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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

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.

Abstract

La rete arteriosa nel sistema vascolare umano si compone di ubiquitariamente presenti vasi sanguigni con geometrie complesse (rami, curvature e tortuosità). strutture flusso secondario sono modelli flusso vorticoso che si verificano nelle arterie curve dovuto all'azione combinata delle forze centrifughe, gradienti di pressione negativi e le caratteristiche di afflusso. Tali morfologie di flusso sono fortemente influenzati da pulsatilità e più armoniche di condizioni di afflusso fisiologiche e variano notevolmente nelle caratteristiche alta resistenza a forma di dimensioni rispetto ai non-fisiologica (costante e oscillatorio) flussi di 1-7.

Strutture flusso secondario definitiva possono influenzare il tempo di sforzi di taglio e l'esposizione delle particelle ematica verso progressione dell'aterosclerosi, restenosi, sensibilizzazione delle piastrine e trombosi 4 - 6, 8 - 13 Perciò, la capacità di rilevare e caratterizzare tali strutture in laboratorio. condizioni controllate dallo è precurso ad ulteriori indagini cliniche.

Un trattamento chirurgico comune per l'aterosclerosi è l'impianto di stent, per aprire le arterie stenotiche per il flusso di sangue senza ostacoli. Ma le perturbazioni dei flussi concomitanti dovuti agli impianti di stent risultato in multi-scala morfologie flusso secondario. 4 - 6 progressivamente più elevate complessità di ordine, come l'asimmetria e la perdita di coerenza può essere indotta da successivi fallimenti stent nei confronti quelli sotto i flussi perturbati 5. Questi fallimenti stent sono stati classificati come "Tipi Ia-IV" sulla base di considerazioni di guasto e gravità clinica 14.

Questo studio presenta un protocollo per l'indagine sperimentale delle complesse strutture del flusso secondario causa completare frattura dello stent trasversale e spostamento lineare di parti fratturate ( "Tipo IV") in un modello di arteria curvo. Il metodo sperimentale prevede l'implementazione dell'immagine particelle velocimetry (2C-2D PIV) tecniche con un archetipo carotide afflusso di forma d'onda, un indice di rifrazione abbinato sangue-analogico fluido di lavoro per le misure di fase-media di 15 -. 18 individuazione quantitativa delle strutture flusso secondario è stata ottenuta utilizzando concetti della fisica flusso, teoria dei punti critici e un romanzo trasformata wavelet algoritmo applicata ai dati sperimentali PIV 5, 6, 19 - 26.

Introduzione

strutture flusso secondario sono modelli flusso vorticoso che si verificano in geometrie di flusso interni con curvature come tubi curvi e canali. Queste strutture vorticose sorgono a causa dell'azione combinata di forze centrifughe, gradienti di pressione avverse e le caratteristiche di afflusso. In generale, le strutture secondarie di flusso appaiono in planari sezioni di tubi curvi come vortici Dean di tipo simmetrico sotto afflusso costante e, simmetriche vortici Dean- e Lyne tipo in condizioni di afflusso oscillatori 1 - 3. Morfologie flusso secondario sono notevolmente influenzati dalla pulsatilità e più armoniche di pulsatile, condizioni di afflusso fisiologico. Queste strutture acquistano marcatamente differenti caratteristiche resistenza-shape dimensioni rispetto ai non fisiologica (costante e oscillatorio) fluisce 1 -. 6 sviluppo aterosclerotica lesione nelle arterie è influenzato dalla presenza di oscillazioni di taglio ad alta frequenza nelle regioni colpite partire medio di taglio 27, 28 . strutture flusso secondario possono influenzare lo stato di avanzamento di malattie come l'aterosclerosi e possibilmente, mediare la risposta endoteliale a causa del flusso di sangue pulsatile alterando sforzi di taglio delle pareti e tempi di esposizione di particelle per via ematica.

Un trattamento comune ad aterosclerosi, una complicazione conseguente restringimento delle arterie da lesioni ostruttive, è l'impianto di stent. Fratture dello stent sono cedimenti strutturali di stent impiantati che portano a ulteriori complicazioni mediche, come in-stent restenosi (ISR), la trombosi dello stent e formazione di aneurismi. 9 - 13 fratture dello stent sono stati classificati in varie fallimento "Tipi Ia-IV", in cui "Tipo IV" caratterizza la massima gravità clinica ed è definito come la frattura trasversale completa di maglie dello stent insieme a spostamenti lineari dei frammenti stent 14. il protocollo presentato in questo studio descrive un experimental metodo di visualizzazione di strutture secondarie flusso a valle di una "Tipo IV" frattura dello stent idealizzato in un modello un'arteria curvo.

Il protocollo proposto ha le seguenti quattro caratteristiche essenziali:

Progettazione e realizzazione di modelli stent scala di laboratorio: descrizione geometrica degli stent può essere associato con una serie di spirali auto-espandibile (molle o eliche) intrecciate usando Nitinol (una lega di nichel e titanio) fili 29. La lunghezza dello stent e il suo diametro puntone dipendono dalla scala di lunghezza delle lesioni arteriose incontrati durante l'impianto clinica 5. variazione parametrica di diametro puntone e il sorgere del avvolgimento (o passo) porta a stent di varie configurazioni geometriche. Una sintesi di parametri di progetto stent scelti per la stampa 3D sono presentati nella tabella 1.

Preparazione di un fluido analogico sangue lavorare abbinatoavente una viscosità cinematica di sangue e l'indice di rifrazione della sezione di prova: accesso ottico alla sezione di prova dell'arteria curvo è necessaria per effettuare misure di velocità non invasive. Di conseguenza, un newtoniano sangue mima fluido di lavoro con l'indice di rifrazione del modello vascolare e idealmente, una viscosità dinamica, corrispondenti sangue umano viene utilizzato per eseguire misurazioni di flusso sanguigno accurata 16 -. 18, 30 Il fluido di lavoro utilizzato in questo studio è stato riportato by Deutsch et al. (2006), che comprende ioduro 79% satura di sodio acquoso (NaI), 20% di glicerolo puro e acqua 1% (in volume) 16.

