Summary
वर्तमान प्रोटोकॉल पोर्सिन श्वासनली के तन्यता तनाव-विश्राम और विफलता गुणों को निर्धारित करता है। इस तरह के तरीकों के परिणाम श्वासनली के विस्कोइलास्टिक और विफलता थ्रेसहोल्ड की समझ में सुधार करने में मदद कर सकते हैं और फुफ्फुसीय प्रणाली के कम्प्यूटेशनल मॉडल की क्षमताओं को आगे बढ़ाने में मदद कर सकते हैं।
Abstract
श्वासनली के बायोमैकेनिकल गुण सीधे वायु प्रवाह को प्रभावित करते हैं और श्वसन प्रणाली के जैविक कार्य में योगदान करते हैं। इन गुणों को समझना इस ऊतक में चोट तंत्र को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। यह प्रोटोकॉल पोर्सिन श्वासनली के तनाव-विश्राम व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक प्रयोगात्मक दृष्टिकोण का वर्णन करता है जो 300 एस के लिए 0% या 10% तनाव तक पूर्व-फैला हुआ था, इसके बाद विफलता तक यांत्रिक तन्यता लोड हो रहा था। यह अध्ययन प्रायोगिक डिजाइन, डेटा अधिग्रहण, विश्लेषण और पोर्सिन श्वासनली बायोमैकेनिकल परीक्षण से प्रारंभिक परिणामों का विवरण प्रदान करता है। इस प्रोटोकॉल और डेटा विश्लेषण MATLAB कोड में प्रदान किए गए विस्तृत चरणों का उपयोग करते हुए, भविष्य के अध्ययन श्वासनली ऊतक के समय-निर्भर चिपचिपा व्यवहार की जांच कर सकते हैं, जो शारीरिक, रोग और दर्दनाक स्थितियों के दौरान इसकी बायोमैकेनिकल प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, श्वासनली के बायोमैकेनिकल व्यवहार का गहन अध्ययन संबंधित चिकित्सा उपकरणों जैसे एंडोट्रेचियल प्रत्यारोपण के डिजाइन में सुधार करने में गंभीर रूप से सहायता करेगा जो सर्जरी के दौरान व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।
Introduction
फुफ्फुसीय रोग में इसकी महत्वपूर्ण भूमिका के बावजूद, सबसे बड़ी वायुमार्ग संरचना, श्वासनली, इसके विस्कोइलास्टिक गुणों का विवरण देने वाले सीमित अध्ययन हैं1. श्वासनली के समय-निर्भर, विस्कोइलास्टिक व्यवहार की गहन समझ फुफ्फुसीय यांत्रिकी अनुसंधान के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि वायुमार्ग-विशिष्ट भौतिक गुणों को समझने से फुफ्फुसीय रोगों के लिए चोट की रोकथाम, निदान और नैदानिक हस्तक्षेप के विज्ञान को आगे बढ़ाने में मदद मिल सकती है, जो संयुक्त राज्य अमेरिका 2,3,4 में मृत्यु का तीसरा प्रमुख कारण है।
उपलब्ध ऊतक लक्षण वर्णन अध्ययनों ने श्वासनली 5,6,7,8 के कठोरता गुणों की सूचना दी है। ऊतक रीमॉडेलिंग में उनके महत्व के बावजूद समय-निर्भर यांत्रिक प्रतिक्रियाओं की न्यूनतम जांच की गई है, जिसे पैथोलॉजी 9,10 द्वारा भी बदल दिया गया है। इसके अलावा, समय-निर्भर प्रतिक्रिया डेटा की कमी फुफ्फुसीय यांत्रिकी कम्प्यूटेशनल मॉडल की भविष्य कहनेवाला क्षमताओं को भी सीमित करती है जो वर्तमान में जेनेरिक संवैधानिक कानूनों का उपयोग करने का सहारा लेते हैं। तनाव-विश्राम अध्ययन करके इस अंतर को संबोधित करने की आवश्यकता है जो श्वासनली के बायोफिजिकल अध्ययनों को सूचित करने के लिए आवश्यक भौतिक विशेषताओं को प्रदान कर सकता है। वर्तमान अध्ययन पोर्सिन श्वासनली के तनाव-विश्राम व्यवहार की जांच करने के लिए परीक्षण विधियों, डेटा अधिग्रहण और डेटा विश्लेषण का विवरण प्रदान करता है।
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Protocol
वर्णित सभी तरीकों को ड्रेक्सेल विश्वविद्यालय में संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समिति (आईएसीयूसी) द्वारा अनुमोदित किया गया था। सभी कैडेवरिक जानवरों को पेंसिल्वेनिया, यूएसए में स्थित संयुक्त राज्य अमेरिका के कृषि विभाग (यूएसडीए) द्वारा अनुमोदित खेत से अधिग्रहित किया गया था। वर्तमान अध्ययन के लिए एक नर यॉर्कशायर सुअर (3 सप्ताह पुराना) के शव का उपयोग किया गया था।
1. ऊतक फसल
- एक अनुमोदित खेत से एक सुअर का एक शव प्राप्त करें और इच्छामृत्यु से 2 घंटे के भीतर प्रयोग करें। ताजा ऊतक बायोमैकेनिकल गुणों को संरक्षित करने के लिए ऊतक फसल पूरी होने तक कैडेवर को बर्फ पर रखें।
नोट: प्रकाशित साहित्य में, जानवरों में ताजा ऊतक परीक्षण आमतौर पर इच्छामृत्यु के बाद 2 घंटे के भीतर किया जाता है। अधिक जानकारी के लिए, संदर्भ 11,12,13,14,15,16,17,18,19 देखें। - लापरवाह स्थिति में शव रखें, गर्दन के साथ एक ऊर्ध्वाधर मिडलाइन चीरा बनाएं, और थायरॉयड उपास्थि, क्रिकोइड उपास्थि और श्वासनली को हायोइड हड्डी से सुपरस्टर्नल पायदान तक उजागर करें।
