Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

חקירת תגובות הרפיית מתח וכישלון בקנה הנשימה

Published: October 18, 2022 doi: 10.3791/64245
Automatic Translation
1, 2,3, 4, 4, 3
1Department of Biomedical Engineering, Widener University, 2Drexel University College of Medicine, 3School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, Drexel University, 4Rosetree Media School District

Summary

הפרוטוקול הנוכחי קובע את תכונות הרפיית הלחץ והכשל של קנה הנשימה החזירי. תוצאות משיטות כאלה יכולות לסייע בשיפור ההבנה של ספי הוויסקו-אלסטיות והכשל של קנה הנשימה ולסייע בקידום היכולות של מודלים חישוביים של מערכת הריאה.

Abstract

התכונות הביומכניות של קנה הנשימה משפיעות ישירות על זרימת האוויר ותורמות לתפקוד הביולוגי של מערכת הנשימה. הבנת התכונות האלה היא קריטית להבנת מנגנון הפגיעה ברקמה זו. פרוטוקול זה מתאר גישה ניסיונית לחקר התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה החזירי שנמתחה מראש למתח של 0% או 10% במשך 300 שניות, ולאחר מכן העמסת מתיחה מכנית עד לכישלון. מחקר זה מספק פרטים על תכנון הניסוי, איסוף נתונים, ניתוחים ותוצאות ראשוניות מהבדיקות הביומכניות של קנה הנשימה החזירי. באמצעות השלבים המפורטים המפורטים בפרוטוקול זה ובקוד MATLAB לניתוח נתונים, מחקרים עתידיים יוכלו לחקור את ההתנהגות הוויסקו-אלסטית תלוית הזמן של רקמת קנה הנשימה, שהיא קריטית להבנת התגובות הביומכניות שלה במצבים פיזיולוגיים, פתולוגיים וטראומטיים. יתר על כן, מחקרים מעמיקים על ההתנהגות הביומכנית של קנה הנשימה יסייעו באופן קריטי בשיפור התכנון של מכשירים רפואיים קשורים כגון שתלים אנדוטרכאליים הנמצאים בשימוש נרחב במהלך ניתוחים.

Introduction

למרות תפקידו הקריטי במחלת ריאות, למבנה דרכי הנשימה הגדול ביותר, קנה הנשימה, יש מחקרים מוגבלים המפרטים את תכונותיו הצמיגיות1. הבנה מעמיקה של ההתנהגות הוויסקואלסטית תלוית הזמן של קנה הנשימה היא קריטית למחקר במכניקת הריאה, שכן הבנת תכונות החומר הספציפיות לדרכי הנשימה יכולה לסייע בקידום המדע של מניעת פציעות, אבחון והתערבות קלינית במחלות ריאה, שהן סיבת המוות המובילה השלישית בארצות הברית 2,3,4.

מחקרי אפיון רקמות זמינים דיווחו על תכונות הנוקשות של קנה הנשימה 5,6,7,8. התגובות המכניות התלויות בזמן נחקרו באופן מינימלי למרות חשיבותן בשיפוץ רקמות, אשר משתנה גם על ידי פתולוגיה 9,10. יתר על כן, היעדר נתוני תגובה תלויי זמן מגביל גם את יכולות הניבוי של המודלים החישוביים של מכניקת הריאה, הנוקטים כיום בשימוש בחוקים המכוננים הגנריים. יש צורך לטפל בפער זה על ידי ביצוע מחקרים להרגעת מתח שיכולים לספק את המאפיינים החומריים הנדרשים כדי ליידע מחקרים ביופיזיים על קנה הנשימה. המחקר הנוכחי מציע פרטים על שיטות בדיקה, איסוף נתונים וניתוחי נתונים כדי לחקור את התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה החזירי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל השיטות המתוארות אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) באוניברסיטת דרקסל. כל בעלי החיים הקדבריים נרכשו מחוות שאושרה על ידי משרד החקלאות של ארצות הברית (USDA) הממוקמת בפנסילבניה, ארצות הברית. במחקר הנוכחי נעשה שימוש בצייד של חזיר יורקשייר זכר (בן 3 שבועות).

