Mezo-ölçek Partikül İmaj Velosimetri çalışmaları nörovasküler Vitro akar
Summary
Burada şeffaf nörovasküler hayaletler imalatı ve akışını orada karakterize için Basitleştirilmiş Yöntem mevcut. Biz birkaç önemli parametreler vurgulayın ve alan doğruluk ile ilişkilerini göstermektedir.
Abstract
Partikül İmaj Velosimetri (PIV) çok çeşitli alanları, tam olarak görüntülenmesi ve büyük bir kronolojik zamanmekansal aralığında akışları miktarının sağlar fırsat nedeniyle kullanılır. Ancak, onun uygulanması genellikle daha geniş yararını sınırlar pahalı ve özel araçları kullanımı gerektirir. Ayrıca, Biyomühendislik alanı içinde vitro akışı görselleştirme çalışmaları aynı zamanda daha da çoğu kez istenen anatomik yapıları, özellikle için özetlemek ticari kaynaklı doku hayaletler yüksek maliyete göre sınırlı bu mesoscale rejimi (yani, submillimeter milimetre uzunluk ölçekler için) yayılır. Burada, biz basitleştirilmiş bir deneysel protokol hangi anahtar unsurları dahil 3-b baskı ve silikon döküm kullanarak mesoscale doku hayaletler imalatı için 1) bir nispeten düşük maliyetli yöntemi, bu sınırlamaları gidermek amacıyla geliştirilen mevcut ve 2) bir talep üzerine mesoscale akar ölçme araçları azaltır açık kaynak görüntü analizi ve işleme çerçeve (yani, onlarca milimetre kadar hızları/saniye). Toplu olarak, bu giriş engel nonexperts için kaynakları zaten birçok Biyomühendislik araştırmacılar emrinde yararlanarak düşürür. Biz bu protokolde nörovasküler akışı karakterizasyonu; bağlamında demonstratethe uygulanabilirliği Ancak, mesoscale uygulama Biyomühendislik ve ötesinde daha geniş bir yelpazesi ile ilgili olması bekleniyor.
Introduction
PIV Deneysel Akışkanlar Mekaniği akışı görselleştirme ve uzunluk ölçek atmosferik microcirculatory akar1,2,3değişir kantitatif araştırmalar sıvı hareket için yaygın olarak kullanılır. Onun uygulama özellikleri uygulamaları yaygın olarak değişebilir, bir yönü neredeyse tüm PIV çalışmaları ortak çalışma sıvı, üst üste görüntü kareleri pair-wise bir analiz tarafından takip içinde numaralı seribaşı izleyici parçacıkların video görüntüleme kullanımı iken istenen akış özellikleri ayıklamak için. Genellikle, bu ilk her resim çerçevesi sorgulama windows olarak adlandırılan daha küçük bölgelere ayırmaktan tarafından gerçekleştirilir. Dağınık parçaları rasgele konumlarını sonucu olarak, her sorgu penceresi piksel yoğunluklarını benzersiz bir dağıtım içerir. Pencere boyutu ve veri toplama hızı uygun şekilde seçilirse, çapraz korelasyon yoğunluğu sinyal her penceresinde bu bölgedeki ortalama deplasman tahmin etmek için kullanılabilir. Son olarak, verilen bu deneysel parametreleri bilinen büyütme ve kare hızı, bir anlık hız vektör alanı kolayca hesaplanabilir.
Tek nokta ölçüm teknikleri bir büyük avantajı PIV iki veya üç boyutlu etki alanı genelinde vektör alanları eşleştirmek için onun yetenek var. Damar hastalıkları veya remodeling (Örneğin, ateroskleroz, anjiogenez) önemli bir rol oynamaya bilinen yerel akışlarının ayrıntılı bir soruşturma sağlar beri hemodinamik uygulamalar, özellikle, bu yeteneği, yararlandı 4 , 5 , 6. bu da nörovasküler akar değerlendirme için gerçek oldu ve bunların etkileşimleri ile ilgili uzunluğu ölçekler Bu tür uygulamalarda beri endovasküler aygıt (Örneğin, akış diverters, restenoz, intrasaccular bobinler), olabilir sık sık bir veya daha fazla büyüklük (Örneğin, mikrometre milimetre için üzerinden) ve aygıt geometri yayılan ve yerleşim7yerel akışkanlar mekaniği önemli ölçüde etkileyebilir.
