Investigação de Velocimetria de Imagem de Partículas da Hemodinâmica via Fantasma Aórtico

Resumo

O presente protocolo descreve as medições de velocimetria de imagem de partículas (PIV) realizadas para investigar o fluxo sinusino através da configuração in vitro da válvula aórtica transcateter (TAV). Os parâmetros hemodinâmicos baseados na velocidade também são determinados.

Resumo

Disfunção da válvula aórtica e derrame foram recentemente relatados em pacientes com implantação de válvula aórtica transcateter (TAVI). Thrombus no seio aórtico e neo-sinuso devido a alterações hemodinâmicas tem sido suspeito. Experimentos in vitro ajudam a investigar as características hemodinâmicas nos casos em que uma avaliação in vivo se mostra limitada. Experimentos in vitro também são mais robustos, e os parâmetros variáveis são controlados prontamente. A velocimetria de imagem de partículas (PIV) é um método popular de velocimetria para estudos in vitro . Ele fornece um campo de alta velocidade de alta resolução, de tal forma que até mesmo características de fluxo em pequena escala são observadas. O objetivo deste estudo é mostrar como o PIV é usado para investigar o campo de fluxo no seio aórtico após o TAVI. A configuração in vitro do fantasma aórtico, TAVI para PIV e o processo de aquisição de dados e análise de fluxo pós-processamento são descritos. Os parâmetros hemodinâmicos são derivados, incluindo velocidade, estase de fluxo, vórtice, vórtice e residência de partículas. Os resultados confirmam que experimentos in vitro e PIV ajudam a investigar as características hemodinâmicas no seio aórtico.

Introdução

A estenose aórtica é uma doença comum em idosos, e é quando a válvula aórtica não abre, reduzindo o fluxo sanguíneo. O problema é causado pelo espessamento ou calcificação da válvula aórtica¹. Portanto, é necessário um tratamento para aumentar o fluxo sanguíneo e diminuir a carga no coração. É tratado remodelando a válvula aórtica ou substituindo-a por uma válvula artificial. Este estudo se concentra na implantação da válvula aórtica transcateter (TAVI), substituindo a válvula aórtica defeituosa por uma artificial usando um cateter.

A TAVI tem sido recomendada para pacientes desafiados em cirurgia, e a mortalidade também tem sido baixa². Recentemente, foi relatado que o trombo em pacientes após tavi causou disfunção valvar e derrame ^3,4. Suspeita-se de trombos no seio aórtico e neo-sinuso, sendo sua causa provavelmente as mudanças na hemodinâmica causadas pelo TAVI. É realizado sem a remoção dos folhetos nativos; esses folhetos podem perturbar o fluxo sinusino e elevar o risco de trombose⁵.

É difícil determinar como o fluxo sanguíneo é afetado pelo TAVI e como a trombose é induzida em pacientes. É desejável elucidar a relação entre fluxo sanguíneo e formação de trombos in vivo. No entanto, a falta de técnicas práticas para medir o fluxo sanguíneo torna isso problemático. Por outro lado, as técnicas in vitro têm a vantagem de permitir que se monitore as alterações no fluxo sanguíneo limitando os parâmetros que devem ser investigados. A configuração in vitro e a velocimetria de imagem de partículas (PIV) têm sido utilizadas para identificar velocidade nos campos médicos ^6,7,8. Portanto, in vitro e PIV são suficientes para determinar os parâmetros a serem relatados imitando a condição do paciente: a frequência cardíaca e pressão, viscosidade e geometria sinusal, e permitindo que se controle esses parâmetros.

Neste estudo, a configuração in vitro e o PIV são usados para investigar o fluxo no seio aórtico após o TAVI. O fantasma aórtico e o TAVI para o PIV e o processo de aquisição de dados e análise de fluxo pós-processamento estão descritos neste protocolo. Vários parâmetros hemodinâmicos são derivados, incluindo velocidade, estase, vórtice, vórtice e residência de partículas. Os resultados demonstram que a configuração in vitro e o PIV ajudam a investigar as características hemodinâmicas no seio aórtico.