Disposizione sperimentale per l'individuazione di strutture di flusso secondarie coerenti con un bicomponente, bidimensionale velocimetry immagine di particelle (2C-2D PIV): Esperimenti sono stati progettati per acquisire i dati di velocità di flusso di fase secondaria media in varie posizioni trasversali planari valle di una combinazione di straight e sezioni stent curve che incarnano una idealizzata "di tipo IV" frattura dello stent 5, 6, 9, 14. Il protocollo passaggi relativi alla acquisizione di campi di velocità del flusso secondario utilizzando l'immagine di particelle velocimetry tecnica (PIV) comporta un sistema PIV che si compone di un laser (foglio di luce) fonte, l'ottica di concentrarsi e di illuminare le regioni di flusso, uno speciale dispositivo di carica correlazione incrociata (CCD-sensore o della fotocamera) e particelle traccianti per essere illuminato dal foglio luce entro un breve intervallo di tempo (Dt ; vedi tabella 4) 31, 32.

Le fasi del protocollo assumono la seguente: in primo luogo, un calibrato, set-up sperimentale di un sistema PIV a due componenti, a due dimensioni (2C-2D) che valuta le immagini con un doppio telaio, registrazioni singola esposizione. In secondo luogo, il sistema 2C-2D PIV calcola gli spostamenti medi di particelle traccianti eseguendo cross-correlazione tra due fotogrammi acquisiti durante ogni registrazione. A BRsintesi IEF di PIV specifiche e acquisizione di immagini software è presentato nella tabella di materiali e attrezzature. In terzo luogo, tutte le misure di sicurezza necessarie per operare il laser sono seguiti da personale di laboratorio addestrato secondo le linee guida fornite dalla istituzione ospitante. Gli autori suggeriscono Refs. 31 e 32 per una comprensione olistica della realizzazione, funzionalità e l'applicazione della tecnica PIV in aerodinamica, idrocarburi e Microfluid, la correlazione di rilevamento di picco e di stima di spostamento, di materiale e la densità delle particelle traccianti e, rumore di misura e precisione. Si noti inoltre che il laser e telecamera possono essere controllate dal computer di acquisizione dati PIV (Figura 3A) e software di elaborazione dei dati.

L'acquisizione dei dati e post-elaborazione per la rilevazione struttura coerente: misure di velocità del flusso di fase secondaria media usando un PIV 2C-2D sono stati generati utilizzando il protocollo descrizione che segue. Dopo processo ING dei dati coinvolti rilevamento struttura flusso secondario coerente con i seguenti tre metodi: trasformate wavelet continue, figure-introduction-6697 5, 6, 19 - 24, 26.

Gli autori di notare che il tensore gradiente di velocità è essenzialmente, una matrice 3 x 3,
figure-introduction-6926 .

Il protocollo presenta un metodo di acquisizione di misure sperimentali bidimensionali (di Tecnica 2C-2D PIV). Pertanto, l'accesso completo sperimentale alla tensore gradiente di velocità non sarà ottenibile con questo metodo. Il tensore gradiente di velocità per ogni pixel figure-introduction-7305 dell'immagine PIV figure-introduction-7396 deve essere una matrice 2 x 2, figure-introduction-7496 . La vorticità componente Zquation 6 "src =" / files / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "/> per ogni pixel figure-introduction-7673 è calcolata utilizzando la parte anti-simmetrica del tensore gradiente di velocità figure-introduction-7825 . Il risultato sarà una matrice 2D di vorticità figure-introduction-7942 che possono essere visualizzati in una trama di contorno. Gli autori suggeriscono fortemente Ref. 25 per una discussione eloquente accesso sperimentale al gradiente di velocità tensore verso migliorando la conoscenza della dissipazione vorticità, velocità di deformazione e la rilevazione struttura coerente. Inoltre, gli autori non cercano di esplorare le interrelazioni tra i suddetti metodi di rilevamento struttura coerente e suggerire Ref. 23, 24 per una discussione approfondita su questo tema.

L'attenzione dei passaggi del protocollo è l'identificazione quantitativa del flusso secondario (vorticoso) structures (noto anche come strutture coerenti). Tre metodi di rilevazione coerente vale a dire la struttura., figure-introduction-8768 e Wavelet trasformato vorticità figure-introduction-8871 vengono applicati a dati del campo di velocità verso il rilevamento di multi-scala, eventi multi-resistenza delle strutture secondarie flusso a valle del "Tipo IV" frattura dello stent idealizzato.

Il figure-introduction-9182 , Definisce un vortice come una regione spaziale in cui la norma euclidea del tensore vorticità domina quella del tasso di deformazione 19, 23, 24 matrice gradiente di velocità .Il viene scomposto in simmetrica (velocità di deformazione) e parti antisimmetrici (rotazione). Autovalori della matrice di velocità di deformazione sono calcolati; figure-introduction-9616 . Norm della velocità di deformazione viene quindi calcolato; figure-introduction-9749. Vorticità viene calcolato dalla parte anti-simmetrica. Enstrophy o quadrata di z-componente vorticità, figure-introduction-9935 ) Viene quindi calcolata. Il figure-introduction-10035 è infine calcolato; figure-introduction-10126 . Una trama contorno l'intero set di figure-introduction-10238 con iso-regioni figure-introduction-10325 , Indicherà le strutture del flusso secondario 19.

Il figure-introduction-10507 , Noto anche come 'forza vorticoso' è un metodo di identificazione vortex eseguita mediante analisi critica punto del tensore gradiente di velocità locale e le sue corrispondenti autovalori 20 - 24 . autovalori del tensore gradiente di velocità in ogni pixel figure-introduction-10864 sono calcolati. Gli autovalori devono essere di forma, figure-introduction-10990 . Una trama di contorno di figure-introduction-11088 con iso-regioni figure-introduction-11175 indicherà strutture flusso secondario 20 - 22.

