神经血管流动的中尺度粒子图像测速研究
Summary
在这里, 我们提出了制造透明神经血管幻影的简化方法, 并描述了其中的流动。我们突出了几个重要参数, 并演示了它们与现场精度的关系。
Abstract
粒子图像测速 (piv) 被广泛用于各种领域, 因为它提供了精确可视化和量化跨一个大时空范围的流量的机会。但是, 它的实现通常需要使用昂贵的专用仪器, 这限制了其更广泛的效用。此外, 在生物工程领域,离体流动可视化研究也往往受到商业来源的组织幻影的高成本的进一步限制, 这些幻影可以重述所需的解剖结构, 特别是那些跨越中尺度状态 (即亚毫米至毫米长度的刻度)。在此, 我们提出了一个简化的实验协议, 以解决这些限制, 其中的关键要素包括 1) 一个相对低成本的方法, 以制造中尺度组织幻影使用三维打印和有机硅铸造, 和 2)开源图像分析和处理框架, 减少了测量中尺度流量 (即速度高达几十毫米/秒) 的仪器需求。总体而言, 这通过利用许多生物工程研究人员已经掌握的资源, 降低了非专家进入的障碍。我们论证了该方案在神经血管流动特征中的适用性;然而, 预计它将与生物工程和其他领域更广泛的中尺度应用相关。
Introduction
piv 广泛应用于流体动力学的实验流体力学和流体运动的定量研究, 从大气到微循环流 1,2,3不等。虽然其实施的具体细节可能与应用的具体情况一样大, 但几乎所有 piv 研究的一个共同点是使用工作流体中播种的示踪粒子的视频成像, 然后对连续的图像帧进行对份分析以提取所需的流动特性。通常, 这是通过首先将每个图像帧细分为称为审讯窗口的较小区域来实现的。由于离散粒子的随机位置, 每个审讯窗口都包含像素强度的唯一分布。如果适当选择窗口大小和数据采集速率, 则可以使用每个窗口中强度信号的相互关联来估计该区域内的平均位移。最后, 考虑到放大倍率和帧速率是已知的实验参数, 可以很容易地计算瞬时速度向量场。
与单点测量技术相比, piv 的一个主要优势是它能够映射跨二维和三维域的矢量场。血流动力学应用尤其受益于这一能力, 因为它允许对局部流动进行彻底调查, 众所周知, 局部流动在血管疾病或重塑 (如动脉粥样硬化、血管生成) 中发挥着重要作用。4 个,5,6. 这也适用于评估神经血管流动及其与血管内装置 (如分流器、支架、腔内线圈) 的相互作用, 因为在此类应用中, 相关的长度尺度可以通常跨越一个或多个数量级 (例如, 从千分尺到毫米), 设备的几何形状和位置会显著影响局部流体力学7。
大多数进行基于 piv 的血流动力学研究的小组都依赖于实验设置, 这些设置密切模仿了一些最早的支架对血管流动的影响的研究 7,8。通常, 这些包括 a) 脉冲激光器和高速摄像机, 以捕获高速流;b) 同步器, 以防止激光脉冲频率与相机采集帧速率之间的混叠;c) 圆柱形光学, 形成光片, 从而最大限度地减少审讯平面上方和下方示踪剂颗粒的背景荧光;d) 在商业交钥匙系统的情况下, 使用专有的软件包, 进行互相关联的分析。然而, 虽然有些应用程序需要这些组件共同提供的性能和多功能性, 但许多其他应用程序并不需要这些组件提供的性能和多功能性。此外, 商业来源的组织幻影的高成本, 重述所需的血管结构也可以证明是有限的许多体外研究, 特别是对于具有连接中尺度的特征的幻影 (& gt; 500 usd/幻影)。在此, 我们报告了一个简化的协议, 用于实现神经血管流的体外可视化piv, 通常在空间和时间上都位于中尺度系统内 (即长度尺度范围从亚毫米到毫米, 速度高达几十毫米秒)。该议定书力求利用许多生物工程研究人员已经掌握的资源, 从而降低非专家入境的障碍。
该协议的第一个要素涉及使用投资铸造技术, 以便能够在内部制造从3-d 打印的牺牲型模具中制作透明的、以聚二甲基硅氧烷 (pdms) 为基础的组织幻影。通过利用近年来越来越多的3d 打印机, 特别是共享/多用户设施 (如机构设施或公共制造商) 中的打印机, 这种方法显著降低了成本 (例如, & lt;100 usd 幻影在这里介绍的情况下), 同时实现了快速周转, 为各种设计和几何形状的制造。在现行协议中, 采用熔融沉积建模系统, 以丙烯腈丁苯 (abs) 为建筑材料, 而印刷部件可作为后续幻影铸造的牺牲模具。我们的经验表明, abs 非常适合这种用途, 因为它可溶于普通溶剂 (如丙酮), 并且在拆卸支撑材料 (例如,防止小模具特征的变形或断裂)。在当前协议中, 使用坚固的印刷模型进一步确保了模具的完整性, 尽管这是以增加溶解时间为代价的。在某些情况下, 使用空心模型也可能提高溶剂的准入, 从而减少溶解时间。但是, 应仔细考虑这可能对模具完整性产生的影响。最后, 虽然本文所制造的幽灵是基于使用通用计算机辅助设计 (cad) 软件包生成的神经血管结构的理想化表示, 但该协议有望适应更复杂的结构的制作, 也是患者特定的几何形状 (例如,通过使用通过将临床成像数据转换为。大多数三维打印机使用的 stl 文件格式)。关于幻影制造过程的更多细节载于议定书第2节。
该协议的第二个元素涉及使用一个开源插件为 imagej 进行跨相关分析9。这与实现一个简单的统计阈值方案 (即强度上限)10 , 以改善图像信号之前的相互关联, 以及后相关向量验证方案, 归一化中位测试 (nmt), 通过将每个向量与最近的邻居进行比较, 消除虚假向量11。总体而言, 这使得成像能够使用许多生物工程实验室中常见的设备来完成, 从而无需购置典型 piv 系统中的许多昂贵组件 (例如脉冲激光、同步器、圆柱形光学器件和专有软件)。关于视频收集、图像处理和数据分析的更多细节载于协议第5节和第6节。
