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요약

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.

초록

인간의 혈관의 동맥 네트워크는 복잡한 형상 (지점, 곡률과 비틀림)에 보편적으로 존재하는 혈관 구성되어 있습니다. 보조 유동 구조에 의한 원심력, 역 압력 구배 유입 특성의 결합 작용으로 만곡 동맥에 발생하는 선회 흐름 패턴이다. 이러한 흐름 모폴로지 크게 박동 및 생리 학적 유입 조건의 여러 고조파의 영향과 1 흐르는 비 생리적 (정상 및 진동)에 비해 크기 강도 형 특성이 크게 변화된다 - (7).

보조 유동 구조 궁극적 죽상 경화증, 재 협착, 혈소판 감작 및 혈전증 (4)의 진행 방향으로 혈액 유래 입자 벽 전단 응력 및 노출 시간에 영향을 미칠 수 - 6, 8-13 따라서, 실험에 따라 이러한 구조를 검출하고 특성화하는 능력. -controlled 조건은 precurs입니다임상 연구를 촉진합니다.

죽상 동맥 경화증에 대한 일반적인 수술 적 치료는 탁 트인 혈액 흐름에 대한 협착 동맥을 열어 스텐트 시술이다. 그러나 때문에 스텐트 설치에 수반 흐름 교란 멀티 규모의 이차 흐름 모폴로지 (4) 결과 -. 6 이러한 일관성의 비대칭 손실로 점진적으로 더 높은 차수의 복잡성은 마주 교란 흐름 5 세 미만 계속되는 스텐트 장애에 의해 유발 될 수있다. 이러한 스텐트 실패는 실패의 고려 사항 및 임상 적 중증도 (14)에 따라 "유형 I-에-IV"로 분류되고있다.

본 연구는 만곡 동맥 스텐트 모델 횡 골절 및 골절 부의 선형 변위 ( "타입 IV")을 완료하기 때문에 복잡한 보조 유동 구조의 실험 연구를위한 프로토콜을 제공한다. 실험 방법은 입자 화상 속도계의 구현을 포함한다 (도 2C-2전형적인 경동맥 유입 파형 D PIV)는 기술, 굴절률 위상 평균 측정치 (15)에 대한 작동 유체 혈액 아날로그 일치 -. 18 차 유동 구조의 양적 식별이 흐름 물리학의 개념, 중요한 점 이론과 소설을 사용하여 달성되었다 26 - PIV 실험 데이터 5, 6, 19에 적용되는 알고리즘을 웨이블릿 변환.

서문

보조 유동 구조는 만곡 된 파이프 및 채널과 같은 곡률 내부 유동 형상에서 발생하는 선회 흐름 패턴이다. 이러한 선회 구조 인한 원심력, 역 압력 구배 유입 특성의 결합 작용으로 발생한다. . 3 차 유동 모폴로지 크게 박동에 의해 영향 - 일반적으로, 보조 유동 구조 및 진동형 유입 조건에서 대칭 Dean- 및 라인 씨 형 와류가 1 정상 유입 하에서 대칭 딘 형 와류 같은 만곡 관의 평면 단면에 나타나는 타악기의 여러 고조파, 생리 유입 조건. 이러한 구조는 1 유동 비 생리적 (정상 및 진동)에 비해 현저하게 다른 크기 강도 형상 특성을 확보 -. 6 동맥 죽상 경화 병변의 발달 영역에 고주파 전단 진동의 존재에 의해 영향을 낮은 평균 전단 (27) (28)를 경험 . 보조 유동 구조는 질병 예컨대 아테롬성 동맥 경화증 및 가능의 진행에 영향 인해 벽 전단 응력과 혈액 유래 입자의 노출 시간을 변경함으로써 박동성 혈류 내피 반응을 매개 할 수있다.

죽상 경화증에 대한 일반적인 치료는 폐색 병변 동맥 협착에 기인하는 합병증은 스텐트 이식이다. 스텐트 골절은 또한 의료 등의 스텐트 내 재 협착과 같은 합병증 (ISR), 스텐트 혈전증과 동맥류 형성 9로 이어질 이식 된 스텐트의 구조적인 실패입니다 -. 13 스텐트 골절 다양한 실패 "유형 I-에-IV"로 분류되어, 특징 "유형 IV"가 가장 높은 임상 심각도를 특징 및 스텐트 조각 (14)의 선형 ​​변위와 함께 스텐트 스트럿의 전체 횡 골절로 정의된다. 본 연구에서 제시된 프로토콜은 experimenta 설명곡선 동맥 모델의 이상화 된 "타입 IV"스텐트 골절 하류 보조 유동 구조의 시각화 리터 방법.

제안 된 프로토콜은 다음과 같은 네 가지 필수 기능을 가지고 있습니다 :

설계 및 실험실 규모 스텐트 모델 제작 : 스텐트의 기하학적 설명 니티놀 와이어 (29) (니켈 및 티타늄의 합금)을 사용하여 자체 팽창 나선 (스프링 또는 나선) 세트 얽혀 연관 될 수있다. 스텐트와 지주 지름의 길이는 임상 주입 5 중에 발생한 동맥 병변의 길이 규모에 좌우된다. 파라 메트릭 지주 직경의 변화와 권선 (또는 피치)의 상승은 다양한 기하학적 구성의 스텐트에 연결됩니다. 3D 인쇄를 위해 선택된 스텐트 설계 파라미터의 요약은 표 1에 제시되어있다.

