Name: particle image velocimetry investigation of hemodynamics via aortic phantom
Uploaded: 2022-02-25T15:00:00
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Cette recherche a été soutenue par le programme de recherche scientifique fondamentale de la Fondation nationale de la recherche de Corée, qui est financé par le ministère de l’Éducation (NRF-2021R1I1A3040346 et NRF-2020R1A4A1019475). Cette étude a également été soutenue par une subvention de recherche 2018 (PoINT) de l’Université nationale de Kangwon.

1. Installation in vitro
<ol><li>Préparez la configuration expérimentale sur une table optique, y compris une pompe à piston, un dispositif d’acquisition de données (DAQ) et un ordinateur avec le logiciel d’ingénierie système requis et un logiciel de commande de moteur (voir tableau des matériaux) (Figure 1). REMARQUE: La pompe à piston a déjà été testée et calibrée et se compose d’un moteur, d’un pilote de moteur et d’u...

<ol>
	<li>Carabello, B. A., Paulus, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aortic+stenosis.">Aortic stenosis.</a> The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).</li><li>Jakobsen, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Short-and+long-term+mortality+and+stroke+risk+after+transcatheter+aortic+valve+implantation.">Short-and long-term mortality and stroke risk after transcatheter aortic valve implantation.</a> The American Journal of Cardiology. 121 (1), 78-85 (2018).</li><li>Koo, H. 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L., Dasi, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+flow+impacts+aortic+leaflet+mechanics+and+aortic+sinus+hemodynamics.">Coronary flow impacts aortic leaflet mechanics and aortic sinus hemodynamics.</a> Annals of Biomedical Engineering. 43 (9), 2231-2241 (2015).</li><li>Evans, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Practical 3D printers: The science and art of 3D printing. , (2012).</li><li>Yudi, M. B., Sharma, S. K., Tang, G. H., Kini, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+angiography+and+percutaneous+coronary+intervention+after+transcatheter+aortic+valve+replacement.">Coronary angiography and percutaneous coronary intervention after transcatheter aortic valve replacement.</a> Journal of the American College of Cardiology. 71 (12), 1360-1378 (2018).</li><li>Adrian, R. J., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry. , (2011).</li><li>Deen, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+image+pre-processing+for+PIV+of+single-and+two-phase+flows+over+reflecting+objects.">On image pre-processing for PIV of single-and two-phase flows over reflecting objects.</a> Experiments in Fluids. 49 (2), 525-530 (2010).</li><li>Thielicke, W., Stamhuis, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PIVlab-towards+user-friendly,+affordable+and+accurate+digital+particle+image+velocimetry+in+MATLAB.">PIVlab-towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB.</a> Journal of Open Research Software. 2 (1), (2014).</li><li>Pizer, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptive+histogram+equalization+and+its+variations.">Adaptive histogram equalization and its variations.</a> Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 39 (3), 355-368 (1987).</li><li>Garcia, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+smoothing+of+gridded+data+in+one+and+higher+dimensions+with+missing+values.">Robust smoothing of gridded data in one and higher dimensions with missing values.</a> Computational Statistics &amp; Data Analysis. 54 (4), 1167-1178 (2010).</li><li>Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., Roberson, J. 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H., Saikrishnan, N., Tamilselvan, G., Yoganathan, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+measurement+of+dynamic+fluid+shear+stress+on+the+aortic+surface+of+the+aortic+valve+leaflet.">Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 11 (1), 171-182 (2012).</li><li>Toninato, R., Salmon, J., Susin, F. M., Ducci, A., Burriesci, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiological+vortices+in+the+sinuses+of+Valsalva:+an+in+vitro+approach+for+bio-prosthetic+valves.">Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves.</a> Journal of Biomechanics. 49 (13), 2635-2643 (2016).</li><li>Raghav, V., Midha, P., Sharma, R., Babaliaros, V., Yoganathan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcatheter+aortic+valve+thrombosis:+a+review+of+potential+mechanisms.">Transcatheter aortic valve thrombosis: a review of potential mechanisms.</a> Journal of the Royal Society Interface. 18 (184), 20210599 (2021).</li><li>Ramanathan, T., Skinner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+blood+flow.">Coronary blood flow.</a> Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care &amp; Pain. 5 (2), 61-64 (2005).</li><li>Nobach, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Limitations+of+accuracy+in+PIV+due+to+individual+variations+of+particle+image+intensities.">Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities.</a> Experiments in Fluids. 47 (1), 27-38 (2009).</li><li>G&#252;lan, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+analysis+of+the+transcatheter+aortic+valve+implantation+on+blood+flow+hemodynamics:+An+optical+imaging-based+in+vitro+study.">Performance analysis of the transcatheter aortic valve implantation on blood flow hemodynamics: An optical imaging-based in vitro study.</a> Artificial Organs. 43 (10), 282-293 (2019).</li></ol>

Le flux sinusal a changé en raison de la géométrie différente des sinus après TAVI. Le vortex a été formé par l’ouverture de la valve aortique et l’interaction avec le jet avant de la systole22. Dans l’étude de la valve chirurgicale artificielle sans folioles natives, le vortex observé dans la région sinusale au niveau de la systole était normal23. Cette étude forme le vortex présenté à la diastole en réduisant le jet avant et en entrant dans le sinus...

