大動脈ファントム による 血行動態の粒子画像速度測定調査
Summary
本プロトコールは、経カテーテル大動脈弁(TAV)の インビトロ セットアップを通る洞流を調査するために行われる粒子画像速度測定(PIV)測定を記述する。速度に基づく血行動態パラメータも決定される。
Abstract
大動脈弁機能障害および脳卒中は、経カテーテル大動脈弁移植(TAVI)患者において最近報告されている。血行力学的変化による大動脈洞および新洞における血栓が疑われている。インビトロ実験は、インビボ評価が限定的であることが判明した場合の血行動態特性を調査するのに役立ちます。インビトロ実験もより堅牢で、可変パラメータは容易に制御されます。粒子画像速度測定(PIV)は、インビトロ研究のための一般的な速度測定法です。これは、小規模な流れの特徴でさえも観察されるような高分解能の速度場を提供する。この研究の目的は、TAVI後の大動脈洞の流動場を調べるためにPIVがどのように使用されるかを示すことです。大動脈ファントムのインビトロセットアップ、PIV用のTAVI、およびデータ収集プロセスと後処理フロー分析について説明します。速度、流れの停滞、渦、渦、および粒子の滞留を含む血行動態パラメータが導出される。結果は、インビトロ実験とPIVが大動脈洞の血行力学的特徴の調査に役立つことを確認しています。
Introduction
大動脈狭窄症は高齢者の一般的な病気であり、大動脈弁が開かず、血流が減少する時です。この問題は、大動脈弁1の肥厚または石灰化によって生じる。そのため、血流を高め、心臓への負荷を軽減するために必要な治療法です。大動脈弁を改造するか、人工弁に置き換えて治療します。本研究では、誤作動した大動脈弁をカテーテルを用いた人工大動脈に置換する経カテーテル大動脈弁移植(TAVI)に着目する。
TAVIは手術で挑戦された患者に推奨されており、死亡率も低い2。最近、TAVI後の患者の血栓が弁機能障害および脳卒中を引き起こしたことが報告されている3,4。大動脈洞および新洞の血栓が疑われており、その原因はおそらくTAVIによって引き起こされる血行動態の変化である。これは、ネイティブリーフレットを削除せずに実行されます。これらの小葉は副鼻腔の流れを乱し、血栓症のリスクを高める可能性があります5。
血流がTAVIによってどのように影響され、血栓症が患者においてどのように誘発されるかを決定することは困難である。生体内の血流と血栓形成との関係を解明することが望ましい。しかし、血流を測定するための実用的な技術の欠如は、これを問題にする。一方、インビトロ技術は、調査しなければならないパラメータを制限することによって血流の変化を監視することを可能にするという利点を有する。インビトロセットアップおよび粒子画像速度測定(PIV)は、医療分野における速度を識別するために使用されている6、7、8。したがって、in vitroとPIVは、患者の状態を模倣することによって報告されるパラメータ(心拍数と圧力、粘度、洞形状)を決定し、これらのパラメータを制御できるようにするのに十分です。
この研究では、インビトロセットアップとPIVを使用して、 TAVI 後の大動脈洞内の流れを調査します。PIV用の大動脈ファントムとTAVI、データ収集プロセス、後処理フロー解析について、このプロトコルで説明します。速度、静止、渦、渦、および粒子滞留を含む様々な血行動態パラメータが導出される。この結果は、 in vitro セットアップとPIVが大動脈洞の血行力学的特徴の調査に役立つことを示しています。
Protocol
1. インビトロ セットアップ ピストンポンプ、データ収集装置(DAQ)、および必要なシステムエンジニアリングソフトウェアとモータ制御ソフトウェア( 材料表を参照)を備えたコンピュータを含む光学テーブル上に実験セットアップを準備します(図1)。メモ:ピストンポンプは以前にテストおよび較正されており、モータ、モータ?…
Representative Results
速度場は、 図4のバルブ直径に応じて異なる洞流構造を示した。TAV(23mm)の場合、TAVとSTJの間の速度は、早期収縮期から収縮期ピークまで0.05m/sより高く、TAVはフォワーディングジェットを使用して開放された。その後、収縮後期にステントの近くの狭い範囲に高速が分布した。拡張期の速度は0.025m/sより低く、速度の低い2つの渦が現れた。TAV(26mm)の場合、バルブが開いた?…
Discussion
副鼻腔の流れは、TAVI後の異なる洞形状のために変化した。渦は、大動脈弁開度および収縮期22の前方ジェットとの相互作用によって形成された。天然の小葉のない人工手術弁の研究では、収縮期に洞領域に観察された渦は正常であった23。この研究は、前方ジェットを減少させ、洞に入ることによって、拡張期に提示された渦を形成する。副鼻腔の流れは?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究は、文部科学部が資金提供する韓国国立研究財団の基礎科学研究プログラム(NRF-2021R1I1A3040346およびNRF-2020R1A4A1019475)の支援を受けた。この研究は、江原大学校からの2018年研究助成金(PoINT)によっても支援されました。
Materials
| 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/1.4 | |
| 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: 1-2×109 cp |
References
- Carabello, B. A., Paulus, W. J. Aortic stenosis. The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).