Trasformata wavelet metodo utilizza una funzione di analisi (o wavelet) che ha scorrevolezza in spazi fisici e spettrali, è ricevibile (o ha media zero) e ha una limitata figure-introduction-11504 5, 6, 26. Convolvendo un dilatate o contratte wavelet con un campo di vorticità 2D, Wavelet trasformato vorticità figure-introduction-11700 campo viene generato comprising di strutture coerenti con una vasta gamma di scale e punti di forza 5, 6, 26. Shannon entropia del campo vorticità wavelet-trasformato 2D viene calcolata stimare la portata wavelet ottimale alla quale tutte le strutture coerenti sono adeguatamente risolti. Questa stima entropia comporta una serie di probabilità figure-introduction-12127 per ciascun pixel figure-introduction-12216 tale che figure-introduction-12296 , Normalizzata modulo quadro del vorticità associato al pixel alla posizione m, n 5, 6. Le fasi procedurali sono rappresentati graficamente nella figura 6. Le restrizioni sulla scelta della wavelet sono presentati in dettaglio nel Ref. 26. Questo passaggio protocollo descrive la procedura per l'individuazione struttura coerente con un Wavelet 2D Ricker. La giustificazione per l'uso di questo wavelet per il pattern matching vorticoso è presentato in Ref. 5, 6 e riferimenti pertinenti ivi citata.

Protocollo

1. progettazione e fabbricazione di modelli di stent

Nota: Le seguenti operazioni sono state seguite per creare modelli su scala di laboratorio di stent rette e curve. L'installazione dei due modelli di stent incarnerà una frattura "Tipo IV" (frammentazione e spostamento lineare di parti stent fratturate).

Nota: Gli autori hanno utilizzato software Pro / Engineer al momento della ricerca per la creazione di modelli CAD della geometria dello stent. La procedura che segue è generalizzata e non può includere termini generici al software CAD utilizzato. Altri pacchetti CAD disponibili possono anche essere utilizzati. I passi che seguono sono applicabili per il software CAD che gli autori hanno utilizzato al momento della ricerca e sono stati adattati dal sito del produttore. Per un'ulteriore descrizione della macchina di prototipazione rapida usato dagli autori vedere l'elenco dei materiali. Le equazioni parametriche e valori inizializzati per la progettazione dello stent sono presentati in TaBLE 1 e Figura 1D e 1E sono esempi di modelli di stent rette e curve dopo la prototipazione rapida.

  1. Creare la geometria dello stent dritto attraverso la definizione di equazioni parametriche e inizializzare i parametri delle eliche a destra ea sinistra in un (XYZ) sistema di coordinate cartesiane (Tabella 1).
    1. Generare un set di 10 sinistra eliche tornitura equi-spaziate in una disposizione circolare piana di una linea di riferimento lineare o asse z, usando l'Eq. 1, 2, 3 e 5 mostrati in Tabella 1, con valori inizializzati del numero di giri
      ( figure-protocol-1765 ), Pece, spessore del filo stent ( figure-protocol-1871 ) E diametro nominale dello stent ( figure-protocol-1978 ) (Figura 1A e Tabella 1).
    2. Ripetere il passaggio 1.1.1 usando Eq. 1, 2, 4 e 5 per generare unmodello circolare di 10 eliche sinistra equispaziati (Figura 1A).
    3. Generare geometria dello stent diritta combinando o assemblando sinistra ea destra ruotando eliche attorno ad un asse comune (Figura 1A).
  2. Creare la geometria dello stent curva definendo equazioni parametriche e inizializzare parametri delle eliche destra e sinistra in forma cilindrica (R-β-X) sistema di coordinate o di una linea di riferimento curva (Tabella 1). Ripetere i punti 1.1.1 - 1.1.2 con i parametri precedentemente inizializzata con Eq. 1, 2, 6 e 7.
    1. Generare una geometria stent curva combinando o assemblando sinistra ea destra ruotando eliche curvato attorno ad un asse comune (R) e sottendono un angolo figure-protocol-2961 all'origine (Figura 1B).
  3. Creare la litografia ad alta risoluzione stereo (STL) i file dai modelli CAD stent rette e curve.
    1. Seleziona 'Esporta> Modello 'dal menu' File '. Scegliere l'opzione 'STL'. Set 'altezza di corda' a 0. Set 'di controllo angolo' a 1. Applicare 'OK' per creare il STL-file. Nota: Il valore di 'controllo di angolo' regola la quantità di tassellazione lungo la superficie con piccoli raggi e l'impostazione può essere compreso tra 0 e 1.
  4. Realizzare i modelli di stent su una macchina di prototipazione rapida mostrato nella Figura 1C utilizzando materiali elencati nella tabella materiali ed apparecchiature.
    1. Avviare il software di stampa 3D (vedi Materiali List). Clicca su 'Inserisci' per individuare il STL-file sul computer 3D-stampante e selezionare il file desiderato. Trascinare il mouse sullo schermo per inserire il rendering 3D del STL file su una piattaforma virtuale ( 'vassoio') sullo schermo.
    2. Selezionare le unità opportune 'mm' (Opzioni: 'mm' o 'pollici') dalle schede di menu file. Selezionare la qualità del prodotto finito, come 'Matte' (Opzioni: 'Matte' o 'Gloss'). Selezionare "Impostazioni vassoio> Validazione 'scheda dai menu dei file.
    3. Cercare il messaggio 'Validation riusci' a passare alla fase successiva. Se la convalida è a pochi passi di ripetizione senza successo a 1.3 - 1.4.2 fino ad ottenere la convalida di successo.
    4. Selezionare 'Impostazioni vassoio> Crea' scheda dai menu dei file per inviare il file alla 3D-stampante per la fabbricazione.
      Nota: Il valore del 'altezza di corda' controlla il grado di tassellazione della superficie del modello. Esso influisce sulla precisione e dimensione del file del modello sarà sostituito da un valore minimo automaticamente. Piccoli valori di altezza di corda porta a meno deviazione dalla geometria effettiva parte con le dimensioni del file compromesso. controllo di convalida è necessaria per fare in modo che la parte è contiguo e privo di eventuali anomalie strutturali in fase di fabbricazione.