1. קציר רקמות

  1. לרכוש cadaver של חזיר מחוות מאושרות ולבצע את הניסויים בתוך 2 שעות מן המתת חסד. יש לשמור את המעטפת על הקרח עד לסיום קציר הרקמות, כדי להבטיח שהתכונות הביומכניות של הרקמה הטרייה יישמרו.
    הערה: בספרות שפורסמה, ניסויים ברקמות טריות בבעלי חיים מבוצעים בדרך כלל תוך שעתיים לאחר המתת חסד. לפרטים, ראה הפניות 11,12,13,14,15,16,17,18,19.
  2. מניחים את הפתח במצב שכיבה, מבצעים חתך אנכי בקו האמצע לאורך הצוואר, וחושפים את סחוס בלוטת התריס, הסחוס הקריקואידי וקנה הנשימה מעצם ההיואיד אל החריץ העל-סטרנלי.
  3. קצרו את הגרון ואת קנה הנשימה באורך מלא באמצעות להב #10 (איור 1A).
  4. הפרידו את דגימת קנה הנשימה מהגרון ואז חתכו את צינור קנה הנשימה לאורך כל אורכו בצד אחד באמצעות להב #10 (איור 1B).
  5. מדוד את עובי קנה הנשימה באמצעות תמונת החתך הנרכשת (המתקבלת באמצעות ImageJ20, ראו טבלת חומרים) (איור 1C). השתמש בעובי הרקמה הנמדד כדי לחשב את שטח החתך במהלך ניתוח הנתונים.
  6. חתכו את קנה הנשימה לשתי רצועות היקפיות ברוחב של כ-5 מ"מ (פרוקסימלית) ובשתי רצועות אורכיות ברוחב של כ-5 מ"מ (באופן דיסטלי), כאשר האורך המינימלי של רצועות אלה הוא 25 מ"מ (איור 1D).
  7. קבל תמונות של ארבע הדוגמאות (כלומר, רצועות קנה הנשימה החתוך) לצד סרגל. השתמשו בתמונות האלה כדי לספק מדידות דיגיטליות של רוחב הדגימה באמצעות תמונה J (איור 1E). לאחר מכן, השתמש ברוחב הנמדד הזה כדי לחשב את שטח החתך של המדגם במהלך ניתוח הנתונים.
  8. ודא שכל דגימות הרקמה נשמרות לחות באמצעות תמיסת מלח סטרילית עם אגירת פוספט (PBS) לאורך כל המחקר. יש לשמור את הדגימות לחות בגזה ספוגה PBS עד שהיא מוכנה לבדיקה. יש לטבול את הרקמה ב-PBS רגע לפני בדיקת הידרציה תקינה.

2. בדיקות ביומכניות

  1. חברו כל דגימה למהדק שתוכנן בהתאמה אישית (ראו את הדוחות הקודמים 11,12,13,14,15,16,17,18,19) כך שהדגימה תוחזק לאורך בין המהדקים (איור 1F).
  2. תקן בזהירות את המהדקים (מבלי לגרום למתיחה כלשהי) למכונת בדיקת חומרים (ראו טבלת חומרים), שבה תא עומס של 50 N המחובר למפעיל העליון (איור 1G).
  3. מדוד את מרחק האחיזה לאחיזה (כלומר, מהדק) באמצעות סרגל. השתמש במרחק זה כאורך הרקמה ההתחלתי לחישובי מאמץ.
  4. יש לבצע חימום מקדים על ידי העמסת מתיחה של כל דגימה חמש פעמים בקצב מאמץ של 1% לשנייה עד למתח של 1%.
  5. החזיקו כל דגימה בשיא התארכות של 0% או 10% במשך 300 שניות כדי לחקור את תגובת הרפיית הלחץ הויסקואלסטית של הרקמה.
  6. לאחר מבחן הרפיית הלחץ, יש למתוח את הרקמה באופן מיידי במהירות של 1% לשנייה עד להתרחשות כשל מכני.
  7. תעד את אתר הכשל וודא שלא התרחשה החלקה על-ידי הבטחת נוכחות של דגימות בתוך המהדקים לאחר הבדיקה (איור 1H).

3. איסוף נתונים

  1. אל תרכוש נתונים במהלך החימום המוקדם.
  2. הקלט את סרטוני בדיקת הרפיית הלחץ והכשלים באמצעות כל מצלמה דיגיטלית במינימום של 30 פריימים לשנייה.
  3. קבל נתוני זמן (ים), עומס (N) ותזוזה (מ"מ) באמצעות תוכנה לאיסוף נתונים (ראה טבלת חומרים) בקצב דגימה של 250 דגימות לשנייה במהלך בדיקות הרפיית מתח וכשלון.
  4. שמור את הנתונים שנרכשו כקובץ .csv והשתמש בהם לניתוח נתונים כמפורט בשלב 4.
  5. קבלו תמונות סטילס של הרקמה המהודקת לפני הרפיית מתח, אחרי הרפיית סטרס ואחרי כישלון (איור 2).

