[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究开发了一套低成本、自制的压缩系统，用于测量患有COPD的肺癌患者支气管气道组织的动态弹性特性。研究报告了气道壁的杨氏模量为0.17–1.65 MPa，软骨为0.25–1.96 MPa，黏膜为0.02–0.28 MPa；频率相关的储能模量和损耗模量显示，损耗模量（0.08–0.35 MPa）随频率增加而上升，储能模量则随频率变化而波动，揭示了对理解疾病状态下气道力学至关重要的黏弹性行为。

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.

研究动机与目标

• 表征COPD及肺癌患者支气管气道组织（包括气道壁、软骨和黏膜）的动态弹性特性。
• 开发并验证一种低成本、简易的系统，用于测量软组织生物材料的拉伸和动态力学性能。
• 量化在生理应变条件下，气道组织的频率依赖性黏弹性行为（储能模量和损耗模量）。
• 通过测量人体组织的刚度，为超声和MRI elastography等临床工具提供机械性能参考值。
• 利用力-位移曲线研究应变率和预加载对气道组织力学响应的影响。

提出的方法

• 自制压缩系统采用动态扬声器作为驱动器，通过平头不锈钢杆将受控位移施加于组织样本。
• 力和位移分别通过经校准的力传感器（分辨率0.01g）和线性可变差动变压器（LVDT，分辨率5.05 μm）测量，数据通过LabVIEW和DAQ卡以1 kHz采样率采集。
• 杨氏模量通过卸载曲线初始斜率计算，公式为 $ E = \frac{dF}{dh} \cdot \frac{L_0 - h_f}{(w + \nu h_f)^2} $，其中 $ \nu $ 为泊松比（0.47–0.5）。
• 在3至45 Hz频率范围内施加正弦加载，测量动态力模量（储能 $ E' $，损耗 $ E'' $），利用力与位移之间的相位差计算复数模量。
• 对仪器刚度和频率响应进行标定，并对动态测量结果进行校正，以分离出组织特异性行为。
• 组织样本（气道壁、软骨、黏膜）从切除的肺组织中分离，于21°C下在PBS中保存，并在切除后4小时内完成测试以维持活力。

实验结果

研究问题

• RQ1 COPD及肺癌患者的人体支气管气道组织的动态弹性特性（杨氏模量及频率依赖性储能/损耗模量）是什么？
• RQ2 在不同应变率和预加载条件下，气道壁、软骨和黏膜的力学性能有何差异？
• RQ3 在3–45 Hz频率范围内，储能模量（$ E' $）和损耗模量（$ E'' $）在这些组织中如何随频率变化？
• RQ4 气道组织的黏弹性行为如何与结构组分（如软骨与黏膜）及其机械功能相关联？
• RQ5 低成本、简易压缩系统是否能以最少校准准确测量软组织生物材料的力学性能？

主要发现

• 人体支气管气道壁的杨氏模量范围为0.17至1.65 MPa，且在较高应变率下略有增加。
• 支气管软骨的杨氏模量为0.25–1.96 MPa，其刚度高于气道壁和黏膜。
• 黏膜的刚度最低，杨氏模量范围为0.02–0.28 MPa，表明其具有较高的顺应性。
• 气道壁和黏膜的储能模量（$ E' $）随频率增加而上升，而软骨在5%应变下从3–45 Hz范围内呈现下降趋势。
• 损耗模量（$ E'' $）在3–45 Hz频率范围内从0.08增加至0.35 MPa，表明能量耗散随频率增加而增强。
• 频率依赖性动态模量对预加载应变敏感，不同患者来源的软骨样本表现出明显不同的趋势（一个样本的 $ E' $ 随频率上升，另一个则下降）。