- # 10 ब्लेड (चित्रा 1 ए) का उपयोग करके स्वरयंत्र और पूर्ण लंबाई श्वासनली की कटाई करें।
- श्वासनली के नमूने को स्वरयंत्र से अलग करें और फिर # 10 ब्लेड (चित्रा 1 बी) का उपयोग करके एक तरफ पूरी लंबाई के साथ श्वासनली ट्यूब को अनुदैर्ध्य रूप से काट लें।
- अधिग्रहित क्रॉस-अनुभागीय छवि का उपयोग करके श्वासनली की मोटाई को मापें (इमेजजे20 का उपयोग करके प्राप्त, सामग्री की तालिका देखें) (चित्रा 1 सी)। डेटा विश्लेषण के दौरान पार अनुभागीय क्षेत्र की गणना करने के लिए मापा ऊतक मोटाई का उपयोग करें।
- श्वासनली को लगभग 5 मिमी चौड़ी (समीपस्थ रूप से) और दो अनुदैर्ध्य स्ट्रिप्स में लगभग 5 मिमी चौड़ी (डिस्टली) में काटें, इन स्ट्रिप्स की न्यूनतम लंबाई 25 मिमी (चित्रा 1 डी) है।
- एक शासक के साथ चार नमूनों (यानी, कट श्वासनली स्ट्रिप्स) की छवियां प्राप्त करें। छवि जे (चित्रा 1 ई) का उपयोग कर नमूना चौड़ाई के डिजिटाइज्ड माप प्रदान करने के लिए इन छवियों का उपयोग करें। फिर, डेटा विश्लेषण के दौरान नमूने के क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र की गणना करने के लिए इस मापा चौड़ाई का उपयोग करें।
- सुनिश्चित करें कि सभी ऊतक के नमूने पूरे अध्ययन में बाँझ फॉस्फेट-बफर खारा (पीबीएस) समाधान का उपयोग करके हाइड्रेटेड रखे जाते हैं। परीक्षण के लिए तैयार होने तक नमूनों को पीबीएस-भिगोए गए धुंध में हाइड्रेटेड रखें। उचित जलयोजन के लिए परीक्षण से ठीक पहले पीबीएस में ऊतक विसर्जित करें।
2. बायोमैकेनिकल परीक्षण
- प्रत्येक नमूने को कस्टम-डिज़ाइन किए गए क्लैंप में संलग्न करें (पिछली रिपोर्ट 11,12,13,14,15,16,17,18,19 देखें) ताकि नमूना क्लैंप (चित्रा 1 एफ) के बीच अनुदैर्ध्य रूप से आयोजित किया जाए।
- ध्यान से क्लैंप (किसी भी खिंचाव को प्रेरित किए बिना) को एक सामग्री परीक्षण मशीन ( सामग्री की तालिका देखें) में ठीक करें, जिसमें शीर्ष एक्ट्यूएटर (चित्रा 1 जी) से जुड़ा 50 एन लोड सेल है।
- एक शासक का उपयोग करके पकड़-से-पकड़ (यानी, क्लैंप) दूरी को मापें। तनाव गणना के लिए प्रारंभिक ऊतक लंबाई के रूप में इस दूरी का उपयोग करें।
- 1% तनाव के लिए 1% / एस तनाव दर पर पांच बार प्रत्येक नमूने को लोड करके प्रीकंडीशनिंग करें।
- ऊतक के चिपचिपा तनाव-विश्राम प्रतिक्रिया की जांच करने के लिए 300 एस के लिए 0% या 10% के चरम बढ़ाव पर प्रत्येक नमूने को पकड़ो।
- तनाव-विश्राम परीक्षण के बाद, यांत्रिक विफलता होने तक ऊतक को तुरंत 1% /
- विफलता साइट का दस्तावेजीकरण करें और पुष्टि करें कि क्लैंप पोस्ट परीक्षण (चित्रा 1 एच) के भीतर नमूनों की उपस्थिति सुनिश्चित करके कोई पर्ची नहीं हुई है।
3. डेटा अधिग्रहण
- प्रीकंडीशनिंग के दौरान कोई डेटा प्राप्त न करें।
- कम से कम 30 फ्रेम / सेकंड पर किसी भी डिजिटल कैमरे का उपयोग करके तनाव-विश्राम और विफलता परीक्षण वीडियो रिकॉर्ड करें।
- तनाव-विश्राम और विफलता परीक्षण दोनों के दौरान 250 नमूनों / एस की नमूना दर पर डेटा अधिग्रहण सॉफ़्टवेयर (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके समय (ओं), लोड (एन), और विस्थापन (मिमी) डेटा प्राप्त करें।
- अधिग्रहीत डेटा को .csv फ़ाइल के रूप में सहेजें और चरण 4 में विस्तृत डेटा विश्लेषण के लिए इसका उपयोग करें।
- तनाव-विश्राम से पहले, तनाव-विश्राम के बाद, और विफलता के बाद (चित्रा 2) क्लैंप किए गए ऊतक की अभी भी छवियां प्राप्त करें।
4. डेटा विश्लेषण
- डेटा इनपुट
- मैटलैब डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर डाउनलोड और इंस्टॉल करें ( सामग्री की तालिका देखें), जिसमें "अनुकूलन" और "छवि प्रसंस्करण" टूलबॉक्स शामिल हैं।
- ज़िप्ड फ़ोल्डर (पूरक कोडिंग फ़ाइल 1) डाउनलोड करें, जिसमें मैटलैब कोड और एक नमूना डेटासेट शामिल है जिसका उपयोग डेटा विश्लेषण चरणों को समझाने के लिए किया जाएगा।
- डाउनलोड किए गए ज़िप्ड फ़ोल्डर पर नेविगेट करें और इसकी सामग्री निकालें।
