Etude expérimentale des structures de flux secondaire en aval d'un échec Modèle Type IV Stent dans une section d'essai de 180 ° Artère Curved

Résumé

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.

Résumé

Le réseau artériel dans le système vasculaire humain comprend des ubiquitaire présents vaisseaux sanguins avec des géométries complexes (branches, les courbures et la tortuosité). les structures d'écoulement secondaires sont des modèles d'écoulement tourbillonnaire qui se produisent dans les artères courbes grâce à l'action combinée des forces centrifuges, les gradients de pression négatifs et des caractéristiques de débit entrant. Ces morphologies d'écoulement sont grandement affectées par pulsatilité et harmoniques multiples de conditions d'afflux physiologiques et varient grandement dans les caractéristiques de taille de force en forme par rapport à la non-physiologique (stable et oscillatoire) circule ^1-7.

Des structures secondaires d'écoulement peuvent éventuellement influer sur la contrainte de cisaillement de paroi et le temps d' exposition des particules de sang vers la progression de l' athérosclérose, la resténose, la sensibilisation des plaquettes et la thrombose ^{4 - 6, 8 - 13} Par conséquent, la capacité de détecter et de caractériser ces structures sous laboratoire. conditions contrôlées par est precursou de poursuivre les investigations cliniques.

Un traitement chirurgical commun à l'athérosclérose est l'implantation du stent, pour ouvrir les artères sténosées pour la circulation sanguine sans obstacle. Mais les perturbations de flux concomitants due aux installations de stent conduisent à multi-échelles morphologies d'écoulement secondaire ^{4 -. 6} complexités d'ordre plus en plus élevés , tels que l' asymétrie et la perte de cohérence peuvent être induites par des défaillances de stent qui ont suivi vis-à-vis de ceux qui dans les flux non perturbés ^5. Ces échecs stent ont été classés comme «Types I à IV» fondées sur des considérations de défaillance et la sévérité clinique ^14.

Cette étude présente un protocole pour l'étude expérimentale des structures complexes d'écoulement secondaire en raison de compléter transversale fracture de stent et de déplacement linéaire de parties fracturées ( "de type IV") dans un modèle d'artère courbe. La méthode expérimentale implique la mise en œuvre de l'image de particules vélocimétrie (2C-2D PIV) techniques avec une archétypale artère carotide entrée de forme d' onde, un indice de réfraction adapté sang analogique fluide de travail pour les mesures d'élimination moyenne de ^{15 -. 18} identification quantitative des structures d'écoulement secondaire a été réalisé en utilisant les concepts de la physique de l' écoulement, la théorie du point critique et un roman transformée en ondelettes algorithme appliqué aux données expérimentales PIV ^{5, 6, 19-26.}

Introduction

structures d'écoulement secondaires sont des modèles de flux tourbillonnaires qui se produisent dans des géométries d'écoulement internes avec des courbures tels que des tuyaux et des canaux courbes. Ces structures tourbillonnaires se posent en raison de l'action combinée des forces centrifuges, des gradients de pression négatifs et des caractéristiques de débit entrant. En général, les structures d'écoulement secondaires apparaissent dans les sections planes de tubes courbes comme symétriques tourbillons de type Dean sous afflux régulier et, tourbillons symétriques de Dean et Lyne type dans des conditions d'encaissement oscillatoires ^{1 -. 3} morphologies d'écoulement secondaires sont grandement affectées par pulsatility et de multiples harmoniques de pulsatile, les conditions d'afflux physiologiques. Ces structures acquièrent nettement différentes caractéristiques taille résistance en forme par rapport à la non-physiologique (stable et oscillatoire) flux ^{1 -. 6} développement des lésions athérosclérotiques dans les artères est affectée par l'existence de haute fréquence des oscillations de cisaillement dans les régions ayant un faible moyen de cisaillement ^{27, 28} . des structures secondaires d'écoulement peut influer sur l'évolution de maladies telles que l'athérosclérose et, éventuellement, servir de médiateur de la réponse endothéliale due à la circulation sanguine pulsatile en modifiant les contraintes de cisaillement des parois et des temps d'exposition des particules véhiculées par le sang.

Un traitement commun à l'athérosclérose, une complication entraînant un rétrécissement des artères par des lésions obstructives, est l'implantation de stents. Fractures de stent sont des échecs structurels de stents implantés qui conduisent à des complications médicales telles que resténose intra-stent (ISR), la thrombose de stent et formation d' un anévrisme ^{9 -. 13} fractures de stent ont été classés en différents échec "Types I-à-IV», dans laquelle " de type IV» caractérise la plus haute et la sévérité clinique est définie comme la rupture transversale complète des entretoises d'endoprothèse vasculaire ainsi que les déplacements linéaires des fragments d'endoprothèse ^14. le protocole présenté dans cette étude décrit un experimental procédé de visualisation des structures secondaires d'écoulement en aval d'un idéalisée "de type IV" stent fracture dans un modèle d'artère courbe.