La sténose aortique est une maladie courante chez les personnes âgées, et c’est lorsque la valve aortique ne s’ouvre pas, ce qui réduit le flux sanguin. Le problème est causé par l’épaississement ou la calcification de la valve aortique1. Par conséquent, c’est un traitement nécessaire pour améliorer le flux sanguin et diminuer la charge sur le cœur. Il est traité en remodelant la valve aortique ou en la remplaçant par une valve artificielle. Cette étude se concentre sur l’implantation valvulaire aortique transcathéter (TAVI), en remplaçant la valve aortique défectueuse par une valve artificielle à l’aide d’un cathéter.
TAVI a été recommandé pour les patients confrontés à des difficultés chirurgicales, et la mortalité a également été faible2. Récemment, il a été rapporté que le thrombus chez les patients après TAVI a causé un dysfonctionnement valvulaire et un accident vasculaire cérébral 3,4. Un thrombus dans le sinus aortique et le néo-sinus est suspecté, sa cause étant probablement les changements dans l’hémodynamique causés par TAVI. Il est effectué sans enlever les folioles natives; ces folioles peuvent perturber l’écoulement des sinus et augmenter le risque de thrombose5.
Il est difficile de déterminer comment le flux sanguin est affecté par le TAVI et comment la thrombose est induite chez les patients. Il est souhaitable d’élucider la relation entre le flux sanguin et la formation de thrombus in vivo. Cependant, le manque de techniques pratiques pour mesurer le flux sanguin rend cela problématique. D’autre part, les techniques in vitro ont l’avantage de permettre de surveiller les changements dans le flux sanguin en limitant les paramètres qui doivent être étudiés. La configuration in vitro et la vélocimétrie par image particulaire (PIV) ont été utilisées pour identifier la vitesse dans les domaines médicaux 6,7,8. Par conséquent, in vitro et PIV sont suffisants pour déterminer les paramètres à rapporter en imitant l’état du patient: la fréquence cardiaque et la pression, la viscosité et la géométrie des sinus, et permettant de contrôler ces paramètres.
Dans cette étude, la configuration in vitro et le PIV sont utilisés pour étudier le flux dans le sinus aortique après TAVI. Le fantôme aortique et le TAVI pour le PIV et le processus d’acquisition de données et l’analyse du flux de post-traitement sont décrits dans ce protocole. Divers paramètres hémodynamiques sont dérivés, y compris la vitesse, la stase, le vortex, la vorticité et la résidence des particules. Les résultats démontrent que la configuration in vitro et le PIV aident à étudier les caractéristiques hémodynamiques du sinus aortique.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printer</td>
			<td>Prusa Research</td>
			<td></td>
			<td>Original Prusa i3 MK2; FDM printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum bar (square)</td>
			<td>APSPRO</td>
			<td>KHP-3030, KHP-6060</td>
			<td>Dimension: 30 mm x 30 mm, 60 mm x 60 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bulb pump</td>
			<td>Skyhope</td>
			<td></td>
			<td>MHL-1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera controlling software</td>
			<td>Phantom</td>
			<td>PCC 3.4 software</td>
			<td>The software controll the high speed camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Check valve</td>
			<td>HANJU STEEL PIPE</td>
			<td></td>
			<td>Check valve; 1/2 inch (15A)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Aqusition device</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>USB-6001</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerin</td>
			<td>ANU Korea</td>
			<td></td>
			<td>It used for making a working fluid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>Phantom</td>
			<td></td>
			<td>Phantom VEO 710E-L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser</td>
			<td>Changchun New Industries Optoelectronics Technology</td>
			<td></td>
			<td>MGL-W-532; CW Nd:YAG Laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear actuator</td>
			<td>THOMSON</td>
			<td></td>
			<td>PC-40; it converts the rotational motion to lenear motion</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Macro lens</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>VR Micro-NIKKOR 105mm, f/1.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor</td>
			<td>KOLLMORGEN</td>
			<td></td>
			<td>AKM33H-ANCNR-00; DC servo motor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor controlling software</td>
			<td>KOLLMORGEN</td>
			<td></td>
			<td>Kollmorgen software; the software controll the motor driver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor driver</td>
			<td>KOLLMORGEN</td>
			<td></td>
			<td>AKD-B00606-NBAN-0000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Open-source electronic prototypic platform</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>A000066</td>
			<td>Arduino Uno R3. It used for making a external trigger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optic table</td>
			<td>SMTECH</td>
			<td></td>
			<td>1800 (W) x 900 (B) x 800 (H)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Particle</td>
			<td>Dantec Dynamics</td>
			<td>80A6011</td>
			<td>Hollow Glass Sphere. Mean diameter:10 &#181;m, Density: 1090 kg/m3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIVlab</td>
			<td>PIVlab</td>
			<td></td>
			<td>Open source algorithm based on MATLAB 
			https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure gauge</td>
			<td>OMEGA</td>
			<td></td>
			<td>PX309-015A5V. Measurement range: 0~15psi</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refractometer</td>
			<td>ATAGO</td>
			<td>2350</td>
			<td>R-5000. Hand held refractometer; measurement range: 1.333-1.520</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistance valve</td>
			<td>HANJU STEEL PIPE</td>
			<td></td>
			<td>Ball valve; 1/2 inch (15A)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Saline</td>
			<td>DAI HAN PHARM</td>
			<td></td>
			<td>It is used for making a working fluid and for preserving the TAV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone hose</td>
			<td>HSW</td>
			<td></td>
			<td>Inner diameter 26mm, Outter diameter 30mm; Inlet length 5m, Outlet length 1.5m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>System enginnering software</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>LabVIEW software. The software controlls the DAQ.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transcatheter Aortic Valve, TAV (23 mm) and TAV (26 mm)</td>
			<td>Edwards Lifesciences</td>
			<td></td>
			<td>SAPIEN3 23mm, SAPIEN3 26mm. It is supported by Seoul Asan Medical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viscosmeter</td>
			<td>Brookfiled</td>
			<td></td>
			<td>DVELV; Measurement range: 1-2x109 cp</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

particle image velocimetry investigation of hemodynamics via aortic phantom

Un dysfonctionnement de la valve aortique et un accident vasculaire cérébral ont récemment été rapportés chez des patients atteints d’implantation de la valve aortique transcathéter (TAVI). Un thrombus dans le sinus aortique et le néo-sinus dû à des changements hémodynamiques a été suspecté. Les expériences in vitro aident à étudier les caractéristiques hémodynamiques dans les cas où une évaluation in vivo s’avère limitée. Les expériences in vitro sont également plus robustes et les paramètres variables sont facilement contrôlés. La vélocimétrie par image de particules (PIV) est une méthode de vélocimétrie populaire pour les études in vitro . Il fournit un champ de vitesse à haute résolution de sorte que même les caractéristiques d’écoulement à petite échelle sont observées. Le but de cette étude est de montrer comment le PIV est utilisé pour étudier le champ d’écoulement dans le sinus aortique après TAVI. La configuration in vitro du fantôme aortique, TAVI pour PIV, ainsi que le processus d’acquisition de données et l’analyse du flux post-traitement sont décrits. Les paramètres hémodynamiques sont dérivés, y compris la vitesse, la stase d’écoulement, le vortex, la vorticité et la résidence des particules. Les résultats confirment que les expériences in vitro et le PIV aident à étudier les caractéristiques hémodynamiques du sinus aortique.

Les champs de vitesse ont montré une structure d’écoulement sinusal différente en fonction du diamètre de la vanne sur la figure 4. Pour le TAV (23 mm), la vitesse était supérieure à 0,05 m/s entre le TAV et le STJ de la première systole à la systole de pointe que le TAV était ouvert à l’aide du jet de transfert. Une vitesse élevée a ensuite été distribuée dans une plage étroite près de l’endoprothèse à la systole tardive. La vitesse à la diastole était inférieur...

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Particle Image Velocimetry Investigation of Hemodynamics via Aortic Phantom

Le présent protocole décrit les mesures de vélocimétrie par image particulaire (PIV) effectuées pour étudier le flux sinusal à travers la configuration in vitro de la valve aortique transcathéter (TAV). Les paramètres hémodynamiques basés sur la vitesse sont également déterminés.

Étude de la vélocimétrie par image de particules de l’hémodynamique via le fantôme aortique

Aortic valve dysfunction and stroke have recently been reported in transcatheter aortic valve implantation (TAVI) patients. Thrombus in the aortic sinus ...

L’information sur la vitesse est essentielle pour évaluer le flux sanguin valvulaire. Notre protocole acquiert des champs de vitesse d’instance, ce qui conduit à une analyse détaillée de l’hémodynamique. Le principal avantage de ce protocole est qu’il peut acquérir des champs de vitesse d’instance dans le sinus aortique avec l’implantation de la valve cardiaque prothétique, ce qui est difficile à obtenir à partir d’expériences in vivo.Le protocole actuel aiderait à caractériser l’hémodynamique anormale après l’implantation de la valve aortique transcathéter. Sur la base de l’hémodynamique obtenue, les chercheurs seraient en mesure de développer une meilleure valve cardiaque. Le processus d’obtention de bonnes images de particules pour la vélocimétrie d’images de particules est compliqué.Pour un débutant, il est recommandé d’acquérir des images de particules avec des fréquences d’images différentes et de comparer chaque résultat. Pour commencer, préparez la configuration expérimentale sur une table optique, y compris une pompe à piston, un dispositif d’acquisition de données et un ordinateur avec le logiciel d’ingénierie système et le logiciel de contrôle du moteur requis. Importez le fichier de feuille de calcul dans le logiciel d’ingénierie système avec les informations de débit.Fixez le modèle de sinus acrylique à la table optique avec une barre carrée en aluminium. Connectez le réservoir, la pompe à piston et le modèle de sinus en acrylique avec un tuyau en silicone. Combinez le TAV fixe sur la feuillet native avec le modèle de sinus acrylique.Placez la caméra haute vitesse sur une traversée à deux axes et déplacez la traversée. Allumez le laser, réglez-le sur sept watts et placez la feuille laser au centre du TAV. Prenez une photo et vérifiez que la distance maximale des particules est inférieure à quatre à six pixels.Réglez les paramètres logiciels de contrôle de la caméra en commençant par une résolution de 1 280 par 720, une fréquence d’images de 300 images par seconde, une exposition forcée par la période de rafale, un nombre de rafales de trois et une période de rafale de 200 microsecondes et 150 microsecondes. Capturez des images de particules pendant 14 cycles continus et répétez-les sept fois au total. Fabriquez le masque en séparant les zones à analyser de celles à jeter.À l’aide d’un outil open source, PIVlab, basé sur MATLAB, effectue PIV en important des images de particules enregistrées par la méthode à résolution temporelle ou la méthode par paires. Importez le masque et appliquez-le à toutes les images de particules. Exécutez l’égalisation adaptative de l’histogramme à contraste limité, exécutez la corrélation croisée autour de la paire d’images de particules convertie dans le domaine fréquentiel à l’aide de la transformée de Fourier rapide.Définissez la fenêtre d’interrogation multipasse, recherchez la valeur de crête à l’aide d’un résultat d’ajustement gaussien deux par trois. Calculez le champ de vitesse, dérivez les paramètres hémodynamiques à l’aide du code interne et de la fonction intégrée. Pour le TAV de 23 millimètres, la vitesse était supérieure à 0,05 mètre par seconde entre le TAV et la jonction sino-tubulaire de la première systole à la systole de pointe.La vitesse à la diastole était inférieure à 0,025 mètre par seconde et deux vortex à faible vitesse sont apparus. Pour un TAV de 26 millimètres dans le temps, à l’exception de la systole précoce, la distribution de la vitesse dans les sinus était inférieure à 0,05 mètre par seconde. Plus précisément, à la fin de la systole, la vitesse était inférieure à celle d’un autre moment.La vitesse maximale dans le TAV de 23 millimètres était supérieure à celle du TAV de 26 millimètres. La zone de stase formée dans le TAV de 23 millimètres était large, mais la fraction de stase était faible. Deux tourbillons similaires ont été remarqués au-dessus et au-dessous de la feuillet native pour le TAV de 23 millimètres.Cependant, pour le TAV de 26 millimètres, le vortex dans le sens des aiguilles d’une montre n’était pas clair et le vortex dans le sens inverse des aiguilles d’une montre avait une forme elliptique. La vorticité a montré des résultats similaires à ceux du vortex. Les instantanés de la résidence des particules ont montré la distribution des particules dans la région des sinus pendant deux secondes, et le pourcentage de résidence des particules a montré cette fraction des particules restantes dans la région des sinus pendant 14 secondes.Le TAV de 26 millimètres a diminué plus rapidement que le TAV de 23 millimètres, mais la libération de particules n’était pas identique dans les deux cas. La dérivation des champs de vitesse est l’étape la plus cruciale. Les étapes précédentes sont des processus de dérivation de champs de vitesse et conviennent au PIV.Ce protocole peut être utilisé pour étudier l’hémodynamique dans divers systèmes cardiovasculaires, tels que les artères sténotiques et les valves cardiaques.

Research

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