대동맥 팬텀을 통한 혈역학의 입자 이미지 Velocimetry 조사

요약

본 프로토콜은 경피적 대동맥 판막(TAV)의 시험관내 셋업을 통한 부비동 유동을 조사하기 위해 수행된 입자 이미지 속도측정법(PIV) 측정을 기술한다. 속도에 기초한 혈역학적 파라미터도 결정된다.

초록

대동맥 판막 기능 장애 및 뇌졸중은 최근 경피적 대동맥 판막 이식 (TAVI) 환자에서보고되었습니다. 혈역학적 변화로 인한 대동맥 부비동과 네오부비동의 혈전이 의심되고 있다. 시험관 내 실험은 생체내 평가가 제한적인 것으로 입증되는 경우에 혈역학적 특성을 조사하는 데 도움이 된다. 시험관내 실험도 더욱 견고하며, 가변 파라미터가 쉽게 제어된다. 입자 이미지 속도측정법(PIV)은 시험관내 연구를 위한 널리 사용되는 속도측정법입니다. 고분해능 속도 필드를 제공하므로 소규모 흐름 특징도 관찰됩니다. 이 연구의 목적은 PIV가 TAVI 후 대동맥 부비동의 유동장을 조사하는 데 어떻게 사용되는지를 보여주는 것입니다. 대동맥 팬텀의 시험관내 설정, PIV용 TAVI, 및 데이터 수집 과정 및 후처리 흐름 분석이 설명된다. 혈역학적 파라미터는 속도, 유동 정지, 소용돌이, 소용돌이 및 입자 거주지를 포함하여 유도된다. 결과는 시험관내 실험 및 PIV가 대동맥 부비동의 혈류역학적 특징을 조사하는 데 도움이 된다는 것을 확인한다.

서문

대동맥 협착증은 노인에게 흔한 질병이며, 대동맥 판막이 열리지 않아 혈류가 감소합니다. 이 문제는 대동맥 판막⁽¹)의 증점 또는 석회화로 인해 발생합니다. 따라서 혈류를 향상시키고 심장의 부하를 줄이는 것이 필요한 치료법입니다. 대동맥 판막을 리모델링하거나 인공 밸브로 대체하여 처리됩니다. 이 연구는 경피적 대동맥판막 이식(TAVI)에 초점을 맞추고, 오작동하는 대동맥판막을 카테터를 사용하여 인공 판막으로 대체합니다.

TAVI는 수술로 어려움을 겪고있는 환자에게 권장되었으며 사망률도 낮습니다². 최근에, TAVI 이후 환자에서 혈전이 판막 기능 장애 및 뇌졸중 ^3,4를 일으킨다는 것이 보고되었다. 대동맥 부비동과 신 부비동의 혈전이 의심되며, 그 원인은 아마도 TAVI에 의한 혈역학의 변화 일 것입니다. 그것은 토착 전단지를 제거하지 않고 수행됩니다. 이 전단지는 부비동 흐름을 방해하고 혈전증의 위험을 높일 수 있습니다⁵.

혈류가 TAVI에 의해 어떻게 영향을 받는지, 그리고 혈전증이 환자에서 어떻게 유도되는지를 결정하는 것은 어렵습니다. 생체 내에서 혈류와 혈전 형성 사이의 관계를 밝히는 것이 바람직하다. 그러나 혈류를 측정하기위한 실용적인 기술이 부족하여이 문제가 발생합니다. 한편, 시험관내 기술은 조사되어야 하는 파라미터를 제한함으로써 혈류의 변화를 모니터링할 수 있게 하는 장점이 있다. 시험관내 셋업 및 입자 이미지 속도측정법(PIV)은 의료 분야^6,7,8에서 속도를 식별하는데 사용되어 왔다. 따라서, 시험관내 및 PIV는 환자의 상태, 즉 심박수 및 압력, 점도 및 부비동 기하학적 구조를 모방하여 보고될 파라미터를 결정하고 이들 파라미터를 제어할 수 있도록 하기에 충분하다.

본 연구에서, 시험관내 셋업 및 PIV는 TAVI 후 대동맥 부비동에서의 유동을 조사하기 위해 사용된다. PIV 및 데이터 수집 프로세스 및 후처리 흐름 분석을 위한 대동맥 팬텀 및 TAVI가 이 프로토콜에 설명되어 있습니다. 속도, 정체, 소용돌이, 와류성 및 입자 거주지를 포함하는 다양한 혈역학적 파라미터가 도출된다. 결과는 시험관내 설정 및 PIV가 대동맥 부비동의 혈역학적 특징을 조사하는 데 도움이 된다는 것을 입증한다.