- Jakobsen, L., et al. Short-and long-term mortality and stroke risk after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 121 (1), 78-85 (2018).
- Koo, H. J., et al. Computed tomography features of cuspal thrombosis and subvalvular tissue ingrowth after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 125 (4), 597-606 (2020).
- Midha, P. A., et al. The fluid mechanics of transcatheter heart valve leaflet thrombosis in the neosinus. Circulation. 136 (17), 1598-1609 (2017).
- Abubakar, H., Ahmed, A. S., Subahi, A., Yassin, A. S. Thrombus in the Right Coronary Sinus of Valsalva Originating From the Left Atrial Appendage Causing Embolic Inferior Wall Myocardial Infarction. Journal of Investigative Medicine High Impact Case Reports. 6, 2324709618792023 (2018).
- Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress. Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).
- Hariharan, P., et al. Inter-laboratory characterization of the velocity field in the FDA blood pump model using particle image velocimetry (PIV). Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (4), 623-640 (2018).
- Lim, W., Chew, Y., Chew, T., Low, H. Pulsatile flow studies of a porcine bioprosthetic aortic valve in vitro: PIV measurements and shear-induced blood damage. Journal of Biomechanics. 34 (11), 1417-1427 (2001).
- Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model. Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).
- Moore, B. L., Dasi, L. P. Coronary flow impacts aortic leaflet mechanics and aortic sinus hemodynamics. Annals of Biomedical Engineering. 43 (9), 2231-2241 (2015).
- Evans, B. . Practical 3D printers: The science and art of 3D printing. , (2012).
- Yudi, M. B., Sharma, S. K., Tang, G. H., Kini, A. Coronary angiography and percutaneous coronary intervention after transcatheter aortic valve replacement. Journal of the American College of Cardiology. 71 (12), 1360-1378 (2018).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle Image Velocimetry. , (2011).
- Deen, N. G., et al. On image pre-processing for PIV of single-and two-phase flows over reflecting objects. Experiments in Fluids. 49 (2), 525-530 (2010).
- Thielicke, W., Stamhuis, E. PIVlab-towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software. 2 (1), (2014).
- Pizer, S. M., et al. Adaptive histogram equalization and its variations. Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 39 (3), 355-368 (1987).
- Garcia, D. Robust smoothing of gridded data in one and higher dimensions with missing values. Computational Statistics & Data Analysis. 54 (4), 1167-1178 (2010).
- Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., Roberson, J. A. . Engineering Fluid Mechanics. , (2020).
- Raghav, V., Sastry, S., Saikrishnan, N. Experimental assessment of flow fields associated with heart valve prostheses using particle image velocimetry (PIV): recommendations for best practices. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 273-287 (2018).
- Ncho, B., Sadri, V., Ortner, J., Kollapaneni, S., Yoganathan, A. In-Vitro Assessment of the Effects of Transcatheter Aortic Valve Leaflet Design on Neo-Sinus Geometry and Flow. Annals of Biomedical Engineering. 49 (3), 1046-1057 (2021).
- Graftieaux, L., Michard, M., Grosjean, N. Combining PIV, POD and vortex identification algorithms for the study of unsteady turbulent swirling flows. Measurement Science and Technology. 12 (9), 1422 (2001).
- Yap, C. H., Saikrishnan, N., Tamilselvan, G., Yoganathan, A. P. Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 11 (1), 171-182 (2012).
- Toninato, R., Salmon, J., Susin, F. M., Ducci, A., Burriesci, G. Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves. Journal of Biomechanics. 49 (13), 2635-2643 (2016).
- Raghav, V., Midha, P., Sharma, R., Babaliaros, V., Yoganathan, A. Transcatheter aortic valve thrombosis: a review of potential mechanisms. Journal of the Royal Society Interface. 18 (184), 20210599 (2021).
- Ramanathan, T., Skinner, H. Coronary blood flow. Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain. 5 (2), 61-64 (2005).
- Nobach, H., Bodenschatz, E. Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities. Experiments in Fluids. 47 (1), 27-38 (2009).
- Gülan, U., et al. Performance analysis of the transcatheter aortic valve implantation on blood flow hemodynamics: An optical imaging-based in vitro study. Artificial Organs. 43 (10), 282-293 (2019).
Cite This Article
Kang, J., Ha, H. Particle Image Velocimetry Investigation of Hemodynamics via Aortic Phantom. J. Vis. Exp. (180), e63492, doi:10.3791/63492 (2022).