4. ניתוח נתונים

  1. קלט נתונים
    1. הורד והתקן תוכנת ניתוח נתונים MATLAB (ראה טבלת חומרים), כולל ארגזי הכלים "אופטימיזציה" ו"עיבוד תמונה".
    2. הורד את התיקיה המכווצת (קובץ קידוד משלים 1), הכוללת את קודי MATLAB וערכת נתונים לדוגמה שתשמש להסברת שלבי ניתוח הנתונים.
    3. נווט אל התיקיה המכווצת שהורדת וחלץ את תוכנו.
    4. פתח את MATLAB והגדר את התיקיה הלא דחוסה כספריית העבודה. ודא שספריית העבודה כוללת את התיקיות והקבצים הבאים עם התווית כפי שצוין בהערה שלהלן. ודא שאין תיקיות או קבצים נוספים בספריית עבודה זו מכיוון שהם עלולים להפריע לקוד ולגרום לשגיאה.
      הערה: (1) כישלון (לאחר הרפיה), (2) כישלון בלבד, (3) הרפיה, (4) calc_relax_failure.m, (5) main_relax_failure.m, (6) testDates.xlsx.
    5. נווט אל התיקיה כשל בלבד .
      הערה: הנתונים הכלולים בתיקיה זו נגזרים מקבוצת הביקורת במחקר זה, כלומר נתונים ביומכניים מדגימות קנה הנשימה שהיו נתונות לכשל מכני לאחר התארכות של 0%.
    6. אחסן נתונים מדגימות שנבדקו בתאריך מסוים בקובץ Microsoft Excel אחד באמצעות מוסכמת מתן שמות הקבצים הבאה: mmddyy. לדוגמה, נתונים מכל דגימות קנה הנשימה של קבוצת הביקורת שנבדקו ב-30 באפריל 2022 חייבים להיות מאוחסנים ב-Failure Only | 043022.xlsx.
      הערה: שים לב שבמחקר הנוכחי, כל הבדיקות הביומכניות נערכו ביום אחד; עם זאת, אם הנתונים נגזרו מתאריכי בדיקה מרובים, צור קובץ Microsoft Excel חדש, בשם המוסכמה המתוארת, עבור כל אחד מתאריכי בדיקה אלה.
    7. כשל פתוח | בלבד 043022.xlsx ולהכיר בכך שישנן מספר כרטיסיות גליון עבודה, שכל אחת מהן מכילה את הנתונים הגולמיים מכל דגימה שנתונה לכשל מכני בתאריך מסוים זה, כלומר, 30 באפריל 2022.
    8. ודא שהדגימות מסומנות בתווית באמצעות המוסכמה הבאה: [ סוג דגימה]_[מספר דגימה]_[הוסף רמת מתח לפני מתיחה]%.
      הערה: לדוגמה, במחקר הנוכחי, דגימות קנה הנשימה של קבוצת הביקורת היו נתונות לבדיקת כשל מכני תחת עומס צירי או היקפי ללא כל הרפיית מתח מוקדמת. לכן, דוגמאות אלה נקראות בתבנית הבאה: TA_1_0% ו- TC_1_0%, בהתאמה. ה-0% לא מציין שום מתיחה מוקדמת. דגימות קנה הנשימה מקבוצת הניסוי שלנו הוחזקו תחילה בהארכה קבועה תחת עומס צירי או היקפי של 10% כדי להעריך את תגובת הרפיית הלחץ הויסקואלסטית ולאחר מכן היו נתונות לכשל מכני. לכן, דגימות אלה נקראות בפורמט הבא: TA_1_10 % ו- TC_1_10% (עיין בשלב 4.1.16 ושלב 4.1.23, המייצגים את תנאי הטעינה הציריים וההיקפיים, בהתאמה).
    9. בחר את כרטיסיית גליון העבודה TA_1_0%. ודא שעמודות הכותרת של הנתונים הגולמיים מסומנות בדיוק כפי שהוקלדו בהדגשה בהערה שלהלן.
      הערה: (1) זמן (שניות), (2) עומס (N), (3) מיקום (מ"מ), (4) קטרים (מ"מ) (שלב 1.7), (5) שטח חתך ממוצע (עובי x רוחב, מ"מ 2) (מתקבל בשלב 1.5 ושלב 1.7), (6) אורך התחלתי (מ"מ) (שלב2.3).
    10. סגור את קובץ Microsoft Excel הנוכחי, כשל | בלבד 043022.xlsx.
    11. חזור לספריית העבודה של תוכנת ניתוח הנתונים.
    12. נווט אל תיקיית ההרפיה.
      הערה: הנתונים הכלולים בתיקייה זו נגזרים מקבוצת הניסוי במחקר זה, כלומר, נתונים ביומכניים מדגימות קנה הנשימה שהיו נתונים לבדיקות הרפיית מתח בהארכה קבועה של 10% במשך 300 שניות.
    13. אחסן נתונים מדגימות קבוצת הניסוי שנבדקו בתאריך מסוים בקובץ Microsoft Excel אחד באמצעות מוסכמת התוויות הבאה: mmddyy.
      הערה: לדוגמה, נתונים מכל דגימות קנה הנשימה של קבוצת הניסוי שנבדקו ב-30 באפריל 2022, חייבים להיות מאוחסנים ב-Relax | 043022.xlsx. עיין בהערה בשלב 4.1.6 לקבלת פרטים נוספים.
    14. | הרפיה פתוחה 043022.xlsx ולהכיר בכך שישנן מספר לשוניות גליון עבודה, שכל אחת מהן מכילה את נתוני הרפיית העומס הגולמי מכל דגימה בקבוצת הניסוי שנבדקה בתאריך מסוים זה, כלומר 30 באפריל 2022.
    15. השהה ושים לב שכל אחת מהדוגמאות, כפי שצוין על-ידי כרטיסיות גליון העבודה הכלולות בקובץ Microsoft Excel זה, הייתה נתונה לאחר מכן לכשל מכני תחת טעינה מכנית מתיחה.
      הערה: נתוני הכשל המתאימים עבור כל אחת מהדוגמאות הנוכחיות חייבים להיות מאוחסנים בתיקיה כשל (Post-Relaxation), המתוארת בהמשך לשלב 4.1.20.
    16. ודא שהדגימות מסומנות באמצעות האמנה המתוארת בשלב 4.1.8.
