Summary
Mevcut protokol domuz trakealarının gerilme stresi-gevşeme ve başarısızlık özelliklerini belirlemektedir. Bu tür yöntemlerden elde edilen sonuçlar, trakeanın viskoelastik ve başarısızlık eşiklerinin anlaşılmasını iyileştirmeye ve pulmoner sistemin hesaplamalı modellerinin yeteneklerini geliştirmeye yardımcı olabilir.
Abstract
Trakeanın biyomekanik özellikleri hava akışını doğrudan etkiler ve solunum sisteminin biyolojik fonksiyonuna katkıda bulunur. Bu özellikleri anlamak, bu dokudaki yaralanma mekanizmasını anlamak için kritik öneme sahiptir. Bu protokol, domuz trakeasının 300 s için% 0 veya% 10 gerinime önceden gerilmiş stres gevşeme davranışını incelemek için deneysel bir yaklaşımı açıklar, ardından arızaya kadar mekanik çekme yüklemesi yapılır. Bu çalışma, deneysel tasarım, veri toplama, analizler ve domuz trakea biyomekanik testinden elde edilen ön sonuçların ayrıntılarını sunmaktadır. Bu protokolde sağlanan ayrıntılı adımları ve veri analizi MATLAB kodunu kullanarak, gelecekteki çalışmalar trakea dokusunun fizyolojik, patolojik ve travmatik durumlar sırasında biyomekanik tepkilerini anlamak için kritik olan zamana bağlı viskoelastik davranışını araştırabilir. Ayrıca, trakeanın biyomekanik davranışının derinlemesine incelenmesi, ameliyatlar sırasında yaygın olarak kullanılan endotrakeal implantlar gibi ilgili tıbbi cihazların tasarımının iyileştirilmesinde kritik öneme sahip olacaktır.
Introduction
Akciğer hastalığındaki kritik rolüne rağmen, en büyük hava yolu yapısı olan trakea, viskoelastik özelliklerini detaylandıran sınırlıçalışmalara sahiptir 1. Trakeanın zamana bağlı, viskoelastik davranışının derinlemesine anlaşılması, pulmoner mekanik araştırmaları için kritik öneme sahiptir, çünkü hava yoluna özgü malzeme özelliklerinin anlaşılması, Amerika Birleşik Devletleri'nde üçüncü önde gelen ölüm nedeni olan akciğer hastalıkları için yaralanma önleme, teşhis ve klinik müdahale biliminin ilerlemesine yardımcı olabilir 2,3,4.
Mevcut doku karakterizasyon çalışmaları trakeanın sertlik özelliklerini bildirmiştir 5,6,7,8. Zamana bağlı mekanik yanıtlar, patoloji 9,10 tarafından da değiştirilen doku yeniden şekillenmesindeki önemine rağmen minimal düzeyde araştırılmıştır. Dahası, zamana bağlı yanıt verilerinin eksikliği, şu anda genel kurucu yasaları kullanmaya başvuran pulmoner mekanik hesaplama modellerinin öngörücü yeteneklerini de sınırlar. Trakeanın biyofiziksel çalışmalarını bilgilendirmek için gerekli materyal özelliklerini sağlayabilecek stres-gevşeme çalışmaları yaparak bu boşluğu gidermeye ihtiyaç vardır. Bu çalışma, domuz trakeasının stres-gevşeme davranışını araştırmak için test yöntemleri, veri toplama ve veri analizlerinin ayrıntılarını sunmaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Açıklanan tüm yöntemler, Drexel Üniversitesi'ndeki Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır. Tüm kadavra hayvanları, ABD'nin Pensilvanya eyaletinde bulunan Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı (USDA) onaylı bir çiftlikten satın alınmıştır. Bu çalışma için erkek Yorkshire domuzundan (3 haftalık) bir kadavra kullanılmıştır.
1. Doku hasadı
- Onaylanmış bir çiftlikten bir domuz kadavrası edinin ve deneyleri ötenaziden 2 saat içinde gerçekleştirin. Taze doku biyomekanik özelliklerinin korunmasını sağlamak için doku hasadı tamamlanana kadar kadavrayı buz üzerinde tutun.
NOT: Yayınlanan literatürde, hayvanlarda taze doku testi genellikle ötenazi sonrası 2 saat içinde gerçekleştirilir. Ayrıntılar içinbkz: referanslar 11,12,13,14,15,16,17,18,19. - Kadavrayı sırtüstü pozisyona yerleştirin, boyun boyunca dikey bir orta hat kesisi yapın ve tiroid kıkırdağı, krikoid kıkırdak ve trakeayı hyoid kemikten suprasternal çentiğin üzerine maruz bırakın.