혈액 아날로그 작동 유체의 제조는 유사한만곡 동맥 검사부 광학 액세스 속도 비 침습성 측정을 위해 요구된다 : 혈액의 동점도 시험 부의 굴절률. 따라서, 인간의 혈액을 일치하는 이상적인 굴절률 혈관 모델 인덱스 동적 점도와 함께 작동 유체 뉴턴 혈액 모방 16 정확한 혈류 측정을 얻기 위해 사용된다 -. (18) (30)를 본 연구에 사용 된 작동 유체는보고 독일어 등으로. (2006), (부피 기준) 79 % 포화 수성 요오드화 나트륨 (NaI를), 20 % 순수 글리세롤, 1 %의 물 (16)로 구성된 것이다.

두 개의 구성 요소의 2 차원 입자 화상 속도계 (2C-2D PIV)를 사용하여 코 히어 런트 보조 유동 구조의 검출을위한 실험 구성은 : 실험 하류 다양한 평면의 단면 위치에서의 위상 평균 이차 유동 속도 데이터를 수집하도록 설계되었다 STR의 조합aight 및 구현 만곡 스텐트 부분 이상화 된 "타입 IV"스텐트 골절 5, 6, 9, 14. 입자상 속도계 (PIV) 기술을 이용하여 이차 유속 필드의 취득에 관한 프로토콜 단계로 이루어지는 PIV 시스템을 포함 레이저 (광 시트) 소스 초점 흐름 특별한 상호 상관 전하 결합 소자 (CCD 센서 또는 카메라)과 트레이서 입자의 영역을 조명하기위한 광학 장치의 Δt (짧은 시간 간격 내에서 광 시트에 의해 조명 될 32, 31) 표 4를 참조하십시오.

프로토콜의 단계에서는 가정 다음 우선, 2 화면 단일 노출 기록하여 화상을 평가하는 이성, 이차원 (2C-2D) PIV 시스템의 교정, 실험 장치. 둘째, 2C-2D PIV 시스템은 각각의 기록 동안에 획득 개의 영상 프레임 사이의 상호 상관을 수행하여 추적 된 입자의 평균 변위를 계산한다. BRPIV 사양 및 이미지 수집 소프트웨어의 IEF 요약 재료 및 장비 표에 표시됩니다. 셋째, 레이저를 작동하는 데 필요한 모든 안전 예방 조치는 호스트 기관에 의해 제공되는 가이드 라인에 따라 훈련 기관 담당자가 따른다. 저자는 참고 문헌을 제시한다. , 에어로 하이드로 미세 유체 역학 상관 피크 검출 변위 추정 물질 추적 입자의 밀도, 측정 잡음 및 정확도의 구현 기능 및 PIV 기술의 응용에 대한 전체적인 이해를 위해 31, 32. 또한, 레이저 및 카메라가 PIV 데이터 취득 시스템 (도 3a) 및 데이터 처리 소프트웨어에 의해 제어 될 수 있다는 점에 유의하라.

데이터 수집 및 후 처리 히어 런트 검출 구조의 경우 : 2C-2D PIV를 사용하여 위상 차의 평균 유속의 측정은 이하의 프로토콜 정보를 이용하여 생성 하였다. 후 처리 연속 웨이블렛 변환을 상기 데이터의 ING는 다음과 같은 세 가지 방법을 이용하여 간섭 보조 유동 구조 검출을 포함 figure-introduction-3046 5, 6, 19-24, 26.

저자는 속도 구배 텐서 본질적으로하는 3 × 3 행렬을 참고
figure-introduction-3206 .

이 프로토콜 (2C-2D PIV 기술)에서 이차원 실험 측정치를 획득하는 방법을 제시한다. 따라서, 속도 구배 텐서에 대한 모든 실험적인 접근이 방법을 사용하여 달성 할 수 없습니다. 각 화소의 속도 구배 텐서 figure-introduction-3418 PIV 이미지 figure-introduction-3489 2 × 2 행렬이어야한다, figure-introduction-3567 . 는 z 성분 와도quation 6 "SRC ="/ 파일 / ftp_upload / 51288 / 51288eq6.jpg "> 각 픽셀에 대한 / figure-introduction-3713 속도 구배 텐서의 반대 칭 부분을 사용하여 계산된다 figure-introduction-3805 . 그 결과 와도의 2 차원 배열이됩니다 figure-introduction-3891 그는 등고선 플롯으로 시각화 할 수 있습니다. 저자는 강력하게 심판을 제안한다. 소용돌이 발산, 변형율 및 코히 런트 검출 구조의 기술 향상을 향한 속도 구배 텐서에 웅변 토의 실험 액세스 25. 또한 저자들은 참조를 상기 간섭 구조 검출 방법 간의 상호 관계를 탐구하고 제안하지 않는다. 그 주제에 대한 종합 토론 23, 24.

프로토콜의 단계의 초점은 보조 흐름 (와류)의 양적 식별이다 일(또한 일관된 구조라고도 함) ructures. 코 히어 런트 검출 구조 즉 세 가지 방법., figure-introduction-4256 그리고 잔물결이 와도을 변환 figure-introduction-4337 이상화 된 "타입 IV"스텐트 골절 하류 보조 유동 구조의 멀티 - 스케일 멀티 강도 발생의 검출을 향해 속도 필드 데이터에 적용된다.