프로토콜

1. 시험관내 설정

1. 피스톤 펌프, 데이터 수집 장치(DAQ) 및 필요한 시스템 엔지니어링 소프트웨어 및 모터 제어 소프트웨어가 있는 컴퓨터( 자료 표 참조)를 포함한 광학 테이블에서 실험 설정을 준비합니다(그림 1).
   참고: 피스톤 펌프는 이전에 테스트 및 교정되었으며 모터, 모터 구동기 및 리니어 액추에이터⁹로 구성됩니다.
2. 유량 정보가 포함된 스프레드시트 파일을 시스템 엔지니어링 소프트웨어로 가져옵니다.
   참고: 예를 들어, 심박수는 60bpm, 최대 유량은 20L/min, 심장 출력은 4.8L/min, 뇌졸중 부피는 70mL입니다.
3. DAQ 입력 및 출력 채널과 같은 시스템 엔지니어링 소프트웨어에서 매개변수를 설정합니다. 샘플 클럭은 1,000이고 피드백 반복은 10입니다.
4. 모터 제어 소프트웨어에서 매개 변수를 설정하십시오. 리드 스크류 길이는 10mm, 아날로그 입력 및 출력은 14.5mm / 전압입니다.
5. 체크밸브와 저항밸브를 저장조⁽¹⁰)에 설치한다.
   주: 체크 밸브는 피스톤 펌프에 시스템의 입구로 연결되고, 볼 밸브는 시스템의 출구로 아크릴 부비동 모델에 연결됩니다.
6. 아크릴 부비동 모델(그림 2)을 사각형 알루미늄 막대로 광학 테이블에 고정합니다.
   참고: 아크릴 부비동 모델의 치수는 표 1에 제시되어 있습니다.
7. 다른 컴퓨터에서 압력 신호를 수신하기 위해 아크릴 부비동 모델의 압력 탭에 압력 게이지 (~ 0-15 psi)를 설치하십시오.
   참고: 압력 탭은 시노튜브형 접합부(STJ)에서 140mm 떨어져 있습니다.
8. 식염수와 글리세린 ( 재료 표 참조)을 60:40의 질량비로 혼합하여 작동 유체를 준비하십시오.
   참고: 점도계와 굴절계를 사용하여 작동 유체의 점도와 굴절률을 측정했습니다. 점도는 ~ 4 cp, 굴절률은 1.45, 밀도는 1,100 kg /^m3입니다.
9. 저수지, 피스톤 펌프 및 아크릴 부비동 모델을 실리콘 호스와 연결합니다( 재료 표 참조).
10. 경피적 대동맥 판막(TAV)( 재료 표 참조)을 실(¹¹)이 있는 3D 프린터로 만든 기본 리플릿에 묶습니다.
11. 네이티브 리플릿의 고정 TAV를 아크릴 부비동 모델과 결합하십시오.
    참고: 여기에 사용된 TAV(상업적으로 획득)는 직경이 23mm 및 26mm이고 높이는 각각 18mm 및 20mm이며^12mm입니다. TAV (23 mm)의 경우, 전개 깊이 및 토착 전단지 길이는 1.8 mm 및 9 mm이고, TAV (26 mm)의 경우 각각 2.0 mm 및 10 mm이다. 토종 전단지의 내경은 환자의 환형 크기를 고려하여 21mm였습니다.
    주의: TAV는 식염수에 보존되지 않으면 건조됩니다. 그것은 토착 전단지에 묶인 후에도 액체에 보관됩니다.
12. 작동 유체를 시험관내 시스템에 채운다(단계 1.8).
    주의. 아크릴 부비동 모델에 거품을 만드는 것은 PIV 결과에 영향을 미치기 때문에 피하십시오.