- Gırtlak ve tam boy trakeayı #10 bıçak kullanarak toplayın (Şekil 1A).
- Trakea örneğini larinksten ayırın ve ardından trakea tüpünü #10 bıçağı kullanarak bir taraftaki tüm uzunluk boyunca uzunlamasına kesin (Şekil 1B).
- Elde edilen kesitsel görüntüyü kullanarak trakeanın kalınlığını ölçün (ImageJ20 kullanılarak elde edildi, bkz. Veri analizi sırasında kesit alanını hesaplamak için ölçülen doku kalınlığını kullanın.
- Trakeayı yaklaşık 5 mm genişliğinde (proksimal olarak) iki çevresel şerit ve yaklaşık 5 mm genişliğinde (distal olarak) iki uzunlamasına şerit halinde kesin, bu şeritlerin minimum uzunluğu 25 mm'dir (Şekil 1D).
- Bir cetvelin yanındaki dört numunenin (yani, kesilmiş trakea şeritlerinin) görüntülerini elde edin. Resim J kullanılarak örneklem genişliğinin sayısallaştırılmış ölçümlerini sağlamak için bu görüntüleri kullanın (Şekil 1E). Ardından, veri analizi sırasında numunenin kesit alanını hesaplamak için bu ölçülen genişliği kullanın.
- Çalışma boyunca tüm doku örneklerinin steril fosfat tamponlu salin (PBS) çözeltisi kullanılarak hidratlanmış halde tutulduğundan emin olun. Numuneleri teste hazır olana kadar PBS ile ıslatılmış gazlı bez içinde nemlendirilmiş halde tutun. Uygun hidrasyon için test etmeden hemen önce dokuyu PBS'ye batırın.
2. Biyomekanik test
- Her numuneyi özel olarak tasarlanmış bir kelepçeye takın (önceki raporlar 11,12,13,14,15,16,17,18,19), böylece numune kelepçeler arasında uzunlamasına tutulur (Şekil 1F).
- Kelepçeleri (herhangi bir gerilmeye neden olmadan) üst aktüatöre bağlı 50 N yük hücresine sahip bir malzeme test makinesine (bkz. Malzeme Tablosu) dikkatlice sabitleyin (Şekil 1G).
- Bir cetvel kullanarak kavrama-kavrama (yani kelepçe) mesafesini ölçün. Bu mesafeyi gerinim hesaplamaları için ilk doku uzunluğu olarak kullanın.
- Her numuneyi %1/s gerinim oranında %1 gerinim oranına kadar beş kez çekerek ön koşullandırma gerçekleştirin.
- Dokunun viskoelastik stres-gevşeme tepkisini araştırmak için her numuneyi 300 s boyunca% 0 veya% 10'luk pik uzamada tutun.
- Stres gevşeme testinden sonra, mekanik arıza meydana gelene kadar dokuyu hemen% 1 / s'de gerin.
- Arıza bölgesini belgeleyin ve test sonrası kelepçeler içindeki numunelerin varlığından emin olarak kayma meydana gelmediğini onaylayın (Şekil 1H).
3. Veri toplama
- Ön koşullandırma sırasında herhangi bir veri elde etmeyin.
- Herhangi bir dijital kamerayı kullanarak stres gevşeme ve arıza testi videolarını en az 30 kare / sn hızında kaydedin.
- Hem stres gevşetme hem de arıza testi sırasında 250 numune/ sn'lik bir örnekleme hızında bir veri toplama yazılımı kullanarak zaman (s), yük (N) ve yer değiştirme (mm) verilerini elde edin (bkz.
- Alınan verileri .csv dosyası olarak kaydedin ve adım 4'te ayrıntılı olarak açıklandığı gibi veri analizi için kullanın.
- Stres-gevşemeden önce, stres-gevşemeden sonra ve başarısızlıktan sonra kelepçelenmiş dokunun hareketsiz görüntülerini elde edin (Şekil 2).
4. Veri analizi
- Veri girişi
- " Optimizasyon" ve "Görüntü İşleme" araç kutuları dahil olmak üzere MATLAB veri analizi yazılımını indirin ve yükleyin.
- MATLAB kodlarını ve veri çözümleme adımlarını açıklamak için kullanılacak örnek bir veri kümesini içeren sıkıştırılmış klasörü (Ek Kodlama Dosyası 1) indirin.