图 1说明了本协议中使用的 piv 设置, 该设置依赖于配备高速成像相机的荧光显微镜, 以及用于成像的外部连续白光源 (即金属卤化物灯)。全目标体积照明。变速齿轮泵用于通过神经血管组织幻影施加透明模拟血液溶液的循环流动。该溶液由 60:40 混合物的去离子化 (di) 水和甘油, 这是血液动力学研究中常见的替代血液 12,13, 14, 由于 a) 其相似的密度和粘度 (即,1, 080 kg m 3 和 3.5 cp与 1 , 050 kg m 3 和 3-5 cp为血液) 15,16;b) 其在可见范围内的透明度;c) 其类似的折射率与 pdms (1.38 对1.38 为 pdms)17,18,19,20, 最大限度地减少光学失真; d) 如果需要,可以通过添加黄烷21来引入非牛顿行为的难易程度.最后, 荧光聚苯乙烯珠被用作示踪剂颗粒 (直径 10.3μm; 480 nm\ 501 nm 兴奋/发射)。虽然需要中性浮力珠, 但采购具有最佳流体机械性能 (例如密度、尺寸、成分) 和发射波长的示踪剂粒子可能具有挑战性。例如, 此处使用的珠子的密度比甘油溶液略低 (1, 050 gsm; 1 , 080 gs 3).然而, 考虑到典型实验的持续时间远远短于与浮力效应相关的时间尺度 (即分别为5分钟和 20分钟), 因此其流体动力效应可以忽略不计。关于模拟血液溶液配方和体外循环系统设置的进一步细节载于议定书第3和第4节。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文描述的协议概述了一种简化的方法, 用于进行 piv 研究, 以可视化体相关维度和体外流动条件下的神经血管流动。在这样做的过程中, 它有助于补充其他也侧重于简化向量场量化的协议, 但在需要考虑更大的长度尺度25或更低流量的非常不同的上下文中26、27 ( 例如大气或微循环流量), 从而依赖与当前应用不兼容的方案。<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者承认, 加州大学河滨分校研究和经济发展办公室的一个合作种子赠款为这一项目提供了部分支持。
Materials
| Solidworks 2015 | Dassault Systems | N/A | CAD Software |
| Dow Corning Sylgard 184 Kit | Ellsworth Adhesive | 184 SIL ELAST KIT 3.9KG | PDMS Kit |
| Stratasys Dimension Elite | Stratasys | 9180-00105 | 3D printer |
| P430 Model Material Cartridge | Stratasys | 340-21202 | ABS build material |
| P400 SR Soluble Support Material Cartridge | Stratasys | 340-30200 | Support material |
| CleanStation DT3 | PM3 Technologies | 00-00300R | Base bath |
| Lindberg Blue M LGO Box Furnace | Thermo Scientific | LB305745M | Oven |
| 21G BD PrecisionGlide Needle | Betcon Dickenson | BD 305167 | Branching perforator mold segment |
| Desiccator (Vacuum) | Polylab | 55205 | Desiccator |
| Branson 1800 Utrasonic Cleaning | Branson | CPX-952-116R | Sonicator |
| Acetone | Fisher Chemical | A9494 | Acetone |
| Isopropol Alcohol | Fisher Chemical | A4514 | Isopropol Alcohol |
| Glycerol | Fisher Chemical | GW33500 | Glycerol |
| 10um Polystyrene Yellow-Green Fluorescent Particles | Magsphere | PSF-010UM | Fluorescent beads |
| Phantom Miro | Vision Research | Miro M310 | High speed camera |
| Micropump | Cole-Parmer | 81101 | Recirculating pump |
| Leica DM2000 | Leica Microsystems | DM2000 | Fluorescent Microscope |
| Leica 10X Objective | Leica Microsystems | 506259 | Objective for perforator |
| Leica 2.5X Objective | Leica Microsystems | 11506083 | Objective aneurysm sac |
| Leica Blue Filter Cube L5 | Leica Microsystems | 513840 | Blue filter cube |
| Leica EL6000 | Leica Microsystems | 11504115 | Light source |
| Alconox | Alconox Inc | 1104-1 | Detergent |
| ImageJ | NIH | N/A | Open source image analysis software https://imagej.nih.gov/ij/ |
| Particle Image Velocimetry PIV Plugin | Qingson Tseng | N/A | https://sites.google.com/site/qingzongtseng/piv |
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