[論文レビュー] Dynamic Properties of Human Bronchial Airway Tissues

Jau-Yi Wang, Patrick Mesquida+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2011

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、COPDを有する肺がん患者の気管支気道組織の動的弾性特性を測定するための低コストで自作の圧縮システムを開発した。気道壁のヤング率は0.17–1.65 MPa、軟骨は0.25–1.96 MPa、粘膜は0.02–0.28 MPaであった。周波数依存のエネルギー貯蔵モジュラスと損失モジュラスは、損失モジュラスが0.08–0.35 MPaと増加し、エネルギー散逸が周波数に伴い増加する傾向を示し、周波数に依存する変動を示す貯蔵モジュラスは、周波数に応じて変動する。これは、疾患状態における気道力学を理解する上で極めて重要な粘弾性挙動を示している。

ABSTRACT

Young's Modulus and dynamic force moduli were measured on human bronchial airway tissues by compression. A simple and low-cost system for measuring the tensile-strengh of soft bio-materials has been built for this study. The force-distance measurements were undertaken on the dissected bronchial airway walls, cartilages and mucosa from the surgery-removed lungs donated by lung cancer patients with COPD. Young's modulus is estimated from the initial slope of unloading force-displacement curve and the dynamic force moduli (storage and loss) are measured at low frequency (from 3 to 45 Hz). All the samples were preserved in the PBS solution at room temperature and the measurements were perfomed within 4 hours after surgery. Young's modulus of the human bronchial airway walls are fond ranged between 0.17 and 1.65 MPa, ranged between 0.25 to 1.96 MPa for cartilages, and between 0.02 to 0.28 MPa for mucosa. The storage modulus are found varying 0.10 MPa with frequency while the loss modulus are found increasing from 0.08 to 0.35 MPa with frequency. The frequency-dependent dynamic force moduli are also compared with different strain rates.

研究の動機と目的

• COPDおよび肺がんを有する患者のヒト気管支気道組織（気道壁、軟骨、粘膜）の動的弾性特性を特徴づけること。
• テニスおよび動的機械的特性を測定可能な低コストで簡易なシステムを開発・検証すること。
• 生体応用条件下における生理的ひずみ状態下での周波数依存の粘弾性挙動（エネルギー貯蔵モジュラスおよび損失モジュラス）を定量すること。
• ヒト標本における組織の硬さを測定することで、超音波やMRIエラストグラフィーなどの臨床的ツールの基準機械的値を提供すること。
• 力-変位曲線を用いて、ひずみ速度および事前荷重が気道組織の機械的応答に与える影響を調査すること。

提案手法

• 自作圧縮システムは、動的ラウドスピーカーをアクチュエータとして用い、平頭ステンレス鋼ロッドを介して組織標本に制御された変位を加える。
• 力と変位は、キャリブレーション済みの力センサ（分解能0.01g）およびLVDT（分解能5.05 μm）で測定され、LabVIEWおよびDAQカードを用いて1 kHzのサンプリングレートでデータ収集される。
• ヤング率は、荷重曲線の初期勾配から計算され、式 $ E = \frac{dF}{dh} \cdot \frac{L_0 - h_f}{(w + \nu h_f)^2} $ を用いる。ここで $ \nu $ はポisson比（0.47–0.5）である。
• 周波数3–45 Hzで正弦波荷重を用いて動的力モジュラス（エネルギー貯蔵 $ E' $、損失 $ E'' $）を測定し、力と変位の位相差を用いて複素モジュラスを計算する。
• 装置の剛性および周波数応答のキャリブレーションを実施し、動的測定値に対して補正を加え、組織固有の挙動を分離する。
• 標本（気道壁、軟骨、粘膜）は摘出肺から解剖され、21°CでPBSに保存され、摘出後4時間以内に試験を実施して生存性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COPDおよび肺がん患者由来のヒト気管支気道組織の動的弾性特性（ヤング率および周波数依存のエネルギー貯蔵／損失モジュラス）は何か？
• RQ2 ひずみ速度および事前荷重を変化させた場合、気道壁、軟骨、粘膜の機械的特性にどのような差が生じるか？
• RQ3 周波数（3–45 Hz）に応じてエネルギー貯蔵モジュラス（$ E' $）および損失モジュラス（$ E'' $）はどの程度変化するか？
• RQ4 気道組織の粘弾性挙動は、構造的成分（例：軟骨対粘膜）および機械的機能とどの程度相関するか？
• RQ5 低コストで簡易な圧縮システムは、最小限のキャリブレーションで軟組織の機械的特性を正確に測定できるか？

主な発見

• ヒト気管支気道壁のヤング率は0.17–1.65 MPaの範囲にあり、ひずみ速度が高くなるにつれてわずかに増加する傾向を示した。
• 気管支軟骨はヤング率0.25–1.96 MPaを示し、気道壁や粘膜よりも高い剛性を示した。
• 粘膜は最も低い剛性を示し、ヤング率は0.02–0.28 MPaの範囲にあり、高い可動性を示した。
• 気道壁および粘膜のエネルギー貯蔵モジュラス（$ E' $）は周波数が上昇するにつれて増加したが、軟骨では5%ひずみ条件下で3–45 Hzの範囲で減少傾向を示した。
• 損失モジュラス（$ E'' $）は周波数3–45 Hzの範囲で0.08–0.35 MPaに増加し、周波数に伴いエネルギー散逸が増加することを示した。
• 周波数依存の動的モジュラスは事前荷重ひずみに敏感であり、異なる患者由来の軟骨標本では、周波数上昇に伴い $ E' $ が増加するものと減少するものの、明確な異なる傾向が観察された。