2. Preparare cinematica Viscosity- e rifrazioneFluid Blood-analogico dex-abbinato

Nota: La seguente procedura produrrà circa 600 ml di soluzione di sangue-analogico. Una sintesi dei reagenti e solventi chimici con proprietà rilevanti utilizzate per la preparazione soluzione sono presentati nella lista dei materiali. Proprietà dei materiali rilevanti, attrezzature di laboratorio e suggerito le linee guida per i calcoli volumetrici sono presentati in tabelle 2, 3 e 4, rispettivamente.

  1. Preparare una soluzione satura di ioduro di sodio (NAI).
    1. Versare 500 ml di H 2 O deionizzata in un becher da 2.000 ml. Porre il becher sull'agitatore magnetico.
    2. Misurare ≈860 g di NaI su un equilibrio azzerato peso e aggiungere 100 g incrementi nel becher sotto agitazione e in attesa del aggiunta corrente per sciogliere completamente prima di aggiungere il successivo. Registrare la temperatura in ogni aggiunta, poiché il processo di saturazione H 2 O deionizzata con NaI è leggermente exothermic. Refrigerare la soluzione come necessario per mantenerla a RT (≈ 25 ° C).
    3. Aggiungere piccoli incrementi NaI (≈5-10 g) fino a 20 g, fino a saturazione. Registrare la massa e la temperatura di ogni aggiunta. Rimuovere il bicchiere con la soluzione satura NaI dalla agitatore magnetico quando fatto.
  2. Misurare la densità della soluzione satura NaI ( figure-protocol-6846 ).
    1. Aggiungere 10 ml di soluzione satura NaI dal punto 2.1 a un bicchiere da 50 ml su una scala azzerato con una siringa (o pipetta volumetrica), assicurandosi che non vi siano bolle d'aria. Record massa e il volume aggiunto.
    2. Calcolare la densità di ogni aggiunta usando Eq. 8 (vedi Tabella 3). Ripetere questa operazione circa 4-5 volte. La media dei densità registrati. Riportare la soluzione al lotto di soluzione satura NaI preparato al punto 2.1.
  3. Stima il volume totale della soluzione mimetismo sangue. < ol>
  4. Misurare la massa della soluzione satura NaI preparato al punto 2.1 e calcolare il volume ( figure-protocol-7594 ) Usando Eq. 9. Stima il volume totale della soluzione mimetismo sangue ( figure-protocol-7739 ) Ed i volumi parziali di glicerolo ( figure-protocol-7848 ) E acqua deionizzata ( figure-protocol-7943 ) Da aggiungere seguente Eq. 10, 11 e 12 (vedi Tabella 3).
  • Preparare la soluzione di sangue-analogico.
    1. Preparare una soluzione analogica sangue comprendente 79% di soluzione satura NaI, 20% glicerolo e acqua deionizzata 1% (in volume) attraverso la miscelazione omogeneizzato su un agitatore magnetico.
    2. Porre il becher con la soluzione satura NaI l'agitatore magnetico e aggiungere glicerolo in piccoli incrementi (88 / 51288eq38.jpg "/>), utilizzando una siringa (o graduata o pipetta volumetrica) finché l'intero volume di glicerolo ( figure-protocol-8615 ) È aggiunto calcolata al punto 2.3. Per ciascuno figure-protocol-8736 iterazione, registrare il volume aggiunto e attendere fino a quando la soluzione è visibilmente omogeneizzata prima della aggiungere il successivo incremento di glicerolo.
    3. Dopo la completa omogeneizzazione della soluzione NaI saturi e glicerolo, aggiungi figure-protocol-9072 utilizzando una siringa (o graduate o pipetta volumetrica). Continuare a mescolare l'agitatore magnetico fino a quando la soluzione di sangue-analogico è visibilmente omogeneizzato.
  • Caratterizzare il fluido analogico sangue a temperatura ambiente e pressione standard (25 ° C, 1 atm).
    1. Misurare la viscosità cinematica (ν) usando un viscosimetro Ubbelohde standard o strumento di misura equivalente.Viscosità cinematica può essere regolato aggiungendo piccole quantità dosate di glicerolo con una pipetta graduata o volumetrica.
    2. Misurare l'indice di rifrazione (n) utilizzando un rifrattometro. Indice di rifrazione può essere regolato aggiungendo piccole quantità di sodio tiosolfato anidro con una spatola.
      Nota: Gli autori riportano la viscosità cinematica, ν = 3.55 cSt (3,55 x 10 -6 m 2 sec -1 ± 2,8%) e l'indice di rifrazione del fluido analogico sangue, n = 1,45 (± 3,4%) 5, 6.

    • 3. Disporre esperimento per misurare il flusso Secondario Velocità campi a valle di una "Tipo IV" Stent Failure

    Nota: La curva sezione di prova arteria 180 ° comprende due blocchi acrilici incollati insieme, 180 ° canale curvo lavorati su ogni blocco e prestazione per tubi di ingresso e di uscita, come mostrato nelle figure 1F, 3A e 3B. I materiali scelti per la sezione di prova sono assicurato di avere l'accessibilità ottica. Gli autori riportano l'indice di rifrazione del materiale usato nella sezione di prova come ≈1.4914 5, 6 (vedere Tabella 2).

    1. Installare stent fabbricati nella fase 1 nella sezione di prova dell'arteria curva in acrilico a incarnare un tipo IV scenario di frattura idealizzata, che comporta una frattura trasversale completa di stent e spostamento lineare di parti frammentate (si vedano le figure 1F, 3A e 3B).
      1. Posizionare lo stent rettilineo a monte della sezione di prova dell'arteria curvo (vedi figure 1F e 3B). Per garantire che la distanza tra la retta stent curve è '3 volte' il diametro del tubo (tubo D = 12,7 mm), posizionare lo stent curva 45 ° all'interno della curvatura con una estremità all'ingresso al tubo ricurvo ( Figura 2B).
    2. montare °e setup sperimentale collegando i tubi acrilici rettilinei all'ingresso e all'uscita della sezione di prova dell'arteria curva 180 ° come mostrato nella panoramica schematica del dispositivo sperimentale (figura 2) su un tavolo ottico (Figura 3A).