2. PIV 설정

1. 다른 광학 테이블과 한 축 레일에서 레이저를 찾습니다.
   참고: 레이저는 연속 Nd: YAG 레이저로 파장 532nm의 빛을 방출하고 전력이 10W까지 증가할 수 있습니다( 재료 표 참조). 광학을 통과 한 레이저 시트는 아크릴 부비동 모델로부터 1m 거리를 갖는다.
2. 2축 트래버스에서 고속 카메라를 찾아 횡단을 이동합니다.
   주의: 고속 카메라는 레이저 시트 및 아크릴 부비동 모델에 수직입니다.
3. 렌즈를 고속 카메라에 장착합니다.
   참고: 고속 카메라에 장착된 매크로 렌즈의 초점 거리는 105mm이고 조리개는 f/2.8입니다.
4. 저장고에 있는 종자 입자( 물자의 표 참조).
   참고: 입자는 평균 직경이 10μm이고 밀도가 1,090kg/^m3인 중공 유리 구체입니다. 저수지는 직사각형 모양을 가지고 있으며, 내부의 폭, 길이 및 높이는 각각 23cm, 23cm, 35cm입니다. 윗부분에 고정하기위한 구멍이 있습니다. 뚜껑에는 또한 고정을위한 구멍과 압력을 가하기 위해 전구 펌프를 설치하기위한 볼트 탭이있었습니다.
5. 오픈 소스 전자 프로토 타입 플랫폼 인 Arduino를 사용하여 외부 트리거 를 프로그래밍하십시오 (자료 표 참조).
   참고: 피스톤 펌프가 미리 정해진 거리를 이동하면 아두 이노의 출력이 1이되어 촬영 할 트리거로 고속 카메라로 전송됩니다.
6. 카메라 제어 소프트웨어를 실행하고( 자료 표 참조), 현재 세션 참조(CSR)를 클릭한 다음 렌즈 캡을 분리합니다.
7. 레이저를 켜고 7W로 설정한 다음 레이저 시트를 TAV의 중앙에 놓습니다.
8. 스냅 샷을 찍고 입자 밀도와 직경을 확인하십시오.
   참고: 오류를 줄이려면 최대 8-10개의 입자가 심문 창에 있고 입경이 2-4픽셀^{인 경우 13}개의 입자가 있는지 확인하십시오.
9. 카메라 제어 소프트웨어에서 랜덤 프레임 속도에 따라 해상도(1280 x 720), 랜덤 프레임 속도, 노출 시간 등의 파라미터를 최대로 설정한다.
10. 처음에 모터 제어 소프트웨어에서 활성화 버튼을 클릭하고 시스템 엔지니어링 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 피스톤 펌프를 작동시킵니다.
11. 사진을 찍고 최대 입자 거리가 4-6 픽셀 미만인지 확인하십시오.
    참고: 이 연구는 속도 벡터 사이에 16픽셀을 설정하는 심문 창의 50%에 해당합니다. 심문 창에서 파티클의 최대 거리는 8픽셀로 제한됩니다.
12. 2.11단계를 반복하여 6픽셀보다 큰 경우 초당 프레임(fps)을 조정하고 4픽셀 미만인 경우 fps를 낮춰 해당 범위 내에서 최대 파티클 거리를 보장합니다.

3. 혈역학의 조사

1. 아크릴 부비동 모델의 연결 부분에서 누출이 있는지 또는 실리콘 호스가 접히는지 확인하십시오.
2. 시스템 엔지니어링 소프트웨어에 유량 및 bpm 정보를 저장한 Excel 파일을 가져옵니다.
   참고: 예를 들어 심박수는 60bpm, 최대 유량은 20L/min, 심장 출력은 4.8L/min, 뇌졸중 볼륨은 70mL입니다(그림 3A).
3. DAQ 장치 입출력 채널과 같은 시스템 엔지니어링 소프트웨어 매개변수를 확인합니다. 샘플 클럭은 1,000이고 피드백 반복은 10입니다.
4. 모터 제어 소프트웨어 매개변수(예: 리드 스크류 길이가 10mm, 아날로그 입력 및 출력이 14.5mm/전압)를 확인합니다.
5. 고속 카메라를 켜고 카메라 제어 소프트웨어를 실행합니다.
6. CSR을 클릭하고 렌즈 캡을 제거합니다.
7. 카메라 제어 소프트웨어 파라미터들, 예를 들어, 1280 x 720의 해상도, 300fps의 프레임 속도, 200μs 및 150μs의 버스트 기간, 3의 버스트 카운트 및 노출(버스트 기간에 의해 강제됨)을 설정한다.
8. 레이저를 켜고 7W로 설정한 다음 TAV 중앙에 레이저 시트를 찾습니다. 렌즈를 제어하여 레이저 시트에 초점을 맞춥니다.
9. 저수지에 압력을 조정하십시오.
   참고: 피스톤 펌프를 작동시키는 동안 평균 사후 판막 압력은 100mmHg입니다(그림 3B,C).
10. 처음에는 모터 제어 소프트웨어에서 활성화 버튼을 클릭하고 시스템 엔지니어링 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 피스톤 펌프를 작동시킵니다.
11. 유량이 안정화 될 때까지 기다리십시오.
    참고: 유량은 피스톤 펌프의 신호를 기반으로 차이를 계산하고 부정적인 피드백을 실행하므로 안정화될 때까지 기다리는 데 시간이 걸립니다.
12. Arduino 직렬 플로터에서 작동하는 트리거를 확인합니다.
13. 연속 14 사이클 동안 파티클 이미지를 캡처하고 총 일곱 번 반복하십시오.
    참고: 고속 카메라의 저장 용량은 해상도 및 파티클 이미지 수와 관련이 있습니다. 단계 3.7에서 설정된 파라미터에 따르면, 한 번에 14 사이클 동안만 사진을 찍을 수 있다.

