תמונת חלקיקים Velocimetry חקירה של המודינמיקה באמצעות פנטום אבי העורקים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מדידות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שבוצעו כדי לחקור את זרימת הסינוסים באמצעות ההתקנה במבחנה של שסתום אבי העורקים transcatheter (TAV). הפרמטרים המודינמיים המבוססים על מהירות נקבעים גם הם.
Abstract
תפקוד לקוי של מסתם אבי העורקים ושבץ דווחו לאחרונה בהשתלת שסתום אבי העורקים transcatheter (TAVI) חולים. יש חשד לתערובת בסינוס אבי העורקים ובסינוסים ניאו-סינוסים עקב שינויים המודינמיים. ניסויים במבחנה מסייעים לחקור את המאפיינים המודינמיים במקרים שבהם הערכת in vivo מוכיחה להיות מוגבלת. ניסויים במבחנה הם גם חזקים יותר, ואת הפרמטרים המשתנים נשלטים בקלות. ולוצימיטריית תמונת חלקיקים (PIV) היא שיטת ולוצימיטריה פופולרית למחקרי הפריה חוץ גופית . הוא מספק שדה מהירות ברזולוציה גבוהה כך שאפילו תכונות זרימה בקנה מידה קטן נצפות. מטרת מחקר זה היא להראות כיצד PIV משמש כדי לחקור את שדה הזרימה בסינוס אבי העורקים לאחר TAVI. ההתקנה במבחנה של פנטום אבי העורקים, TAVI עבור PIV, ואת תהליך רכישת הנתונים וניתוח זרימת לאחר העיבוד מתוארים. הפרמטרים המודינמיים נגזרים, כולל המהירות, קיפאון הזרימה, המערבולת, המערבולת, המערבולת ומגורים חלקיקים. התוצאות מאשרות כי ניסויים במבחנה ו- PIV מסייעים לחקור את התכונות המודינמיות בסינוס אבי העורקים.
Introduction
היצרות אבי העורקים היא מחלה נפוצה אצל מבוגרים, וזה כאשר שסתום אבי העורקים אינו נפתח, הפחתת זרימת הדם. הבעיה נגרמת על ידי עיבוי או הסתיידות של שסתום אבי העורקים1. לכן, זהו טיפול הכרחי כדי לשפר את זרימת הדם ולהפחית את העומס על הלב. הוא מטופל על ידי שיפוץ שסתום אבי העורקים או החלפתו בשסתום מלאכותי. מחקר זה מתמקד בהשתלת שסתום אבי העורקים transcatheter (TAVI), החלפת שסתום אבי העורקים תקלה עם אחד מלאכותי באמצעות קטטר.
TAVI הומלץ לחולים מאותגרים בניתוח, והתמותה הייתה גם נמוכה2. לאחרונה, דווח כי פקקת בחולים לאחר TAVI גרם תפקוד לקוי שסתום ושבץ 3,4. פקקת בסינוס אבי העורקים וניאו-סינוס חשוד, עם הסיבה שלה כנראה להיות השינויים בהודינמיקה הנגרמת על ידי TAVI. זה מבוצע מבלי להסיר את העלונים המקומיים; עלונים אלה יכולים להפריע לזרימת הסינוסים ולהעלות את הסיכון לפקקת5.
קשה לקבוע כיצד זרימת הדם מושפעת על ידי TAVI וכיצד פקקת מושרה בחולים. רצוי להבהיר את הקשר בין זרימת הדם לבין היווצרות פקקת ב vivo. עם זאת, היעדר טכניקות מעשיות למדידת זרימת הדם הופך את זה לבעייתי. מצד שני, בטכניקות הפריה חוץ גופית יש את היתרון של מתן אפשרות לאחד לפקח על השינויים בזרימת הדם על ידי הגבלת הפרמטרים שיש לחקור. התקנה במבחנה ו velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שימשו לזיהוי מהירות בשדות רפואיים 6,7,8. לכן, אין ויטרו ו- PIV מספיקים לקביעת הפרמטרים שיש לדווח עליהם על ידי חיקוי מצבו של המטופל: קצב הלב והלחץ, הצמיגות והגיאומטריה של הסינוסים, ומאפשרים לאדם לשלוט בפרמטרים אלה.