Birçok grup PIV tabanlı hemodinamik çalışmalar yürüten yakından bazı damar akışı7,8stent etkisinin en erken soruşturmaların taklit deneysel set-up üzerinde yararlanmıştır. Tipik olarak, bunlar içerir bir) Geniş puls Lazer ve yüksek hızlı akar; yakalamak için yüksek hızlı kameralar b) aliasing Darbe frekansını lazer ve kamera edinme kare hızı arasında önlemek için eşitleyici, c) silindirik optik, hafif bir sayfa oluşturur ve bu nedenle arka plan floresans saçılan izleyici sorgulama uçak altında ve üstünde en aza indirmek için; d) ticari komple sistemler durumunda of, özel mülk yazılım paketleri, çapraz korelasyon çözümlemesi yapma. Bazı uygulamalar performans ve/veya toplu olarak bu bileşenleri tarafından tanınan çok yönlülük gerektirirken, ancak, pek çok diğerleri yok. Ayrıca, ticari olarak kaynaklı doku istenen vasküler yapılar özetlemek hayaletler kanıtlayabilirim aynı zamanda yüksek maliyet birçok vitro çalışmalar için sınırlama özellikle hayaletler ile o köprüyü mesoscale rejimi özellikleri (> 500 YTL / Phantom). Burada, biz genellikle her ikisi de dağınık şekilde yalan nörovasküler akar ve geçici mesoscale rejimi (yani, uzunluğu ölçekler arasında değişen içinde vitro görselleştirme için PIV uygulamak için basitleştirilmiş bir protokol gelişimi raporu submillimeter milimetre ve hızları milimetre onlarca kadar gelen/saniye). İletişim kuralı zaten birçok Biyomühendislik araştırmacılar, böylece giriş engel nonexperts için indirim emrinde kaynakları kaldıraç istiyor.
Bu iletişim kuralı ilk unsuru saydam, polydimethylsiloxane (PDMS) kurum içi imalatı etkinleştirmek için bir yatırım döküm tekniği kullanımı içerir-doku hayaletler kurban kalıpları 3 3-d baskılı üzerinden dayalı. Son yıllarda, özellikle paylaşılan/multi-kullanıcıya özellikleri (Örneğin, kurumsal tesis veya genel makerspaces) 3 boyutlu yazıcılar artan kullanılabilirliğini yararlanarak, bu yöntemi maliyeti önemli ölçüde keser (Örneğin, < 100 YTL/phantom burada sunulan durumda), çok çeşitli tasarımlar ve geometriler imalatı için hızlı bir dönüş etkinleştirme sırasında. Geçerli protokol sistem modelleme erimiş ifade Akrilonitril bütadien stiren (ABS) yapı malzemesi olarak kullanılır ve yazdırılan bölümü sonraki hayalet döküm için kurban bir kalıp olarak hizmet vermektedir. Deneyimlerimiz ABS ortak çözücüler (Örneğin, aseton) çözünür olduğu ve yeterli güçlü ve sertlik destek malzeme kaldırıldıktan sonra kalıp bütünlüğünü korumak için bu tür kullanım için uygun olduğunu göstermiştir (Örneğin, için deformasyon veya kırık küçültme kalıp özellikleri önlemek). Bu pahasına artan Çözülme zamanı gelmesine rağmen geçerli iletişim kuralında, kalıp bütünlüğü daha fazla katı yazdırılan modelleri kullanarak sağlanır. İçi boş modelleri kullanımını da bazı durumlarda solvent erişim geliştirmek ve böylece, çözülme zamanı azaltmak için mümkün olabilir. Ancak, dikkatli dikkate verilmelidir için bu kalıp bütünlüğü üzerinde etkisi. Burada fabrikasyon hayaletler bir ortak bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılım paketi kullanılarak oluşturulan nörovasküler yapıları idealize temsilleri dayalı iken, son olarak, protokol daha karmaşık imalatı için mükellef olması bekleniyor , hastaya özgü geometrileri de (Örneğin, yolu ile klinik görüntüleme verileri için dönüştürme tarafından oluşturulan modeli dosyalarının kullanımı. Çoğu 3-b Yazıcı tarafından kullanılan STL dosya biçimi). Hayalet imalat sürecine ilişkin daha ayrıntılı bilgi Protokolü’nün 2 bölümünde sağlanır.
İkinci unsur iletişim kuralının bir açık kaynak ImageJ9çapraz korelasyon analizleri yapmak eklenti kullanımını gerektirir. Bu bir basit istatistiksel eşik düzeni uygulama ile birleştiğinde (yani, yoğunluk kapatma) normalleştirilmiş bir postcorrelation vektör doğrulama düzeni yanı sıra çapraz korelasyon önce görüntü sinyallerinin geliştirilmesi için10 medyan (NMT) her onun en yakın komşular11karşılaştırılması yoluyla sahte vektörel çizimler ortadan kaldırmak için test. Toplu olarak, bu sık böylece tipik PIV sistemleri (Örneğin, lazer, pahalı bileşenlerin çoğu edinimi için ihtiyacını ortadan kaldırarak birçok Biyomühendislik laboratuvarlarda bulunan donanımları kullanarak başarılı olmak görüntüleme sağlar Eşitleyici, silindirik optik ve özel mülk yazılım). Video koleksiyonu, görüntü işleme ve veri analizi ile ilgili daha fazla bilgi 5 ve 6 protokolünün bölümlerde verilmiştir.
İçin görüntüleme, bir harici yanı sıra sürekli beyaz ışık kaynağı (yani, metal halide lamba) için yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi ile donatılmış bir floresan mikroskop üzerine dayanır bu iletişim kuralı kullanıldığında PIV set-up Şekil 1 gösterir amacı ile hacimsel aydınlatma. Değişken hız dişli pompa nörovasküler doku hayaletler şeffaf sahte kan çözüme dolaşım akışını dayatmaya kullanılır. Çözüm deiyonize (DI) su ve gliserol, hangi ortak bir alternatiftir nedeniyle12,13,14, kan hemodinamik çalışmalar için 60:40 karışımından oluşan bir) benzer yoğunluğu ve (yani, viskozite 1080 kg/m3 ve 3,5 cP vs 1,050 kg/m3 ve 3-5 cP kan için)15,16; b) görünen aralığın kendi şeffaflık; c) benzer onun kırılma indisi hangi optik bozulma en aza indirgemek PDMS (1,38 vs 1.42 için PDMS)17,18,19,20, olarak; d) hangi ile Newton olmayan davranış tanıtılacaktır, gerekirse, kolaylığı ile xanthane21eklenmesi. Son olarak, floresan polistren boncuk izleyici tanecik (çapı 10.3 µm; 480 nm/501 nm uyarma/emisyon) olarak kullanılır. Yansıtmaya batmaz boncuk istenen süre izleyici parçacıkları en uygun sıvı mekanik özellikleri (Örneğin, yoğunluk, boyutu, kompozisyon) ve emisyon dalga boyu ile kaynak zorlu kanıtlayabilirim. Örneğin, burada kullanılan boncuklar gliserol çözüm (1,050 kg/m3 vs 1080 kg/m3) daha biraz daha az yoğun. Ancak, bunların, hidrodinamik etkileri göz önüne alındığında ihmal edilebilir, tipik bir deneme süresi kadar yüzdürme etkileri ile ilişkili zaman ölçeğini daha kısadır (yani, 5 min ve 20 dk, sırasıyla). Daha fazla çözüm formülasyonu ve vitro sahte kan dolaşım sistemi kurulumu ile ilgili detayları 3 ve 4 Protokolü’nün bölümlerde verilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokol burada fizyolojik olarak ilgili boyutları ve akış koşulları içinde vitronörovasküler görselleştirmek için PIV çalışmaları gerçekleştirmek için basitleştirilmiş bir yöntem akar ana hatlarıyla açıklanan. Bunu yaparken, bu da miktar vektör alanlarının, ama çok daha büyük uzunluğu dikkate25 veya daha düşük akış ölçekler gerektiren çok farklı bağlamlarda içinde kolaylaştırmanın üzerinde odaklanmıştır başkaları tarafından bildirilen p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar araştırma Office ve UC Riverside, ekonomik kalkınma işbirliği tohum hibe tarafından sağlanan bu proje için kısmi destek kabul etmiş oluyorsunuz.
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 |
References
- 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. Micro-Particle Image Velocimetry (µPIV): Recent developments, applications, and guidelines. Lab on a Chip. 9 (17), 2551 (2009).
- Hove, J. R., et al. Intracardiac fluid forces are an essential epigenetic factor for embryonic cardiogenesis. Nature. 421, 172 (2003).
- Ando, J., Yamamoto, K. Vascular Mechanobiology. Circulation Journal. 73 (11), 1983-1992 (2009).
- Conway, D. E., et al. Fluid Shear Stress on Endothelial Cells Modulates Mechanical Tension across VE-Cadherin and PECAM-1. Current Biology. 23 (11), (2013).
- Kuhlencordt, P. J., et al. Accelerated Atherosclerosis, Aortic Aneurysm Formation, and Ischemic Heart Disease in Apolipoprotein E/Endothelial Nitric Oxide Synthase Double-Knockout Mice. Circulation. 104 (4), 448-454 (2001).
- Lieber, B. B., Stancampiano, A. P., Wakhloo, A. K. Alteration of hemodynamics in aneurysm models by stenting: Influence of stent porosity. Annals of Biomedical Engineering. 25 (3), 460-469 (1997).
- Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180° Curved Artery Test Section. Journal of Visualized Experiments. (113), e51288 (2016).
- Tseng, Q., et al. Spatial organization of the extracellular matrix regulates cell-cell junction positioning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (5), 1506-1511 (2012).
- Shavit, U., Lowe, R. J., Steinbuck, J. V. Intensity Capping: a simple method to improve cross-correlation PIV results. Experiments in Fluids. 42 (2), 225-240 (2007).