그만큼 figure-introduction-4521 와도 텐서의 유클리드 놈이 균주 19, 23, 속도 24 국지적 속도 구배 행렬은 대칭 적 (스트레인 비율)과 항 - 대칭 (회전) 부분으로 분해되는 것을 지배하는 경우, 공간 영역으로서 와류를 정의한다. 변형율 행렬의 고유 값 계산된다; figure-introduction-4751 . 변형율의 규범이어서 계산된다; figure-introduction-4835. 소용돌이는 반 대칭 부분에서 계산된다. Enstrophy 또는 z 성분의 소용돌이의 광장, figure-introduction-4958 )를 계산한다. 그만큼 figure-introduction-5036 마지막으로 계산이고; figure-introduction-5113 . 전체 집합의 윤곽 플롯 figure-introduction-5193 의 이소 - 지역으로 figure-introduction-5270 이차 흐름 구조 (19)가 표시됩니다.

그만큼 figure-introduction-5418 또한 '소용돌이 힘 "으로 알려진 로컬 속도 구배 텐서의 중요한 점 분석에 의해 수행되는 와류 식별 방법 및 해당 고유 20-24 . 각 화소의 속도 구배 텐서의 고유치 figure-introduction-5601 계산된다. 고유 값은 형식이어야합니다 figure-introduction-5687 . 의 윤곽 플롯 figure-introduction-5762 의 이소 - 지역으로 figure-introduction-5839 (22) - 이차 흐름 구조 (20)가 표시됩니다.

방법을 웨이블릿 변환하는 것은 물리적 및 스펙트럼 공간에서 부드러움이있는 분석 기능 (또는 웨이브)를 사용, 허용 (또는 제로 평균을 가지고)와 유한이 figure-introduction-6069 5, 6, 26. A는 팽창 된 또는 컨벌루션 저자는 차원 와도 필드 웨이블릿 수축 웨이블릿 변환 와도 figure-introduction-6203 필드 c를 생성한다저울과 장점 (5, 6)의 넓은 범위, 2 차원 웨이블릿 변환 와도 필드 (26). 섀넌 엔트로피와 일관된 구조 omprising 모든 간섭 구조가 적절하게 해결하는 최적의 웨이블렛 스케일을 추정하기 위해 계산된다. 이 엔트로피 추정 확률의 세트를 포함 figure-introduction-6453 각 픽셀에 대한 figure-introduction-6527 되도록 figure-introduction-6596 , 정규화 된 사각형 위치 m의 픽셀과 관련된 와도 계수, n은 5, 6. 절차상의 단계는 그림 6에 그래픽으로 표시됩니다. 웨이블릿의 선택에 배치 제한은 참고 문헌에 자세히 표시됩니다. 26이 프로토콜 단계는 2D Ricker 웨이블릿을 이용하여 코 히어 런트 검출 구조를위한 절차를 설명한다. 이 사용 w에 대한 정당성선회 패턴 매칭을위한 avelet은 참고 문헌에 제시되어있다. 도 5,도 6과 관련 참조 내에 들었다.

프로토콜

1. 디자인 및 스텐트 모델의 제조

참고 : 다음 단계는 직선과 곡선 스텐트의 실험실 규모의 모델을 만들 다음되었다. 두 스텐트 모델의 설치는 "형식 IV"골절 (분할 및 골절 스텐트 부품의 선형 변위)를 구현합니다.

주 : 저자는 스텐트 형상 CAD 모델을 생성하기위한 조사시 프로 / 엔지니어 소프트웨어를 사용 하였다. 아래의 절차를 일반화하고 사용하는 CAD 소프트웨어에 대한 일반적인 용어를 포함하지 않을 수 있습니다. 사용할 수있는 다른 CAD 패키지도 사용될 수있다. 수행 단계는 작성자가 조사시에 사용하고 제조자의 웹 사이트에서 채택 된 CAD 소프트웨어에 적용 가능하다. 저자가 사용하는 쾌속 조형 시스템의 추가 설명은 재료의 목록을 참조하십시오. 스텐트 디자인의 파라 메트릭 방정식과 초기화 값은 따로 표시됩니다1 BLE 그림 1D와 1E는 빠른 프로토 타이핑 후 직선과 곡선 스텐트 모델의 예입니다.