Le protocole proposé a les quatre caractéristiques essentielles suivantes:

Conception et fabrication de modèles de stent échelle du laboratoire: Description géométrique des stents peut être associé à un ensemble de spirales auto-expansible (ressorts ou hélices) entrelacées en utilisant Nitinol (alliage de nickel et de titane) ²⁹ fils. La longueur du stent et son diamètre dépendent de l' entretoise sur l'échelle de longueur des lésions artérielles rencontrées lors de l' implantation clinique ^5. variation Parametric du diamètre de la jambe et le soulèvement de l'enroulement (ou pas) conduit à des stents de différentes configurations géométriques. Un résumé des paramètres de conception de stent choisis pour l' impression 3D sont présentés dans le tableau 1.

Préparation d'un fluide de travail analogue de sang adaptéavec une viscosité cinématique de sang et d' indice de réfraction de la section d'essai: l' accès optique à la section d'essai de l' artère incurvée est nécessaire pour effectuer des mesures de vitesse non invasives. En conséquence, un sang mimant newtonienne du fluide de travail à l'indice de réfraction du modèle vasculaire et , idéalement, une viscosité dynamique, ce qui correspond le sang humain est utilisé pour obtenir des mesures de débit de sang précis . ^{16 - 18 30} Le fluide de travail utilisé dans cette étude a été rapportée par Deutsch et al. (2006), qui comprend de l' iodure de 79% de sodium saturée aqueuse (Nal), 20% de glycérol pur et 1% d' eau (en volume) ^16.

Dispositif expérimental pour la détection des structures secondaires d'écoulement cohérentes en utilisant un bicomposant image bidimensionnelle de particules vélocimétrie (2C-2D PIV): Des expériences ont été conçues pour acquérir des données de vitesse d'écoulement secondaire en phase moyennée à divers endroits planes transversales en aval de une combinaison de straight et sections de stent courbes incarnant une idéalisé "Type IV" stent fracture ^{5, 6, 9, 14.} Le protocole-étapes relatives à l'acquisition de champs de vitesse d'écoulement secondaire à l' aide d' images de particules (PIV) technique implique un système de PIV qui comprend des un laser (feuille de lumière) de la source, l'optique de se concentrer et éclairer les régions du flux, un dispositif charge spéciale de corrélation croisée couplé (capteur CCD ou une caméra) et des particules de traceurs pour être éclairé par la nappe de lumière dans un court intervalle de temps (At ; voir le tableau 4) ^{31, 32.}

Les étapes du protocole supposent ce qui suit: d'abord, un calibré, expérimental d'un bi-composant, à deux dimensions (2C-2D) système PIV qui évalue les images en double-cadre, les enregistrements mono-exposition. En second lieu, le système 2C-2D PIV calcule les déplacements moyennes des particules de traceur en effectuant une corrélation croisée entre deux trames d'image acquises au cours de chaque enregistrement. A brRésumé IEF de PIV spécifications et acquisition d'image logiciel est présenté dans le matériel et l'équipement table. Troisièmement, toutes les précautions de sécurité nécessaires au fonctionnement du laser sont suivies par le personnel de laboratoire formé selon les lignes directrices fournies par l'établissement d'accueil. Les auteurs suggèrent Refs. 31 et 32 ​​pour une compréhension globale de la mise en œuvre, la fonctionnalité et de l'application de la technique PIV dans la dynamique aéro-, bures et microfluidiques, détection de pic de corrélation et de déplacement estimation, matériau et la densité des particules de traceur, et le bruit de mesure et de précision. Veuillez également noter que le laser et la caméra peuvent être commandées par l'ordinateur d'acquisition de données de PIV (figure 3A) et un logiciel de traitement de données.

L' acquisition de données et de post-traitement pour la détection de structure cohérente: les mesures de vitesse d'écoulement secondaire de phase moyennée à l' aide d' un PIV 2C-2D ont été générés en utilisant la description du protocole qui suit. Post-processus tion des données implique la détection de la structure de flux secondaire cohérente en utilisant les trois méthodes suivantes: transformées en ondelettes continues, ^{5, 6, 19 - 24, 26.}

Les auteurs notent que le tenseur de gradient de vitesse est essentiellement une matrice 3 x 3,
.

Le protocole présente un procédé d'acquisition de mesures expérimentales deux dimensions (technique de 2C-2D PIV). Par conséquent, un accès complet expérimental pour le tenseur de gradient de vitesse ne sera pas réalisable en utilisant cette méthode. Le tenseur de gradient de vitesse pour chaque pixel de l'image PIV doit être une matrice 2 x 2, . La composante z vorticitéquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> pour chaque pixel est calculée à l'aide de la partie anti-symétrique du tenseur de gradient de vitesse . Le résultat sera un tableau 2D de vorticité qui peuvent être visualisées dans un tracé de contour. Les auteurs suggèrent fortement Ref. 25 pour une discussion accès expérimental éloquent du tenseur du gradient de vitesse vers l'amélioration de la connaissance de la vorticité dissipation, des vitesses de déformation et de détection de structure cohérente. En outre, les auteurs ne cherchent pas à explorer les inter-relations entre les méthodes de détection de structure cohérente ci-dessus et de proposer Réf. 23, 24 pour une discussion approfondie sur ce sujet.