במחקר זה, הגדרת מבחנה ו- PIV משמשים כדי לחקור את הזרימה בסינוס אבי העורקים לאחר TAVI. פנטום אבי העורקים ו- TAVI עבור PIV ותהליך רכישת הנתונים וניתוח זרימת לאחר העיבוד מתוארים בפרוטוקול זה. נגזרים פרמטרים המודינמיים שונים, כולל המהירות, הקיפאון, המערבולת, המערבולת, המערבולת ומגורים של חלקיקים. התוצאות ממחישות כי הגדרת הפריה חוץ גופית ו- PIV מסייעים לחקור את התכונות המודינמיות בסינוס אבי העורקים.
Protocol
Representative Results
Discussion
זרימת הסינוס השתנתה עקב גיאומטריית סינוס שונה לאחר TAVI. המערבולת נוצרה על ידי פתיחת שסתום אבי העורקים ואת האינטראקציה עם סילון קדמי של systole22. במחקר של שסתום כירורגי מלאכותי ללא עלונים מקומיים, מערבולת שנצפתה באזור הסינוס ב systole היה נורמלי23. מחקר זה יוצר את המערבולת…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר המדעי הבסיסית של קרן המחקר הלאומית של קוריאה, הממומנת על ידי משרד החינוך (NRF-2021R1I1A3040346 ו- NRF-2020R1A4A1019475). מחקר זה נתמך גם על ידי מענק מחקר 2018 (PoINT) מהאוניברסיטה הלאומית של קנגוון.
Materials
| 3D Printer | Prusa Research | Original Prusa i3 MK2; FDM printer | |
| Aluminum bar (square) | APSPRO | KHP-3030, KHP-6060 | Dimension: 30 mm x 30 mm, 60 mm x 60 mm |
| Bulb pump | Skyhope | MHL-1 | |
| Camera controlling software | Phantom | PCC 3.4 software | The software controll the high speed camera |
| Check valve | HANJU STEEL PIPE | Check valve; 1/2 inch (15A) | |
| Digital Aqusition device | National Instruments | USB-6001 | |
| Glycerin | ANU Korea | It used for making a working fluid | |
| High-speed camera | Phantom | Phantom VEO 710E-L | |
| Laser | Changchun New Industries Optoelectronics Technology | MGL-W-532; CW Nd:YAG Laser | |
| Linear actuator | THOMSON | PC-40; it converts the rotational motion to lenear motion | |
| Macro lens | Nikon | VR Micro-NIKKOR 105mm, f/1.4 | |
| Motor | KOLLMORGEN | AKM33H-ANCNR-00; DC servo motor | |
| Motor controlling software | KOLLMORGEN | Kollmorgen software; the software controll the motor driver | |
| Motor driver | KOLLMORGEN | AKD-B00606-NBAN-0000 | |
| Open-source electronic prototypic platform | Arduino | A000066 | Arduino Uno R3. It used for making a external trigger |
| Optic table | SMTECH | 1800 (W) x 900 (B) x 800 (H) | |
| Particle | Dantec Dynamics | 80A6011 | Hollow Glass Sphere. Mean diameter:10 µm, Density: 1090 kg/m3 |
| PIVlab | PIVlab | Open source algorithm based on MATLAB https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui |
|
| Pressure gauge | OMEGA | PX309-015A5V. Measurement range: 0~15psi | |
| Refractometer | ATAGO | 2350 | R-5000. Hand held refractometer; measurement range: 1.333-1.520 |
| Resistance valve | HANJU STEEL PIPE | Ball valve; 1/2 inch (15A) | |
| Saline | DAI HAN PHARM | It is used for making a working fluid and for preserving the TAV | |
| Silicone hose | HSW | Inner diameter 26mm, Outter diameter 30mm; Inlet length 5m, Outlet length 1.5m | |
| System enginnering software | National Instruments | LabVIEW software. The software controlls the DAQ. | |
| Transcatheter Aortic Valve, TAV (23 mm) and TAV (26 mm) | Edwards Lifesciences | SAPIEN3 23mm, SAPIEN3 26mm. It is supported by Seoul Asan Medical | |
| Viscosmeter | Brookfiled | DVELV; Measurement range: 1-2×109 cp |
References
- Carabello, B. A., Paulus, W. J. Aortic stenosis. The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).