    17. עבור בין כל כרטיסיית גליון עבודה שנמצאת בקובץ Microsoft Excel הנוכחי ועיין בשלב 4.1.9 כדי להבטיח שנתוני הרפיית העומסים הגולמיים עבור כל דוגמה, המסומנים על-ידי כל כרטיסיית גליון עבודה נתונה, מעוצבים כהלכה.
    18. שמור וסגור את קובץ Microsoft Excel הנוכחי, הרפיה | 043022.xlsx.
    19. חזור לספריית העבודה של תוכנת ניתוח הנתונים.
    20. נווט אל כשל התיקיה (לאחר הרפיה).
    21. ודא שקיימים קבצי Microsoft Excel עם אותם תאריכים (עיין בשלב 4.1.6 לקבלת פרטים אודות מתן שמות לקבצי Microsoft Excel המתאימים לכל תאריך בדיקה) כמו אלה הקיימים בתיקיה הרפיה.
      הערה: הנתונים הכלולים בתיקייה הנוכחית, כשל (Post-Relax), הם נתוני הכשל המכני הגולמי המתאימים מדגימות קנה הנשימה שהיו נתונות לבדיקות הרפיית מתח בהארכה קבועה של 10% למשך 300 שניות.
    22. כשל פתוח (לאחר הרפיה) | 043022.xlsx ולזהות כרטיסיות גליון עבודה מרובות, שכל אחת מהן מכילה נתוני כשל מכני גולמיים מאותן דוגמאות הקיימות ב- Relax | 043022.xlsx.
    23. ודא שהדוגמאות מסומנות באמצעות המוסכמה המוזכרת בשלב 4.1.8 ושהתוויות תואמות לאלה שב-Relax | 043022.xlsx.
      הערה: לדוגמה, הנתונים בקובץ Microsoft Excel הנוכחי עבור TA_1_10% מייצגים נתוני כשל מכני גולמיים עבור דגימת קנה הנשימה #1 תחת עומס צירי שעברה בעבר בדיקת הרפיית מתח ב- 10 % התארכות קבועה למשך 300 שניות.
    24. עבור בין כל כרטיסיית גליון עבודה ועיין בשלב 4.1.9 כדי לוודא שעמודת הכותרת העליונה עבור נתוני הכשל המכני הגולמי עבור כל דוגמה מעוצבת כראוי.
    25. סגור את קובץ Microsoft Excel הנוכחי, כשל (לאחר הרפיה) | 043022.xlsx.
    26. חזור לספריית העבודה של תוכנת ניתוח הנתונים.
    27. חזור על שלבים 4.1.5-4.1.26 לתאריכי בדיקה נוספים, לפי העניין.
    28. פתח את קובץ Microsoft Excel, testingDates.xlsx, אשר יכוון את הקוד לניתוח תאריכי בדיקה שצוינו על-ידי המשתמש.
    29. רשום תאריכי בדיקה בעמודה הראשונה בפורמט הבא: mm/dd/yy.
    30. בעמודה השנייה, ציין באמצעות Y (עבור כן) או N (עבור לא) אם דגימות כלשהן בתאריך בדיקה מסוים זה היו מקבוצת הניסוי (הרפיית מתח ואחריה כשל מכני).
    31. בעמודה השלישית, ציין באמצעות Y (עבור כן) או N (עבור לא) אם דגימות כלשהן בתאריך בדיקה מסוים זה היו מקבוצת הבקרה (כשל מכני ישיר).
    32. חזור על שלבים 4.1.29-4.1.31 לתאריכי בדיקה נוספים.
    33. שמור וסגור את קובץ Microsoft Excel הנוכחי, בדיקהDates.xlsx.
    34. חזור לספריית העבודה של תוכנת ניתוח הנתונים.
    35. פתח את קובץ הסקריפט הראשי, main_relax_failure.m.
    36. בחר את החץ הגדול והירוק בממשק התוכנה כדי להפעיל את הקוד. לחלופין, הקלד הפעל main_calc_relax בחלון הפקודה.
    37. עם הבקשה, הקלט מופרד ברמות התארכות קבועות (ב- %) עבור קבוצות הניסוי השונות ולחץ על OK.
      הערה: במחקר הנוכחי נעשה שימוש רק בהתארכות אחת של הרפיית מתחים, כלומר הזן 10. אל תכלול 0% בקבוצת הביקורת. עם זאת, אם הנתונים נגזרו מהתארכות מרובות, לדוגמה 10% ו- 20%, הזן 10,20.
    38. עם קבלת הבקשה, הקלט מופרד פסיקים בדיקת הרפיית מתח משכי זמן (בשניות) עבור קבוצות הניסוי השונות ולחץ על OK.
      הערה: במחקר הנוכחי, דגימות קנה הנשימה הוחזקו בהתארכות קבועה במשך 300 שניות ומכאן, קלט 300. עם זאת, אם הנתונים נגזרו ממשכי הרפיית מתח מרובים, למשל 90 שניות ו-300 שניות, הזן 90,300.
  2. תגובת הרפיה ויסקולסטית ללחץ
    1. באמצעות הקוד (main_relax_failure.m), המר נתוני זמן טעינה (Code Line 144) לנתוני זמן מתח נומינליים באמצעות המשוואה הבאה19: Equation 1, כאשר σ מייצג מתח (מגה פסקלים [MPa]), F מייצג עומס היקפי או צירי (ניוטון [N]), ו - A0 מייצג את שטח החתך הראשוני (מילימטרים בריבוע [מ"מ2]).
    2. באמצעות הקוד (main_relax_failure.m), לקבוע את עומס השיא ואת גודל הלחץ (שורות קוד 138 ו 146) בתגובה ליישום של 10% התארכות קבועה על המדגם בתחילת מבחן הרפיה 300 s.
      הערה: ערכים אלה נקראים להלן עומס שיא התחלתי ולחץ שיא ראשוני, בהתאמה.
    3. באמצעות הקוד (main_relax_failure.m), חשב את אחוז הפחתת הלחץ (או העומס) ב- 300 שניות (שורות קוד 141 ו- 149) באמצעות המשוואה הבאה: Equation 2, כאשר Rel% מייצג את אחוז ההרפיה, σ(0+) מייצג את מתח השיא הראשוני (או עומס השיא הראשוני), ו- σ(300) מייצג את רמת הלחץ (או העומס) המתועדת לאחר הרפיה מעל 300 שניות.