L'objectif des étapes du protocole est l'identification quantitative des flux secondaire (tourbillonnaire) structures (également connu sous le nom des structures cohérentes). Trois méthodes de détection cohérente à savoir de la structure., et ondelettes vorticité transformé sont appliquées aux données du champ de vitesse vers la détection des multi-échelles, des événements multi-résistance des structures d'écoulement secondaire en aval du idéalisé "Type IV" stent fracture.

le , Définit un tourbillon comme une région de l' espace où la norme euclidienne du tenseur de tourbillon domine celle du taux de déformation ^{19, 23, 24} .Matrice du gradient de vitesse est décomposé en symétrique (vitesse de déformation) et (rotation) parties antisymétriques. Eigenvalues ​​de la matrice de la vitesse de déformation sont calculées; . Norm de la vitesse de déformation est alors calculée; . Vorticity est calculée à partir de la partie symétrique anti. Enstrophie ou carré de z-composante vorticité, ) Est ensuite calculée. le est finalement calculée; . Un tracé de contour de l'ensemble des avec des iso-régions , Indiquera les structures d'écoulement secondaire ^19.

le Également connu sous le nom de force de tourbillonnement "est une méthode d'identification de vortex effectuée par analyse au point critique du tenseur de gradient de vitesse locale et ses valeurs propres correspondantes ^20-24 . Eigenvalues ​​du tenseur de gradient de vitesse à chaque pixel sont calculés. Les valeurs propres doivent être de la forme, . Un tracé de contour de avec des iso-régions indiquera les structures d'écoulement secondaire ^{20 - 22.}

méthode transformée en ondelettes utilise une fonction d'analyse (ou ondelettes) qui a la douceur dans les espaces physiques et spectrales, est admissible (ou a une moyenne nulle) et a un fini ^{5, 6, 26.} Par convolution un dilatée ou contractée ondelettes avec un champ de vorticité 2D, ondelettes transformé vorticité champ est généré comprising des structures cohérentes avec une large gamme d'échelles et les points forts ^{5, 6, 26.} Shannon entropie du champ de vorticité ondelettes transformée 2D est calculée pour estimer l'échelle de ondelette optimale à laquelle toutes les structures cohérentes sont correctement résolus. Cette estimation de l'entropie implique un ensemble de probabilités pour chaque pixel, tel que , Le module normalisé carré de la vorticité associée au pixel à l' emplacement m, n ^{5, 6.} Les étapes de la procédure sont présentés dans le graphique 6. Les restrictions imposées sur le choix de l'ondelette sont présentés en détail dans Réf. 26. Cette étape de protocole décrit la procédure de détection de structure cohérente en utilisant une ondelette 2D Ricker. La justification de l'utilisation de ce wavelet pour tourbillonnaire pattern matching est présenté dans Réf. 5, 6 et les références pertinentes qui y sont citées.

Protocole

1. Conception et fabrication de modèles de stent

Remarque: Les étapes suivantes ont été suivies pour créer des modèles à l'échelle laboratoire de stents droites et courbes. L'installation des deux modèles de stent incarnera une fracture "Type IV" (fragmentation et déplacement linéaire de pièces de stent fracturées).

Note: Les auteurs ont utilisé le logiciel Pro / Engineer au moment de la recherche pour la création de modèles CAO de la géométrie de stent. La procédure ci-dessous est généralisée et peut ne pas inclure des termes génériques pour le logiciel de CAO utilisé. D'autres logiciels de CAO disponibles peuvent également être utilisés. Les étapes suivantes sont applicables pour le logiciel de CAO que les auteurs ont utilisé au moment de la recherche et ont été adaptés à partir du site Web du fabricant. Pour une description plus détaillée de la machine de prototypage rapide utilisé par les auteurs voir la liste des matériaux. Les équations paramétriques et les valeurs initialisées pour la conception de stent sont présentés dans TaBLE 1 et la figure 1D et 1E sont des exemples de modèles droites et courbes stent après le prototypage rapide.