- İndirilen sıkıştırılmış klasöre gidin ve içeriğini ayıklayın.
- MATLAB'ı açın ve sıkıştırılmamış klasörü çalışma dizini olarak ayarlayın. Çalışma dizininde aşağıdaki notta belirtildiği gibi etiketlenmiş aşağıdaki klasörlerin ve dosyaların bulunduğundan emin olun. Bu çalışma dizininde ek klasör veya dosya bulunmadığından emin olun, çünkü bunlar koda müdahale edebilir ve hataya neden olabilir.
NOT: (1) Hata (Rahatlama Sonrası), (2) Yalnızca Hata, (3) Gevşeme, (4) calc_relax_failure, (5) main_relax_failure, (6) Test Tarihleri.xlsx. - Yalnızca Hata klasörüne gidin.
NOT: Bu klasörde yer alan veriler, bu çalışmadaki kontrol grubundan, yani %0'lık bir uzama sonrasında mekanik arızaya maruz kalan trakea örneklerinden alınan biyomekanik verilerden türetilmiştir. - Belirli bir tarihte test edilen örneklerdeki verileri, aşağıdaki dosya adlandırma kuralını kullanarak tek bir Microsoft Excel dosyasında depolayın: mmddyy. Örneğin, 30 Nisan 2022'de test edilen tüm kontrol grubu trakea örneklerinden elde edilen veriler, Yalnızca Hata | 043022.xlsx.
NOT: Mevcut çalışmada, tüm biyomekanik testlerin tek bir günde yapıldığını lütfen unutmayın; ancak, veriler birden çok test tarihinden türetilmişse, bu test tarihlerinin her biri için açıklanan kuralda adlandırılmış yeni bir Microsoft Excel dosyası oluşturun. - Yalnızca Hatayı Aç | 043022.xlsx ve her biri bu belirli tarihte, yani 30 Nisan 2022'de mekanik arızaya maruz kalan her numunenin ham verilerini içeren birden fazla çalışma sayfası sekmesi olduğunu kabul edin.
- Numunelerin aşağıdaki kural kullanılarak etiketlendiğinden emin olun: [numune türü]_[ numune numarası]_[gerilme öncesi gerinim seviyesini ekleyin]%.
NOT: Örneğin, mevcut çalışmada, kontrol grubu trakea numuneleri, önceden herhangi bir stres gevşemesi olmaksızın eksenel veya çevresel yükleme altında mekanik arıza testine tabi tutulmuştur. Bu nedenle, bu örnekler şu biçimde adlandırılır: sırasıyla %TA_1_0 ve %TC_1_0. %0, ön germe anlamına gelmez. Deney grubumuzdan trakeal örnekler ilk olarak viskoelastik stres gevşeme tepkisini değerlendirmek için eksenel veya çevresel yükleme altında% 10'luk sabit uzamada tutuldu ve daha sonra mekanik arızaya maruz bırakıldı. Bu nedenle, bu numuneler aşağıdaki biçimde adlandırılır: %TA_1_10 ve %TC_1_10 (lütfen eksenel ve çevresel yükleme koşullarını temsil eden sırasıyla adım 4.1.16 ve adım 4.1.23'e bakın). - %TA_1_0 çalışma sayfası sekmesini seçin. Ham veri başlığı sütunlarının tam olarak aşağıdaki notta kalın olarak yazıldığı gibi etiketlendiğinden emin olun.
NOT: (1) Zaman (sn), (2) Yük (N), (3) Konum (mm), (4) Çaplar (mm) (adım 1.7), (5) Ortalama Kesit Alanı (Kalınlık x Genişlik, mm 2) (adım 1.5 ve adım 1.7'de elde edilmiştir), (6) Başlangıç Uzunluğu (mm) (adım2.3). - Geçerli Microsoft Excel dosyasını kapatın, Yalnızca Hata | 043022.xlsx.
- Veri çözümleme yazılımının çalışma dizinine dönün.
- Relaxation (Gevşeme) klasörüne gidin.
NOT: Bu klasörde yer alan veriler, bu çalışmadaki deney grubundan, yani 300 sn için sabit bir uzamada stres gevşeme testine tabi tutulan trakea örneklerinden biyomekanik veriler elde edilmiştir. - Belirli bir tarihte test edilen deney grubu örneklerinden elde edilen verileri, aşağıdaki etiketleme kuralını kullanarak tek bir Microsoft Excel dosyasında depolayın: mmddyy.