    4. עיין בקוד (main_relax_failure.m) למידול תגובת הרפיית הלחץ הויסקואלסטית (שורות קוד 152-161) באמצעות מודל דעיכה מעריכית מסדרת Prony בעל שני מונחים. מודל זה משמש בדרך כלל לתיאור ההתנהגות הויסקו-אלסטית של רקמות ביולוגיות שונות, כולל רמות שונות של דרכי הנשימה הסחוסיות (קנה הנשימה, הסמפונות הגדולות והסימפונות הקטנות)21,22.
      הערה: ערכי מתח מחושבים [σ(t)] מנורמלים כדי לייצר את פונקציית ההרפיה המופחתת הבאה: Equation 3 ו- G(0) = 1. כדי להשוות תגובות הרפיית לחץ ויסקואלסטיות, G(t) מותאם עקומה באמצעות רגרסיה לא ליניארית של ריבועים פחותים באופן הבא: Equation 4, כאשר t הוא הזמן במהלך החזקת הרפיית מתח, g הוא מקדם ההרפיה, τ1 ו- τ2 ומציינים את זמני ההרפיה (בשניות) המתארים את ההתנהגות לטווח הקצר (הראשוני) והארוך (שיווי משקל) של הרקמה, בהתאמה.
  3. תגובת כשל מכני
    1. השתמש בקוד (main_relax_failure.m) כדי להמיר את נתוני תזוזת העומס (שורות קוד 143-144) שנרשמו על-ידי מכונת בדיקת המתיחה לנתוני מתח נומינליים באמצעות המשוואות המוזכרות בהערה שלהלן.
      הערה: Equation 8, כאשר σ מייצג מתח נומינלי (MPa), F מייצג עומס היקפי או צירי (N), ו- A 0 מייצג את אזור החתך הראשוני (מ"מ2); Equation 5כאשר Equation 7 מייצג מתח תוצאתי, Δ L מייצג תזוזה, ו- L0 מייצג את האורך ההתחלתי של הדגימה., עבור דגימות שעברו בדיקת מתיחה כושלת לאחר החזקת הרפיית מתח, L0 מייצג את האורך המתוח מראש של הרקמה. לדוגמה, מדגם 3 (אורך התחלתי של 8 מ"מ) נמתח מראש ל -10%, ולכן L0 נחשב 8.8 מ"מ לחישוב ערכי הזן שהתקבלו19.
    2. השתמש בפונקציה (calc_relax_failure.m) כדי לזהות את העומס המרבי (כלומר, עומס כשל) ואת תזוזת הכשל המתאימה, כמו גם את הלחץ המרבי (כלומר, מתח כשל) ואת מתח הכשל המתאים (שורות קוד 33 ו- 61-63).
    3. השתמש בפונקציה (calc_relax_failure.m) כדי למחוק את נתוני תזוזת העומס לאחר עומס הכשל (קו 34).
    4. השתמש בפונקציה (calc_relax_failure.m) כדי להתוות את עקומת תזוזת העומס, וכאשר תתבקש לעשות זאת, בחר ידנית שתי נקודות באזור הליניארי של העקומה כדי להעריך את קשיחות הרקמה (N/mm) (שורות קוד 37-58).
      הערה: מכיוון שעקומת תזוזת העומס מנורמלת על ידי שטח החתך והאורך ההתחלתי של הדגימה כדי להניב את עקומת מתח הלחץ, הקוד משתמש בקואורדינטות x- ו- y שנבחרו על-ידי המשתמש מעקומת תזוזת העומס כדי לחשב את מודולוס האלסטיות (MPa) באמצעות המשוואה הבאה19: Equation 6, כאשר E מייצג את מודולוס האלסטיות, x ו- y מייצגים את הקואורדינטות שנבחרו בעקומת תזוזת העומס, 0 מייצג את אזור החתך, L0 מייצג את אורך הדגימה בתחילת הכשל המכני, ו- Δσ ו- ΔEquation 8 מייצגים את השינוי בלחץ ובמתח על האזור הליניארי של תגובת הכשל, בהתאמה.
    5. חזור על שלב 4.3.4 עבור כל דגימה.
  4. פלט נתונים
    1. לאחר שהקוד מופעל בהצלחה, ודא שהתוצאות המחושבות זמינות בספריית העבודה של תוכנת ניתוח הנתונים כקובץ Microsoft Excel במוסכמת מתן השמות הבאה: relax_failure_results_mmddyy.xlsx, כאשר mmddyy יוחלף בתאריך שבו הקוד הופעל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מראה את הרקמה הכושלת ליד אתר ההידוק ואת נוכחות הרקמה בתוך המהדק, ומאשר ללא החלקה במהלך בדיקת מתיחה. איור 2 מצביע על אתרי כשל שונים, כולל אתרי ההידוק העליונים או התחתונים או לאורך הרקמה, שנצפו במהלך בדיקות מתיחה בקרב הדגימות שנבדקו. תוצאות ניתוח הנתונים מסוכמות באיורים 3-4 ובטבלאות 1-2. תגובות הרפיית סטרס עבור דגימות קנה הנשימה לאחר מתיחה מוקדמת צירית או היקפית למתח של 10% מוצגות באיור 3. עומס השיא והלחץ הראשוניים, הפחתת האחוזים בלחץ מעל אחיזת 300 שניות, וקבועי הזמן, t1 ו- t2, בפונקציית הרפיה מסדרת Prony בת 2 טווחים חושבו מעקומות הרפיה אלה. פרמטרים ויסקואלסטיים אלה כלולים בטבלה 1. תגובות הלחץ של דגימת קנה הנשימה שנחשפו לבדיקות כשל תחת עומסים ציריים או היקפיים לאחר שלא נמתחו מראש או 10% לפני מתיחה מוצגות באיור 4. מתוך עקומות אלה נקבעו מתח הכשל ומתח הכשל המתאים, כמו גם מודולוס הגמישות, והם מפורטים בטבלה 2.