- Jakobsen, L., et al. Short-and long-term mortality and stroke risk after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 121 (1), 78-85 (2018).
- Koo, H. J., et al. Computed tomography features of cuspal thrombosis and subvalvular tissue ingrowth after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 125 (4), 597-606 (2020).
- Midha, P. A., et al. The fluid mechanics of transcatheter heart valve leaflet thrombosis in the neosinus. Circulation. 136 (17), 1598-1609 (2017).
- Abubakar, H., Ahmed, A. S., Subahi, A., Yassin, A. S. Thrombus in the Right Coronary Sinus of Valsalva Originating From the Left Atrial Appendage Causing Embolic Inferior Wall Myocardial Infarction. Journal of Investigative Medicine High Impact Case Reports. 6, 2324709618792023 (2018).
- 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).
- Hariharan, P., et al. Inter-laboratory characterization of the velocity field in the FDA blood pump model using particle image velocimetry (PIV). Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (4), 623-640 (2018).
- Lim, W., Chew, Y., Chew, T., Low, H. Pulsatile flow studies of a porcine bioprosthetic aortic valve in vitro: PIV measurements and shear-induced blood damage. Journal of Biomechanics. 34 (11), 1417-1427 (2001).
- Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model. Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).
- Moore, B. L., Dasi, L. P. Coronary flow impacts aortic leaflet mechanics and aortic sinus hemodynamics. Annals of Biomedical Engineering. 43 (9), 2231-2241 (2015).
- Evans, B. . Practical 3D printers: The science and art of 3D printing. , (2012).
- Yudi, M. B., Sharma, S. K., Tang, G. H., Kini, A. Coronary angiography and percutaneous coronary intervention after transcatheter aortic valve replacement. Journal of the American College of Cardiology. 71 (12), 1360-1378 (2018).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle Image Velocimetry. , (2011).
- Deen, N. G., et al. On image pre-processing for PIV of single-and two-phase flows over reflecting objects. Experiments in Fluids. 49 (2), 525-530 (2010).
- Thielicke, W., Stamhuis, E. PIVlab-towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software. 2 (1), (2014).
- Pizer, S. M., et al. Adaptive histogram equalization and its variations. Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 39 (3), 355-368 (1987).
- Garcia, D. Robust smoothing of gridded data in one and higher dimensions with missing values. Computational Statistics & Data Analysis. 54 (4), 1167-1178 (2010).
- Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., Roberson, J. A. . Engineering Fluid Mechanics. , (2020).
- Raghav, V., Sastry, S., Saikrishnan, N. Experimental assessment of flow fields associated with heart valve prostheses using particle image velocimetry (PIV): recommendations for best practices. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 273-287 (2018).
- Ncho, B., Sadri, V., Ortner, J., Kollapaneni, S., Yoganathan, A. In-Vitro Assessment of the Effects of Transcatheter Aortic Valve Leaflet Design on Neo-Sinus Geometry and Flow. Annals of Biomedical Engineering. 49 (3), 1046-1057 (2021).
- Graftieaux, L., Michard, M., Grosjean, N. Combining PIV, POD and vortex identification algorithms for the study of unsteady turbulent swirling flows. Measurement Science and Technology. 12 (9), 1422 (2001).
- Yap, C. H., Saikrishnan, N., Tamilselvan, G., Yoganathan, A. P. Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 11 (1), 171-182 (2012).
- Toninato, R., Salmon, J., Susin, F. M., Ducci, A., Burriesci, G. Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves. Journal of Biomechanics. 49 (13), 2635-2643 (2016).
- Raghav, V., Midha, P., Sharma, R., Babaliaros, V., Yoganathan, A. Transcatheter aortic valve thrombosis: a review of potential mechanisms. Journal of the Royal Society Interface. 18 (184), 20210599 (2021).
- Ramanathan, T., Skinner, H. Coronary blood flow. Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain. 5 (2), 61-64 (2005).
- Nobach, H., Bodenschatz, E. Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities. Experiments in Fluids. 47 (1), 27-38 (2009).
- Gülan, U., et al. Performance analysis of the transcatheter aortic valve implantation on blood flow hemodynamics: An optical imaging-based in vitro study. Artificial Organs. 43 (10), 282-293 (2019).