NOT: Örneğin, 30 Nisan 2022 tarihinde test edilen tüm deney grubu trakea örneklerinden elde edilen veriler Gevşeme | 043022.xlsx. Ek ayrıntılar için adım 4.1.6'daki nota bakın. - Açık Dinlenme | 043022.xlsx ve her biri bu belirli tarihte, yani 30 Nisan 2022'de test edilen deney grubundaki her örneklemden ham yük gevşetme verilerini içeren birden çok çalışma sayfası sekmesi olduğunu kabul eder.
- Duraklatın ve örneklerin her birinin, bu Microsoft Excel dosyasında bulunan çalışma sayfası sekmelerinde belirtildiği gibi, daha sonra çekme mekanik yüklemesi altında mekanik arızaya maruz kaldığını unutmayın.
NOT: Mevcut örneklerin her biri için karşılık gelen hata verileri, adım 4.1.20'de daha ayrıntılı olarak açıklanan Hata (Gevşeme Sonrası) klasöründe depolanmalıdır. - Örneklerin adım 4.1.8'de açıklanan kural kullanılarak etiketlendiğinden emin olun.
- Geçerli Microsoft Excel dosyasında bulunan her çalışma sayfası sekmesinde geçiş yapın ve belirli bir çalışma sayfası sekmesi tarafından gösterilen her örnek için ham yük gevşetme verilerinin doğru biçimlendirildiğinden emin olmak için adım 4.1.9'a bakın.
- Geçerli Microsoft Excel dosyasını kaydedin ve kapatın, Relaxation | 043022.xlsx.
- Veri çözümleme yazılımının çalışma dizinine dönün.
- Failure (Post-Relaxation) klasörüne gidin.
- Relaxation klasöründe bulunanlarla aynı tarih(ler)e sahip bir Microsoft Excel dosyası (dosyaları) olduğundan emin olun (her test tarihine karşılık gelen Microsoft Excel dosyalarını adlandırma hakkında ayrıntılar için adım 4.1.6'ya bakın).
NOT: Mevcut klasörde bulunan veriler, Arıza (Gevşeme Sonrası), 300 sn için %10'luk sabit bir uzamada stres gevşetme testine tabi tutulan trakea örneklerinden elde edilen ilgili ham mekanik arıza verileridir. - Açık Başarısızlık (Rahatlama Sonrası) | 043022.xlsx ve her biri Gevşeme Kılavuzu'nda bulunan aynı örneklerden ham mekanik arıza verileri içeren birden çok çalışma sayfası sekmesini | 043022.xlsx.
- Örneklerin adım 4.1.8'de belirtilen kural kullanılarak etiketlendiğinden ve etiketlerin Gevşeme Kılavuzu'ndakilerle eşleştiğinden emin | 043022.xlsx.
NOT: Örneğin, geçerli Microsoft Excel dosyasındaki % TA_1_10'lik veriler, daha önce 300 sn sabit uzamada %10 sabit uzama ile gerilim gevşetme testine tabi tutulan eksenel yükleme altında trakea örneği #1 için ham mekanik arıza verilerini temsil eder. - Her çalışma sayfası sekmesinde geçiş yapın ve her örnek için ham mekanik arıza verilerinin başlık sütununun doğru biçimlendirildiğinden emin olmak için adım 4.1.9'a bakın.
- Geçerli Microsoft Excel dosyasını kapatın, Hata (Rahatlama Sonrası) | 043022.xlsx.
- Veri çözümleme yazılımının çalışma dizinine dönün.
- Ek test tarihleri için 4.1.5-4.1.26 arasındaki adımları uygun şekilde yineleyin.
- Kullanıcı tarafından belirtilen test tarihlerini analiz etmek için kodu yönlendirecek olan testDates.xlsx adlı Microsoft Excel dosyasını açın.
- Test tarihlerini ilk sütunda şu biçimde listeleyin: aa/gg/yy.
- İkinci sütunda, bu özel test tarihindeki herhangi bir numunenin deneysel (stres gevşemesi ve ardından mekanik arıza) grubundan olup olmadığını bir Y (evet için) veya N (hayır için) kullanarak belirtin.
- Üçüncü sütunda, bu özel test tarihindeki herhangi bir numunenin kontrol (doğrudan mekanik arıza) grubundan olup olmadığını bir Y (evet için) veya N (hayır için) kullanarak belirtin.
- Ek test tarihleri için 4.1.29-4.1.31 arasındaki adımları yineleyin.
- Geçerli Microsoft Excel dosyasını ( testingDates.xlsx kaydedin ve kapatın.