הבדיקות המקדימות אפיינו בהצלחה את תגובות הלחץ-הרפיה של רקמת קנה הנשימה. בניסויים ראשוניים אלה, תגובת הרפיית הלחץ לפני מתיחה של 10% דיווחה כי מתח השיא הראשוני היה גבוה יותר בכיווני ההעמסה הצירית, בעוד שהפחתת האחוזים בלחץ הייתה גבוהה יותר בכיוון ההעמסה ההיקפית בהשוואה לכיוון ההעמסה הצירית (טבלה 1). זמני ההרפיה (τ1 ו-τ2 המתארים את ההתנהגות הקצרה-[ראשונית] וארוכת הטווח [שיווי משקל] של הרקמה) היו גבוהים יותר גם בכיוון ההעמסה הצירית בהשוואה לכיוון ההעמסה ההיקפית של אותה קבוצת קדם-מתיחה של 10%. כאשר משווים את נתוני הכשל, מתח הכשל וערכי E היו גבוהים יותר בכיווני ההעמסה ההיקפית הן בקבוצות 0% והן ב-10% לפני המתיחה, בעוד שמתח הכשל שדווח בכיווני ההעמסה הצירית היה גבוה יותר (טבלה 2). ממצאים ראשוניים אלה מצדיקים ניסויים נוספים כדי לאפיין עוד יותר את תגובות הרפיית הלחץ והכישלון ברקמת קנה הנשימה כדי להבין טוב יותר את תגובות הרפיית הלחץ שלה בתנאי העמסת מתיחה, הן באופן אקסיאלי והן באופן היקפי. השלבים המתוארים בפרוטוקול זה יכולים לסייע בהשגת מטרה זו.