1. Créer la géométrie de stent droite en définissant des équations paramétriques et l' initialisation des paramètres des hélices gauche et à droite dans un (XYZ) système de coordonnées cartésiennes (tableau 1).
   1. Générer un ensemble de 10 gauche hélices tournant équidistantes dans un réseau plan circulaire autour d'une ligne de référence droite ou axe z, en utilisant l'équation. 1, 2, 3 et 5 montrés dans le tableau 1, les valeurs initialisées du nombre de spires
      ( ), La hauteur, l'épaisseur de fil de stent ( ) Et le diamètre nominal de l'endoprothèse vasculaire ( ) (Figure 1A et dans le tableau 1).
   2. Répétez l'étape 1.1.1 en utilisant l'équation. 1, 2, 4 et 5 pour générer unmotif circulaire de 10 hélices équidistantes gauche (figure 1A).
   3. Générer droite géométrie de stent en combinant ou l' assemblage de la gauche et à droite tourner les hélices autour d' un axe commun (figure 1A).
2. Créer une géométrie de stent courbe en définissant des équations paramétriques et l' initialisation des paramètres des hélices gauche et droite dans le système de coordonnées cylindriques (R-β-X) ou sur une ligne de référence incurvée (tableau 1). Répétez les étapes 1.1.1 - 1.1.2 avec les paramètres précédemment initialisées en utilisant l'équation. 1, 2, 6 et 7.
   1. Générer une géométrie de stent incurvée combinaison ou l'assemblage de la gauche et à droite tourner les hélices incurvée autour d'un axe commun (R) et sous-tendant un angle à l'origine (figure 1B).
3. Créer lithographie stéréo haute résolution (STL) fichiers à partir des modèles CAO stent droites et courbes.
   1. Sélectionnez 'Exporter> Modèle 'dans le menu' Fichier '. Choisissez l'option «STL». Set 'hauteur de corde' à 0. Set 'de contrôle Angle' à 1. Appliquer 'OK' pour créer la STL-fichier. Remarque: La valeur de «contrôle de l'angle" régule la quantité de tessellation long de la surface avec de petits rayons et le réglage peut être compris entre 0 et 1.
4. Fabriquez les modèles de stent sur ​​une machine de prototypage rapide illustré à la figure 1C en utilisant des matériaux énumérés dans le matériel et l' équipement table.
   1. Démarrez le logiciel d'impression 3D (voir la liste des matériaux). Cliquez sur "Insérer" pour localiser le STL-fichier sur l'ordinateur 3D-imprimante et sélectionner le fichier désiré. Faites glisser la souris sur l'écran pour placer le rendu 3D de la STL-fichier sur une plate-forme virtuelle ( «Plateau») sur l'écran.
   2. Sélectionnez les unités appropriées comme 'mm' (Options: 'mm' ou '' pouces) dans les onglets du menu Fichier. Sélectionnez la qualité du produit fini comme «Matte» (Options: «Matte» ou «Gloss»). Sélectionnez 'Réglages des magasins> Validation' onglet à partir des menus de fichiers.
   3. Recherchez le message «Validation réussi» pour passer à l'étape suivante. Si la validation est à quelques pas de répétition infructueuses en 1.3 - 1.4.2 jusqu'à la validation réussie est atteint.
   4. Sélectionnez "Paramètres Plateau> Construire 'onglet à partir des menus de fichiers pour envoyer le fichier à la 3D-imprimante pour la fabrication.
      Remarque: La valeur de la «hauteur de corde" contrôle le degré de tessellation de la surface du modèle. Elle affecte la taille de la précision et le fichier du modèle sera remplacé par une valeur minimale automatiquement. Les petites valeurs de hauteur de corde conduit à moins déviation par rapport à la géométrie de la partie réelle de la taille de fichier compromis. vérification de validation est nécessaire pour faire en sorte que la partie est contiguë et vide de toutes les anomalies structurelles au cours de la phase de fabrication.

2. Préparer Cinématique et réfractive En viscosité-dex-analogique adapté sang liquide

Remarque: La procédure suivante donnera environ 600 ml de solution de sang-analogique. Un résumé des réactifs chimiques et des solvants ayant des propriétés pertinentes utilisées dans la préparation de la solution sont présentés dans la liste des matières. Propriétés matérielles pertinentes, équipement de laboratoire suggéré et les lignes directrices pour les calculs volumétriques sont présentés dans les tableaux 2, 3 et 4, respectivement.

1. Préparer une solution saturée d'iodure de sodium (Nal).
   1. Verser 500 ml de H ₂ O désionisée dans un bêcher de 2000 ml. Placer le bécher sur l'agitateur magnétique.
   2. Mesurer ≈860 g de Nal sur une balance à zéro-poids et ajouter par incréments de 100 g dans le bêcher en agitant et en attendant l'addition actuelle de se dissoudre complètement avant d'ajouter le suivant. Notez la température à chaque addition, puisque le processus de saturation de H ₂ O désionisée avec Nal est légèrement exotHermic. Réfrigérer la solution si nécessaire pour le maintenir à la température ambiante (≈ 25 ° C).
   3. Ajouter petits incréments Nal (≈5-10 g) jusqu'à 20 g, jusqu'à ce que la solution est saturée. Noter la masse et la température de chaque addition. Retirer le bécher avec une solution saturée de Nal de l'agitateur magnétique lorsque vous avez terminé.
2. Mesurer la densité de la solution saturée de Nal ( ).
   1. Ajouter 10 ml de solution saturée de Nal de l'étape 2.1 dans un bécher de 50 ml sur une échelle à zéro à l'aide d'une seringue (ou pipette volumétrique), en vous assurant qu'il n'y a pas de bulles d'air. masse d'enregistrement et le volume ajouté.
   2. Calculer la densité de chaque addition en utilisant l'équation. 8 (voir le tableau 3). Répétez cette étape environ 4-5 fois. La moyenne des densités enregistrées. Retour la solution à la charge de solution saturée de Nal préparé à l'étape 2.1.
3. Estimer le volume total de la solution de mimétisme de sang. < ol>
4. Mesurer la masse de la solution saturée de Nal préparé à l'étape 2.1 et de calculer son volume ( ) En utilisant l'équation. 9. Estimation du volume total de la solution de mimétisme de sang ( ) Et les volumes partiels du glycérol ( ) Et de l'eau déminéralisée ( ) À ajouter suivant l'équation. 10, 11 et 12 (voir le tableau 3).