- Veri çözümleme yazılımının çalışma dizinine dönün.
- Ana komut dosyasını main_relax_failure açın.
- Kodu çalıştırmak için yazılım arabirimindeki büyük, yeşil oku seçin. Alternatif olarak, komut penceresine run main_calc_relax yazın.
- İstendiğinde, çeşitli deney grupları için virgülle ayrılmış sabit uzama seviyelerini (% cinsinden) girin ve Tamam düğmesine basın.
NOT: Mevcut çalışmada, sadece bir stres gevşeme uzaması kullanılmıştır, yani 10'u girin. Kontrol grubu için %0 eklemeyin. Ancak, veriler birden çok uzamadan türetilmişse, örneğin% 10 ve% 20, o zaman 10,20 girin. - İstendikten sonra, çeşitli deney grupları için virgülle ayrılmış stres-gevşeme testi sürelerini (saniye cinsinden) girin ve Tamam'a basın.
NOT: Mevcut çalışmada, trakea örnekleri 300 s sabit uzama ve dolayısıyla giriş 300 sn tutulmuştur. Bununla birlikte, veriler birden fazla stres gevşeme süresinden, örneğin 90 s ve 300 s'den türetilmişse, 90.300 girin.
- Viskoelastik stres gevşeme tepkisi
- Kodu (main_relax_failure.m) kullanarak, aşağıdaki denklem19'u kullanarak yükleme zamanı verilerini (Kod Satırı 144) nominal gerilim-zaman verilerine dönüştürün:
, burada σ gerilimi (mega Pascals [MPa]), F çevresel veya eksenel yükü (Newtons [N]) temsil eder ve A0 başlangıç kesit alanını temsil eder (milimetre karesi [mm2]). - Kodu (main_relax_failure kullanarak, 300 s gevşeme testinin başlangıcında numune üzerinde% 10 sabit uzama uygulamasına yanıt olarak pik yükü ve gerilim büyüklüklerini (Kod Satırları 138 ve 146) belirleyin.
NOT: Bu değerler bundan böyle sırasıyla başlangıç pik yükü ve ilk pik gerilimi olarak adlandırılacaktır. - Kodu (main_relax_failure,m) kullanarak, aşağıdaki denklemi kullanarak 300 sn'de (Kod Satırları 141 ve 149) gerilim (veya yük) azalma yüzdesini hesaplayın:
, burada Rel% gevşeme yüzdesini temsil eder, σ(0+) ilk tepe gerilimini (veya ilk tepe yükünü) temsil eder ve σ (300), 300 s'nin üzerindeki gevşemeden sonra kaydedilen stres (veya yük) seviyesini temsil eder. - İki terimli Prony serisi üstel bozunma modeli kullanarak viskoelastik gerilim gevşeme yanıtını (Kod Satırları 152-161) modellemek için koda (main_relax_failure bakın. Bu model, çeşitli kıkırdaklı hava yolu seviyeleri (trakea, büyük bronşlar ve küçük bronşlar) dahil olmak üzere çeşitli biyolojik dokuların viskoelastik davranışını tanımlamak için yaygın olarak kullanılır21,22.
NOT: Hesaplanan gerilim değerleri [σ(t)] aşağıdaki azaltılmış gevşeme fonksiyonunu üretmek için normalleştirilir:
ve G(0) = 1. Viskoelastik gerilme-gevşeme tepkilerini karşılaştırmak için, G (t), doğrusal olmayan en küçük kareler regresyonu kullanılarak aşağıdaki gibi eğri olarak takılır:
, burada t, stres gevşeme tutma sırasındaki zamandır, g, gevşeme katsayısıdır, τ1 ve τ2 ve sırasıyla dokunun kısa (ilk) ve uzun vadeli (denge) davranışını tanımlayan gevşeme sürelerini (saniye cinsinden) gösterir.
- Kodu (main_relax_failure.m) kullanarak, aşağıdaki denklem19'u kullanarak yükleme zamanı verilerini (Kod Satırı 144) nominal gerilim-zaman verilerine dönüştürün:
- Mekanik arıza tepkisi
- Aşağıdaki notta belirtilen denklemleri kullanarak çekme test cihazı tarafından kaydedilen yük yer değiştirme verilerini (Kod Satırları 143-144) nominal gerilim-gerinim verilerine dönüştürmek için kodu (main_relax_failure) kullanın.