Figure 1
איור 1: פרטי קצירת רקמות ובדיקות מכניות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: אתרי כשל. אתרי כשל לדוגמה כפי שמצוין על ידי חצים צהובים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: תגובת הרפיית סטרס על פני החזקה של 300 שניות של דגימות קנה הנשימה שנמתחו מראש למתח של 10%. (A) העמסה צירית או (B) היקפית (n = 1 לכל תנאי העמסה). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: תגובות מתח-מתח לבדיקת כשל של דגימות קנה הנשימה תחת עומס צירי או היקפי לאחר ללא מתיחה מוקדמת או 10% טרום מתיחה (n = 1 לכל תנאי העמסה). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

לדוגמה מתח טרום מתיחה כיוון טעינה עומס שיא התחלתי (N) מתח שיא ראשוני (MPa) % הפחתת מתח τ1 (ים) τ2 (ים) Rמותאם 2 (%)
3 10% צירית 0.56 0.089 33.93 11.59 152.44 98.79
4 היקף 0.26 0.057 42.31 1.58 14.86 99.08

טבלה 1: ערכים מדודים ומחושבים של פרמטרי הרפיית סטרס עבור דגימות קנה הנשימה שעברו מתיחה מוקדמת של 10% כדי לעבור הרפיית מתח במשך 300 שניות.