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Protocolo

1. Configuração in vitro

1. Prepare a configuração experimental em uma tabela óptica, incluindo uma bomba de pistão, um dispositivo de aquisição de dados (DAQ) e um computador com o software de engenharia de sistema necessário e um software de controle de motor (ver Tabela de Materiais) (Figura 1).
   NOTA: A bomba do pistão foi previamente testada e calibrada e consiste em um motor, motor driver e atuador linear⁹.
2. Importe o arquivo de planilha com as informações da taxa de fluxo para o software de engenharia do sistema.
   NOTA: Por exemplo, a frequência cardíaca é de 60 bpm, a taxa máxima de fluxo é de 20 L/min, a saída cardíaca é de 4,8 L/min, e o volume de derrame é de 70 mL.
3. Definir o parâmetro em softwares de engenharia de sistemas, como entrada e canal de saída DAQ; o relógio amostral é de 1.000 e a iteração de feedback é 10.
4. Definir o parâmetro no software de controle do motor; O comprimento do parafuso de chumbo é de 10 mm, a entrada analógica e a saída são de 14,5 mm/tensão.
5. Instale a válvula de verificação e a válvula de resistência no reservatório¹⁰.
   NOTA: A válvula de setenção é conectada à bomba do pistão como uma entrada do sistema, e a válvula da esfera está conectada ao modelo acrílico sinuso como uma saída do sistema.
6. Fixar o modelo acrílico do seio (Figura 2) com uma barra de alumínio quadrado na mesa óptica.
   NOTA: As dimensões do modelo acrílico sinuso são apresentadas na Tabela 1.
7. Instale o medidor de pressão (~0-15 psi) na torneira de pressão do modelo acrílico sinusic para receber um sinal de pressão de outro computador.
   NOTA: As torneiras de pressão estão localizadas a 140 mm da junção sinotubular (STJ).
8. Prepare um fluido de trabalho misturando soro fisiológico e glicerina (ver Tabela de Materiais) em uma proporção de massa de 60:40.
   NOTA: Um viscometro e um refratômetro foram utilizados para medir a viscosidade e o índice de refração do fluido de trabalho. A viscosidade é ~4 cp, o índice de refração é de 1,45, e a densidade é de 1.100 kg/m³.
9. Conecte o reservatório, a bomba de pistão e o modelo acrílico sinuso com uma mangueira de silicone (ver Tabela de Materiais).
10. Amarre a válvula aórtica transcateter (TAV) (ver Tabela de Materiais) ao folheto nativo feito por uma impressora 3D com um rosca¹¹.
11. Combine o TAV fixo no folheto nativo com o modelo acrílico sinuso.
    NOTA: O TAV utilizado aqui (obtido comercialmente) tem um diâmetro de 23 mm e 26 mm, e a altura é de 18 mm e 20 mm, respectivamente¹². Para tav (23 mm), a profundidade de implantação e o comprimento do folheto nativo foram de 1,8 mm e 9 mm, e para TAV (26 mm), é de 2,0 mm e 10 mm, respectivamente. O diâmetro interno do folheto nativo foi de 21 mm, considerando o tamanho do anulo do paciente.
    ATENÇÃO: O TAV seca se não for preservado em solução salina. É mantido no líquido mesmo depois de ser amarrado ao folheto nativo.
12. Encha o fluido de trabalho (etapa 1.8) no sistema in vitro .
    CUIDADO. Evite fazer bolhas no modelo acrílico do seio porque afeta os resultados do PIV.

2. Configuração piv

1. Localize o laser em outra mesa óptica e trilho de um eixo.
   NOTA: O laser é um laser Nd contínuo: YAG que emite luz com um comprimento de onda de 532 nm e cuja potência pode aumentar para 10 W (ver Tabela de Materiais). A folha de laser passada através da óptica tem uma distância de 1 m do modelo acrílico sinuso.
2. Localize a câmera de alta velocidade em uma travessia de 2 eixos e mova a travessia.
   ATENÇÃO: A câmera de alta velocidade é perpendicular à folha de laser e ao modelo acrílico sinusic.
3. Equipar a lente para a câmera de alta velocidade.
   NOTA: A lente macro montada na câmera de alta velocidade tem uma distância focal de 105 mm, e a abertura é f/2.8.
4. Partícula de semente (ver Tabela de Materiais) no reservatório.
   NOTA: A partícula é uma esfera de vidro oco com diâmetro médio de 10 μm e densidade de 1.090 kg/m³. O reservatório tem uma forma retangular e, a largura, comprimento e altura no interior são 23 cm, 23 cm, 35 cm, respectivamente. Há um buraco para fixação na parte superior. A tampa também tinha um orifício para fixação e uma torneira de parafuso para instalar a bomba de lâmpada para aplicar pressão.
5. Programe um gatilho externo usando uma plataforma prototipica eletrônica de código aberto, Arduino (ver Tabela de Materiais).
   NOTA: Quando a bomba do pistão move uma distância predeterminada, a saída de Arduino torna-se 1, que é transmitida para a câmera de alta velocidade como um gatilho a ser fotografado.
6. Execute o software de controle da câmera (ver Tabela de Materiais), clique em Referência de Sessão Atual (RSE) e remova a tampa da lente.
7. Ligue o laser, coloque-o em 7 W, e localize a folha de laser para o centro do TAV.
8. Tire uma foto e verifique a densidade e diâmetro das partículas.
   NOTA: Para reduzir os erros, confirme que ~8-10 partículas estão na janela de interrogatório, com um diâmetro de partícula de 2-4 pixels¹³.
9. Defina os parâmetros, como resolução (1280 x 720), taxa aleatória de quadros, tempo de exposição ao máximo de acordo com a taxa aleatória de quadros no software de controle da câmera.
10. Clique no botão Ativar no software de controle do motor no início e clique no botão Iniciar no software de engenharia de sistemas para operar a bomba de pistão.
11. Tire uma foto e verifique se a distância máxima de partículas é inferior a 4-6 pixels.
    NOTA: Este estudo corresponde a 50% da janela de interrogatório, que define 16 pixels entre vetores de velocidade. A distância máxima de partículas na janela de interrogatório é limitada a 8 pixels.
12. Repita o passo 2.11 para garantir a distância máxima de partículas dentro desse intervalo, ajustando os quadros por segundo (fps) se for mais de 6 pixels e baixando os fps se for menor que 4 pixels.