Préparer la solution de sang-analogique.

1. Préparer une solution d'analogue de sang comprenant une solution saturée de 79% de Nal, 20% de glycerol et 1% d'eau déminéralisée (en volume) à travers homogénéise le mélange sur un agitateur magnétique.
2. Placer le bécher avec la solution Nal saturée sur l'agitateur magnétique et d'ajouter du glycérol par petits incréments (88 / 51288eq38.jpg "/>), en utilisant une seringue (ou graduées ou d'une pipette volumétrique) jusqu'à ce que la totalité du volume de glycérol ( ) Calculée à l'étape 2.3 est ajouté. Pour chaque itération, enregistrer le volume ajouté et attendre jusqu'à ce que la solution est visiblement homogénéisé avant l'ajout de la prochaine augmentation de glycérol.
3. Après homogénéisation complète de la solution saturée de Nal et de glycérol, ajouter à l'aide d'une seringue (ou graduée ou pipette volumétrique). Continuer à agiter sur l'agitateur magnétique jusqu'à ce que la solution de sang analogique est visiblement homogène.

Caractériser le fluide sanguin analogue à température ambiante et pression normales (25 ° C, 1 atm).

1. Mesurer la viscosité cinématique (de ν) en utilisant un viscosimètre Ubbelohde standard ou instrument de mesure équivalent.viscosité cinématique peut être ajustée en ajoutant de petites quantités mesurées de glycérol à l'aide d'une pipette graduée ou volumétrique.
2. Mesurer l'indice de réfraction (n) à l' aide d' un réfractomètre. l'indice de réfraction peut être ajusté en ajoutant des quantités infimes de thiosulfate de sodium anhydre à l'aide d'une spatule.
   Nota: Les auteurs rapportent la viscosité cinématique, ν = 3,55 cSt (3,55 x 10 ^-6 m ² s ^-1 ± 2,8%) et l'indice de réfraction du fluide analogue de sang n = 1,45 (± 3,4%) , ^{5, 6.}

3. Disposer Experiment pour la mesure de débit secondaire Velocity Les champs en aval d'un "Type IV" Stent Défaillance

Remarque: La section d'essai de l' artère courbe 180 ° est composé de deux blocs acryliques, collées ensemble à 180 ° canal incurvé usiné sur chaque bloc et pour fournir des tuyaux d' entrée et de sortie , comme illustré sur les figures 1F, 3A et 3B. Les matériaux sélectionnés pour la section d'essai sont assurés d'avoir accès optique. Les auteurs rapportent l'indice de réfraction du matériau utilisé dans la section d'essai ≈1.4914 ^{5, 6} (voir le tableau 2).

1. Installez stents fabriqués à l' étape 1 dans la section d'essai de l' artère incurvée en acrylique pour incarner un scénario de rupture de type IV idéalisé, entraînant une fracture transversale complète de stents et déplacement linéaire de parties fragmentées (voir les figures 1F, 3A et 3B).
   1. Placez le stent directement en amont de la section d'essai de l' artère courbe (voir les figures 1F et 3B). Faire en sorte que l'espacement entre la ligne droite et les stents courbes est «3 fois» le diamètre du tube _(tube D = 12,7 mm), placer 45 ° stent incurvée à l' intérieur de la courbure d'une extrémité à l'entrée du tube incurvé ( La figure 2B).
2. Assembler ee montage expérimental en connectant les tubes acryliques droites à l'entrée et à la sortie de la section d'essai de 180 ° de l' artère incurvée comme représenté sur la vue d' ensemble schématique du dispositif expérimental (figure 2) sur une table optique (figure 3A).

4. Acquisition de flux secondaire Velocity Fields

Remarque: La description suivante dans le protocole a trait à l'acquisition de champs de vitesse d'écoulement secondaire à l' aide d' images de particules (PIV) technique Figure 3B (schéma) montre qu'il ya quatre endroits (45 °, 90 °, 135 ° et 180 °). avec des encoches angulaires pour faciliter la projection de la feuille de vitesse laser et rendant planaire d'écoulement secondaire en coupe transversale. Les étapes du protocole concernent les mesures acquises pour l'emplacement de 90 °. Si la feuille de laser est placé à 45 ° l'emplacement, la caméra est placée à l'emplacement de 135 ° pour obtenir l'accès optique pour le flux secondaire measurements au lieu de 45 °.

