Étude de la vélocimétrie par image de particules de l’hémodynamique via le fantôme aortique
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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 |
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