NOT:, burada σ nominal gerilimi (MPa), F çevresel veya eksenel yükü (N) temsil eder ve A 0 başlangıç kesit alanını (mm2) temsil eder; 
burada 
sonuçta ortaya çıkan gerinim, Δ L yer değiştirmeyi veL 0 numunenin başlangıç uzunluğunu temsil eder. Stres gevşeme bekletmesini takiben arıza çekme testine tabi tutulan numuneler için L0, dokunun önceden gerilmiş uzunluğunu temsil eder. Örneğin, örnek 3 (başlangıç uzunluğu 8 mm) %10'a kadar önceden gerilmişti ve bu nedenle L0,19 sonuç gerinim değerlerini hesaplamak için 8,8 mm olarak kabul edildi. - Maksimum yükü (yani, arıza yükü) ve buna karşılık gelen arıza yer değiştirmesini, ayrıca maksimum gerilimi (yani, arıza gerilimi) ve karşılık gelen arıza gerinimini (Kod Satırları 33 ve 61-63) tanımlamak için işlevi (calc_relax_failure m) kullanın.
- Hata yükünün ardından yük yer değiştirme verilerini atmak için işlevi (calc_relax_failure kullanın) (Satır 34).
- Yük yer değiştirme eğrisini çizmek için işlevi (calc_relax_failure m) kullanın ve istendiğinde, doku sertliğine (N/mm) yaklaşmak için eğrinin doğrusal bölgesinde iki noktayı manuel olarak seçin (Kod Satırları 37-58).
NOT: Yük-yer değiştirme eğrisi, gerilim-gerinim eğrisini vermek için numunenin kesit alanı ve başlangıç uzunluğu ile normalleştirildiğinden, kod, aşağıdaki denklem19'u kullanarak elastikiyet modülünü (MPa) hesaplamak için yük yer değiştirme eğrisinden kullanıcı tarafından seçilen x ve y koordinatlarını kullanır:
, burada E, elastikiyet modülünü temsil eder, x ve y yük yer değiştirme eğrisinde seçilen koordinatları temsil eder, A 0, kesit alanını temsil eder, L0, mekanik arızanın başlangıcındaki numunenin uzunluğunu temsil eder ve Δσ ve Δ, sırasıyla arıza yanıtının doğrusal bölgesi üzerindeki gerilim ve gerinimdeki değişimi temsil eder. - Her örnek için adım 4.3.4'ü tekrarlayın.
- Aşağıdaki notta belirtilen denklemleri kullanarak çekme test cihazı tarafından kaydedilen yük yer değiştirme verilerini (Kod Satırları 143-144) nominal gerilim-gerinim verilerine dönüştürmek için kodu (main_relax_failure) kullanın.
- Veri çıkışı
- Kod başarıyla çalıştırıldıktan sonra, hesaplanan sonuçların veri çözümleme yazılımının çalışma dizininde aşağıdaki adlandırma kuralında bir Microsoft Excel dosyası olarak bulunduğundan emin olun: relax_failure_results_mmddyy.xlsx, burada mmddyy kodun çalıştırıldığı tarihle değiştirilir.
, burada σ gerilimi (mega Pascals [MPa]), F çevresel veya eksenel yükü (Newtons [N]) temsil eder ve A0 başlangıç kesit alanını temsil eder (milimetre karesi [mm2]).
, burada Rel% gevşeme yüzdesini temsil eder, σ(0+) ilk tepe gerilimini (veya ilk tepe yükünü) temsil eder ve σ (300), 300 s'nin üzerindeki gevşemeden sonra kaydedilen stres (veya yük) seviyesini temsil eder.
ve G(0) = 1. Viskoelastik gerilme-gevşeme tepkilerini karşılaştırmak için, G (t), doğrusal olmayan en küçük kareler regresyonu kullanılarak aşağıdaki gibi eğri olarak takılır:
, burada t, stres gevşeme tutma sırasındaki zamandır, g, gevşeme katsayısıdır, τ1 ve τ2 ve sırasıyla dokunun kısa (ilk) ve uzun vadeli (denge) davranışını tanımlayan gevşeme sürelerini (saniye cinsinden) gösterir.
burada 
sonuçta ortaya çıkan gerinim, Δ L yer değiştirmeyi veL 0 numunenin başlangıç uzunluğunu temsil eder. Stres gevşeme bekletmesini takiben arıza çekme testine tabi tutulan numuneler için L0, dokunun önceden gerilmiş uzunluğunu temsil eder. Örneğin, örnek 3 (başlangıç uzunluğu 8 mm) %10'a kadar önceden gerilmişti ve bu nedenle L0,19 sonuç gerinim değerlerini hesaplamak için 8,8 mm olarak kabul edildi.