    4. Acquisizione di flusso secondario campi di velocità

    Nota: La seguente descrizione nel protocollo riguarda l'acquisizione di campi di velocità del flusso secondario utilizzando l'immagine di particelle velocimetry tecnica (PIV) Figura 3B (disegno schematico) mostra che non vi quattro posizioni (45 °, 90 °, 135 ° e 180 °). con tacche angolari per facilitare proiezione foglio laser e rendendo velocità di flusso secondario trasversale planare. I passi protocollo riguardano misure acquisite per la posizione 90 °. Se il foglio laser è posto a 45 ° posizione, fotocamera è posta nella posizione 135 ° per ottenere l'accesso ottico per flusso secondario measurements nella posizione 45 °.

    Nota: La procedura che segue è generalizzata e non può includere termini generici per l'acquisizione di immagini e software di post processing e il software di controllo dello strumento utilizzato (vedi Lista dei materiali). Altri pacchetti delle immagini e acquisizione dati disponibili possono essere utilizzati anche nel protocollo.

    1. Accendere il laser utilizzando gli interruttori ON / OFF posto sulla fonte di energia laser. Illuminare un piccolo pezzo di carta per visualizzare la scheda del laser. Regolare lo spessore della lamiera laser (a circa 2 mm) visivamente, ruotando il foglio di focalizzazione laser ottica situati sulla sorgente laser.
    2. Posizionare il foglio laser lungo la regione di misura 90 ° in modo che il foglio è perpendicolare al Tavolo ottico. Posizionare la fotocamera vicino alla posizione 0 ° o 180 ° per ottenere l'accesso ottico vista in sezione illuminata dal foglio laser.
    3. Allineare laser e fotocamera utilizzando il software di elaborazione di acquisizione delle immagini e post per regolareil campo visivo della telecamera per catturare sufficientemente l'immagine della sezione circolare dell'arteria curvo (vedere Figura 3A) e riducendo la distorsione delle particelle. Eseguire l'allineamento da 'prova ed errore' ispezionando l'immagine generato dal software del campo di vista. Spegnere il laser utilizzando gli interruttori di comando situati sulla fonte di alimentazione del laser e fare in modo che la fotocamera è accesa con il copriobiettivo rimosso.
    4. Avviare l'acquisizione di immagini e software di post processing sul computer di acquisizione dati PIV e accedere come 'utente esperto'. Creare un nuovo progetto dal menu file, specificare un 'Nome progetto' e selezionare l'opzione 'PIV' sotto il 'Tipo di progetto'. Seleziona 'Nuovo' dal menu File per inizializzare una nuova sessione di registrazione PIV. Seleziona 'Dispositivo' sotto la sezione 'Impostazioni' per l'acquisizione delle immagini e software di post-elaborazione.
    5. Accedere alla finestra di dialogo 'Registrazione' sullo schermo,la casella di controllo 'Camera 1' attivare e selezionare 'Frame (T1A) Singolo' opzione. Seleziona 'pulsante' laser per essere impostata su ON nelle impostazioni del software di elaborazione di acquisizione delle immagini e post. Attivare la modalità di alimentazione esterna sulla fonte di alimentazione del laser premendo il tasto 'EXT' e gli interruttori 'alta potenza' situato sulla fonte di energia laser.
    6. Seleziona 'Grab' sul software di elaborazione di acquisizione delle immagini e post per iniziare l'acquisizione di immagini PIV per osservare sullo schermo del computer. Muovete la telecamera con lievi regolazioni manuali sul tavolo ottico e la messa a fuoco per ottimizzare la posizione della telecamera per massimizzare il campo di vista, ridurre la sfocatura e distorsione dell'immagine.
    7. Seleziona 'Stop' pulsante di opzione sulle impostazioni di acquisizione di immagini e software di post processing di cessare l'acquisizione dei dati PIV e non fanno ulteriori regolazioni della fotocamera. La procedura di allineamento è completo in questa fase.
      Nota: Gli impulsi laser in questa fase sono controllati dall'immagineacquisizione e software di post-elaborazione e può essere ulteriormente controllata variando la frequenza impulsi o 'Esposizione' nelle impostazioni del software. Il laser si arresta automaticamente dal momento che è controllata da acquisizione immagini e software di post-elaborazione. Non chiudere il software di acquisizione delle immagini e post elaborazione come il progetto corrente verrà utilizzato per acquisire dati PIV nei passi che seguono.
    8. Acquisire le immagini dei campi di flusso secondario utilizzando 2C-2D sistema PIV seguendo la procedura di seguito per garantire che i dati PIV fase-saggio vengono generati utilizzando impulsi di trigger temporali dal computer di controllo dello strumento della pompa che vengono sincronizzati con il laser a impulsi doppio e macchina fotografica.