Remarque: La procédure ci-dessous est généralisée et peut ne pas inclure des termes génériques à l'acquisition de l'image et le logiciel de post-traitement et le logiciel de contrôle de l'instrument utilisé (voir la liste des matériaux). Autres paquets d'image et d'acquisition de données disponibles peuvent également être utilisés dans le protocole.

1. Activer le laser à l'aide des interrupteurs marche / arrêt situé sur la source d'énergie laser. Illuminer un petit morceau de papier pour visualiser la feuille de laser. Ajuster l'épaisseur de la plaque laser (environ 2 mm) visuellement, en faisant tourner la feuille optique de focalisation laser situé sur la source laser.
2. Placer la feuille de laser le long de la zone de mesure 90 °, de sorte que la feuille est perpendiculaire à la table optique. Placez l'appareil près de l'emplacement 0 ° ou 180 ° pour obtenir un accès optique de la vue en coupe transversale éclairée par la feuille de laser.
3. Alignez laser et appareil photo en utilisant le logiciel de traitement d'acquisition et de post d'image pour ajusterle champ de vision de la caméra pour capturer suffisamment l'image de la section transversale circulaire de l'artère courbe (voir la figure 3A) et la réduction de la distorsion des particules. Effectuer l'alignement par "essais et erreurs" en inspectant l'image produite par le logiciel du champ de vision. Eteindre le laser à l'aide des commutateurs de contrôle situés sur la source de puissance du laser et assurez-vous que l'appareil est sous tension avec le couvercle de l'objectif retiré.
4. Lancer l'acquisition d'images et de logiciels de post-traitement sur l'ordinateur d'acquisition de données de PIV et accéder à l'utilisateur expert ». Créer un nouveau projet dans le menu fichier, spécifiez un "Nom du projet" et sélectionnez l'option "PIV" dans le cadre du «type de projet». Sélectionnez "Nouveau" dans le menu fichier pour initialiser une nouvelle session d'enregistrement de PIV. Sélectionnez «périphérique» sous la section «Paramètres de l'acquisition de l'image et le logiciel de post-traitement.
5. Naviguez boîte de dialogue "Enregistrement" à l'écran,activer '1 Caméra' case à cocher et sélectionnez 'Single Cadre (T1A)' option. 'Bouton radio' Select laser pour être réglé sur ON dans les paramètres du logiciel de traitement d'acquisition et de poste d'image. Activer le mode d'alimentation externe sur la source d'énergie laser en appuyant sur "EXT" et des commutateurs de puissance élevée "situé sur la source d'énergie laser.
6. Sélectionnez 'Grab' sur le logiciel de traitement d'acquisition et de post-image pour lancer l'acquisition d'images PIV d'observer sur l'écran d'ordinateur. Déplacer la caméra avec de légères modifications manuelles sur la table optique et ajuster le focus pour optimiser l'emplacement de la caméra pour maximiser le champ de vision, de réduire le flou et la distorsion d'image.
7. Sélectionnez le bouton 'Stop' sur les paramètres d'acquisition d'images et de logiciels de post-traitement de cesser l'acquisition de données de PIV et ne font pas d'autres réglages de la caméra. La procédure d'alignement est terminée à ce stade.
   Remarque: Les impulsions laser à ce stade, sont commandés par l'imageacquisition et logiciel de post-traitement et peut encore être contrôlée en faisant varier la fréquence de pulsation ou «exposition» dans les paramètres du logiciel. Le laser s'arrêtera automatiquement car il est contrôlé par l'acquisition d'images et de logiciels de post-traitement. Ne fermez pas le logiciel d'acquisition et de post traitement de l'image que le projet actuel sera utilisé pour acquérir des données de PIV dans les étapes qui suivent.
8. Acquérir les images des champs d'écoulement secondaires utilisant 2C-2D système PIV en suivant les étapes ci-dessous pour assurer que les données de PIV phase sage sont générées en utilisant des impulsions de déclenchement temporel de l'ordinateur de contrôle de l'instrument de la pompe qui sont synchronisés avec le laser à impulsions double et la caméra.
   Remarque: La pompe programmable est connectée à l'ordinateur de commande d'instrument de la pompe et est commandé par le logiciel de contrôle d'instruments. Les étapes suivantes impliquent la mise en place des modules de contrôle du logiciel sur l'ordinateur PIV en utilisant l'acquisition de l'image et le post-traitement et de la pompe de contrôle instrument informatique nousing logiciel de contrôle de l'instrument.