- MATLAB खोलें और अनज़िप किए गए फ़ोल्डर को कार्यशील निर्देशिका के रूप में सेट करें। सुनिश्चित करें कि कार्यशील निर्देशिका में निम्न फ़ोल्डर और फ़ाइलें हैं जिन्हें नीचे दिए गए नोट में उल्लिखित के रूप में लेबल किया गया है। सुनिश्चित करें कि इस कार्यशील निर्देशिका में कोई अतिरिक्त फ़ोल्डर या फ़ाइलें मौजूद नहीं हैं क्योंकि वे कोड में हस्तक्षेप कर सकते हैं और परिणामस्वरूप कोई त्रुटि हो सकती है।
नोट: (1) विफलता (विश्राम के बाद), (2) विफलता केवल, (3) विश्राम, (4) calc_relax_failure, (5) main_relax_failure, (6) परीक्षणडेट्स.xlsx। - केवल विफलता फ़ोल्डर पर नेविगेट करें।
नोट: इस फ़ोल्डर के भीतर निहित डेटा इस अध्ययन में नियंत्रण समूह से प्राप्त होते हैं, अर्थात, श्वासनली के नमूनों से बायोमैकेनिकल डेटा जो 0% बढ़ाव के बाद यांत्रिक विफलता के अधीन थे। - निम्न फ़ाइल नामकरण सम्मेलन का उपयोग करके एक माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल में किसी विशेष तिथि पर परीक्षण किए गए नमूनों से डेटा संग्रहीत करें: mmddyy। उदाहरण के लिए, 30 अप्रैल, 2022 को परीक्षण किए गए सभी नियंत्रण समूह श्वासनली के नमूनों के डेटा को विफलता में संग्रहीत किया जाना चाहिए केवल | 043022.xlsx।
नोट: कृपया ध्यान दें कि, वर्तमान अध्ययन में, सभी बायोमैकेनिकल परीक्षण एक ही दिन में आयोजित किए गए थे; हालाँकि, यदि डेटा कई परीक्षण तिथियों से प्राप्त किया गया था, तो उन परीक्षण तिथियों में से प्रत्येक के लिए वर्णित कन्वेंशन में नामित एक नई माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल बनाएं। - विफलता केवल | खोलें 043022.xlsx और पहचानें कि कई वर्कशीट टैब हैं, जिनमें से प्रत्येक में इस विशेष तिथि पर यांत्रिक विफलता के अधीन प्रत्येक नमूने से कच्चा डेटा होता है, अर्थात, 30 अप्रैल, 2022।
- सुनिश्चित करें कि नमूनों को निम्नलिखित सम्मेलन का उपयोग करके लेबल किया गया है: [नमूना प्रकार]_[नमूना संख्या]_[पूर्व-खिंचाव तनाव स्तर डालें]%।
नोट: उदाहरण के लिए, वर्तमान अध्ययन में, नियंत्रण समूह श्वासनली के नमूनों को किसी भी पूर्व तनाव छूट के बिना अक्षीय या परिधीय लोडिंग के तहत यांत्रिक विफलता परीक्षण के अधीन किया गया था। इसलिए, इन नमूनों को निम्नलिखित प्रारूप में नामित किया गया है: क्रमशः TA_1_0% और TC_1_0%। 0% कोई पूर्व खिंचाव को दर्शाता है। हमारे प्रयोगात्मक समूह से श्वासनली के नमूने पहले विस्कोइलास्टिक तनाव विश्राम प्रतिक्रिया का मूल्यांकन करने के लिए 10% के अक्षीय या परिधीय लोडिंग के तहत निश्चित बढ़ाव पर आयोजित किए गए थे और फिर यांत्रिक विफलता के अधीन थे। इसलिए, इन नमूनों को निम्नलिखित प्रारूप में नामित किया गया है: TA_1_10% और TC_1_10% (कृपया क्रमशः अक्षीय और परिधीय लोडिंग स्थितियों का प्रतिनिधित्व करते हुए चरण 4.1.16 और चरण 4.1.23 देखें)। - कार्यपत्रक टैब TA_1_0% का चयन करें. सुनिश्चित करें कि कच्चे डेटा हेडर कॉलम को नीचे दिए गए नोट में बोल्ड में टाइप किए गए समान लेबल किया गया है।
नोट: (1) समय (सेकंड), (2) लोड (एन), (3) स्थिति (मिमी), (4) व्यास (मिमी) (चरण 1.7), (5) औसत क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र (मोटाई एक्स चौड़ाई, मिमी2) (चरण 1.5 और चरण 1.7 में प्राप्त), (6) प्रारंभिक लंबाई (मिमी) (चरण 2.3)। - वर्तमान माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल बंद करें, विफलता केवल | 043022.xlsx।
- डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर की कार्यशील निर्देशिका पर लौटें।
- विश्राम फ़ोल्डर पर नेविगेट करें।
नोट: इस फ़ोल्डर के भीतर निहित डेटा इस अध्ययन में प्रयोगात्मक समूह से प्राप्त होते हैं, अर्थात, श्वासनली के नमूनों से बायोमैकेनिकल डेटा जो 300 एस के लिए 10% के निश्चित बढ़ाव पर तनाव विश्राम परीक्षण के अधीन थे। - निम्नलिखित लेबलिंग कन्वेंशन का उपयोग करके एक माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल में किसी विशेष तिथि पर परीक्षण किए गए प्रयोगात्मक समूह नमूनों से डेटा स्टोर करें: mmddyy।
नोट: उदाहरण के लिए, 30 अप्रैल, 2022 को परीक्षण किए गए सभी प्रयोगात्मक समूह श्वासनली के नमूनों से डेटा को विश्राम | में संग्रहीत किया जाना चाहिए 043022.xlsx। अतिरिक्त विवरण के लिए चरण 4.1.6 में नोट देखें। - विश्राम | खोलें 043022.xlsx और पहचानें कि कई वर्कशीट टैब हैं, जिनमें से प्रत्येक में प्रयोगात्मक समूह में प्रत्येक नमूने से कच्चे लोड विश्राम डेटा होते हैं जो इस विशेष तिथि, यानी 30 अप्रैल, 2022 को परीक्षण किया गया था।