לדוגמה מתח טרום מתיחה כיוון טעינה מתח כישלון (MPa) מאמץ כישלון מודולוס של גמישות (MPa)
3 10% צירית 0.89 0.38 2.9
4 היקף 1.78 0.51 3.74
5 0% (כשל בלבד) צירית 1.02 0.86 2.3
6 היקף 2.15 0.57 6.3

טבלה 2: תגובות כשל של דגימות קנה הנשימה בקבוצות ניסוי שונות.

קובץ קידוד משלים 1: הקודים המותאמים אישית לחקר התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מעט מאוד מחקרים דיווחו על תכונות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה21,23. מחקרים נדרשים כדי לחזק עוד יותר את הבנתנו לגבי התגובות התלויות בזמן של רקמת קנה הנשימה. מחקר זה מציע צעדים מפורטים לביצוע חקירות כאלה; עם זאת, יש להבטיח את השלבים הקריטיים הבאים בפרוטוקול לבדיקה אמינה: (1) הידרציה תקינה של רקמות, (2) התפלגות דומה של סוג רקמה (מספר טבעות סחוס ושרירים) בדגימות היקפיות ואורכיות, (3) הידוק הדגימה ללא מתיחה מוקדמת, (4) שימוש בעובי ורוחב הדגימה כדי להעריך את שטח החתך המשמש לחישוב הלחץ על הרקמה במהלך בדיקת מתיחה ביומכנית, (5) הידוק תקין של דגימת הרקמה, 6) שימוש באורך המדידה של הדגימה המהודקת כדי להזין את קצב המתח של 1%/s לבדיקת מתיחה, ו-(7) אישור אי החלקה עם נוכחות רקמה במהדק לאחר הבדיקה. בנוסף, פתרון בעיות עשוי לדרוש הפעלה מחדש של תוכנת איסוף הנתונים כדי ליצור מחדש את התקשורת עם בקר התקן הבדיקה.

המחקר הנוכחי מספק גם תיאורים מפורטים של שיטות הבדיקה, ניתוחי נתונים וקודי MATLAB מותאמים אישית (קובץ קידוד משלים 1) שנוצרו כדי לחקור את התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה. אין מחקרים קודמים המספקים מידע כה מקיף. יתר על כן, בחזית החינוכית, ניתן לשלב בקלות את השיטות המתוארות במחקר הנוכחי כמודול הוראה למעבדות להרגעת מתחים בקורסי הנדסה הן בפורמט מסורתי והן בפורמט מציאות מדומה24,25,26,27.

מחקרי הרפיית הלחץ הזמינים כיום על קנה הנשימה ורקמות רכות אחרות מתאימים לפונקציית ההרפיה של סדרת Prony דו-תקופתית28,29,30. גם המחקר הנוכחי משתמש בפונקציה זו; עם זאת, מחקרים עתידיים עשויים להרחיב את חקירתם על ידי שימוש בטכניקות מידול ויסקו-אלסטיות מעין-ליניאריות כדי לאפיין התנהגות ויסקו-אלסטית. מחקרים כאלה לא רק יסייעו ביצירת מודל חישובי חזוי חזק של ביומכניקה של דרכי הנשימה, אלא גם יסייעו בתכנון שתלים כגון סטנטים של דרכי הנשימה הדורשים תכונות של חומר רקמה לצורך בדיקת ביצועים.

לבסוף, השיטות המתוארות במחקר זה יכולות לשמש לא רק כדי להעריך את ההשפעות של גיל ומינים על התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה, אלא ניתן ליישם אותן גם על רקמות רכות וקשות אחרות כגון רצועות, דיסקים בין-חולייתיים ועצמות. ניתן לשלב נתונים ויסקואלסטיים כאלה כדי לשפר מודלים חישוביים קיימים של אלמנטים סופיים בעלי נאמנות גבוהה31,32,33.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

המחקר שדווח בפרסום זה נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם של יוניס קנדי שרייבר של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר R15HD093024 ופרס הקריירה של הקרן הלאומית למדע מספר 1752513.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
  8. 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).
  9. Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
  10. Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Singh, A. The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , Wayne State University. PhD thesis (2006).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
  24. Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 188 קנה הנשימה ויסקואלסטי הרפיית מתח מתיחה כישלון מתח מתח עומס
חקירת תגובות הרפיית מתח וכישלון בקנה הנשימה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Singh, A., Majmudar, T., Iyer, A.,… More

Singh, A., Majmudar, T., Iyer, A., Iyer, D., Balasubramanian, S. Investigating Stress-relaxation and Failure Responses in the Trachea. J. Vis. Exp. (188), e64245, doi:10.3791/64245 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter