Name: particle image velocimetry investigation of hemodynamics via aortic phantom
Uploaded: 2022-02-25T15:00:00
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본 연구는 교육부가 후원하는 한국연구재단의 기초과학연구프로그램(NRF-2021R1I1A3040346 및 NRF-2020R1A4A1019475)의 지원을 받았다. 이 연구는 또한 강원대학교의 2018 연구보조금(PoINT)의 지원을 받았다.

1. 시험관내 설정
<ol><li>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 구성...

<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. J., 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=Computed+tomography+features+of+cuspal+thrombosis+and+subvalvular+tissue+ingrowth+after+transcatheter+aortic+valve+implantation.">Computed tomography features of cuspal thrombosis and subvalvular tissue ingrowth after transcatheter aortic valve implantation.</a> The American Journal of Cardiology. 125 (4), 597-606 (2020).</li><li>Midha, P. A., 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=The+fluid+mechanics+of+transcatheter+heart+valve+leaflet+thrombosis+in+the+neosinus.">The fluid mechanics of transcatheter heart valve leaflet thrombosis in the neosinus.</a> Circulation. 136 (17), 1598-1609 (2017).</li><li>Abubakar, H., Ahmed, A. S., Subahi, A., Yassin, A. 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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>

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 ?...

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 분야6,7,8에서 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.

<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

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.

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?...

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Particle Image Velocimetry Investigation of Hemodynamics via Aortic Phantom

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.

대동맥 팬텀을 통한 혈역학의 입자 이미지 Velocimetry 조사

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

속도 정보는 판막 혈류를 평가하는 데 필수적입니다. 우리의 프로토콜은 인스턴스 속도 필드를 획득하여 혈역학에 대한 상세한 분석을 유도합니다. 이 프로토콜의 가장 큰 장점은 생체 내 실험에서 얻기 어려운 인공 심장 판막 이식을 통해 대동맥 부비동의 인스턴스 속도 필드를 획득 할 수 있다는 것입니다.현재의 프로토콜은 경피적 대동맥 판막 이식 후 비정상적인 혈역학을 특성화하는 데 도움이 될 것이다. 얻은 혈역학을 바탕으로 연구자들은 더 나은 심장 판막을 개발할 수 있습니다. 입자 이미지 속도측정을 위해 좋은 입자 이미지를 얻는 과정은 복잡합니다.초보자에게는 프레임 속도가 다른 파티클 이미지를 획득하고 각 결과를 비교하는 것이 좋습니다. 시작하려면 피스톤 펌프, 데이터 수집 장치 및 필요한 시스템 엔지니어링 소프트웨어 및 모터 제어 소프트웨어가 있는 컴퓨터를 포함한 광학 테이블에서 실험 설정을 준비합니다. 스프레드시트 파일을 유량 정보가 있는 시스템 엔지니어링 소프트웨어로 가져옵니다.아크릴 부비동 모델을 사각형 알루미늄 막대가있는 광학 테이블에 고정하십시오. 저수지, 피스톤 펌프 및 아크릴 부비동 모델을 실리콘 호스와 연결합니다. 네이티브 리플릿의 고정 TAV를 아크릴 부비동 모델과 결합하십시오.고속 카메라를 두 축 횡단에 놓고 횡단을 이동합니다. 레이저를 켜고 일곱 와트로 설정 한 다음 레이저 시트를 TAV의 중앙에 놓습니다. 사진을 찍고 최대 입자 거리가 네 ~ 여섯 픽셀 미만인지 확인하십시오.해상도 1, 280 x 720, 초당 프레임 속도 300프레임, 버스트 기간에 의해 강제되는 노출, 버스트 카운트 3개, 버스트 기간 200마이크로초 및 150마이크로초의 버스트 기간으로 시작하는 카메라 제어 소프트웨어 파라미터를 설정합니다. 14회 연속 사이클 동안 파티클 이미지를 캡처하고 총 일곱 번 반복합니다. 분석 할 영역과 폐기 할 영역을 분리하여 마스크를 만듭니다.오픈 소스 도구를 사용하는 PIVlab은 MATLAB을 기반으로 시간 해결 방법 또는 쌍 단위 방법으로 저장된 파티클 이미지를 가져와 PIV를 수행합니다. 마스크를 가져와 모든 파티클 이미지에 적용합니다. 콘트라스트 제한 적응형 히스토그램 등화를 실행하고, 빠른 푸리에 변환을 사용하여 주파수 영역으로 변환된 입자 이미지 쌍에 대한 교차 상관 관계를 실행합니다.다중 통과 심문 창을 설정하고 상관 결과에서 두 개씩 세 개의 가우시안 핏을 사용하여 피크 값을 찾습니다. 속도 필드를 계산하고 사내 코드 및 내장 함수를 사용하여 혈역학 매개 변수를 파생시킵니다. 23 밀리미터 TAV의 경우, 속도는 초기 수축기에서 피크 수축기까지 TAV와 중관형 접합부 사이에서 초당 0.05 미터보다 높았다.디아스톨의 속도는 초당 0.025 미터보다 낮았고 속도가 낮은 두 개의 소용돌이가 나타났습니다. 초기 수축기를 제외한 26mm TAV의 경우 부비동의 속도 분포는 초당 0.05 미터보다 낮았습니다. 특히, 후기 수축기에서, 속도는 다른 시간보다 낮았다.23mm TAV의 피크 속도는 26mm TAV보다 높았다. 23 밀리미터 TAV로 형성된 정체 면적은 넓었지만 정적의 분율은 낮았다. 23 밀리미터 TAV에 대한 네이티브 전단지 위와 아래에 두 개의 유사한 소용돌이가 발견되었습니다.그러나 26 밀리미터 TAV의 경우 시계 방향 와류가 불분명하고 시계 반대 방향 소용돌이가 타원형이었습니다. 소용돌이는 소용돌이와 비슷한 결과를 보였다. 입자 거주지의 스냅샷은 2초 동안 부비동 영역에서 입자 분포를 나타냈고, 입자 거주지의 백분율은 14초 동안 부비동 영역에 남아있는 입자의 분율임을 보여주었다.26 밀리미터 TAV는 23 밀리미터 TAV보다 빠르게 감소했지만, 입자의 방출은 두 경우 모두 동일하지 않았습니다. 속도 필드의 파생은 가장 중요한 단계입니다. 앞의 단계는 속도 필드를 파생하기 위한 프로세스이며 PIV에 적합합니다.이 프로토콜은 협착성 동맥 및 심장 판막과 같은 다양한 심혈관 시스템에서 혈역학을 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

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연구

공학

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