Investigação Experimental de Estruturas de fluxo secundário a jusante de uma falha Modelo Tipo IV Stent em uma seção de teste de 180 ° Curved Artéria

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

A rede arterial na vasculatura humana é composta por vasos sanguíneos ubiquamente presentes com geometrias complexas (ramos, curvaturas e tortuosidade). estruturas de fluxo secundário são padrões de fluxo de turbilhão que ocorrem nas artérias curvas, devido à acção combinada das forças centrífugas, gradiente de pressão adverso e características de afluxo. Tais morfologias de fluxo são bastante afetados pela pulsatilidade e múltiplas harmônicas de condições de afluência fisiológicas e variam muito em tamanho características-strength-forma em comparação com não-fisiológica (estável e oscilatório) flui ^1-7.

Estruturas de fluxo secundário pode em última análise, influenciar o tempo de tensão de corte na parede e a exposição das partículas à base de sangue para a progressão da aterosclerose, a restenose, a sensibilização das plaquetas e trombose ^{4-6, 8-13} Por conseguinte, a capacidade de detectar e caracterizar estas estruturas em laboratório. condições controladas pelo é precursou para promover as investigações clínicas.

Um tratamento cirúrgico comum a aterosclerose é o implante de stent, para abrir artérias estenose para o fluxo de sangue desobstruídas. Mas as perturbações de fluxo concomitantes, devido a instalações de stent resultar em multi-escala morfologias de fluxo ^{secundário. 4 – 6} complexidades Progressivamente de ordem superior, como assimetria e perda de coerência pode ser induzida por subsequentes falhas stent vis-à-vis os menores fluxos não perturbados ^5. Estas falhas stent foram classificados como "Tipos I-to-IV", com base em considerações de falha e gravidade clínica ^14.

Este estudo apresenta um protocolo para a investigação experimental das estruturas de fluxo secundário complexas devido ao completar fratura do stent transversal e deslocamento linear de peças fraturadas ( "Tipo IV") em um modelo de artéria curvada. O método experimental utilizado envolve a aplicação de velocimetria por imagem de partículas (2C-2D PIV) técnicas com uma forma de onda entrada artéria carótida arquetípica, um índice de refração combinados sangue-analógico fluido de trabalho para médias registradas ao longo de fase ^{15 -. 18} de identificação quantitativa de estruturas de fluxo secundário foi conseguido utilizando conceitos da física fluxo, teoria ponto crítico e um romance transformada wavelet algoritmo aplicados aos dados PIV experimental ^{5, 6, 19-26.}

Introduction

estruturas de fluxo secundários são os padrões de fluxo de turbilhão que ocorrem em geometrias de fluxo interno com curvaturas, tais como tubos e canais curvos. Estas estruturas de turbilhão surgem devido à ação combinada de forças centrífugas, gradiente de pressão adverso e características de afluxo. Em geral, estruturas de fluxo secundário aparecem em seções transversais planas de tubos curvos como vórtices do tipo Dean simétricas sob fluxo constante e, simétricas vórtices Dean- e Lyne-tipo em condições de afluência oscilatórios ^{1 – 3.} Morfologias de fluxo secundário são bastante afetados pela pulsatilidade e múltiplas harmônicas de pulsátil, condições de afluência fisiológicos. Estas estruturas adquirir marcadamente diferentes características de tamanho-força-forma em comparação com não-fisiológica (estável e oscilatório) ^{flui. 1 – 6} desenvolvimento da lesão aterosclerótica nas artérias é afectada pela existência de oscilações de cisalhamento de alta frequência nas regiões com baixa média de corte ^{27, 28} </sup>. estruturas de fluxo secundário pode influenciar a progressão de doenças tais como a aterosclerose e, possivelmente, medeiam a resposta endotelial devido ao fluxo de sangue pulsátil, alterando tensões de cisalhamento de parede e tempos de exposição de partículas à base de sangue.

Um tratamento comum para a aterosclerose, uma complicação resultante no estreitamento das artérias por lesões obstrutivas, é a implantação de próteses endovasculares. Fraturas do stent são falhas estruturais de stents implantados que levam a outras complicações médicas, como a reestenose intra-stent (ISR), trombose de stent e formação de ^{aneurisma. 9 – 13} fraturas do stent foram categorizados em várias falhas "Tipos I-to-IV", em que "Tipo IV" caracteriza a maior severidade clínica e é definida como a fractura transversal completa de escoras do stent juntamente com movimentos lineares de os fragmentos do stent ^14. o protocolo apresentado no presente estudo descreve um Experimental método de visualização das estruturas de fluxo secundário a jusante de um "Tipo IV" fratura do stent idealizada em um modelo de artéria curvo.

O protocolo sugerido tem as seguintes quatro características essenciais:

Projeto e fabricação de modelos de endoprótese em escala de laboratório: Descrição geométrica de stents pode ser associado a um conjunto de espirais de auto-expansível (molas ou hélices) entrelaçados usando nitinol (liga de níquel e titânio) fios ^29. O comprimento do stent e o seu diâmetro escora dependem da escala de comprimento de lesões arteriais encontradas durante o implante ⁵ clínico. variação paramétrica de diâmetro bielas e o nascer do enrolamento (ou pitch) leva a stents de várias configurações geométricas. Um resumo dos parâmetros de concepção do stent escolhidas para impressão em 3D são apresentados na Tabela 1.

Preparação de um fluido analógico sangue trabalho combinadocom viscosidade cinemática de sangue e índice de refracção da secção de ensaio: o acesso óptico para a secção de teste da artéria curvo é necessária, a fim de fazer medições de velocidade não-invasivos. Por conseguinte, um newtoniano sangue-mimetização de fluido de trabalho com o índice de refracção do modelo vascular e, idealmente, uma viscosidade dinâmica, combinando sangue humano é utilizada para obter medições de fluxo de sangue ^{precisas. 16 – 18, 30} O fluido de trabalho usado neste estudo foi relatado por Deutsch et al. (2006), que composta de iodeto de 79% de sódio aquoso saturado (Nal), glicerol a 20% puro, e de 1% de água (em volume) ^{de 16.}

Arranjo experimental para a detecção de estruturas de fluxo secundário coerentes usando um de dois componentes, bidimensional velocimetria por imagem de partículas (2C-2D PIV): As experiências foram concebidos para a aquisição de dados de velocidade de fluxo secundário média de fase em várias posições transversais planas jusante de uma combinação de straight e seções do stent curvas que incorporam uma idealizada "Tipo IV" stent fratura ^{5, 6, 9, 14.} o protocolo de passos relativos à aquisição de campos de velocidade de fluxo secundário com o uso de imagem de partículas velocimetria técnica (PIV) envolve um sistema PIV que compreende um laser (folha de luz) fonte, ótica para se concentrar e iluminam as regiões de fluxo, um dispositivo especial encarregado de correlação cruzada acoplado (CCD-sensor ou uma câmera) e partículas tracer a ser iluminada pela folha de luz dentro de um curto intervalo de tempo (Dt ; ver Tabela 4) ^{31, 32.}

As etapas do protocolo assumem o seguinte: Primeiro, uma calibrada, experimental set-up de um sistema de PIV de dois componentes, bidimensional (2C-2D) que avalia as imagens com um duplo-quadro, gravações single-exposição. Em segundo lugar, o sistema de 2C-2D PIV calcula os deslocamentos médios de partículas de traçador através da realização de correlação cruzada entre dois quadros de imagem adquiridos no decurso de cada gravação. Um brResumo do IEF de PIV especificações e aquisição de imagem software é apresentada na tabela de materiais e equipamentos. Em terceiro lugar, todas as precauções de segurança necessárias para operar o laser são seguidos por pessoas treinadas do laboratório de acordo com as orientações fornecidas pela instituição de acolhimento. Os autores sugerem Refs. 31 e 32 para uma compreensão holística da execução, funcionalidade e aplicação da técnica de PIV na dinâmica aero-, hidráulico e de MICROFLUID, correlação de detecção de pico e de estimativa de deslocamento, materiais e densidade de partículas de traçadores e, de ruído de medição e precisão. Além disso, note que o laser e a câmara pode ser controlada pelo computador de aquisição de dados de PIV (Figura 3A) e software de processamento de dados.

A aquisição de dados e de pós-processamento para a detecção coerente estrutura: as medições de velocidade de fluxo secundário média de fase, usando um PIV 2C-2D foram gerados utilizando o protocolo de descrição que se segue. Pós-processo ing dos dados envolvidos detecção estrutura de fluxo secundário coerente com os seguintes três métodos: transformações de onda pequena, ^{5, 6, 19-24, 26.}

Os autores observam que o tensor de gradiente de velocidade é essencialmente, uma matriz 3 x 3,
.

O protocolo apresenta um método de aquisição de medições experimentais bidimensionais (de técnica 2C-2D PIV). Portanto, o acesso experimental completo para o tensor gradiente de velocidade não será possível usar este método. O tensor gradiente de velocidade para cada pixel da imagem PIV deve ser uma matriz de 2 x 2, . A vorticidade Z-componentequation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> para cada pixel é calculado usando a parte anti-simétrica do tensor gradiente de velocidade . O resultado será uma matriz 2D de vorticidade que podem ser visualizados em um gráfico de contorno. Os autores sugerem fortemente Ref. 25 para um acesso experimental discussão eloqüente do tensor gradiente de velocidade para melhorar o conhecimento da dissipação de vorticidade, taxas de deformação e detecção estrutura coerente. Além disso, os autores não tentam explorar as inter-relações entre os métodos de detecção estrutura coerente acima mencionados e sugerir Ref. 23, 24 para uma discussão abrangente sobre o assunto.

O foco das etapas do protocolo é a identificação quantitativa do fluxo secundário (vórtice) structures (também conhecidas como estruturas coerentes). Três métodos de detecção coerente viz, estrutura. e wavelet transformado vorticidade são aplicados aos dados de campo de velocidade para a detecção de multi-escala, as ocorrências de multi-resistência das estruturas de fluxo secundário a jusante do idealizada "Tipo IV" fratura do stent.

o , Define um vórtice como uma região espacial onde a norma euclidiana do tensor de vorticidade que domina da taxa de tensão ^{19, 23, 24 de} matriz de gradiente de velocidade .A é decomposto em simétrica (velocidade de deformação) e (rotação) partes anti-simétricas. Valores próprios da matriz taxa de deformação são computados; . Norm da taxa de deformação é então calculada; <img alt = "Equação 14" src = "/ files / ftp_upload / 51288 / 51288eq14.jpg" />. Vorticidade é calculado a partir da parte anti-simétrica. Enstrophy ou quadrado de vorticidade z-componente, ) É então calculado. o Finalmente é calculado; . Um gráfico de contorno de todo o conjunto de com iso-regiões , Indicará estruturas de fluxo secundário ^19.

o , Também conhecido como "força de roda 'é um método de identificação de vórtice realizada por análise de ponto crítico do tensor gradiente de velocidade local e os seus correspondentes valores próprios ^20-24 <strong>. Valores próprios do tensor gradiente de velocidade em cada pixel são calculados. Os valores próprios deve ser da forma, . Um gráfico de contorno de com iso-regiões indicarão estruturas de fluxo secundário ^20-22.

Transformada Wavelet método utiliza uma função de análise (ou wavelet), que tem a suavidade em espaços físicos e espectrais, é admissível (ou tem média zero) e tem uma finita ^{5, 6, 26.} Por convolving uma dilatada ou contraída wavelet com um campo de vorticidade 2D, wavelet transformado vorticidade campo é gerado comprising de estruturas coerentes com uma vasta gama de escalas e pontos fortes ^{5, 6, 26.} Shannon entropia do campo de vorticidade transformou-wavelet 2D é calculado para estimar a escala wavelet ideal em que todas as estruturas coerentes sejam adequadamente resolvidos. Esta estimativa entropia envolve um conjunto de probabilidades para cada pixel de tal modo que , O módulo normalizado quadrado da vorticidade associado com o pixel na posição m, n ^{5, 6.} Os passos processuais são apresentados graficamente na Figura 6. As restrições sobre a escolha da wavelet são apresentados em pormenor no Exemplo de Ref. 26. Este passo protocolo descreve o procedimento para a detecção de estrutura coerente usando um wavelet 2D Ricker. A justificativa para o uso deste wavelet para correspondência de padrão de vórtice é apresentado na Ref. 5, 6 e as referências pertinentes aí citada.

Protocol

1. Projeto e fabricação de modelos de endoprótese Nota: Os seguintes passos foram seguidos para criar modelos em escala de laboratório de próteses retas e curvas. A instalação dos dois modelos de stent vai encarnar um "Tipo IV" fratura (fragmentação e deslocamento linear de peças de stents fraturados). Nota: Os autores utilizaram software Pro / Engineer no momento da pesquisa para a criação de modelos CAD da geometria stent. O procedimento a s…

Representative Results

Os resultados apresentados na Figura 7A-D foram gerados após dados de velocidade de processamento pós de fluxo secundário (ver Figuras 5, 6) adquirida a partir do sistema 2C-2D PIV mostrado na Figura 3A. A condição de fluxo fornecido para a secção de teste da artéria curvo com uma fractura idealizada "Tipo IV" stent era a forma de onda da artéria carótida mostrado na Figura 4B. Os nossos estudos anter…

Discussion

O protocolo apresentado neste artigo descreve a aquisição de alta fidelidade de dados experimentais utilizando imagem de partículas técnica de velocimetria (PIV) e métodos de detecção estrutura coerente, viz., Transformadas wavelet contínua, , Adequado para identificação de vórtice e fluxos dominado por cisalhamento. Análise dos dados experimentais, de entradas fisiológicas, na presença de uma "Tipo IV" f…

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.