (1955).
- Sheriff, J., Bluestein, D., Girdhar, G., Jesty, J. High-shear stress sensitizes platelets to subsequent low-shear conditions. Ann. Biomed. Eng. 38 (4), 1442-1450 (2010).
- Popma, J. J., Tiroch, K., Almonacid, A., Cohen, S., Kandzari, D. E., Leon, M. B. A qualitative and quantitative angiographic analysis of stent fracture late following sirolimus-eluting stent implantation. Am. J. Cardiol. 103 (7), 923-929 (2009).
- Kim, S. H., et al. A fractured sirolimus-eluting stent with a coronary aneurysm. Ann. Thorac. Surg. 88, 664-665 (2009).
- Adlakha, S., et al. Stent fracture in the coronary and peripheral arteries. J. Interv. Cardiol. 23 (4), 411-419 (2010).
- Alexopoulos, D., Xanthopoulou, I. Coronary stent fracture: How frequent it is? Does it matter. Hellenic J. Cardiol. 52, 1-5 (2011).
- Nair, R. N., Quadros, K. Coronary stent fracture: A review of the literature. Cardiac. Cath. Lab Director. 1, 32-38 (2011).
- Jaff, M., Dake, M., Popma, J., Ansel, G., Yoder, T. Standardized evaluation and reporting of stent fractures in clinical trials of noncoronary devices. Catheter Cardiovasc. Interv. 70, 460-462 (2007).
- Holdsworth, D., Norley, C. J., Frayne, R., Steinman, D. A., Rutt, B. K. Characterization of common carotid artery blood-flow waveforms in normal human subjects. Physiol. Meas. 20 (3), 219-240 (1999).
- Deutsch, S., Tarbell, J. M., Manning, K. B., Rosenberg, G., Fontaine, A. A. Experimental fluid mechanics of pulsatile artificial blood pumps. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 65-86 (2006).
- Yousif, M. Y., Holdsworth, D. W., Poepping, T. L. A blood-mimicking fluid for particle image velocimetry with silicone vascular models. Exp. Fluids. 50, 769-774 (2011).
- Budwig, R. Refractive index matching methods for liquid flow investigations. Exp. Fluids. 17, 350-355 (1994).
- Hunt, J. C. R., Wray, A. A., Moin, P. Eddies, stream, and convergence zones in turbulent flows. Center for Turbulence Research. , (1988).
- Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp. Fluids. 29, 275-290 (2000).
- Chong, M., Perry, A. E., Cantwell, B. J. A general classification of three-dimensional flow fields. Phys. Fluids A. 2 (5), 765-777 (1990).
- Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
- Haller, G. An objective definition of a vortex. J. Fluid Mech. 525, 1-26 (2005).
- Chakraborty, P., Balachander, S., Adrian, R. J. On the relationships between local vortex identification schemes. J. Fluid Mech. 535, 189-214 (2005).
- Wallace, J. M. Twenty years of experimental and direct numerical simulation access to the velocity gradient tensor: What have we learned about turbulence. Phys. Fluids. 21, 021301 (2009).
- Farge, M., Guezennec, Y., Ho, C. M., Meneveau, C. Continuous wavelet analysis of coherent structures. Center for Turbulence Research, Proceedings of the Summer Program. , 331-348 (1990).
- Himburg, H. A., Friedman, M. H. Correspondence of Low Mean Shear and High Harmonic Content in the Porcine Iliac Arteries. ASME J. Biomedical Eng. 128, 852-856 (2006).
- Dai, G., et al. Distinct endothelial phenotypes evoked by arterial waveforms derived from atherosclerosis-susceptible and -resistant regions of human vasculature. PNAS. 101 (41), 14871-14876 (2004).
- Hanus, J., Zahora, J. Measurement and comparison of mechanical properties of nitinol stents. Physica Scripta. 118, 264-267 (2005).
- Segur, J. B., Oberstar, H. E. Viscosity of glycerol and its aqueous solutions. Ind. Eng. Chem. 43, 2117-2120 (1951).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle image velocimetry. , (2011).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry – A practical guide, 2nd ed. , (2007).
- Moisy, F. . PIVmat 3.01 software. , (2013).
- Ruppert-Felsot, J. E., Praud, O., Sharon, E., Swinney, H. L. Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment. Physical Review E. 72, 016311 (2005).
- Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Shannon entropy-based wavelet transform methods for autonomous coherent structure identification in fluid flow field data. Entropy. 17 (10), 6617-6642 (2015).