3. Investigação da hemodinâmica

1. Verifique se há vazamento da parte de conexão do modelo acrílico sinuso ou se a mangueira de silicone fica dobrada.
2. Importe o arquivo excel tendo armazenado a taxa de fluxo e as informações de bpm no software de engenharia do sistema.
   NOTA: Por exemplo, a frequência cardíaca é de 60 bpm, a taxa máxima de fluxo é de 20 L/min, a saída cardíaca é de 4,8 L/min, o volume de derrame é de 70 mL (Figura 3A).
3. Confirme o parâmetro de software de engenharia do sistema, como entrada do dispositivo DAQ e canal de saída. O relógio amostral é de 1.000, e a iteração de feedback é de 10.
4. Confirme o parâmetro do software de controle do motor, por exemplo, o comprimento do parafuso de chumbo é de 10 mm, a entrada analógica e a saída são de 14,5 mm/tensão.
5. Ligue a câmera de alta velocidade e execute o software de controle da câmera.
6. Clique em RSE e remova uma tampa da lente.
7. Defina os parâmetros de software de controle da câmera, por exemplo, a resolução de 1280 x 720, uma taxa de quadros de 300 fps, período de estouro de 200 μs e 150 μs, contagem de estouro de 3 e exposição (forçada pelo período de estouro).
8. Ligue o laser, coloque-o em 7 W, e localize a folha de laser no centro do TAV. Concentre-se na folha de laser controlando a lente.
9. Ajuste a pressão no reservatório.
   NOTA: A pressão média pós-valvular é de 100 mmHg durante o funcionamento da bomba de pistão (Figura 3B,C).
10. Clique no botão Ativar no software de controle do motor no início e clique no botão Iniciar no software de engenharia do sistema para operar a bomba de pistão.
11. Aguarde até que a vazão se estabilize.
    NOTA: A taxa de fluxo calcula a diferença com base no sinal da bomba do pistão e executa feedback negativo, por isso leva tempo para esperar até estabilizar.
12. Verifique um gatilho que funciona no plotter serial de Arduino.
13. Capture imagens de partículas para 14 ciclos contínuos e repita um total de sete vezes.
    NOTA: A capacidade de armazenamento de uma câmera de alta velocidade está relacionada à resolução e ao número de imagens de partículas. De acordo com o parâmetro definido na etapa 3.7, é possível tirar uma foto apenas para 14 ciclos de cada vez.