- रोकें और ध्यान दें कि प्रत्येक नमूने, जैसा कि इस माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल में शामिल वर्कशीट टैब द्वारा इंगित किया गया है, बाद में तन्यता यांत्रिक लोडिंग के तहत यांत्रिक विफलता के अधीन था।
नोट: मौजूद नमूनों में से प्रत्येक के लिए संगत विफलता डेटा विफलता (पोस्ट-विश्राम) फ़ोल्डर में संग्रहीत किया जाना चाहिए, आगे चरण 4.1.20 में वर्णित है। - सुनिश्चित करें कि नमूने चरण 4.1.8 में वर्णित सम्मेलन का उपयोग कर लेबल कर रहे हैं।
- वर्तमान Microsoft Excel फ़ाइल में पाए गए प्रत्येक कार्यपत्रक टैब के माध्यम से टॉगल करें और यह सुनिश्चित करने के लिए चरण 4.1.9 देखें कि किसी भी दिए गए कार्यपत्रक टैब द्वारा इंगित प्रत्येक नमूने के लिए कच्चा लोड विश्राम डेटा सही ढंग से स्वरूपित किया गया है।
- सहेजें और वर्तमान माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल बंद करें, विश्राम | 043022.xlsx।
- डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर की कार्यशील निर्देशिका पर लौटें।
- फ़ोल्डर विफलता (विश्राम के बाद) पर नेविगेट करें।
- सुनिश्चित करें कि एक ही दिनांक (ओं) के साथ एक माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल (फ़ाइलें) हैं (प्रत्येक परीक्षण दिनांक के अनुरूप माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइलों के नामकरण के बारे में विवरण के लिए चरण 4.1.6 देखें) जैसा कि फ़ोल्डर विश्राम में मौजूद है।
नोट: वर्तमान फ़ोल्डर के भीतर निहित डेटा, विफलता (पोस्ट-विश्राम), श्वासनली के नमूनों से संबंधित कच्चे यांत्रिक विफलता डेटा हैं जो 300 एस के लिए 10% के निश्चित बढ़ाव पर तनाव विश्राम परीक्षण के अधीन हैं। - खुली विफलता (विश्राम के बाद) | 043022.xlsx और कई वर्कशीट टैब को पहचानें, जिनमें से प्रत्येक में विश्राम | में मौजूद एक ही नमूने से कच्चे यांत्रिक विफलता डेटा शामिल हैं 043022.xlsx।
- सुनिश्चित करें कि नमूने चरण 4.1.8 में उल्लिखित सम्मेलन का उपयोग करके लेबल किए गए हैं और लेबल विश्राम में उन लोगों से मेल खाते हैं | 043022.xlsx।
नोट: उदाहरण के लिए, TA_1_10% के लिए वर्तमान माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल में डेटा अक्षीय लोडिंग के तहत श्वासनली नमूना # 1 के लिए कच्चे यांत्रिक विफलता डेटा का प्रतिनिधित्व करता है जो पहले 300 एस के लिए 10% निश्चित बढ़ाव पर तनाव विश्राम परीक्षण से गुजरता था। - प्रत्येक कार्यपत्रक टैब के माध्यम से टॉगल करें और यह सुनिश्चित करने के लिए चरण 4.1.9 देखें कि प्रत्येक नमूने के लिए कच्चे यांत्रिक विफलता डेटा के लिए शीर्ष लेख स्तंभ सही ढंग से स्वरूपित है।
- वर्तमान माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल, विफलता (विश्राम के बाद) बंद करें | 043022.xlsx।
- डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर की कार्यशील निर्देशिका पर लौटें।
- लागू के रूप में अतिरिक्त परीक्षण दिनांक के लिए चरण 4.1.5-4.1.26 दोहराएँ।
- माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल खोलें, परीक्षणडेट्स.xlsx, जो उपयोगकर्ता-निर्दिष्ट परीक्षण तिथियों का विश्लेषण करने के लिए कोड को निर्देशित करेगा।
- निम्नलिखित प्रारूप में पहले कॉलम में परीक्षण तिथियों को सूचीबद्ध करें: मिमी /
- दूसरे कॉलम में, वाई (हां के लिए) या एन (नहीं के लिए) का उपयोग करके इंगित करें कि क्या इस विशेष परीक्षण तिथि पर कोई भी नमूना प्रयोगात्मक (यांत्रिक विफलता के बाद तनाव छूट) समूह से था।
- तीसरे कॉलम में, वाई (हां के लिए) या एन (नहीं के लिए) का उपयोग करके इंगित करें कि क्या इस विशेष परीक्षण तिथि पर कोई भी नमूना नियंत्रण (प्रत्यक्ष यांत्रिक विफलता) समूह से था।
- अतिरिक्त परीक्षण दिनांक के लिए चरण 4.1.29-4.1.31 दोहराएँ।
- वर्तमान माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल सहेजें और बंद करें, परीक्षणडेट्स.xlsx।
- डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर की कार्यशील निर्देशिका पर लौटें।
- मुख्य स्क्रिप्ट फ़ाइल खोलें, main_relax_failure.