4. 데이터 처리

1. 카메라 제어 소프트웨어를 사용하여 .cine 파일에서 .tiff 파일로 변환하십시오.
2. 시간 경과에 따른 모든 파티클 이미지의 평균 이미지를 계산합니다. 벽 또는 TAV에서의 레이저의 반사에 대응하는 영역을 평균 이미지⁽¹⁴)를 뺀 값으로 제거한다.
3. 분석 할 영역과 버릴 영역을 분리하여 마스크를 만듭니다.
   참고 :이 연구에서는 두 개의 마스크가 사용되었습니다 : 하나는 부비동 영역을 단독으로 분석하고 다른 하나는 STJ 이후의 영역을 포함하는 전체 영역을 분석하는 것입니다.
4. MATLAB¹⁵ 를 기반으로 하는 오픈 소스 도구인 PIVlab을 사용하여 PIV를 수행합니다( 자료표 참조).
   1. 시간 해결 방법 또는 쌍 방식으로 저장된 파티클 이미지를 가져옵니다.
   2. 콘트라스트 제한 적응형 히스토그램 이퀄라이제이션(CLAHE)¹⁶을 실행합니다.
      참고: CLAHE는 이미지 전처리를 위한 방법입니다. 입자 이미지의 콘트라스트는 레이저가 입자 강도의 증가와 감소를 반영하도록 재분배된다. 파티클 이미지는 20픽셀의 창으로 나뉩니다.
   3. 마스크를 가져와 모든 파티클 이미지에 적용합니다.
   4. 다중 패스 심문 창을 설정합니다.
      참고: 심문 창이 64 x 64에서 32 x 32로 감소하고 50% 겹침이 있습니다. 두 벡터 사이의 거리는 16 픽셀에 해당합니다.
   5. 고속 푸리에 변환(FFT)13을 사용하여 주파수 영역으로 변환된 입자 이미지 쌍에 대한 상호 상관(13)을 실행한다(¹³).
   6. 상관 결과에서 2 x 3 가우시안 적합도를 사용하여 피크 값을 찾습니다.
      참고: 가우시안 피팅에서 선택한 피크 값이 파티클 거리를 결정합니다.
5. 다음 프로세스를 포함하는 스무딩 프로세스를 실행합니다.
   1. MATLAB의 "isoutlier" 내장 함수를 사용하여 이상값을 "NaN"으로 제거합니다.
   2. MATLAB¹⁵의 "inpaint_nans" 함수를 사용하여 nan을 값으로 보간합니다.
   3. 프레임 속도 및 버스트 기간에 따라 "픽셀 / 프레임"에서 "m / s"로 변환하십시오.
      참고: 변환은 프레임 속도 및 버스트 기간에 의해 결정되는 시간 간격과 관련이 있습니다. 구체적으로, 시간 분해능 방법의 계수는 프레임 속도에 의해 도출되고, 쌍 방식의 계수는 버스트 기간에 의해 유도된다.
   4. 가중치 계수를 사용하여 쌍 방향 방법과 시간 해결 방법을 병합합니다.
      참고: 가중 계수는 속도 크기에 따라 다르며 각 섹션에서 총 값은 1입니다. 속도 크기가 특정 임계값을 초과하면 쌍 방향 방법의 계수가 시간 분해 방법의 계수보다 높습니다.
   5. 0.59^15,17의 평활화 계수를 사용하여 DCT-PLS의 "스무딩" 기능을 실행합니다.
      참고: "smoothn" 및 "inpaint_nans" 함수는 PIVlab에 있습니다.

