Đặc trưng sự biến dạng vùng và tính chất vật liệu của tĩnh mạch đã được khai thác bằng microCT và phân tích tính toán

Springer Science and Business Media LLC - Tập 5 Số 4 - Trang 359-370 - 2014
Gomez, Arnold David1,2,3, Zou, Huashan1, Shiu, Yan-Ting4, Hsu, Edward W.1
1Bioengineering Department, University of Utah, Salt Lake City, USA
2Cardiothoracic Surgery Division, Department of Surgery, University of Utah, Salt Lake City, USA
3Salt lake city, USA
4Nephrology Division, Department of Medicine, University of Utah, Salt Lake City, USA

Tóm tắt

Thông tin cơ học chi tiết của tĩnh mạch rất quan trọng để hiểu rõ hơn về sự tái cấu trúc của mạch máu trong các trạng thái bệnh lý, nhưng rất khó để có được do độ mỏng, hình học đặc thù và những hạn chế trong thử nghiệm cơ học. Nghiên cứu này trình bày một phương pháp mới để xác định biến dạng của tĩnh mạch đã được khai thác intact dưới tải trọng sinh lý và xác định các tính chất vật liệu của nó bằng cách kết hợp hình ảnh độ phân giải cao và phân tích tính toán. CT độ phân giải cao (microCT) đã được sử dụng để hình ảnh hóa mẫu tĩnh mạch cảnh trong lợn, đã được nhuộm iodine, trong điều kiện giãn tới 100 và 120% chiều dài in situ, và áp lực 2, 10, 20 mmHg, trong buồng tải trọng thủy tĩnh tương thích với microCT. Các biến dạng vùng được đo bằng phương pháp đăng ký hình ảnh phần tử hữu hạn (FE) được biết đến với tên gọi Biến Hình Siêu Đàn Hồi (Hyperelastic Warping). Các thuộc tính vật liệu được ước lượng bằng cách đặc trưng hóa FE ngược, tối ưu hóa các hệ số liên quan đến độ cứng để phù hợp các biến dạng mô phỏng với các phép đo thực nghiệm. Hình thái quan sát và biến dạng vùng của tĩnh mạch được tìm thấy là khá không đồng nhất. Sự biến đổi khu vực trong biến dạng được đo chủ yếu do hình học. Mặc dù việc xử lý bằng iodine có thể dẫn đến tình trạng cứng lại của mô, điều này cần được điều tra thêm, nhưng nó hiệu quả trong việc cho phép phát hiện chi tiết hình học của tĩnh mạch. Khả năng thực hiện và tính hữu ích của việc sử dụng microCT và phân tích tính toán để đặc trưng hóa các phản ứng cơ học và đặc tính vật liệu của tĩnh mạch đã được chứng minh. Phương pháp được trình bày là một lựa chọn hứa hẹn hoặc bổ sung cho thử nghiệm cơ học trong việc xác định các tĩnh mạch hoặc các mạch máu nhạy cảm khác trong cấu hình giải phẫu nguyên thủy của chúng dưới nhiều điều kiện tải trọng và môi trường thực tế hoặc mô phỏng.

Từ khóa

#tĩnh mạch; biến dạng; tính chất vật liệu; microCT; phân tích tính toán; tải trọng sinh lý; hình học; sức cứng