- कोड चलाने के लिए सॉफ़्टवेयर इंटरफ़ेस पर बड़े, हरे तीर का चयन करें। वैकल्पिक रूप से, कमांड विंडो में main_calc_relax चलाएँ टाइप करें।
- संकेत दिए जाने पर, इनपुट अल्पविराम-अलग-अलग निश्चित बढ़ाव स्तर (% में) विभिन्न प्रयोगात्मक समूहों के लिए और ठीक दबाएं।
नोट: वर्तमान अध्ययन में, केवल एक तनाव विश्राम बढ़ाव का उपयोग किया गया था, अर्थात, 10 दर्ज करें। नियंत्रण समूह के लिए 0% शामिल न करें. हालाँकि, यदि डेटा कई बढ़ावों से प्राप्त किया गया था, उदाहरण के लिए 10% और 20%, तो 10,20 दर्ज करें। - संकेत दिए जाने पर, विभिन्न प्रयोगात्मक समूहों के लिए इनपुट अल्पविराम-अलग तनाव-विश्राम परीक्षण अवधि (सेकंड में) और ठीक दबाएं।
नोट: वर्तमान अध्ययन में, श्वासनली के नमूने 300 एस के लिए निश्चित बढ़ाव पर आयोजित किए गए थे और इसलिए, इनपुट 300। हालांकि, यदि डेटा कई तनाव विश्राम अवधि से प्राप्त किया गया था, उदाहरण के लिए 90 एस और 300 एस, तो 90,300 दर्ज करें।
- विस्कोइलास्टिक तनाव विश्राम प्रतिक्रिया
- कोड (main_relax_failure.मी) का उपयोग करके, लोड-टाइम डेटा (कोड लाइन 144) को निम्नलिखित समीकरण19 का उपयोग करके नाममात्र तनाव-समय डेटा में परिवर्तित करें:
, जहां σ तनाव का प्रतिनिधित्व करता है (मेगा पास्कल्स [एमपीए]), एफ परिधीय या अक्षीय लोड का प्रतिनिधित्व करता है (न्यूटन [एन]), और ए0 प्रारंभिक क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (मिलीमीटर वर्ग [मिमी2]) का प्रतिनिधित्व करता है। - कोड (main_relax_failure का उपयोग करके, 300 एस विश्राम परीक्षण की शुरुआत में नमूने पर 10% निश्चित बढ़ाव के आवेदन के जवाब में पीक लोड और तनाव परिमाण (कोड लाइन्स 138 और 146) निर्धारित करें।
नोट: इन मूल्यों को इसके बाद क्रमशः प्रारंभिक शिखर भार और प्रारंभिक शिखर तनाव कहा जाता है। - कोड (main_relax_failure) का उपयोग करके, निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके 300 एस (कोड लाइन्स 141 और 149) पर तनाव (या लोड) में प्रतिशत कमी की गणना करें:
, जहां रेल% विश्राम प्रतिशत का प्रतिनिधित्व करता है, σ (0+) प्रारंभिक शिखर तनाव (या प्रारंभिक शिखर भार) का प्रतिनिधित्व करता है, और σ (300) 300 एस से अधिक विश्राम के बाद रिकॉर्ड किए गए तनाव (या लोड) स्तर का प्रतिनिधित्व करता है। - दो-अवधि प्रोनी श्रृंखला घातीय क्षय मॉडल का उपयोग करके विस्कोइलास्टिक तनाव विश्राम प्रतिक्रिया (कोड लाइन्स 152-161) मॉडलिंग के लिए कोड (main_relax_failure) देखें। इस मॉडल का उपयोग आमतौर पर विभिन्न जैविक ऊतकों के विस्कोइलास्टिक व्यवहार का वर्णन करने के लिए किया जाता है, जिसमें विभिन्न कार्टिलाजिनस वायुमार्ग स्तर (श्वासनली, बड़ी ब्रांकाई और छोटी ब्रांकाई) 21,22 शामिल हैं।
नोट: परिकलित तनाव मान [σ (टी)] निम्नलिखित कम विश्राम फ़ंक्शन का उत्पादन करने के लिए सामान्यीकृत हैं:
और जी (0) = 1। विस्कोइलास्टिक तनाव-विश्राम प्रतिक्रियाओं की तुलना करने के लिए, जी (टी) को गैर-रेखीय कम से कम वर्ग प्रतिगमन का उपयोग करके वक्र-फिट किया जाता है: 
, जहां टी तनाव विश्राम पकड़ के दौरान का समय है, जी विश्राम गुणांक है, ω1 और ω2 और विश्राम समय (सेकंड में) को इंगित करता है जो क्रमशः ऊतक के लघु- (प्रारंभिक) और दीर्घकालिक (संतुलन) व्यवहार का वर्णन करता है।
- कोड (main_relax_failure.मी) का उपयोग करके, लोड-टाइम डेटा (कोड लाइन 144) को निम्नलिखित समीकरण19 का उपयोग करके नाममात्र तनाव-समय डेटा में परिवर्तित करें:
- यांत्रिक विफलता प्रतिक्रिया
- नीचे दिए गए नोट में उल्लिखित समीकरणों का उपयोग करके तन्यता परीक्षण मशीन द्वारा दर्ज लोड-विस्थापन डेटा (कोड लाइन्स 143-144) को नाममात्र तनाव-तनाव डेटा में परिवर्तित करने के लिए कोड (main_relax_failure) का उपयोग करें।
नोट:, जहां σ नाममात्र तनाव (एमपीए) का प्रतिनिधित्व करता है, एफ परिधीय या अक्षीय भार (एन) का प्रतिनिधित्व करता है, और ए0 प्रारंभिक क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (मिमी2) का प्रतिनिधित्व करता है; 
, जहां 
परिणामी तनाव का प्रतिनिधित्व करता है, ΔL विस्थापन का प्रतिनिधित्व करता है, और L0 नमूने की प्रारंभिक लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है। तनाव विश्राम पकड़ के बाद विफलता तन्यता परीक्षण के अधीन नमूनों के लिए, एल0 ऊतक की पूर्व-फैली हुई लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है। उदाहरण के लिए, नमूना 3 (8 मिमी की प्रारंभिक लंबाई) 10% तक पूर्व-विस्तारित था, और इसलिए, एल0 को परिणामी तनाव मूल्यों19 की गणना के लिए 8.8 मिमी माना जाता था। - अधिकतम लोड (यानी, विफलता लोड) और इसी विफलता विस्थापन, साथ ही अधिकतम तनाव (यानी, विफलता तनाव) और संबंधित विफलता तनाव (कोड लाइन्स 33 और 61-63) की पहचान करने के लिए फ़ंक्शन (calc_relax_failure) का उपयोग करें।
- विफलता लोड (पंक्ति 34) के बाद लोड-विस्थापन डेटा को छोड़ने के लिए फ़ंक्शन (calc_relax_failure.m) का उपयोग करें।
- लोड-विस्थापन वक्र को प्लॉट करने के लिए फ़ंक्शन (calc_relax_failure) का उपयोग करें और संकेत दिए जाने पर, ऊतक कठोरता (एन / मिमी) (कोड लाइन्स 37-58) का अनुमान लगाने के लिए वक्र के रैखिक क्षेत्र में मैन्युअल रूप से दो बिंदुओं का चयन करें।
नोट: चूंकि लोड-विस्थापन वक्र को क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र और तनाव-तनाव वक्र उत्पन्न करने के लिए नमूने की प्रारंभिक लंबाई द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है, इसलिए कोड लोड-विस्थापन वक्र से उपयोगकर्ता-चयनित एक्स- और वाई- निर्देशांक का उपयोग करता है ताकि निम्नलिखित समीकरण19 का उपयोग करके लोच (एमपीए) के मापांक की गणना की जा सके:
, जहां ई लोच के मापांक का प्रतिनिधित्व करता है, एक्स और वाई चयनित निर्देशांक का प्रतिनिधित्व करते हैं ए0 क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है, एल0 यांत्रिक विफलता की शुरुआत में नमूने की लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है, और Δδ और Δ क्रमशः विफलता प्रतिक्रिया के रैखिक क्षेत्र पर तनाव और तनाव में परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं। - प्रत्येक नमूने के लिए चरण 4.3.4 दोहराएँ।
- नीचे दिए गए नोट में उल्लिखित समीकरणों का उपयोग करके तन्यता परीक्षण मशीन द्वारा दर्ज लोड-विस्थापन डेटा (कोड लाइन्स 143-144) को नाममात्र तनाव-तनाव डेटा में परिवर्तित करने के लिए कोड (main_relax_failure) का उपयोग करें।
- डेटा आउटपुट
- एक बार कोड सफलतापूर्वक चलाने के बाद, सुनिश्चित करें कि गणना किए गए परिणाम डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर की कार्यशील निर्देशिका में निम्नलिखित नामकरण सम्मेलन में माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल फ़ाइल के रूप में उपलब्ध हैं: relax_failure_results_mmddyy.xlsx, जहां कोड चलाने की तारीख से एमएमडीडीवाई को बदल दिया जाएगा।
, जहां σ तनाव का प्रतिनिधित्व करता है (मेगा पास्कल्स [एमपीए]), एफ परिधीय या अक्षीय लोड का प्रतिनिधित्व करता है (न्यूटन [एन]), और ए0 प्रारंभिक क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (मिलीमीटर वर्ग [मिमी2]) का प्रतिनिधित्व करता है।
, जहां रेल% विश्राम प्रतिशत का प्रतिनिधित्व करता है, σ (0+) प्रारंभिक शिखर तनाव (या प्रारंभिक शिखर भार) का प्रतिनिधित्व करता है, और σ (300) 300 एस से अधिक विश्राम के बाद रिकॉर्ड किए गए तनाव (या लोड) स्तर का प्रतिनिधित्व करता है।
और जी (0) = 1। विस्कोइलास्टिक तनाव-विश्राम प्रतिक्रियाओं की तुलना करने के लिए, जी (टी) को गैर-रेखीय कम से कम वर्ग प्रतिगमन का उपयोग करके वक्र-फिट किया जाता है: 
, जहां टी तनाव विश्राम पकड़ के दौरान का समय है, जी विश्राम गुणांक है, ω1 और ω2 और विश्राम समय (सेकंड में) को इंगित करता है जो क्रमशः ऊतक के लघु- (प्रारंभिक) और दीर्घकालिक (संतुलन) व्यवहार का वर्णन करता है।
, जहां 
परिणामी तनाव का प्रतिनिधित्व करता है, ΔL विस्थापन का प्रतिनिधित्व करता है, और L0 नमूने की प्रारंभिक लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है। तनाव विश्राम पकड़ के बाद विफलता तन्यता परीक्षण के अधीन नमूनों के लिए, एल0 ऊतक की पूर्व-फैली हुई लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है। उदाहरण के लिए, नमूना 3 (8 मिमी की प्रारंभिक लंबाई) 10% तक पूर्व-विस्तारित था, और इसलिए, एल0 को परिणामी तनाव मूल्यों19 की गणना के लिए 8.8 मिमी माना जाता था।
, जहां ई लोच के मापांक का प्रतिनिधित्व करता है, एक्स और वाई चयनित निर्देशांक का प्रतिनिधित्व करते हैं ए0 क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है, एल0 यांत्रिक विफलता की शुरुआत में नमूने की लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है, और Δδ और ΔSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