5. 데이터 분석

1. PIV 데이터를 MATLAB에 로드합니다.
2. PIV 데이터에서 "u" 및 "v" 성분을 추출합니다.
3. 속도 필드¹⁸ 을 계산합니다(수학식 1, 보충 파일 1).
4. 사내 코드 및 내장 함수¹⁹를 사용하여 혈역학 매개 변수를 파생시킵니다.
   1. MATLAB 내장 함수 "curl"¹⁸ (방정식 2, 보충 파일 1)을 사용하여 와류성을 도출합니다.
   2. 사내 코드²⁰ (수식 3, 보충 파일 1)을 사용하여 정체를 도출합니다.
   3. 사내 코드^{21을 사용하여 Γ1} 을 파생시킵니다(수학식 4, 보충 파일 1).
   4. 사내 코드¹⁹ (방정식 5, 보충 파일 1)로 파티클 레지던스를 파생시킵니다.
5. 혈역학적 파라미터의 평균 및 표준 편차를 계산한다(표 2).
   참고: 피크 속도, 와류도, Γ1 및 정체는 총 98 사이클에 대해 계산되었다. 붕괴는 입자 거주지의 비율에 대한 지수 피팅을 통해 얻어졌다. 감쇠는 14 사이클을 하나의 데이터 세트로 설정하고 일곱 번 평균 및 표준 편차를 계산했습니다.

결과

속도장은 그림 4의 밸브 직경에 따라 다른 부비동 유동 구조를 보였다. TAV (23mm)의 경우, 속도는 TAV가 포워딩 제트를 사용하여 열린 초기 수축기에서 피크 수축기까지 TAV와 STJ 사이에서 0.05m/s보다 높았습니다. 그 후 고속은 후기수축에서 스텐트 근처의 좁은 범위로 분배되었다. 디아스톨의 속도는 0.025 m/s보다 낮았고, 속도가 낮은 두 개의 소용돌이가 나타났다. TAV (26 mm)의 경?...

토론

부비동 흐름은 TAVI 이후 다른 부비동 기하학으로 인해 변경되었습니다. 소용돌이는 대동맥 밸브 개구부 및 수축기(²²)의 전방 제트기와의 상호작용에 의해 형성되었다. 천연 전단지가없는 인공 외과 판막에 대한 연구에서, 수축기의 부비동 영역에서 관찰 된 와류는 정상²³이었다. 이 연구는 전방 제트기를 줄이고 부비동으로 들어옴으로써 디아스톨에서 제시된 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printer	Prusa Research		Original Prusa i3 MK2; FDM printer
Aluminum bar (square)	APSPRO	KHP-3030, KHP-6060	Dimension: 30 mm x 30 mm, 60 mm x 60 mm
Bulb pump	Skyhope		MHL-1
Camera controlling software	Phantom	PCC 3.4 software	The software controll the high speed camera
Check valve	HANJU STEEL PIPE		Check valve; 1/2 inch (15A)
Digital Aqusition device	National Instruments		USB-6001
Glycerin	ANU Korea		It used for making a working fluid
High-speed camera	Phantom		Phantom VEO 710E-L
Laser	Changchun New Industries Optoelectronics Technology		MGL-W-532; CW Nd:YAG Laser
Linear actuator	THOMSON		PC-40; it converts the rotational motion to lenear motion
Macro lens	Nikon		VR Micro-NIKKOR 105mm, f/2.8 G
Motor	KOLLMORGEN		AKM33H-ANCNR-00; DC servo motor
Motor controlling software	KOLLMORGEN		Kollmorgen software; the software controll the motor driver
Motor driver	KOLLMORGEN		AKD-B00606-NBAN-0000
Open-source electronic prototypic platform	Arduino	A000066	Arduino Uno R3. It used for making a external trigger
Optic table	SMTECH		1800 (W) x 900 (B) x 800 (H)
Particle	Dantec Dynamics	80A6011	Hollow Glass Sphere. Mean diameter:10 µm, Density: 1090 kg/m3
PIVlab	PIVlab		Open source algorithm based on MATLAB https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui
Pressure gauge	OMEGA		PX309-015A5V. Measurement range: 0~15psi
Refractometer	ATAGO	2350	R-5000. Hand held refractometer; measurement range: 1.333-1.520
Resistance valve	HANJU STEEL PIPE		Ball valve; 1/2 inch (15A)
Saline	DAI HAN PHARM		It is used for making a working fluid and for preserving the TAV
Silicone hose	HSW		Inner diameter 26mm, Outter diameter 30mm; Inlet length 5m, Outlet length 1.5m
System enginnering software	National Instruments		LabVIEW software. The software controlls the DAQ.
Transcatheter Aortic Valve, TAV (23 mm) and TAV (26 mm)	Edwards Lifesciences		SAPIEN3 23mm, SAPIEN3 26mm. It is supported by Seoul Asan Medical
Viscosmeter	Brookfiled		DVELV; Measurement range: 1-2x109 cp