      Nota: La pompa programmabile è collegato al computer di controllo dello strumento pompa ed è controllato dal programma software di controllo dello strumento. I passi che seguono riguardano la creazione di moduli di controllo del software sul computer PIV utilizzando l'acquisizione delle immagini e post elaborazione e la pompa strumento computer di controllo di noiing software di controllo dello strumento.
      1. Accendere la pompa programmabile utilizzando l'interruttore ON / OFF posto sulla pompa. Avviare il programma di controllo dello strumento sul computer di controllo dello strumento della pompa.
      2. Caricare il file di testo che contiene i valori di tensione-tempo della forma d'onda con un innesco di riferimento (t / T = 0), che rappresenta la fisiologica (carotide) Flusso di forma d'onda tasso al software di controllo dello strumento mantenimento di un numero fisiologico Womersley figure-protocol-17968 e, massima Reynolds figure-protocol-18059 e Dean figure-protocol-18137 numeri (Figura 4A).
      3. Set 'ampiezza' a 1 (Volt), 'offset DC' a 0 (Volt), 'Numero di passi temporali' a 1.000 e 'Periodo' a 4 (secondi) sullo schermo interfaccia software di controllo dello strumento.
      4. Verificare che il Potenza esternaModalità R sulla fonte di energia del laser al punto 4.5, è ancora attiva. Premere 'EXT' e 'alta potenza' switch posti sulla fonte di alimentazione del laser, se necessario.
      5. Seleziona 'Dispositivo' dopo aver cliccato 'Nuova registrazione' nella sezione 'Impostazioni' per l'acquisizione delle immagini e software di post-elaborazione. Passare alla finestra di dialogo 'Recording' per l'acquisizione delle immagini e software di post-elaborazione (computer di PIV), attivare la 'Camera 1' casella di controllo e selezionare 'Double Frame (T1A + T1B)' opzione per impostare il laser al fuoco a doppio impulso modalità.
      6. Selezionare l'opzione 'Timing' nella finestra di dialogo 'Registrazione' sul software di elaborazione di acquisizione delle immagini e post, selezionare 'sorgente di Trigger' e impostarlo su 'trigger ciclico esterno' per la sincronizzazione con trigger-segnali del modulo di controllo dello strumento della pompa. Seleziona 'Aquisit' Nella sezione 'Impostazioni' per l'acquisizione di immagini e post software di elaborazione di scrostata di creazione di acquisizione PIV.
      7. Passare alla finestra di dialogo 'sequenza di registrazione' sul software di elaborazione di acquisizione delle immagini e post. Aggiungi una sottocategoria 'di scansione da tavolo' sotto 'sequenza di registrazione' utilizzando la scheda appropriata fornito l'interfaccia software. Compilare la tabella creata usando 'Table Edit scan', 'Append Scan' e valori di tempo di ingresso a partire da 0 millisecondi e termina con 4.000 millisecondi a intervalli di 40 millisecondi. DT-valori di input corrispondenti a ogni voce volta nella tabella. Premere 'Invio' sulla tastiera dopo ogni valore inserito.
      8. Passare alla finestra di dialogo 'sequenza di registrazione' sul software di elaborazione di acquisizione delle immagini e post. Aggiungi sottocategoria 'di acquisizione di immagini' in 'Tabella scan' creata al punto 4.8.7. Impostare il 'Numero di immagini' a 200, attivare la casella di controllo 'Vedere le foto durante la registrazione di' e selezionare 'Avviare immediatamente'.
      9. Select 'dispositivo' nella sezione 'Impostazioni' e confermare che il laser è impostato su 'ON' con le impostazioni di alimentazione appropriate. Passare a 'Control Laser' per confermare. Il sistema PIV è ora pronto per acquisire dati.
      10. Selezionare il pulsante di opzione 'RUN' su interfaccia software di controllo dello strumento sul computer di controllo degli strumenti della pompa per alimentare fluido al esperimento utilizzando gli input forniti al passo 4.8.2-4.8.3 insieme ad un impulso di scatto ogni 4 secondi.
      11. Selezionare 'Start Recording' per acquisire misure di fase-saggio utilizzando grilletto segnale dal controllo dello strumento pompa finché il predeterminato numero di campi di velocità planari (200, adeguata per raggiungere convergenza statistica 5, 6, 31, 32) in ciascuna istanza tempo impostato nella scansione tabella (vedi punto 4.8.7) nella posizione a 90 ° è fatta.
      12. Premere 'Stop' sulla fonte di alimentazione del laser una volta che la registrazione è fatto. Spegnere la pompa e la macchina fotografica, e posizionare il co obiettivo della fotocameraver. Selezionare pulsante 'Stop' su interfaccia software di controllo dello strumento sul computer di controllo dello strumento della pompa.
      13. Visivamente setup sperimentale per gage il livello di perdite, di raccogliere il liquido fuoriuscito, se necessario, per garantire che tutti i dispositivi sono stati spenti o può essere lasciato in stand-by, a seconda dei casi. Chiudere la sessione di registrazione nel software di elaborazione di acquisizione immagini e post.