Tài liệu tham khảo

citation_journal_title=Biomech. Model. Mechanobiol.; citation_title=On the theory of reactive mixtures for modeling biological growth; citation_author=GA Ateshian; citation_volume=6; citation_issue=6; citation_publication_date=2007; citation_pages=423-445; citation_doi=10.1007/s10237-006-0070-x; citation_id=CR1 Atta, H. M. Varicose veins: role of mechanotransduction of venous hypertension. Int. J. Vasc. Med. 2012. doi: 10.1155/2012/538627 . citation_journal_title=Radiology; citation_title=Heart wall motion: improved method for spatial modulation of magnetization for MR imaging; citation_author=L Axel, L Dougherty; citation_volume=172; citation_issue=2; citation_publication_date=1989; citation_pages=349-350; citation_doi=10.1148/radiology.172.2.2748813; citation_id=CR3 citation_journal_title=J. Biomech. Eng.; citation_title=The effects of cryopreservation on the biaxial mechanical properties of canine saphenous veins; citation_author=LJ Brossollet, RP Vito; citation_volume=119; citation_issue=1; citation_publication_date=1997; citation_pages=1-5; citation_doi=10.1115/1.2796059; citation_id=CR4 citation_title=Computed tomography: from photon statistics to modern cone-beam CT; citation_publication_date=2008; citation_id=CR5; citation_author=TM Buzug; citation_publisher=Springer citation_journal_title=IEEE Trans. Image Process.; citation_title=Deformable templates using large deformation kinematics; citation_author=GE Christensen, RD Rabbitt, MI Miller; citation_volume=5; citation_issue=10; citation_publication_date=1996; citation_pages=1435-1447; citation_doi=10.1109/83.536892; citation_id=CR6 citation_journal_title=Circ. Cardiovasc. Imaging; citation_title=Improved left ventricular mass quantification with partial voxel interpolation: in vivo and necropsy validation of a novel cardiac MRI segmentation algorithm; citation_author=NCF Codella, HY Lee, DS Fieno, DW Chen, S Hurtado-Rua, M Kochar, JP Finn, R Judd, P Goyal, J Schenendorf, MD Cham, RB Devereux, M Prince, Y Wang, JW Weinsaft; citation_volume=5; citation_issue=1; citation_publication_date=2012; citation_pages=137-146; citation_doi=10.1161/CIRCIMAGING.111.966754; citation_id=CR7 citation_journal_title=Circ. Cardiovasc. Imaging; citation_title=Rapid 3D phenotyping of cardiovascular development in mouse embryos by micro-CT with iodine staining; citation_author=K Degenhardt, AC Wright, D Horng, A Padmanabhan, JA Epstein; citation_volume=3; citation_issue=3; citation_publication_date=2010; citation_pages=314-322; citation_doi=10.1161/CIRCIMAGING.109.918482; citation_id=CR8 citation_journal_title=Ann. Biomed. Eng.; citation_title=Inverse parameter fitting of biological tissues: a response surface approach; citation_author=DR Einstein, AD Freed, N Stander, B Fata, I Vesely; citation_volume=33; citation_issue=12; citation_publication_date=2005; citation_pages=1819-1830; citation_doi=10.1007/s10439-005-8338-3; citation_id=CR9 citation_journal_title=Comput. Methods; citation_title=Novel optical system for in vitro quantification of full surface strain fields in small arteries: I. Theory and design; citation_author=K Genovese, YU Lee, JD Humphrey; citation_volume=14; citation_issue=3; citation_publication_date=2011; citation_pages=213-225; citation_id=CR10 citation_journal_title=IEEE Trans. Med. Imaging; citation_title=High-resolution determination of soft tissue texture correlation; citation_author=CL Gilchrist, JQ Xia, LA Setton, EW Hsu; citation_volume=23; citation_issue=5; citation_publication_date=2004; citation_pages=546-553; citation_doi=10.1109/TMI.2004.825616; citation_id=CR11 citation_journal_title=IEEE Trans. Med. Imaging; citation_title=Accurate high-resolution measurements of 3-d tissue dynamics with registration-enhanced displacement encoded MRI; citation_author=AD Gomez, SS Merchant, EW Hsu; citation_volume=33; citation_issue=6; citation_publication_date=2014; citation_pages=1350-1362; citation_doi=10.1109/TMI.2014.2311755; citation_id=CR12 citation_journal_title=J. Biomech.; citation_title=Mechanical properties of native and ex vivo remodeled porcine saphenous veins; citation_author=RJ Gusic, M Petko, R Myung, J William, KJ Gooch; citation_volume=38; citation_issue=9; citation_publication_date=2005; citation_pages=1770-1779; citation_doi=10.1016/j.jbiomech.2005.04.002; citation_id=CR13 citation_journal_title=J. Artif. Organs Off. J. Jpn. Soc Artif. Organs; citation_title=Intimal hyperplasia and hemodynamic factors in arterial bypass and arteriovenous grafts: a review; citation_author=H Haruguchi, S