   1. Allumez la pompe programmable à l'aide du bouton ON / OFF situé sur la pompe. Lancez le programme de contrôle de l'instrument sur l'ordinateur de contrôle de l'instrument de la pompe.
   2. Chargez le fichier texte qui contient les valeurs de forme d'onde de tension temps avec un déclencheur de référence (t / T = 0), qui représente l'état physiologique (artère carotide) écoulement forme d'onde de vitesse sur le logiciel de contrôle de l'instrument en maintenant un certain nombre physiologique Womersley et, au maximum de Reynolds et Dean le nombre (figure 4A).
   3. Set 'Amplitude' à 1 (Volts), 'DC offset' à 0 ​​(Volts), 'Nombre de pas de temps »pour 1000 et« Période »4 (secondes) sur l'écran de l'interface du logiciel de contrôle de l'instrument.
   4. Vérifiez que le Powe externemode r de la source de puissance de laser à l'étape 4.5, est toujours activée. Appuyez sur 'EXT' et 'haute puissance' interrupteurs situés sur la source de puissance du laser, si nécessaire.
   5. Sélectionnez 'Device' après avoir cliqué sur «Nouvel enregistrement» dans la section «Paramètres» sur l'acquisition de l'image et le logiciel de post-traitement. Accédez à la boîte de dialogue 'Recording' sur l'acquisition de l'image et le logiciel de post-traitement (ordinateur PIV), activer 'appareil photo 1' case à cocher et sélectionnez «Double Cadre (T1A + T1B) 'option pour configurer le laser au feu dans la double impulsion mode.
   6. Sélectionnez l'option 'Timing' dans la boîte de dialogue "Enregistrement" sur le logiciel de traitement d'acquisition et de post d'image, sélectionnez «source Trigger» et réglez-le sur «déclenchement cyclique externe» pour synchroniser avec déclenchement des signaux à partir du module de commande d'instrument de la pompe. Sélectionnez 'Aquisit' sous la section "Paramètres de sur le logiciel d'acquisition et de post traitement de l'image à sla mise en place tart acquisition PIV.
   7. Accédez à la séquence d'enregistrement "boîte de dialogue sur le logiciel de traitement d'acquisition et de post d'image. Ajouter une sous-catégorie 'scan Table' sous 'séquence d'enregistrement »en utilisant l'onglet approprié fourni sur l'interface du logiciel. Peupler la table créée en utilisant "Modifier la table de balayage ',' Append Scan 'et les valeurs de temps d'entrée à partir de 0 millisecondes et se terminant avec 4000 millisecondes dans des intervalles de 40 millisecondes. Entrée At-valeurs correspondant à chaque entrée de temps dans le tableau. Appuyez sur "Entrée" sur le clavier après chaque valeur saisie.
   8. Accédez à la séquence d'enregistrement "boîte de dialogue sur le logiciel de traitement d'acquisition et de post d'image. Ajouter la sous-catégorie «Image Acquisition» sous «scan de table» créé à l'étape 4.8.7. Réglez le "Nombre d'images" à 200, activez la case à cocher "Afficher les images lors de l'enregistrement» et sélectionnez «Lancer immédiatement».
   9. Select 'Device' dans la section «Paramètres» et confirmer que le laser est réglé sur "ON" avec les paramètres d'alimentation appropriés. Accédez à 'Control Laser' pour confirmer. Le système PIV est maintenant prêt à acquérir des données.
   10. Sélectionnez le bouton radio «RUN» sur l'interface du logiciel de contrôle de l'appareil sur l'ordinateur de contrôle de l'instrument de la pompe pour fournir du fluide à l'expérience en utilisant les entrées fournies à l'étape 4.8.2-4.8.3 avec une impulsion de déclenchement toutes les 4 secondes.
   11. Sélectionnez 'Start Recording' pour l' acquisition de mesures de phase sage à l' aide du signal de déclenchement du contrôle de l' instrument de la pompe jusqu'à ce que le nombre prédéterminé de champs de vitesse planes (200, suffisante pour parvenir à une convergence statistique ^{5, 6, 31, 32)} à chaque instance de temps mis en place lors du balayage de la table (voir l'étape 4.8.7) à l'emplacement de 90 ° est effectué.
   12. Appuyez sur 'Stop' sur la source de puissance du laser une fois que l'enregistrement est terminé. Eteignez la pompe et de la caméra, et placez le co lentille de la caméraver. Sélectionnez le bouton 'Stop' sur l'interface du logiciel de contrôle de l'appareil sur l'ordinateur de contrôle de l'instrument de la pompe.
   13. Inspecter visuellement la configuration expérimentale pour jauger le niveau de fuite, de recueillir le fluide de fuite si nécessaire, pour veiller à ce que tous les appareils ont été mis hors tension ou peuvent être laissés en veille, selon le cas. Fermez la session d'enregistrement dans le logiciel de traitement d'acquisition et de post-image.

