本文介绍了制备透明神经血管仿体及其内部流动表征的简化方法。我们强调了若干关键参数，并展示了这些参数与测量场准确度之间的关系。
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方法文章
中尺度粒子图像测速法在神经血管血流研究中的应用 体外
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
粒子图像测速技术（PIV）因其能够在大范围时空尺度上精确可视化并量化流动现象，已被广泛应用于众多领域。然而，该技术的实施通常需要使用昂贵且专用的仪器设备，限制了其更广泛的应用。此外，在生物工程领域，体外流动可视化研究还常常受限于商业化组织模拟体（phantom）的高昂成本，尤其是那些涵盖介观尺度（即亚毫米至毫米量级）解剖结构的模型。本文提出了一种简化的实验方案，以应对上述限制，其关键要素包括：1）采用3D打印与硅胶浇铸技术制备介观尺度组织模拟体的相对低成本方法；2）一个开源的图像分析与处理框架，可降低对测量介观尺度流动（即速度达数十毫米/秒）所需仪器设备的要求。总体而言，该方案利用了许多生物工程研究人员已具备的资源，从而降低了非专业人员的技术门槛。我们以神经血管流动表征为例，验证了该方案的适用性；但预计其还可广泛适用于生物工程及其他领域的多种介观尺度研究场景。
引言
粒子图像测速技术（PIV）在实验流体力学中被广泛用于流动可视化以及对从大气尺度到微循环流动等不同长度尺度下的流体运动进行定量研究1,2,3。尽管其具体实施方法随应用范围而异，但几乎所有PIV研究都有一个共同特点：在工作流体中引入示踪粒子，通过视频成像记录其运动，随后对连续的图像帧进行成对分析，以提取所需的流动特征。通常，该过程首先将每幅图像划分为若干较小区域，称为 interrogation window（ interrogation 窗口）。由于分散粒子的位置具有随机性，每个 interrogation 窗口内都包含独特的像素强度分布。若合理选择窗口尺寸和数据采集速率，则可通过计算每个窗口内强度信号的互相关，来估算该区域内的平均位移。最后，在已知放大倍数和帧率等实验参数的情况下，即可快速计算出瞬时速度矢量场。
与单点测量技术相比，PIV 的主要优势在于其能够在一个二维或三维区域内映射矢量场。血流动力学应用尤其受益于这一能力，因为它可以对局部流动进行深入研究，而这些局部流动已知在血管疾病或血管重塑（例如，动脉粥样硬化、血管生成）中起着重要作用4,5....
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方案
1. 基于ABS的牺牲模具制备
- 使用CAD软件设计所需组织仿体的逆向模型。
- 使用以ABS为建造材料的3D打印机打印该模型。
2. 基于PDMS的血管仿体制造
- 混合
- 按10:1的质量比混合PDMS预聚物基础剂与固化剂；66 g的混合物足以用于制备体积达50 cm3的仿组织体模。
- 将混合物置于真空干燥器中60分钟以脱气并尽量减少气泡夹杂。采用循环加压/减压方式促进气泡破裂。
- 浇铸
- 使用模具腻子将打印的ABS模具固定在玻璃载片上，以密封界面。
- 小心地将PDMS混合物倒入模具中，尽量减少气泡夹杂。残留气泡可用针头手动刺破。
- 在室温（25 °C）下固化浇铸的体模至少24小时。
注：在较高温度下，此过程可加快22。
- 脱模
- 通过将体模浸入丙酮中并超声处理至少15分钟（功率最高达70 W）来溶解ABS。
警告：丙酮在室温下具有高蒸气压和低闪点。因此，操作时务必在通风橱内进行，并远离....
- 通过将体模浸入丙酮中并超声处理至少15分钟（功率最高达70 W）来溶解ABS。
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结果
图2 展示了PDMS组织仿体的制备过程。本文设计的仿体旨在用于研究理想化的宽颈囊状颅内动脉瘤以及近端分支穿支动脉中的血流情况。其他重要的设计特征包括：1）所有血管均汇入一个共用的储液腔，以确保液体顺畅流出仿体——否则，在较细血管的出口处可能会形成液滴；2）设置气泡捕获结构，便于去除气泡；3）设置外层腔壁，以确保血管与水平面保持平行，并精确定义最终仿体板的高度、长度和宽度；4）由于打印机无法以足够的保真度成型穿支动脉的微小结构，故采用21 G的皮下注射针针杆（标称外径为820 µm）作为穿支动脉的成型模具。所有设计特征均得到了准确再现。
采用本方案进行基于PIV的流动表征所获得的代表性结果如下所示 图3 和 图4这些研究采用100 mL/min的模拟入口流速、2,000 fps.......