  1. (표 1) 파라 메트릭 방정식을 정의하고 직교 좌표 (XYZ) 좌표 시스템에서 왼쪽과 오른쪽 나선의 매개 변수를 초기화하여 바로 스텐트 형상을 작성합니다.
    1. 식을 사용하여 직선 기준선 또는 z 축에 관한 평면 원형 배열의 열 동등 이격 좌회전 나선의 세트를 생성한다. 1, 2, 3 및 5는 회전 수의 초기화 값을 표 1에 도시
      ( figure-protocol-839 ), 피치, 스텐트 와이어 두께 ( figure-protocol-924 ) 및 스텐트의 호칭 지름 ( figure-protocol-1006 ) (도 1a 및 표 1).
    2. 식을 사용하여 단계를 반복 1.1.1. 1, 2, 4 및 5는 생성 할10 equispaced 왼쪽 나선의 원형 패턴 (그림 1A).
    3. 조합 또는 왼쪽 조립과 오른쪽 공통 축 (그림 1A)에 대한 나선을 돌려 똑바로 스텐트 형상을 생성합니다.
  2. 원통형 (R-β-X) 좌표계 또는 곡선 기준선 (표 1)에 대해 왼쪽과 오른쪽 나선의 매개 변수를 매개 변수 방정식을 정의하고 초기화하여 곡선 스텐트 형상을 작성합니다. 식을 사용하여 이전에 초기화 매개 변수 1.1.2 - 반복 1.1.1 단계를 반복합니다. 1, 2, 6 및 7.
    1. 조합 또는 왼쪽 조립과 오른쪽 공통 축 (R)에 대해 곡선 나선 회전 및 각도를 subtending의 곡선 스텐트 형상을 생성 figure-protocol-1585 원점 (그림 1B)에서.
  3. 직선과 곡선 스텐트 CAD 모델에서 고해상도 스테레오 리소그래피 (STL) 파일을 만듭니다.
    1. 고르다 '내보내기 파일 메뉴 '로부터'> 모델 '. 'STL'옵션을 선택합니다. STL과 파일을 만들려면 'OK'적용 1. 0 설정 '각도 조절'에서 '화음 높이'를 설정합니다. 주 : "각도 조절 '의 값이 작은 반경 표면을 따라 공간 분할의 양을 조절하고, 설정은 0과 1 사이에있을 수있다.
  4. 재료 및 장비 표에 재료를 사용하여도 1c에 도시 한 쾌속 조형 시스템에 스텐트 모델을 제작.
    1. (자료 목록 참조) 3D 프린팅 소프트웨어를 시작합니다. 3 차원-프린터 컴퓨터의 STL 파일을 찾아 원하는 파일을 선택하려면 '삽입'을 클릭합니다. 화면에 가상 플랫폼 ( '트레이')에서 STL 파일의 3D 렌더링을 배치 화면에 마우스를 드래그합니다.
    2. 파일 메뉴 탭에서 'mm'( 'mm'또는 '인치'옵션)와 같은 적절한 단위를 선택합니다. (영업 이익 '매트'와 같은 최종 제품의 품질을 선택합니다TIONS '매트'또는 '광택'). '트레이 설정> 유효성 검사'파일 메뉴에서 탭을 선택합니다.
    3. 다음 단계로 진행하는 '검증이 성공'메시지를 찾습니다. 검증이 1.3에서 실패를 반복 단계 인 경우 - 1.4.2 성공적으로 검증 될 때까지.
    4. 제조에 대한 3 차원 프린터로 파일을 보내려면 파일 메뉴에서 탭 '을 구축> 트레이 설정'을 선택합니다.
      주 : "화음 높이 '의 값은 모델 표면의 공간 분할의 정도를 제어한다. 이 모델의 정확도 및 파일 크기를 자동으로 최소 값으로 대체한다 영향을 미친다. 코드 높이의 작은 값은 파일 크기 트레이드 오프와 실제 부품 형상에서 적은 편차로 연결. 유효성 검사는 부분은 제조 단계에서 연속 및 구조적 기형의 공간이 있는지 확인해야합니다.

2. 운동 학적 점성과 굴절에서 준비덱스 일치 혈액 아날로그 유체

참고 : 다음 절차는 혈액 아날로그 솔루션의 약 600 ml의를 얻을 것입니다. 용액의 제조에 사용되는 중요한 특성을 갖는 화학 시약 및 용매의 개요는 자재 목록에 나타내었다. 관련 재료 특성은 제안 된 실험 장비 및 부피 계산을위한 가이드 라인을 각각 표 2, 3 및 4에 나타내었다.