    5. Rileva strutture coerenti secondaria di flusso

    Nota: utilizzare l'acquisizione di immagini e software di post-elaborazione e un insieme di funzioni da riga di comando (toolbox MATLAB-based, PIVMat 3.01) per importare, post-elaborare e analizzare 2- campi componente vettoriali dal sistema PIV 5, 6, 33.

    1. Creare una maschera che abbraccia l'esempio geometria flusso interno, l'area circolare piana trasversale.
      1. Selezionare il progetto creato nel passaggio 4.4, che ora ha i dati PIV acquisite in ciascunaistanza di tempo specificato nel passaggio 4.8.7. Inoltre, selezionare tutti i dati nella finestra di dialogo che contiene l'intero insieme di dati PIV.
      2. Seguire le istruzioni nel "file di codice supplementare - la creazione di una maschera".
    2. Creare una routine di post processing selezionando l'icona 'batch' dal menu file nella finestra del progetto, mentre alcuni set di dati PIV è selezionata per impostazione predefinita. Una finestra di dialogo con una 'lista di operazione' appare che dovrebbe essere popolato nello stesso ordine come indicato nel passaggio successivo.
      1. Seguire le istruzioni nel "file di codice supplementare - la creazione di un post di routine di elaborazione".
    3. campi Compute fase-media e velocità del flusso secondario RMS, e vorticità.
      1. Selezionare le 'statistiche vettore: vettore risultato del campo' operazione da 'statistiche' del gruppo e fare clic su 'Parametro' nella finestra di dialogo. Attiva 'V Media' e 'RMS V' caselle di controllo under la sezione 'Campi vettoriali. Selezionare l'operazione 'rot-Z Eyx - Exy' dal gruppo 'estrarre campo scalare: rotazione e taglio' per determinare la vorticità bidimensionale nella sezione trasversale planare.
    4. Inizia dopo il trattamento tutti i dati PIV e generare quantità di fase-media della velocità, velocità RMS, vorticità e la forza vorticoso con le operazioni realizzate in passi 5.3 e 5.4.
      1. 'Right-click' su tutti i dati PIV sotto la finestra del progetto, selezionare 'Hyperloop> Tutti i set ", e selezionare l'opzione' Aggiungi all 'sotto' Imposta disponibili: 'sezione per verificare che sia selezionata l'intero insieme di dati PIV.
      2. Seleziona 'Parametro' dal menu a discesa sotto il 'filtro:' sezione. Selezionare l'opzione 'Elaborazione batch' sotto la 'Operazione:' sezione. Fare clic su 'Esegui' per iniziare 'Hyperloop' post-elaborazione dei dati PIV.
    5. Calcola vorticosoforza figure-protocol-25317 ) Campi per rilevare strutture flusso secondario utilizzando l'acquisizione di immagini e software di post-elaborazione. Selezionare l'operazione 'vorticoso forza' dal gruppo 'estrarre campo scalare: rotazione e taglio'.
      1. Ripetere i punti 5.4.1-5.4.2 per eseguire la post-elaborazione 'Hyperloop'.
    6. Rileva strutture coerenti con figure-protocol-25776 e wavelet continua a trasformare il campo di vorticità figure-protocol-25902 con la creazione di funzioni MATLAB definite dall'utente e l'utilizzo di funzioni MATLAB PIVmat 3.01-based (Vedere "File supplementare Codice - codici MATLAB" per esempio di codice).
      1. Genera una matrice 2D di dati dalla seguente equazione che rappresenta un wavelet 2D Ricker inizializzando il fattore di scala figure-protocol-26300 in Eq. 13 per un valore arbitrario (Vedere "file di codice supplementare - codici MATLAB").
        figure-protocol-26469
      2. Eseguire convoluzione bidimensionale o Fourier moltiplicazione di vorticità figure-protocol-26625 i dati dal punto 5.4, con funzione 2D Ricker Wavelet (eq. 13) per generare wavelet trasformato campo di vorticità figure-protocol-26825 al fattore di scala inizializzato figure-protocol-26930 . (Vedere "Supplemental Codice File - codici MATLAB").
      3. Si calcoli l'entropia di Shannon figure-protocol-27103 del campo di vorticità Wavelet trasformato figure-protocol-27217 rappresentato da Eq. 14 (Vedere "Supplemental file di codice - codici MATLAB").
        figure-protocol-27374
      4. Modificare il fattore di scala per figure-protocol-27498 e generare una nuova matrice 2D dei dati che rappresentano la Wavelet 2D Ricker (eq. 13) (vedi figura 6).
      5. Ripetere i punti 5.6.1 - 5.6.4, per una vasta gamma di fattori di scala ( figure-protocol-27776 , Vedi retroazione in Figura 6.
      6. Creare un terreno di Shannon entropia figure-protocol-27944 vs fattore di scala Wavelet figure-protocol-28043 al punto 5.6.5 (vedi figura 6). Individuare una scala Wavelet ottimale figure-protocol-28202 , Generalmente corrispondente ad un minimo locale in Shannon entropia figure-protocol-28343 . Ripetere il punto 5.6.4 a scala Wavelet ottimale (see Shannon entropia vs trama scala Wavelet in figura 6).
      7. Creare una trama di contorno del Wavelet trasformato vorticità figure-protocol-28614 al fattore di scala wavelet corrispondente al valore ottimale di Shannon entropia figure-protocol-28767 .

    Risultati

    I risultati presentati in Figura 7A-D sono stati generati dopo che i dati di velocità di flusso secondario post elaborazione (vedi figure 5, 6) acquisita dal sistema 2C-2D PIV mostrato nella Figura 3A. La condizione afflusso fornita alla sezione di prova dell'arteria curvo con una frattura "Tipo IV" stent idealizzato era la forma d'onda carotidea mostrato nella Figura 4B. Nostri studi precedenti hanno ...

    Discussione

    Il protocollo presentato in questo documento descrive l'acquisizione di alta fedeltà dati sperimentali utilizzando immagine di particelle tecnica velocimetria (PIV) e metodi di rilevamento struttura coerente, vale a dire., Continui trasformate wavelet, figure-discussion-283 , Adatto per l'identificazione del vortice e flussi di taglio-dominato. Analisi dei dati sperimentali di raccolta fisiologiche in presenza di un idealizzato "Tipo IV...

    Divulgazioni

    Nessun conflitto di interessi dichiarati.

    Riconoscimenti

    Gli autori riconoscono il supporto di concessione NSF CBET-0.909.678 e il finanziamento del Centro GW per la biomimetica e bioispirati Engineering (COBRE). Ringraziamo gli studenti, il signor Christopher Popma, la signora Leanne Penna, la signora Shannon Callahan, signor Shadman Hussain, Mohammed R. Najjari, e la signora Jessica Hinke aiuto in laboratorio e il signor Mathieu Barraja per l'assistenza nella disegni CAD.

    Materiali

    NameCompanyCatalog NumberComments
    Acrylic tubes and sheetMcMaster-Carr Supply CompanyInlet and outlet pipes and material of the curved artery test section
    Object24 Desktop 3D printerStratasysDesktop rapid prototyping machine. http://www.stratasys.com
    VeroWhitePlus Opaque materialStratasysBuilding material for Object24 Desktop 3D printer
    Fullcure 705StratasysNon-toxic gel-like photopolymer Support material for Object24 Desktop 3D printer
    Ubbelohde viscometerCole ParmerYO-98934-12Toward measurement of kinematic viscosity of the blood-analog fluid
    VELP scientifica - ESP stirrer VELP ScientificaF206A0179Magnetic stirrer
    Ohaus Scout Pro SP 601 The Lab DepotSP4001Weigh scale
    RefractometerAtagoPAL-RIToward measurement of refractive index of blood-analog fluid
    Beakers, pipettes, syringes and spatulaSigma-Aldrich CLS710110,  CLS10031L, CLS71015, CLS71011 Z193216Toward handling materials required for blood-analog solution preparation
    Sodium IodideSigma-Aldrich383112-2.5KG Crystalline
    GlycerolSigma-AldrichG5516-1LLiquid
    Deionized Water--Liquid
    Sodium thiosulfate anhydrousSigma-Aldrich72049-250GPowder
    PIV Recording mediumLaVisionImager Intense 10HzPIV Image acquisition CCD camera
    PIV Illumination sourceNew Wave ResearchSolo III-15PIV Laser source, Nd:YAG laser, 532 nm, dual pulse 70 mJ/pulse
    PIV Imaging softwareLaVisionDaVis 7.2PIV data acquisition and instrument control
    PIV Seeding materialThermo-scientific  Flouro-MaxRed 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. 

