[논문 리뷰] Dynamic Properties of Human Bronchial Airway Tissues

Jau-Yi Wang, Patrick Mesquida외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 23.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 4인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)을 앓고 있는 폐암 환자로부터의 기도 조직의 동적 탄성 특성을 측정하기 위해 저비용으로 맞춤 제작된 압축 시스템을 개발한다. 기도 벽의 탄성율은 0.17–1.65 MPa, 연골은 0.25–1.96 MPa, 점막은 0.02–0.28 MPa로 보고되었으며, 주파수에 따라 변화하는 비축성 모듈러스(저장 모듈러스와 손실 모듈러스)는 손실 모듈러스가 0.08–0.35 MPa로 증가하고, 주파수에 따라 변하는 저장 모듈러스를 보이며, 이는 질병에서 기도 기계적 거동을 이해하는 데 핵심적인 점탄성 거동을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 및 폐암 환자에서 기도 벽, 연골, 점막을 포함한 인간 기도 조직의 동적 탄성 특성을 규명하는 것.
• 탄성 및 동적 기계적 특성을 측정하기 위한 저비용이고 단순한 시스템을 개발하고 검증하는 것.
• 생리적 변형 조건 하에서 조직의 주파수 의존성 점탄성 거동(저장 모듈러스 및 손실 모듈러스)을 정량화하는 것.
• 초음파 및 MRI 엘라스토그래피와 같은 임상 도구의 기반 자료를 제공하기 위해 인간 생체 조직에서 조직 경도를 측정함으로써 기준 기계적 값을 제공하는 것.
• 힘-변위 곡선을 사용하여 변형률 속도와 예비 하중의 영향을 기도 조직의 기계적 반응에 대해 조사하는 것.

제안 방법

• 맞춤형 압축 시스템은 평면 끝이 있는 스테인리스강 막대를 통해 조직 샘플에 제어된 변위를 가하는 동적 loudspeaker를 액추에이터로 사용한다.
• 힘과 변위는 정밀 캘리브레이션된 힘 센서(해상도 0.01g)와 LVDT(해상도 5.05 μm)를 사용하여 측정되며, 데이터는 LabVIEW와 DAQ 카드를 통해 1 kHz의 샘플링 속도로 기록된다.
• 탄성율 $ E $ 는 초기 경사도를 이용하여 계산되며, 공식 $ E = \frac{dF}{dh} \cdot \frac{L_0 - h_f}{(w + \nu h_f)^2} $ 를 사용한다. 여기서 $ \nu $ 는 푸아송 비(0.47–0.5)이다.
• 동적 힘 모듈러스(저장 $ E' $, 손실 $ E'' $)는 3~45 Hz 범위의 정현파 하중을 사용하여 측정되며, 힘과 변위 사이의 위상 이동을 이용해 복합 모듈러스를 계산한다.
• 기구의 강성과 주파수 응답에 대한 캘리브레이션을 수행하고, 동적 측정값에 대해 보정을 적용하여 조직 고유의 거동을 분리한다.
• 샘플(기도 벽, 연골, 점막)은 절제된 폐에서 분리되며, 21°C에서 PBS에 보관되고 절제 후 4시간 이내에 시험하여 생존도를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 및 폐암 환자로부터의 인간 기도 조직의 동적 탄성 특성(탄성율 및 주파수 의존성 저장/손실 모듈러스)은 무엇인가?
• RQ2 기본 변형률과 예비 하중 조건에서 기도 벽, 연골, 점막의 기계적 특성은 어떻게 다를까?
• RQ3 이 조직에서 주파수(3–45 Hz)에 따라 저장 모듈러스($ E' $)와 손실 모듈러스($ E'' $)는 얼마나 변화하는가?
• RQ4 기구의 점탄성 거동은 구조적 구성 요소(예: 연골 대 비대상 점막)와 기계적 기능 간에 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 저비용이고 단순한 압축 시스템이 최소한의 캘리브레이션으로 연질 생체 조직의 기계적 특성을 정확하게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 인간 기도 벽의 탄성율은 0.17~1.65 MPa 범위이며, 높은 변형률 속도에서 약간 증가하는 경향을 보인다.
• 기도 연골은 탄성율이 0.25~1.96 MPa로 기도 벽과 점막보다 더 높은 강성도를 보인다.
• 점막은 가장 낮은 강성도를 보이며, 탄성율 범위는 0.02~0.28 MPa로 높은 탄성 이완성(유연성)을 나타낸다.
• 기도 벽과 점막의 저장 모듈러스($ E' $)는 주파수 증가에 따라 증가하는 경향을 보이며, 반면 5% 변형률에서 3–45 Hz 범위에서 연골은 감소 경향을 보인다.
• 손실 모듈러스($ E'' $)는 3–45 Hz 주파수 범위에서 0.08~0.35 MPa로 증가하여 주파수 증가에 따라 에너지 소산이 증가함을 나타낸다.
• 주파수 의존성 동적 모듈러스는 예비 하중 변형률에 민감하며, 다양한 환자로부터의 연골 샘플에서는 서로 다른 경향을 보였다(한 명은 $ E' $ 가 주파수 증가에 따라 증가, 다른 한 명은 감소).