180°弯曲动脉测试段中IV型支架失效模型下游二次流动结构的实验研究

本视频展示了如何利用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry）和相干结构检测（Coherent Structure Detection），在弯曲动脉模型中检测次级流动或涡旋结构，以更深入地理解IV型支架失效的临床相关性。该方法有助于解答心血管血流动力学领域的一些关键问题，例如：随时间推移可能发生退化甚至断裂的支架，如何影响血流模式，并进而影响血管重塑过程中的疾病进展。

该技术的主要优势在于能够促进对涉及支架及支架断裂的复杂生理动脉血流中体内和体外测量的研究。演示实验操作的人员为研究生 Mohammad Najjari 和本科生 Jessica Hinke。准备一种血液模拟溶液，其成分为 79% 饱和碘化钠溶液、20% 甘油和 1% 去离子水。

首先使用饱和碘化钠溶液，然后用注射器将甘油逐次少量加入，直至全部甘油体积均加入完毕。每次添加之间需等待溶液明显均一化，并记录每次加入的甘油体积。接下来，加入所需体积的水，继续搅拌直至血液模拟溶液明显呈现均一状态。

最后，使用药匙加入极少量的硫代硫酸钠，直至溶液变为光学澄清。首先，从直型和弯型支架的CAD模型创建高分辨率的STL文件。在软件中，从文件菜单选择“导出”和“模型”。

选择 STL 选项，将弦高设置为零，并将角度控制设置为 1。角度控制值用于调节在小半径表面上的细分程度，其设置范围可在 0 到 1 之间调整。然后，单击“确定”以生成 STL 文件。

接下来，在快速成型机上制造支架模型。为此，启动3D打印软件，单击“插入”以在3D打印机计算机上找到STL文件。然后，选择所需文件，并移动鼠标将STL文件放置在屏幕上的虚拟平台中。

接下来，使用3D打印部件，将支架安装到弯曲动脉测试段中，以重建一种理想化的IV型骨折场景。该场景包括支架的完全横向断裂以及断裂部分的线性位移。现在，将装置组装到光学平台上。

将直的丙烯酸管连接到180度弯曲动脉测试段的入口和出口。首先，通过照射一小片纸张粗略调整激光器的位置。通过调节焦距，使激光片的厚度约为2 mm。

接下来，将激光片光源对准测量区域的90度位置，使光片垂直于桌面。然后，在0度或180度位置附近放置一台相机，以观察由激光片光源照亮的横截面区域。逐步调整激光器和相机的对准，使相机能够观察到弯曲动脉的圆形横截面，并通过软件中的“Grab”功能评估粒子形变程度，以确保形变最小。

相机和激光器就位后，采集二次流场的图像。首先，打开可编程泵。在泵的仪器控制程序中，将振幅设置为1伏特。

将直流偏移设为0伏。将定时步数设为1000，时间周期设为4秒。其他设置详见文本方案。

然后，加载包含电压时间波形数值的文本文件，并运行程序以向实验供给模拟血液流体。在 PIV 数据采集程序中，单击“New Recordings”选项卡后，在“Settings”部分下选择设备，并确认激光器已设置为开启状态且功率参数适当。进入激光器控制界面以确认各项数值。

导航至“定时”并将其设置为外部循环触发。单击“采集”，选择“扫描表”，编辑扫描表，添加扫描，并通过输入代表收缩期减速的开始时间来设置扫描参数。输入PIV数据采集的时间增量和结束时间。

应调整参考时间 DT1，即激光脉冲之间的时间间隔。然后点击“关闭”。在 Acquisit 下，点击图像采集，并将图像数量设置为 200。

现在，PIV 系统已准备就绪，可以开始采集数据。选择“开始记录”以使用泵仪器控制发出的触发信号，采集各个时间点的分相测量结果。系统将获取每个时间点预设的平面或速度场数量，测量位置位于预先设定的90度测试段处。

录制完成后，关闭激光器电源。关闭泵浦，关闭相机，并重新盖上镜头盖。使用补充代码文件，计算相位平均和均方根二次流速度、涡量和涡旋强度场。

在软件中，初始化与定义尺度相关的设置，并发送至掩模定义。有关详细信息，请参阅补充代码文件。在软件中，右键单击任意PIV数据，然后启动批处理。

在“统计”组中选择“矢量统计”下的“矢量场结果”操作，然后在对话框中点击“参数”。在“矢量场”部分下，勾选平均 V 和均方根速度（RMSV）选项。然后，在“提取标量场：旋转与剪切”组中选择“涡度”操作。

这可以计算平面截面上的二维涡量。现在，通过在“项目”窗口中的任意PIV数据上单击右键并选择“批量处理所有数据集”来开始处理。为了计算用于检测二次流结构的涡旋强度场，请在任意PIV数据上单击右键，从树状菜单中选择“速度矢量场”，然后启动批处理。

然后，从“提取标量场：旋转与剪切”组中选择“涡旋强度”操作，然后单击“关闭”。现在，右键单击相同的“速度矢量场”，选择“超环所有集合”，并像之前一样调整批量处理的参数。最后，执行涡旋强度场的计算。

在90度横截面位置获取的二次流速度数据来自2C 2D PIV系统。供应至带有理想化IV型支架断裂的弯曲动脉测试段的流入条件为颈动脉波形。通过泵仪器控制计算机产生的触发信号同步，利用PIV技术生成了二次流速度场数据。

对像素化数据进行后处理，以确定收缩期减速阶段的Q准则和涡旋强度（Swirling Strength）或Landis ci准则。比较了基于涡旋强度和Q准则的流场。在收缩期减速阶段，于四个不同的横截面位置处，分析了以DLW字符标记的涡旋模式，这些模式代表了变形的Dean-Lynn-and Wall型DLW涡旋模式以及应变主导区域。

基于连续小波变换的方法被应用于二次流涡量场，从而能够更详细地检测涡旋的形状、尺寸和强度。最后，对Q准则、涡旋强度和基于小波变换的流场进行了比较。基于小波变换的方法揭示了复杂涡旋结构的存在，并在尺寸、尺度和强度方面呈现出极高的细节分辨率。

一旦掌握，该技术在3D打印机完成模型支架打印后，包括PIV数据采集和后期处理在内，大约可在八小时内完成。在实施该过程时，需注意确保使用微量硫代硫酸钠将血液模拟流体的折射率充分匹配。未来，为了提高伴流场结果的准确性并最小化光学畸变，我们将使用类似的PIV校准图。

通过该方案，可评估患者特异性血管中的血流情况，以回答与病理状态相关的其他问题，从而前所未有地获取假体、支架植入物及断裂支架的血流动力学信息。