  1. 나트륨 요오드 (의 NaI)의 포화 용액을 준비합니다.
    1. 2,000 ml의 비이커에 탈 H 2 O의 500 ml에 따르십시오. 자석 교반기 비커를 놓습니다.
    2. 제로화 무게 균형에의 NaI의 ≈860 g을 측정하고 교반 현재의 첨가가 완전히 다음을 추가하기 전에 용해를 기다리는 동안 비이커에 100g 단위를 추가합니다. 탈 H의 포화 과정부터 2의 NaI와 O가 exot 약간이며, 각 추가 온도를 기록hermic. 냉장 용액 필요한 RT에서 그것을 유지하는 (≈ 25 ° C).
    3. 용액이 포화 될 때까지, 20g까지 작은 나이 증가 (≈5-10 g)를 추가합니다. 각 추가의 질량과 온도를 기록한다. 완료되면 자석 교반기에서 포화 나이 용액을 비커를 제거합니다.
  2. (포화 나이 용액의 농도를 측정 figure-protocol-3586 ).
    1. 기포가 없는지 확인하고, 주사기 (또는 부피 피펫)를 사용하여 제로 규모에 50 ㎖ 비이커에 2.1 단계에서 포화 나이 용액 10 ML을 추가합니다. 기록의 질량과 부피는 덧붙였다.
    2. 식을 사용하여 각 추가의 밀도를 계산합니다. (8) (표 3 참조). 이 단계에 대한 4 ~ 5 번 반복합니다. 기록 밀도를 평균. 2.1 단계에서 제조 된 포화 나이 솔루션의 배치에 대한 해결책을 돌려줍니다.
  3. 혈액 모방 액의 전량을 추정한다. < 올>
  4. (단계 2.1에서 제조 된 포화 나이 용액의 질량을 측정하고, 부피를 계산 figure-protocol-4007 ) 식을 사용. 제 예상 혈액 모방 용액의 전량 ( figure-protocol-4101 ) 및 글리세롤의 부분 볼륨 ( figure-protocol-4184 ) 및 탈 이온수 ( figure-protocol-4261 ) 식 다음에 추가합니다. 10, 11 및 12 (표 3 참조).
  • 혈액 아날로그 솔루션을 준비합니다.
    1. 균질화 자기 교반기에서 혼합을 통해 (부피 기준) 79 % 포화 용액 나이, 20 % 글리세롤, 1 %의 탈 이온수를 포함하는 혈액 아날로그 용액을 제조 하였다.
    2. (자석 교반기 포화 나이 용액을 비커를 놓고 작은 단위로 글리세롤을 추가88 / 51288eq38.jpg "/>), 글리세롤의 전체 부피까지 (또는 졸업 또는 메스 피펫)을 주사기를 사용하여 ( figure-protocol-4639 ) 단계 2.3에서 계산이 추가됩니다. 각각 figure-protocol-4729 반복 첨가 양을 기록하고, 용액이 글리세롤의 다음 증분을 추가하기 전에 시각적으로 균질화 될 때까지 기다린다.
    3. 나이 포화 용액 및 글리세롤을 완전히 균질화 한 후, 추가 figure-protocol-4899 주사기를 사용하여 (또는 졸업 또는 부피 피펫). 혈액 아날로그 솔루션이 눈에 띄게 균질화 될 때까지 자석 교반기에서 교반을 계속합니다.
  • 표준 환경 온도와 압력 (25 ℃, 1 기압)에서 혈액 아날로그 유체 특성화.
    1. 표준 우 벨로 데 점도계 또는 이에 상응하는 측정 기기를 사용하여 동점도 (ν)를 측정한다.동점도는 졸업 또는 메스 피펫을 사용하여 글리세롤의 작은 측정 량을 첨가하여 조정할 수있다.
    2. 굴절계를 이용하여 굴절률 (N)을 측정한다. 굴절률 주걱을 사용하여 티오 황산나트륨 무수물의 수량 분을 첨가하여 조정할 수있다.
      주 : 저자는, 동점도보고 ν = 3.55 cSt 인 (3.55 × 10 -6 2.8 % ± m 2 초 -1) 및 혈액 아날로그 유체의 굴절률 N = 1.45 (3.4 ± %) 5,6.

    • 3. "유형 IV"스텐트 실패의 다운 스트림 보조 흐름 속도 필드의 측정을위한 실험을 정렬

    참고 :도 1F에 도시 된 바와 같이 180 ° 만곡 동맥 시험 부 180 ° 만곡 채널이 입구 및 출구 파이프와, 각 블록에 공급 가공 붙어 두 아크릴계 블록으로 구성되어,도 3a 및 (b). 시험 부에 대해 선택한 재료는 광 접근성을 갖도록 보장된다. 저자 ≈1.4914 5, 6 (표 2 참조)로 시험 부에 사용 된 재료의 굴절률을보고한다.

    1. 스텐트와 조각난 부분의 선형 변위의 전체 횡 골절을 수반, 이상적인 타입 IV 골절 시나리오를 구현하기 위해 아크릴로 만든 곡선 동맥 시험 부에서 1 단계에서 제조 된 스텐트를 설치합니다 (그림 1 층, 3A 및 참조 3B).
      1. 곡선 동맥 시험 부 상류의 직선 스텐트 (그림 1 층 및 3b 참조) 놓습니다. 직선과 곡선 스텐트 사이의 간격은 '3 회'튜브 (D 관 = 12.7 mm)의 직경을되도록하려면 (곡선 튜브 입구에서 일단 곡률 내부의 45 ° 곡선 스텐트를 배치 그림 2B).
    2. 일을 조립광학 테이블 (도 3a)의 실험 장치 (도 2)의 개략도에 나타낸 바와 같이 180 ° 만곡 동맥 시험 부 입구 및 출구로 직진 아크릴 파이프를 연결하여 전자 실험 장치.

    보조 흐름 속도 필드 4. 획득

    참고 : 프로토콜의 다음 설명은 입자 이미지 속도계 (PIV) 기술을 사용하여 보조 유속 필드의 취득에 관한 그림 3B (개략도)이이 4 곳 (45 °, 90 °, 135 °, 180 °)를 보여줍니다. 각 노치 레이저 시트 투영 평면 및 단면 이차 유속을 촉진한다. 프로토콜 단계는 90 ° 위치 취득한 측정에 관련된. 레이저 시트를 45 °의 위치에 배치되어있는 경우, 카메라는 보조 유동 광 액세스를 얻기 위해 135 °의 위치에 배치되는 저45 ° 위치에서 asurements.

    다음 절차는 일반화 이미지 획득 및 사후 프로세싱 소프트웨어 및 사용 기기 제어 소프트웨어 일반적인 용어를 포함하지 않을 수있다 (자재 목록 참조) 참고. 사용할 수있는 다른 이미지 데이터 수집 패키지는 프로토콜에 사용될 수있다.