4. Processamento de dados

1. Converta de arquivo .cine para .tiff arquivos usando o software de controle da câmera.
2. Calcule a imagem média de todas as imagens de partículas ao longo do tempo. Remova a área correspondente ao reflexo do laser na parede ou do TAV subtraindo a imagem média¹⁴.
3. Faça a máscara separando as áreas a serem analisadas daquelas para descartar.
   NOTA: Neste estudo foram utilizadas duas máscaras: uma para analisar somente a região do seio e outra para analisar toda a região, que contém a região após o STJ.
4. Execute o PIV utilizando o PIVlab, uma ferramenta de código aberto baseada no MATLAB¹⁵ (ver Tabela de Materiais).
   1. Importar imagens de partículas salvas pelo método resolvido pelo tempo ou pelo método em pares.
   2. Execute equalização de histograma adaptativo limitado de contraste (CLAHE)¹⁶.
      NOTA: CLAHE é um método para pré-processamento de imagem. O contraste da imagem de partículas é redistribuído para que o laser reflita o aumento e diminuição da intensidade das partículas. A imagem de partículas é dividida por uma janela com 20 pixels.
   3. Importe a máscara e aplique-a em todas as imagens de partículas.
   4. Coloque a janela de interrogatório de vários passes.
      NOTA: A janela de interrogatório diminui de 64 x 64 para 32 x 32 com uma sobreposição de 50%. A distância entre os dois vetores corresponde a 16 pixels.
   5. Execute a correlação cruzada¹³ sobre o par de imagens de partículas convertido no domínio de frequência usando a rápida transformação Fourier (FFT)¹³.
   6. Encontre um valor máximo usando um ajuste gaussiano 2 x 3 em resultado de correlação.
      NOTA: O valor máximo selecionado no encaixe gaussiano determinou a distância das partículas.
5. Executar o processo de alisamento, que envolve os seguintes processos.
   1. Remova os outliers em um "NaN" usando a função incorporada "isoutlier" no MATLAB.
   2. Interpolar uma nula para valorizar usando a função "inpaint_nans" no MATLAB¹⁵.
   3. Converta de "pixel/frame" para "m/s" de acordo com a taxa de quadros e o período de estouro.
      NOTA: A conversão está relacionada ao intervalo de tempo, determinado pela taxa de quadros e período de estouro. Especificamente, o coeficiente do método resolvido pelo tempo é derivado pela taxa de quadros, e o de um método pareçoso é derivado pelo período de estouro.
   4. Mescle o método pairwise e o método resolvido pelo tempo usando o fator de ponderação.
      NOTA: O fator de ponderação depende da magnitude da velocidade e tem um valor total de 1 em cada seção. Se a magnitude de velocidade exceder um certo limiar, o fator para o método pairwise é maior do que o método resolvido pelo tempo.
   5. Execute a função "suave" do DCT-PLS usando um fator de suavização de 0,59^15,17.
      NOTA: As funções "smoothn" e "inpaint_nans" estão presentes no PIVlab.

5. Análise de dados

1. Carregue os dados do PIV no MATLAB.
2. Extrair componentes "u" e "v" dos dados PIV.
3. Calcule o campo de velocidade¹⁸ (Equação 1, Arquivo Suplementar 1).
4. Deriva parâmetros de hemodinâmica usando o código interno e a função incorporada¹⁹.
   1. Derivar a vorticidade com a função incorporada MATLAB "curl"¹⁸ (Equação 2, Arquivo Suplementar 1).
   2. Derivar a estase com o código interno²⁰ (Equação 3, Arquivo Suplementar 1).
   3. Derivar o Γ1 com o código interno²¹ (Equação 4, Arquivo Suplementar 1).
   4. Obtenha a residência de partículas com um código interno¹⁹ (Equação 5, Arquivo Suplementar 1).
5. Calcular o desvio médio e padrão dos parâmetros hemodinâmicos (Tabela 2).
   NOTA: Velocidade máxima, vorticidade, Γ1 e estase foram calculadas para um total de 98 ciclos. A decadência foi obtida através de ajuste exponencial à porcentagem de residência de partículas. A decadência estabeleceu 14 ciclos como um conjunto de dados e calculou o desvio médio e padrão por sete vezes.

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Resultados

Os campos de velocidade mostraram uma estrutura de fluxo sinusal diferente dependendo do diâmetro da válvula na Figura 4. Para o TAV (23 mm), a velocidade foi superior a 0,05 m/s entre TAV e STJ desde o início do sistole até o pico de sístole que o TAV foi aberto usando o jato de encaminhamento. A alta velocidade foi então distribuída em uma faixa estreita perto do stent no final do sístole. A velocidade na diastole foi inferior a 0,025 m/s, e dois vórtices com baixa velocidade apar...

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Discussão

O fluxo sinuso mudou devido a diferentes geometria sinusas depois de TAVI. O vórtice foi formado pela abertura da válvula aórtica e pela interação com o jato dianteiro da sístole²². No estudo da válvula cirúrgica artificial sem folhetos nativos, o vórtice observado na região do seio na sístole foi normal²³. Este estudo forma o vórtice apresentado na diastole reduzindo o jato dianteiro e entrando no seio. O fluxo sinuso encontrou o folheto nativo; como resultado,...

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Materiais

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