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讨论
本文所述方案概述了一种简化的方法，用于开展粒子图像测速（PIV）研究，以在生理相关的尺度和流动条件下可视化神经血管内的血流。 体外从而补充了其他研究者所报道的实验方案，这些方案同样聚焦于简化矢量场的量化，但针对的是需要考虑更大空间尺度的截然不同的情境。25 或更低的流速26,27 (例如，大气或微循环流动），因此依赖于与当前应用不兼容的方法。
成功实施粒子图像测速（PIV）最重要的考虑因素在于最大限度地减少流场伪影并最大化图像质量。在组织仿体的制备过程中，多个步骤对实现这两个目标至关重要。例如，充分脱气十分关键，因为在混合过程中混入PDMS中的空气可能导致最终仿体内部形成气泡，从而对结构保真度和光学清晰度产生不利影响。此外，应尽量降低ABS模具的表面粗糙度，因为PDMS浇铸过程会忠实地复制出即使是最微小的表面缺陷。例如，构建线、表面孔隙、划痕），从而导致最终模型表面.......
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披露
作者声明无任何利益冲突。
致谢
作者感谢加州大学河滨分校研究与经济发展办公室提供的协作种子基金对该项目的部分资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Solidworks 2015 | Dassault Systems | N/A | CAD 软件 |
| Dow Corning Sylgard 184 Kit | Ellsworth Adhesive | 184 SIL ELAST KIT 3.9KG | PDMS 试剂盒 |
| Stratasys Dimension Elite | Stratasys | 9180-00105 | 3D 打印机 |
| P430 模型材料盒 | Stratasys | 340-21202 | ABS 成型材料 |
| P400 SR 可溶性支撑材料盒 | Stratasys | 340-30200 | 支撑材料 |
| CleanStation DT3 | PM3 Technologies | 00-00300R | 基础浴槽 |
| Lindberg Blue M LGO 箱式炉 | Thermo Scientific | LB305745M | 烘箱 |
| 21G BD PrecisionGlide 针头 | Betcon Dickenson | BD 305167 | 分支穿孔器模具段 |
| 干燥器（真空） | Polylab | 55205 | 干燥器 |
| Branson 1800 超声波清洗器 | Branson | CPX-952-116R | 超声仪 |
| 丙酮 | Fisher Chemical | A9494 | 丙酮 |
| 异丙醇 | Fisher Chemical | A4514 | 异丙醇 |
| 甘油 | Fisher Chemical | GW33500 | 甘油 |
| 10 µm 聚苯乙烯黄绿色荧光微粒 | Magsphere | PSF-010UM | 荧光微珠 |
| Phantom Miro | Vision Research | Miro M310 | 高速相机 |
| 微型泵 | Cole-Parmer | 81101 | 循环泵 |
| Leica DM2000 | Leica Microsystems | DM2000 | 荧光显微镜 |
| Leica 10X 物镜 | Leica Microsystems | 506259 | 穿孔器用物镜 |
| Leica 2.5X 物镜 | Leica Microsystems | 11506083 | 动脉瘤囊用物镜 |
| Leica 蓝色滤光立方 L5 | Leica Microsystems | 513840 | 蓝色滤光立方 |
| Leica EL6000 | Leica Microsystems | 11504115 | 光源 |
| Alconox | Alconox Inc | 1104-1 | 洗涤剂 |
| ImageJ | NIH | N/A | 开源图像分析软件 https://imagej.nih.gov/ij/ |
| 粒子图像测速 PIV 插件 | Qingson Tseng | N/A | https://sites.google.com/site/qingzongtseng/piv |
参考文献
- Grant, I. Particle image velocimetry: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (1997).
- Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J.
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重印与许可