- Raffel, M., Willert, C. E., Werely, S., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry: a Practical Guide. , (2007).
- Kerl, H. U., et al. Implantation of Pipeline Flow-Diverting Stents Reduces Aneurysm Inflow Without Relevantly Affecting Static Intra-aneurysmal Pressure. Neurosurgery. 74 (3), 321-334 (2014).
- Lieber, B. B., Livescu, V., Hopkins, L. N., Wakhloo, A. K. Particle Image Velocimetry Assessment of Stent Design Influence on Intra-Aneurysmal Flow. Annals of Biomedical Engineering. 30 (6), 768-777 (2002).
- Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress. Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).
- Rand, P. W., Lacombe, E., Hunt, H. E., Austin, W. H. Viscosity of normal human blood under normothermic and hypothermic conditions. Journal of Applied Physiology. 19 (1), 117-122 (1964).
- Kenner, T., Leopold, H., Hinghofer-Szalkay, H. The continuous high-precision measurement of the density of flowing blood. Pflügers Archiv European Journal of Physiology. 370 (1), 25-29 (1977).
- Hoyt, L. F. New Table of the Refractive Index of Pure Glycerol at 20°C. Industrial & Engineering Chemistry. 26 (3), 329-332 (1934).
- Cai, Z., Qiu, W., Shao, G., Wang, W. A new fabrication method for all-PDMS waveguides. Sensors and Actuators A: Physical. 204, 44-47 (2013).
- Bouillot, P., et al. Particle imaging velocimetry evaluation of intracranial stents in sidewall aneurysm: hemodynamic transition related to the stent design. PloS ONE. 9 (12), 113762 (2014).
- Trager, A. L., Sadasivan, C., Lieber, B. B. Comparison of the in vitro hemodynamic performance of new flow diverters for bypass of brain aneurysms. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (8), 084505 (2012).
- Clauser, J., et al. A Novel Plasma-Based Fluid for Particle Image Velocimetry (PIV): In-Vitro Feasibility Study of Flow Diverter Effects in Aneurysm Model. Annals of Biomedical Engineering. 46 (6), 841-848 (2018).
- Johnston, I. D., McCluskey, D. K., Tan, C. K. L., Tracey, M. C. Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (3), 035017 (2014).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Analytical Chemistry. 75 (23), 6544-6554 (2003).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields. Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285 (2000).
- Bosbach, J., Kühn, M., Wagner, C., Raffel, M., Resagk, C. Large-Scale Particle Image Velocimetry of Natural and Mixed Convection. 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. , (2006).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Experiments in Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
- Lima, R., et al. In vitro blood flow in a rectangular PDMS microchannel: experimental observations using a confocal micro-PIV system. Biomedical Microdevices. 10 (2), 153-167 (2008).
- Kuo, C. -. C., Mao, R. -. C. Development of a Precision Surface Polishing System for Parts Fabricated by Fused Deposition Modeling. Materials and Manufacturing Processes. 31 (8), 1113-1118 (2016).
- Kang, K., Oh, S., Yi, H., Han, S., Hwang, Y. Fabrication of truly 3D microfluidic channel using 3D-printed soluble mold. Biomicrofluidics. 12 (1), 014105 (2018).
- Prasad, A. K. Particle Image Velocimetry. Current Science. 79 (1), 51-60 (2000).
- Dellenback, P. A., Macharivilakathu, J., Pierce, S. R. Contrast-enhancement techniques for particle-image velocimetry. Applied Optics. 39 (32), 5978-5990 (2000).
- Cowen, E. A., Monismith, S. G. A hybrid digital particle tracking velocimetry technique. Experiments in Fluids. 22 (3), 199-211 (1997).
- Gruen, A. W. Adaptive least squares correlation: a powerful image matching technique. South African Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Cartography. 14 (3), 175-187 (1985).
- Nogueira, J., Lecuona, A., Rodríguez, P. A. Data validation, false vectors correction and derived magnitudes calculation on PIV data. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1493-1501 (1997).
- Loudon, C., Tordesillas, A. The Use of the Dimensionless Womersley Number to Characterize the Unsteady Nature of Internal Flow. Journal of Theoretical Biology. 191 (1), 63-78 (1998).
- Drost, S., De Kruif, B. J., Newport, D. Arduino control of a pulsatile flow rig. Medical Engineering and Physics. 51, 67-71 (2017).
- Tsai, W., Savaş, &. #. 2. 1. 4. ;. Flow pumping system for physiological waveforms. Medical & Biological Engineering & Computing. 48 (2), 197-201 (2010).
- Kato, T., et al. Contrast-enhanced 2D cine phase MR angiography for measurement of basilar artery blood flow in posterior circulation ischemia. American Journal of Neuroradiology. 23 (8), 1346-1351 (2002).