, burada E, elastikiyet modülünü temsil eder, x ve y yük yer değiştirme eğrisinde seçilen koordinatları temsil eder, A 0, kesit alanını temsil eder, L0, mekanik arızanın başlangıcındaki numunenin uzunluğunu temsil eder ve Δσ ve ΔSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 1, kelepçeleme bölgesinin yakınındaki başarısız dokuyu ve kelepçe içindeki dokunun varlığını göstererek, çekme testi sırasında kayma olmadığını doğrulamaktadır. Şekil 2, test edilen numuneler arasında çekme testi sırasında gözlemlenen üst veya alt sıkıştırma bölgeleri veya dokunun uzunluğu boyunca dahil olmak üzere çeşitli arıza yerlerini göstermektedir. Veri analizi sonuçları Şekil 3-4 ve Tablo 1-2'de özetlenmiştir. Trakeal örnekler için eksenel veya çevresel gerilme öncesi% 10'a kadar gerilmeyi takiben stres gevşeme yanıtları Şekil 3'te gösterilmiştir. İlk pik yük ve gerilme, 300 s tutma üzerindeki stresteki yüzde azalma ve 2 dönemlik Prony serisi gevşeme fonksiyonundaki zaman sabitleri, t1 ve t2, bu gevşeme eğrilerinden hesaplanmıştır. Bu viskoelastik parametreler Tablo 1'de yer almaktadır. Eksenel veya çevresel yükler altında arıza testine tabi tutulan trakeal numunenin gerilme-gerinim tepkileri, herhangi bir ön gerilme veya %10 ön gerilme sonrasında Şekil 4'te gösterilmiştir. Bu eğrilerden, arıza gerilimi ve buna karşılık gelen arıza gerinimi ile elastikiyet modülü belirlenmiş ve Tablo 2'de listelenmiştir.
Ön testler, trakea dokusunun stres-gevşeme yanıtlarını başarıyla karakterize etti. Bu ilk deneylerde,% 10'luk gerilme öncesi stres-gevşeme tepkisi, ilk tepe geriliminin eksenel yükleme yönlerinde daha yüksek olduğunu bildirirken, stresteki yüzde azalma, eksenel yükleme yönüne kıyasla çevresel yükleme yönünde daha yüksekti (Tablo 1). Gevşeme süreleri (dokunun kısa [başlangıç] ve uzun vadeli [denge] davranışını tanımlayan τ1 ve τ2 ), aynı %10'luk pre-streç grubu için çevresel yükleme yönüne kıyasla eksenel yükleme yönünde de daha yüksekti. Arıza verileri karşılaştırıldığında, arıza gerilimi ve E değerleri hem %0 hem de %10 ön gerilme gruplarında çevresel yükleme yönlerinde daha yüksekken, eksenel yükleme yönlerinde bildirilen arıza gerinimi daha yüksekti (Tablo 2). Bu ön bulgular, trakea dokusundaki stres-gevşeme ve başarısızlık yanıtlarını, hem eksenel hem de çevresel olarak gerilme yükleme koşullarında stres-gevşeme tepkilerini daha iyi anlamak için daha fazla karakterize etmek için ek deneyler gerektirmektedir. Bu protokolde özetlenen adımlar bu hedefe ulaşılmasına yardımcı olabilir.
Şekil 1: Doku toplama ve mekanik test detayları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Hata siteleri. Sarı oklarla gösterilen örnek hata siteleri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: %10 gerinime kadar gerilmiş trakea örneklerinin 300 sn bekletilmesi üzerine stres gevşeme tepkisi. (A) Eksenel veya (B) çevresel yükleme (yükleme koşulu başına n = 1). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Ön gerilme veya %10 ön gerilme (yükleme koşulu başına n = 1) sonrasında eksenel veya çevresel yükleme altında trakea numunelerinin arıza testi için gerilme-gerinim tepkileri.
| Örnek | Esneme öncesi gerinim | Yükleme Yönü | İlk Pik Yük (N) | Başlangıç Tepe Gerilimi (MPa) | % Streste Azalma | τ1 (s) | τ2 (s) | Düzeltilmiş R2 (%) | |
| 3 | 10% | Eksenel | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 | |
| 4 | Çevresel | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 | ||
Tablo 1: 300 sn'lik stres gevşemesine maruz kalmak için %10'luk bir gerilme öncesi gerilmeye maruz kalan trakea örnekleri için ölçülen ve hesaplanan stres gevşeme parametre değerleri.
| Örnek | Esneme öncesi gerinim | Yükleme Yönü | Arıza Stresi (MPa) | Arıza Gerinimi | Elastikiyet Modülü (MPa) |
| 3 | 10% | Eksenel | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | Çevresel | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | %0 (Yalnızca Hata) | Eksenel | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | Çevresel | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
Tablo 2: Çeşitli deney grupları altında trakea örneklerinin başarısızlık yanıtları.