    1. 레이저 파워 소스에있는 ON / OFF 스위치를 사용하여 레이저를 켜고. 레이저 시트를 시각화 작은 종이 조각을 밝히는. 레이저 소스에있는 광학 초점 레이저 시트를 돌려, 시각 (약 2mm까지) 레이저 판 두께를 조정한다.
    2. 시트 광학 테이블에 수직이되도록 90 ° 측정 영역을 따라 레이저 시트를 배치했다. 레이저 시트에 의해 조명 단면도 광 액세스하는 0 ° 또는 180 ° 위치 주변 카메라를 놓는다.
    3. 조정하기 위해 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어를 사용하여 레이저와 카메라를 맞 춥니 다카메라의 시야가 충분히 만곡 동맥의 원형 단면의 화상을 캡처하는 (도 3a 참조), 입자의 왜곡을 감소시킨다. 시야의 소프트웨어에서 생성 된 이미지를 검사하여 '시행 착오'에 의해 정렬을 수행합니다. 레이저 전원에있는 컨트롤 스위치를 사용하여 레이저를 끄고 카메라가 제거 렌즈 커버로 설정되어 있는지 확인합니다.
    4. PIV 데이터 취득 컴퓨터에서 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어를 시작하고 '전문 사용자로 로그인합니다. 는 '프로젝트 이름'을 지정, 파일 메뉴에서 새 프로젝트를 만들고 '프로젝트의 유형'에서 'PIV'옵션을 선택합니다. 새로운 PIV 기록 세션을 초기화 파일 메뉴에서 '새'를 선택합니다. 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어에 대한 '설정'섹션에서 '장치'를 선택합니다.
    5. 화면에 '녹화'대화 상자로 이동'카메라 1'확인란을 활성화하고 '단일 프레임 (T1A)'옵션을 선택합니다. 선택 레이저 '라디오 버튼'는 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어 설정에서 ON으로 설정합니다. 'EXT'레이저 전원에 위치한 '고성능'스위치를 눌러 레이저 파워 소스에 외부 전원 모드를 활성화.
    6. 컴퓨터 화면에 관찰하는 PIV 이미지를 획득 시작하는 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어를 '잡아'를 선택합니다. 광학 테이블에 약간의 수동 조정 카메라를 이동하고, 현장의 뷰를 극대화 흔들림과 이미지 왜곡을 줄이기 위해 카메라의 위치를​​ 최적화하는 데 초점을 조정합니다.
    7. 선택 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어 설정에 '중지'라디오 버튼 PIV 데이터를 취득 중단하고 더 이상 카메라를 조정하지 않습니다. 정렬 과정은이 단계에서 완료된다.
      주의 :이 단계에서 레이저 펄스를 화상에 의해 제어된다획득 및 사후 프로세싱 소프트웨어 및 상기 소프트웨어 설정에 펄싱 주파수 또는 '노출'을 변화시킴으로써 제어 할 수있다. 이 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어에 의해 제어되기 때문에 레이저가 자동으로 중단됩니다. 현재 프로젝트는 다음 단계에서 PIV 데이터를 수집하는 데 사용됩니다로하지 가까운 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어를 수행합니다.
    8. 위상 - 방향 PIV 데이터 이중 펄스 레이저와 카메라와 동기화 펌프 장비 제어 시스템에서 시간 트리거 펄스를 사용하여 생성되도록 아래 단계에 따라 2C-2D PIV 시스템을 이용한 이차 유동장의 이미지를 획득.
      주 : 프로그램 가능한 펌프는 펌프기구 제어 컴퓨터에 접속되고, 기기 제어 소프트웨어 프로그램에 의해 제어된다. 수행 단계는 화상 취득을 이용한 PIV 컴퓨터 소프트웨어 제어 모듈 설정에 관련된 처리를 게시 기기 제어 컴퓨터 우릴 펌프인스트루먼트 컨트롤 소프트웨어를 보내고.
      1. 펌프에있는 ON / OFF 스위치를 사용하여 프로그램 펌프의 전원을 켭니다. 펌프 장비 제어 컴퓨터 장비 제어 프로그램을 실행합니다.