    Riferimenti

    1. Dean, W. R. Note on the motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 208-223 (1927).
    2. Dean, W. R. The streamline motion of a fluid in a curved pipe. Phil Mag. 7, 673-695 (1928).
    3. Lyne, W. H. Unsteady viscous flow in a curved pipe. J. Fluid. Mech. 45, 13-31 (1970).
    4. Glenn, A. L., Bulusu, K. V., Shu, F., Plesniak, M. W. Secondary flow structures under stent-induced perturbations for cardiovascular flow in a curved artery model. Int. J. Heat Fluid Fl. 35, 76-83 (2012).
    5. Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Secondary flow morphologies due to model stent-induced perturbations in a 180° curved tube during systolic deceleration. Exp. Fluids. 54, 1493 (2013).
    6. Bulusu, K. V., Hussain, S., Plesniak, M. W. Determination of secondary flow morphologies by wavelet analysis in a curved artery model with physiological inflow. Exp. Fluids. 55, 1832 (2014).
    7. Womersley, J. R. Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known. J. Physiol. 127, 553-563 (1955).
    8. Sheriff, J., Bluestein, D., Girdhar, G., Jesty, J. High-shear stress sensitizes platelets to subsequent low-shear conditions. Ann. Biomed. Eng. 38 (4), 1442-1450 (2010).
    9. Popma, J. J., Tiroch, K., Almonacid, A., Cohen, S., Kandzari, D. E., Leon, M. B. A qualitative and quantitative angiographic analysis of stent fracture late following sirolimus-eluting stent implantation. Am. J. Cardiol. 103 (7), 923-929 (2009).
    10. Kim, S. H., et al. A fractured sirolimus-eluting stent with a coronary aneurysm. Ann. Thorac. Surg. 88, 664-665 (2009).
    11. Adlakha, S., et al. Stent fracture in the coronary and peripheral arteries. J. Interv. Cardiol. 23 (4), 411-419 (2010).
    12. Alexopoulos, D., Xanthopoulou, I. Coronary stent fracture: How frequent it is? Does it matter. Hellenic J. Cardiol. 52, 1-5 (2011).
    13. Nair, R. N., Quadros, K. Coronary stent fracture: A review of the literature. Cardiac. Cath. Lab Director. 1, 32-38 (2011).
    14. Jaff, M., Dake, M., Popma, J., Ansel, G., Yoder, T. Standardized evaluation and reporting of stent fractures in clinical trials of noncoronary devices. Catheter Cardiovasc. Interv. 70, 460-462 (2007).
    15. Holdsworth, D., Norley, C. J., Frayne, R., Steinman, D. A., Rutt, B. K. Characterization of common carotid artery blood-flow waveforms in normal human subjects. Physiol. Meas. 20 (3), 219-240 (1999).
    16. Deutsch, S., Tarbell, J. M., Manning, K. B., Rosenberg, G., Fontaine, A. A. Experimental fluid mechanics of pulsatile artificial blood pumps. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 65-86 (2006).
    17. Yousif, M. Y., Holdsworth, D. W., Poepping, T. L. A blood-mimicking fluid for particle image velocimetry with silicone vascular models. Exp. Fluids. 50, 769-774 (2011).
    18. Budwig, R. Refractive index matching methods for liquid flow investigations. Exp. Fluids. 17, 350-355 (1994).
    19. Hunt, J. C. R., Wray, A. A., Moin, P. Eddies, stream, and convergence zones in turbulent flows. Center for Turbulence Research. , (1988).
    20. Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp. Fluids. 29, 275-290 (2000).
    21. Chong, M., Perry, A. E., Cantwell, B. J. A general classification of three-dimensional flow fields. Phys. Fluids A. 2 (5), 765-777 (1990).
    22. Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
    23. Haller, G. An objective definition of a vortex. J. Fluid Mech. 525, 1-26 (2005).
    24. Chakraborty, P., Balachander, S., Adrian, R. J. On the relationships between local vortex identification schemes. J. Fluid Mech. 535, 189-214 (2005).
    25. Wallace, J. M. Twenty years of experimental and direct numerical simulation access to the velocity gradient tensor: What have we learned about turbulence. Phys. Fluids. 21, 021301 (2009).
    26. Farge, M., Guezennec, Y., Ho, C. M., Meneveau, C. Continuous wavelet analysis of coherent structures. Center for Turbulence Research, Proceedings of the Summer Program. , 331-348 (1990).
    27. Himburg, H. A., Friedman, M. H. Correspondence of Low Mean Shear and High Harmonic Content in the Porcine Iliac Arteries. ASME J. Biomedical Eng. 128, 852-856 (2006).
    28. Dai, G., et al. Distinct endothelial phenotypes evoked by arterial waveforms derived from atherosclerosis-susceptible and -resistant regions of human vasculature. PNAS. 101 (41), 14871-14876 (2004).
    29. Hanus, J., Zahora, J. Measurement and comparison of mechanical properties of nitinol stents. Physica Scripta. 118, 264-267 (2005).
    30. Segur, J. B., Oberstar, H. E. Viscosity of glycerol and its aqueous solutions. Ind. Eng. Chem. 43, 2117-2120 (1951).
    31. Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle image velocimetry. , (2011).
    32. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry - A practical guide, 2nd ed. , (2007).
    33. Moisy, F. . PIVmat 3.01 software. , (2013).
    34. Ruppert-Felsot, J. E., Praud, O., Sharon, E., Swinney, H. L. Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment. Physical Review E. 72, 016311 (2005).
    35. Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. Shannon entropy-based wavelet transform methods for autonomous coherent structure identification in fluid flow field data. Entropy. 17 (10), 6617-6642 (2015).

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