Ek Kodlama Dosyası 1: Trakea'nın stres-gevşeme davranışını incelemek için özel kodlar. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Çok az sayıda çalışma trakeanın stres-gevşeme özelliklerini bildirmiştir21,23. Trakea dokusunun zamana bağlı tepkileri hakkındaki anlayışımızı daha da güçlendirmek için çalışmalara ihtiyaç vardır. Bu çalışma, bu tür araştırmaları gerçekleştirmek için ayrıntılı adımlar sunmaktadır; Bununla birlikte, güvenilir test için protokoldeki aşağıdaki kritik adımlar sağlanmalıdır: (1) uygun doku hidrasyonu, (2) çevresel ve uzunlamasına numunelerde benzer doku tipi (kıkırdaklı halkaların ve kas sayısı) dağılımı, (3) numunenin önceden gerilmeden sıkıştırılması, (4) biyomekanik çekme testi sırasında doku stresini hesaplamak için kullanılan kesit alanını tahmin etmek için numune kalınlığı ve genişliğinin kullanılması, (5) doku örneğinin uygun şekilde sıkıştırılması, 6) gerilme testi için% 1 / s'lik gerinim oranını girmek için kelepçelenmiş numunenin gösterge uzunluğunu kullanmak ve (7) testten sonra kelepçede doku varlığı ile kayma olmadığını doğrulamak. Ayrıca, sorun giderme, test cihazı denetleyicisiyle iletişimi yeniden kurmak için veri toplama yazılımının yeniden başlatılmasını gerektirebilir.
Mevcut çalışma ayrıca, trakeanın stres-gevşeme davranışını incelemek için oluşturulan test yöntemlerinin, veri analizlerinin ve özel MATLAB kodlarının (Ek Kodlama Dosyası 1) ayrıntılı açıklamalarını da sunmaktadır. Önceki hiçbir çalışma bu kadar kapsamlı bilgi sağlamaz. Ayrıca, eğitim cephesinde, mevcut çalışmada açıklanan yöntemler, hem geleneksel hem de sanal gerçeklik formatları24,25,26,27'deki mühendislik derslerinde stres gevşetme laboratuvarları için bir öğretim modülü olarak kolayca entegre edilebilir.
Trakea ve diğer yumuşak dokular üzerinde şu anda mevcut olan stres-gevşeme çalışmaları, iki dönemlik Prony serisi28,29,30'un gevşeme fonksiyonuna uymaktadır. Mevcut çalışma da bu işlevi kullanmaktadır; Bununla birlikte, gelecekteki çalışmalar, viskoelastik davranışı karakterize etmek için yarı-doğrusal viskoelastik modelleme tekniklerini kullanarak araştırmalarını genişletebilir. Bu tür çalışmalar sadece hava yolu biyomekaniğinin sağlam bir öngörücü hesaplama modelinin oluşturulmasına yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda performans testi için doku malzemesi özellikleri gerektiren hava yolu stentleri gibi implantların tasarlanmasına da yardımcı olacaktır.
Son olarak, bu çalışmada açıklanan yöntemler sadece yaşın ve türlerin trakeanın stres-gevşeme davranışı üzerindeki etkilerini değerlendirmek için değil, aynı zamanda bağlar, intervertebral diskler ve kemikler gibi diğer yumuşak ve sert dokulara da uygulanabilir. Bu viskoelastik veriler, mevcut yüksek doğruluklu sonlu elemanlar hesaplama modellerini geliştirmek için entegre edilebilir31,32,33.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.
Acknowledgments
Bu yayında bildirilen araştırmalar, Ulusal Sağlık Enstitüleri'nin Eunice Kennedy Shriver Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişme Enstitüsü tarafından R15HD093024 Ödül Numarası ve Ulusal Bilim Vakfı KARİYER Ödülü Numarası 1752513 altında desteklenmiştir.
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
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
- Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
- Centers for Disease Control and Prevention. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022).
- Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
- Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
- Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
- Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
- Singh, A. The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , Wayne State University. PhD thesis (2006).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
- Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
- Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
- Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
- Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
- Balasubramanian, S., D'Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
- Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
- Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).