      2. (t / T = 0), 즉 생리적 Womersley 번호를 유지 인스트루먼트 컨트롤 소프트웨어에 속도 파형 흐름 생리 (경동맥)을 나타내는 참조 트리거와 전압 - 시간 파형의 값이 텍스트 파일을로드 figure-protocol-8988 그리고, 최대 레이놀즈 figure-protocol-9066 딘 figure-protocol-9133 숫자 (그림 4A).
      3. 1 (볼트)에 '진폭'을 설정, 1000 0 (볼트)로, '시간 단계의 수를'DC 오프셋 '과 기기 제어 소프트웨어 인터페이스 화면에 4 시간 (초)에'시간 '.
      4. 확인이 외부 포웨4.5 단계에서 레이저 파워 소스에 R 모드는 여전히 작동된다. 필요한 경우를 눌러 'EXT'와 '고성능'는, 레이저 전원에있는 스위치.
      5. 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어의 '설정'섹션에서 '새 기록'을 클릭 한 후 '장치'를 선택합니다. '카메라 1'활성화, 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어 (PIV 컴퓨터)의 '기록'대화 상자로 이동 확인란을 선택하고 '(T1A + T1B)을 두 번 프레임'을 선택 레이저를 설정하는 옵션은 듀얼 펄스에 발사 방법.
      6. 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어의 '기록'대화 상자에서 '타이밍'옵션을 선택, '트리거 소스'를 선택하고 펌프 기기 제어 모듈에서 트리거 신호와 동기화 할 '외부 순환 트리거'로 설정합니다. s의 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어의 '설정'섹션에서 'Aquisit'를 선택타트 PIV 수집을 설정.
      7. 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어의 '촬영 순서'대화 상자로 이동합니다. 소프트웨어 인터페이스에서 제공하는 해당 탭을 사용하여 '녹화 순서'아래 '표 스캔'하위 카테고리를 추가합니다. 테이블이 0 밀리 초에서 시작하여 40 밀리 초 간격으로 4,000 밀리 세컨드로 끝나는 '편집 테이블 스캔', '추가] 스캔'입력 시간 값을 사용하여 만든 웁니다. 테이블마다 항목에 해당하는 입력의 Δt 값. 모든 값을 입력 한 후 Enter 키를 눌러 키보드 '입력'.
      8. 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어의 '촬영 순서'대화 상자로 이동합니다. 단계 4.8.7에서 만든 '테이블 스캔'에서 '이미지 인식'하위 카테고리를 추가합니다. 200에 '매수'를 설정 '기록하면서보기 이미지'의 체크 박스를 활성화하고 '즉시 시작'을 선택합니다.
      9. 실리코네티컷 '설정'섹션에서 '장치'및 레이저 적절한 전원 설정을 'ON'으로 설정되어 있는지 확인합니다. 확인 '레이저 제어'로 이동합니다. PIV 시스템은 이제 데이터를 수집 할 준비가되어 있습니다.
      10. 매 4 초 트리거 펄스와 함께 단계 4.8.2-4.8.3에서 제공되는 입력을 사용하여 실험에 유체를 공급하는 펌프 장비 제어 컴퓨터에서 기기 제어 소프트웨어 인터페이스의 'RUN'라디오 버튼을 선택합니다.
      11. 설정 때마다 인스턴스에서 (달성하기 위해 적절한 (200), 통계 통합 5, 6, 31, 32)를 평면 속도 필드의 소정의 수까지 펌프 장비 제어에서 트리거 신호를 사용하여 위상 현명한 측정을 획득하기위한 '녹음 시작'을 선택 테이블 스캔에 90 ° 위치한다 (단계 4.8.7 참조​​).
      12. 일단 기록 레이저 파워 소스 눌러 '정지'이루어진다. 펌프와 카메라의 전원을 끄고 카메라 렌즈 공동 배치버전. 펌프 장비 제어 컴퓨터에서 기기 제어 소프트웨어 인터페이스에 '중지'라디오 버튼을 선택합니다.
      13. 시각적으로 모든 장치의 전원이 꺼져있다거나 적절한 중 대기에 남아있을 수 있도록 필요한 경우, 누출 된 액체를 누출의 수준을 게이지 수집하는 실험 장치를 검사합니다. 화상 획득 및 사후 프로세싱 소프트웨어가 기록 세션을 닫는다.