चित्रा 1 क्लैंपिंग साइट के पास असफल ऊतक और क्लैंप के भीतर ऊतक की उपस्थिति को दर्शाता है, तन्यता परीक्षण के दौरान कोई पर्ची की पुष्टि नहीं करता है। चित्रा 2 विभिन्न विफलता साइटों को इंगित करता है, जिसमें ऊपर या नीचे क्लैंपिंग साइटें या ऊतक की लंबाई शामिल है, जो परीक्षण किए गए नमूनों के बीच तन्यता परीक्षण के दौरान देखी गई थीं। डेटा विश्लेषण परिणामों को चित्र 3-4 और तालिका 1-2 में संक्षेप ति किया गया है। 10% तनाव के लिए अक्षीय या परिधीय पूर्व खिंचाव के बाद श्वासनली के नमूनों के लिए तनाव विश्राम प्रतिक्रियाओं चित्रा 3 में दिखाया गया है। प्रारंभिक शिखर भार और तनाव, 300 एस होल्ड पर तनाव में प्रतिशत कमी, और 2-टर्म प्रोनी श्रृंखला विश्राम फ़ंक्शन में समय स्थिरांक, टी 1 और टी 2, इन विश्राम घटता से गणना की गई थी। इन विस्कोइलास्टिक मापदंडों को तालिका 1 में शामिल किया गया है। कोई पूर्व खिंचाव या 10% पूर्व खिंचाव के बाद अक्षीय या परिधीय भार के तहत विफलता परीक्षण के अधीन श्वासनली नमूने के तनाव तनाव प्रतिक्रियाओं चित्रा 4 में दिखाया गया है। इन घटता से, विफलता तनाव और इसी विफलता तनाव, साथ ही लोच के मापांक, निर्धारित किए गए थे और तालिका 2 में सूचीबद्ध हैं।
प्रारंभिक परीक्षणों ने श्वासनली ऊतक के तनाव-विश्राम प्रतिक्रियाओं की सफलतापूर्वक विशेषता बताई। इन प्रारंभिक प्रयोगों में, 10% पूर्व-खिंचाव तनाव-विश्राम प्रतिक्रिया ने प्रारंभिक शिखर तनाव को अक्षीय लोडिंग दिशाओं में अधिक होने की सूचना दी, जबकि अक्षीय लोडिंग दिशा (तालिका 1) की तुलना में परिधीय लोडिंग दिशा में तनाव में प्रतिशत कमी अधिक थी। विश्राम समय (τ1 और ω 2 जो ऊतकके लघु- [प्रारंभिक] और दीर्घकालिक [संतुलन] व्यवहार का वर्णन करते हैं) अक्षीय लोडिंग दिशा में भी अधिक थे, जब एक ही 10% पूर्व-खिंचाव समूह के लिए परिधीय लोडिंग दिशा की तुलना में। विफलता डेटा की तुलना करते समय, विफलता तनाव और ई मान 0% और 10% पूर्व-खिंचाव समूहों दोनों में परिधीय लोडिंग दिशाओं में अधिक थे, जबकि अक्षीय लोडिंग दिशाओं में रिपोर्ट की गई विफलता तनाव अधिक था (तालिका 2)। ये प्रारंभिक निष्कर्ष अक्षीय या परिधीय दोनों तरह से तन्यता लोडिंग स्थितियों में अपने तनाव-विश्राम प्रतिक्रियाओं को बेहतर ढंग से समझने के लिए श्वासनली ऊतक में तनाव-विश्राम और विफलता प्रतिक्रियाओं को आगे बढ़ाने के लिए अतिरिक्त प्रयोगों की गारंटी देते हैं। इस प्रोटोकॉल में उल्लिखित चरण इस लक्ष्य को पूरा करने में मदद कर सकते हैं।
चित्र 1: ऊतक संचयन और यांत्रिक परीक्षण विवरण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 2: विफलता साइटों. नमूना विफलता साइटों के रूप में पीले तीर द्वारा संकेत दिया. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3: श्वासनली के नमूनों के 300 एस पकड़ पर तनाव विश्राम प्रतिक्रिया 10% तनाव तक पूर्व-फैली हुई है( ए) अक्षीय या (बी) परिधीय लोडिंग (एन = 1 प्रति लोडिंग स्थिति)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 4: अक्षीय या परिधीय लोडिंग के तहत श्वासनली के नमूनों की विफलता परीक्षण के लिए तनाव-तनाव प्रतिक्रियाएं बिना किसी पूर्व-खिंचाव या 10% पूर्व-खिंचाव (एन = 1 प्रति लोडिंग स्थिति) के बाद। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
| नमूना | प्री-स्ट्रेच स्ट्रेन | ओरिएंटेशन लोड हो रहा है | प्रारंभिक पीक लोड (एन) | प्रारंभिक पीक तनाव (एमपीए) | तनाव में % कमी | ω1 (रों) | ω2 (रों) | समायोजित आर2 (%) | |
| 3 | 10% | अक्षीय | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 | |
| 4 | परिधि | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 | ||
तालिका 1: 300 एस के लिए तनाव छूट से गुजरने के लिए 10% तनाव के पूर्व खिंचाव के अधीन श्वासनली के नमूनों के लिए मापा और गणना तनाव विश्राम पैरामीटर मूल्यों।
| नमूना | प्री-स्ट्रेच स्ट्रेन | ओरिएंटेशन लोड हो रहा है | विफलता तनाव (एमपीए) | विफलता तनाव | लोच का मापांक (एमपीए) |
| 3 | 10% | अक्षीय | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | परिधि | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0% (विफलता केवल) | अक्षीय | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | परिधि | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
तालिका 2: विभिन्न प्रयोगात्मक समूहों के तहत श्वासनली के नमूनों की विफलता प्रतिक्रियाएं।
पूरक कोडिंग फ़ाइल 1: श्वासनली के तनाव-विश्राम व्यवहार का अध्ययन करने के लिए कस्टम कोड। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.