5. Détecter Coherent flux secondaire Structures

Remarque: Utilisez l'acquisition de l' image et le logiciel de post-traitement et un ensemble de fonctions de ligne de commande (boîte à outils à base de MATLAB, PIVMat 3.01) à importer, post-traiter et analyser 2- champs de vecteurs de composants du système PIV ^{5, 6, 33.}

1. Créer un masque qui recouvre la géométrie interne ie d'écoulement, la surface de section transversale circulaire, plane.
   1. Sélectionnez le projet créé à l'étape 4.4, qui a maintenant des données de PIV acquises à chaqueinstance de temps spécifié dans l'étape 4.8.7. En outre, sélectionnez toutes les données dans la boîte de dialogue contenant tout l'ensemble de données de PIV.
   2. Suivez les instructions dans le "Fichier de code supplémentaire - la création d'un masque".
2. Créer une routine de post-traitement en sélectionnant 'Batch' icône dans le menu du fichier dans la fenêtre du projet, tandis que d'autres ensembles de données de PIV est sélectionné par défaut. Une boîte de dialogue avec une «liste Opération 'apparaît que doit être rempli dans le même ordre que mentionné dans l'étape suivante.
   1. Suivez les instructions dans le "Fichier de code supplémentaire - la création d'un post-traitement de routine».
3. champs Compute d'élimination moyenne et la vitesse d'écoulement secondaire RMS et vorticité.
   1. Sélectionnez l'opération «statistiques vectorielles: résultat de champ de vecteurs" de "statistiques" du groupe et cliquez sur "Paramètres" dans la boîte de dialogue. Activer 'V moyen' et 'RMS V' cases à cocher under la section «champs vectoriels '. Sélectionnez l'opération "rot-z EYX - Exy 'du groupe' extraire champ scalaire: la rotation et de cisaillement» pour déterminer le tourbillon à deux dimensions dans la section plane.
4. Commencer après le traitement des données de PIV entiers et générer des quantités de vitesse, la vitesse RMS vorticité et de la force de tourbillonnement avec des opérations créées dans les étapes 5.3 et 5.4 de phase moyennée.
   1. 'Faites un clic droit "sur toutes les données de PIV sous la fenêtre de projet, sélectionnez' Hyperloop> Tous les jeux», et sélectionnez l'option «Ajouter tous» sous les «Ensembles disponibles: 'section pour veiller à ce que tout l'ensemble de données de PIV est sélectionné.
   2. Sélectionnez 'Paramètres' dans le menu déroulant sous le 'Filtre:' section. Sélectionnez l'option «Traitement par lots» dans le cadre du «Opération:« section. Cliquez sur "Exécuter" pour commencer "Hyperloop" post-traitement des données PIV.
5. Compute tourbillonnantforce ) Les champs pour détecter des structures d'écoulement secondaire en utilisant l'acquisition d'image et un logiciel de post-traitement. Sélectionnez l'opération «tourbillonnant force» dans le groupe «extraire champ scalaire: la rotation et de cisaillement.
   1. Répétez les étapes 5.4.1-5.4.2 pour exécuter le post-traitement 'Hyperloop'.
6. Détecter des structures cohérentes par et transformée en ondelettes continue sur le champ de vorticité en créant des fonctions de MATLAB définies par l'utilisateur et en utilisant les fonctions MATLAB-3.01 PIVmat (Voir "Fichier supplémentaire Code - codes MATLAB" pour le code exemple).
   1. Générer un tableau 2D de données à partir de l'équation suivante qui représente une ondelette 2D Ricker, en initialisant le facteur d'échelle dans l'équation. 13 à une valeur arbitraire (Voir "Fichier de code supplémentaire - codes MATLAB").
      
   2. Effectuer convolution à deux dimensions ou la multiplication de Fourier de vorticité les données de l' étape 5.4, avec la fonction 2D Ricker ondelettes (Eq. 13) pour générer des champs de vorticité ondelettes transformé au facteur d'échelle initialisée . (Voir "Fichier de code supplémentaire - codes MATLAB").
   3. Calculez l'entropie de Shannon du champ de vorticité ondelettes transformé représenté par l'Eq. 14 (Voir "Fichier de code supplémentaire - codes MATLAB").
      
   4. Changer le facteur d'échelle et de générer un nouveau tableau 2D de données représentant l'ondelette 2D Ricker (Eq. 13) (voir figure 6).
   5. Répétez les étapes 5.6.1 - 5.6.4, pour une large gamme de facteurs d'échelle ( , Voir boucle de rétroaction sur la figure 6.
   6. Créer un terrain de l'entropie de Shannon vs. ondelettes facteur d'échelle à l' étape 5.6.5 (voir Figure 6). Repérez une échelle ondelettes optimale , Ce qui correspond généralement à un minimum local dans l'entropie de Shannon . Répétez l'étape 5.6.4 à l'échelle de ondelette optimale (see entropie de Shannon vs parcelle échelle ondelettes à la figure 6).
   7. Créer un tracé de contour de l'ondelette transformé vorticité le facteur d'échelle d'ondelette correspondant à la valeur optimale de l'entropie de Shannon .

Résultats

Les résultats présentés sur la figure 7A-D ont été générées après les données de vitesse d'écoulement secondaire de post-traitement (voir les figures 5, 6) acquises par le système 2C-2D PIV représenté sur la figure 3A. La condition d'entrée fournie à la section courbe de test de l' artère avec un idéalisée " de type IV" stent rupture est la forme d' onde de l' artère carotide représenté...

Discussion

Le protocole présenté dans le présent document décrit l'acquisition de haute fidélité des données expérimentales en utilisant une technique d'image de particules de vélocimétrie (PIV) et des méthodes de détection de structures cohérentes, à savoir., Transformées en ondelettes continues, , Adapté pour l'identification des tourbillons et des flux de cisaillement dominé. L'analyse des données...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
Ubbelohde 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.