    5. 코 히어 런트 보조 흐름 구조를 감지

    참고 : 가져 오기, 후 처리 및 PIV 시스템 5, 6, 33에서 2 요소 벡터 필드를 분석하기 위해 이미지 수집 및 후 처리 소프트웨어와 명령 줄 함수 세트 (MATLAB 기반의 도구 상자, PIVMat 3.01)를 사용합니다.

    1. 내부 유동 형상 즉, 원형의 평면 단면적을 포괄하는 마스크를 생성한다.
      1. 이제 각각 획득 PIV 데이터를 가지고, 단계 4.4에서 만든 프로젝트를 선택단계 4.8.7에서 지정된 시간의 인스턴스입니다. 또한, 전체 데이터 PIV 앙상블을 포함하는 대화 상자에서 데이터를 선택한다.
      2. "- 마스크를 만드는 기업 코드 파일의"의 지침을 따르십시오.
    2. 일부 PIV 데이터 세트는 기본적으로 선택되어있는 동안, 프로젝트 창에서 파일 메뉴에서 '일괄'아이콘을 선택하여 사후 처리 루틴을 만듭니다. 다음 단계에서 언급 한 바와 같이이 나타날 것 '작업 목록'이있는 대화 상자가 같은 순서로 채워 져야한다.
      1. "- 후 처리 루틴을 만드는 기업 코드 파일의"의 지침을 따르십시오.
    3. 계산 상 평균과 RMS 이차 유동 속도, 와도 필드.
      1. 그룹 '통계'에서하고 대화 상자에서 '매개 변수'클릭 '벡터 필드 결과를 벡터 통계'작업을 선택합니다. '평균 V'와 'RMS V'체크 박스 싶게 활성화'벡터 필드'섹션을 어. 조작 '부패-Z의 Eyx -에서 비교하면'선택 그룹을 '스칼라 필드를 추출 : 회전 및 전단은'평면 단면의 두 차원 와도을 결정.
    4. 전체 PIV 데이터를 처리 포스트 시작 단계 5.3 및 5.4에서 만든 작업에 속도, RMS 속도, 소용돌이와 소용돌이 강도의 위상 평균 수량을 생성합니다.
      1. 언더 '모두 추가'를 선택, 프로젝트 창에서 모든 PIV 데이터에 '하이퍼 루프> 모든 세트', 선택 옵션 '을 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고'사용 가능한 설정 : '섹션은 전체 PIV 데이터 앙상블이 선택되어 있는지 확인합니다.
      2. 언더 풀다운 메뉴에서 '매개 변수'를 선택 '필터'섹션을. 언더 선택 '일괄 처리'옵션 '작업'섹션을 참조하십시오. 클릭 PIV 데이터의 '하이퍼 루프'후 처리를 시작하는 '실행'.
    5. 계산 소용돌이힘 figure-protocol-12664 ) 필드는 이미지 획득 및 사후 프로세싱 소프트웨어를 사용하여 보조 유동 구조를 검출한다. 군에서 '힘을 소용돌이'작업 선택 '스칼라 필드를 추출 : 회전 및 전단'.
      1. 반복 '하이퍼 루프'사후 처리를 실행 5.4.1-5.4.2 단계를 반복합니다.
    6. 하여 일관된 구조를 감지 figure-protocol-12934 연속 웨이블릿 와도 필드 변환 figure-protocol-13016 사용자 정의 MATLAB 함수를 작성하고 PIVmat 3.01 기반 MATLAB 함수를 사용하여 (- 예제 코드에 대한 "MATLAB 코드를 보충 코드 파일"을 참조하십시오).
      1. 스케일 인자를 초기화하여 2D Ricker 웨이블릿을 나타내는 다음 식에 데이터의 2 차원 배열을 생성 figure-protocol-13247 식에. 임의의 값을 13 ( "- MATLAB 코드를 보충 코드 파일"을 참조하십시오).
        figure-protocol-13368
      2. 두 차원 컨볼 루션 또는 소용돌이의 푸리에 곱셈을 수행 figure-protocol-13473 2D Ricker 잔물결 기능 (식. 13)와 단계 5.4에서 데이터는 웨이블릿 변환 와도 필드를 생성하는 figure-protocol-13613 초기화 스케일 팩터에서 figure-protocol-13691 . ( "- MATLAB 코드 보충 코드 파일"을 참조하십시오).
      3. 섀넌의 엔트로피를 계산 figure-protocol-13816 웨이블릿 변환 와도 필드의 figure-protocol-13896 식으로 표현. (14) ( "보충 코드 파일 - MATLAB 코드"를 참조하십시오).
        figure-protocol-14015
      4. 에 대한 스케일 팩터를 변경 figure-protocol-14110 상기 2D Ricker 웨이블릿 (식. 13)을 나타내는 데이터의 새로운 2 차원 배열을 생성한다 (도 6 참조).
      5. (스케일 인자의 큰 범위에 대해, 5.6.4 - 반복 5.6.1 단계 figure-protocol-14306 그림 6의 피드백 루프를 참조하십시오.
      6. 섀넌 엔트로피의 플롯 만들기 figure-protocol-14436 웨이블릿 스케일 팩터 대 figure-protocol-14515 단계 5.6.5에서 (도 6 참조). 최적의 잔물결 규모를 찾습니다 figure-protocol-14635 일반적 섀넌 엔트로피 로컬 최소값에 대응 figure-protocol-14723 . 최적의 잔물결 규모의 단계를 반복 5.6.4 (자체그림 6의 잔물결 규모 플롯 대 전자 섀넌 엔트로피).
      7. 웨이블릿 변환 와도의 윤곽 플롯 만들기 figure-protocol-14898 섀넌 엔트로피 최적 값에 대응하는 웨이블렛 스케일 팩터에 figure-protocol-14995 .

    결과

    도 7A-D에 제시된 결과 (참조 :도 5, 6)도 3a에 도시 2C-2D PIV 시스템으로부터 취득한 후 처리 이차 유속 데이터 후에 발생 하였다. 이상화 된 "타입 IV"스텐트 골절 만곡 동맥 시험 부에 공급되는 유입 상태는도 4b에 도시 된 경동맥 파형이다. 우리의 이전 연구 Womersley 번호의 특정 범위 내에 유입 맥동 파형?...

    토론

    이 논문에 제시된 프로토콜은 입자 영상 속도계 기술 (PIV)과 일관된 구조 검출 방법, 즉., 연속 웨이블릿 변환을 사용하여 고 충실도 실험 데이터의 취득을 설명합니다 figure-discussion-121 , 소용돌이 및 전단 지배 흐름의 식별에 적합합니다. 이상화 "유형 IV"골절의 존재 생리 유입에서 실험 데이터의 분석 밝혀 그 단순한 유체 다이내믹 이론에...

    공개

    관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

    감사의 말

    저자는 생체 모방 공학 및 Bioinspired 공학에 대한 GW 센터 (코 브레)에서 NSF 부여 CBET-0909678 및 자금 지원을 인정합니다. 우리의 지원을위한 실험실 씨 마티유 Barraja에 도움 씨 크리스토퍼 Popma 씨 리앤 Penna 씨 섀넌 칼라 씨 Shadman 후세인 씨 모하메드 R. Najjari 및 양 제시카 Hinke을 학생들에게 감사 CAD 도면.

    자료

    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. 

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