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Discussion
बहुत कम अध्ययनों ने श्वासनली21,23 के तनाव-विश्राम गुणों की सूचना दी है। श्वासनली ऊतक के समय-निर्भर प्रतिक्रियाओं की हमारी समझ को और मजबूत करने के लिए अध्ययन की आवश्यकता है। यह अध्ययन इस तरह की जांच करने के लिए विस्तृत कदम प्रदान करता है; हालांकि, प्रोटोकॉल के भीतर निम्नलिखित महत्वपूर्ण कदम विश्वसनीय परीक्षण के लिए सुनिश्चित किया जाना चाहिए: (1) उचित ऊतक जलयोजन, (2) परिधीय और अनुदैर्ध्य नमूनों में समान ऊतक-प्रकार (कार्टिलाजिनस रिंग्स और मांसपेशियों की संख्या) वितरण, (3) पूर्व-खिंचाव के बिना नमूने की क्लैंपिंग, (4) क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र का अनुमान लगाने के लिए नमूना मोटाई और चौड़ाई का उपयोग करना जो बायोमैकेनिकल तन्यता परीक्षण के दौरान ऊतक तनाव की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है, (5) ऊतक नमूने की उचित क्लैंपिंग, 6) तन्यता परीक्षण के लिए 1% / एस की तनाव दर इनपुट करने के लिए क्लैंप किए गए नमूने की गेज लंबाई का उपयोग करना, और (7) परीक्षण के बाद क्लैंप में ऊतक की उपस्थिति के साथ कोई फिसलन की पुष्टि करना। साथ ही, समस्या निवारण परीक्षण डिवाइस नियंत्रक के साथ संचार को पुन: स्थापित करने के लिए डेटा अधिग्रहण सॉफ़्टवेयर को पुनरारंभ करने की आवश्यकता हो सकती है।
वर्तमान अध्ययन श्वासनली के तनाव-विश्राम व्यवहार का अध्ययन करने के लिए बनाए गए परीक्षण विधियों, डेटा विश्लेषण और कस्टम मैटलैब कोड (पूरक कोडिंग फ़ाइल 1) का विस्तृत विवरण भी प्रदान करता है। कोई भी पूर्व अध्ययन इस तरह की व्यापक जानकारी प्रदान नहीं करता है। इसके अलावा, शैक्षिक मोर्चे पर, वर्तमान अध्ययन में वर्णित विधियों को पारंपरिक और आभासी वास्तविकता प्रारूपों24,25,26,27 दोनों में इंजीनियरिंग पाठ्यक्रमों में तनाव-विश्राम प्रयोगशालाओं के लिए एक शिक्षण मॉड्यूल के रूप में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।
श्वासनली और अन्य नरम ऊतक पर वर्तमान में उपलब्ध तनाव-विश्राम अध्ययन दो-अवधि प्रोनी श्रृंखला 28,29,30 के विश्राम समारोह को फिट करते हैं। वर्तमान अध्ययन भी इस फ़ंक्शन का उपयोग करता है; हालाँकि, भविष्य के अध्ययन विस्कोइलास्टिक व्यवहार को चिह्नित करने के लिए अर्ध-रैखिक विस्कोइलास्टिक मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग करके अपनी जांच का विस्तार कर सकते हैं। इस तरह के अध्ययन न केवल वायुमार्ग बायोमैकेनिक्स का एक मजबूत भविष्य कहनेवाला कम्प्यूटेशनल मॉडल बनाने में मदद करेंगे, बल्कि वायुमार्ग स्टेंट जैसे प्रत्यारोपण को डिजाइन करने में भी मदद करेंगे जिनके लिए प्रदर्शन परीक्षण के लिए ऊतक सामग्री गुणों की आवश्यकता होती है।
अंत में, इस अध्ययन में वर्णित विधियों का उपयोग न केवल श्वासनली के तनाव-विश्राम व्यवहार पर उम्र और प्रजातियों के प्रभावों का आकलन करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि अन्य नरम और कठोर ऊतक जैसे स्नायुबंधन, इंटरवर्टेब्रल डिस्क और हड्डियों पर भी लागू किया जा सकता है। इस तरह के विस्कोइलास्टिक डेटा को मौजूदा उच्च-निष्ठा परिमित तत्व कम्प्यूटेशनल मॉडल31,32,33 में सुधार करने के लिए एकीकृत किया जा सकता है।
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Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
इस प्रकाशन में रिपोर्ट किए गए शोध को पुरस्कार संख्या आर 15 एचडी 0 9 3024 और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन कैरियर पुरस्कार संख्या 1752513 के तहत राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान के यूनिस कैनेडी श्राइवर नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ चाइल्ड हेल्थ एंड ह्यूमन डेवलपमेंट द्वारा समर्थित किया गया था।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software - MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
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