Teraoka; citation_volume=6; citation_issue=4; citation_publication_date=2003; citation_pages=227-235; citation_doi=10.1007/s10047-003-0232-x; citation_id=CR14 citation_journal_title=Am. J. Physiol. Circ. Physiol.; citation_title=Biomechanical response of femoral vein to chronic elevation of blood pressure in rabbits; citation_author=K Hayashi, K Mori, H Miyazaki; citation_volume=284; citation_issue=2; citation_publication_date=2003; citation_pages=H511-H518; citation_doi=10.1152/ajpcell.00214.2002; citation_id=CR15 citation_journal_title=J. Elast. Phys. Sci. Solids; citation_title=A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models; citation_author=GA Holzapfel, TC Gasser, RW Ogden; citation_volume=61; citation_issue=1–3; citation_publication_date=2000; citation_pages=1-48; citation_id=CR16 citation_journal_title=Ann. Biomed. Eng.; citation_title=Biomechanics of the porcine basilar artery in hypertension; citation_author=J-J Hu, TW Fossum, MW Miller, H Xu, J-C Liu, JD Humphrey; citation_volume=35; citation_issue=1; citation_publication_date=2007; citation_pages=19-29; citation_doi=10.1007/s10439-006-9186-5; citation_id=CR17 citation_journal_title=Radiology; citation_title=Dialysis access grafts: anatomic location of venous stenosis and results of angioplasty; citation_author=RY Kanterman, TM Vesely, TK Pilgram, BW Guy, DW Windus, D Picus; citation_volume=195; citation_issue=1; citation_publication_date=1995; citation_pages=135-139; citation_doi=10.1148/radiology.195.1.7892454; citation_id=CR18 citation_journal_title=Med. Image Anal.; citation_title=Inverse finite element characterization of soft tissues; citation_author=M Kauer, V Vuskovic, J Dual, G Szekely, M Bajka; citation_volume=6; citation_issue=3; citation_publication_date=2002; citation_pages=275-287; citation_doi=10.1016/S1361-8415(02)00085-3; citation_id=CR19 citation_journal_title=Circ. Cardiovasc. Imaging; citation_title=Automated segmentation of routine clinical cardiac magnetic resonance imaging for assessment of left ventricular diastolic dysfunction; citation_author=K Kawaji, NCF Codella, MR Prince, CW Chu, A Shakoor, TM LaBounty, JK Min, RV Swaminathan, RB Devereux, Y Wang, JW Weinsaft; citation_volume=2; citation_issue=6; citation_publication_date=2009; citation_pages=476-484; citation_doi=10.1161/CIRCIMAGING.109.879304; citation_id=CR20 citation_journal_title=Med. Eng. Phys.; citation_title=Investigations into the relationship between hemodynamics and vascular alterations in an established arteriovenous fistula; citation_author=Z Kharboutly, M Fenech, JM Treutenaere, I Claude, C Legallais; citation_volume=29; citation_issue=9; citation_publication_date=2007; citation_pages=999-1007; citation_doi=10.1016/j.medengphy.2006.10.018; citation_id=CR21 citation_journal_title=J. Biomech.; citation_title=Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test; citation_author=J Kim, S Baek; citation_volume=44; citation_issue=10; citation_publication_date=2011; citation_pages=1941-1947; citation_doi=10.1016/j.jbiomech.2011.04.022; citation_id=CR22 citation_journal_title=Circ. Cardiovasc. Imaging; citation_title=Microcomputed tomography provides high accuracy congenital heart disease diagnosis in neonatal and fetal mice; citation_author=AJ Kim, R Francis, X Liu, WA Devine, R Ramirez, SJ Anderton, LY Wong, F Faruque, GC Gabriel, W Chung, L Leatherbury, K Tobita, CW Lo; citation_volume=6; citation_issue=4; citation_publication_date=2013; citation_pages=551-559; citation_doi=10.1161/CIRCIMAGING.113.000279; citation_id=CR23 citation_journal_title=SIAM J. Optim.; citation_title=Convergence properties of the Nelder-Mead Simplex Method in low dimensions; citation_author=JC Lagarias, JA Reeds, MH Wright, PE Wright; citation_volume=9; citation_publication_date=1998; citation_pages=112-147; citation_doi=10.1137/S1052623496303470; citation_id=CR24 citation_journal_title=Kidney Int.; citation_title=Neointimal hyperplasia associated with synthetic hemodialysis grafts; citation_author=L Li, CM Terry, Y-TE Shiu, AK Cheung; citation_volume=74; citation_issue=10; citation_publication_date=2008; citation_pages=1247-1261; citation_doi=10.1038/ki.2008.318; citation_id=CR25 citation_journal_title=J. Biomech. Eng.; citation_title=FEBio: finite elements for biomechanics; citation_author=SA Maas, BJ Ellis, GA Ateshian, JA Weiss; citation_volume=134; citation_issue=1; citation_publication_date=2012; citation_pages=011005–1-011005–10; citation_doi=10.1115/1.4005694; citation_id=CR26 citation_journal_title=IEEE Trans. Med. Imaging; citation_title=Multimodality image registration by maximization of mutual information; citation_author=F Maes, A Collignon, D Vandermeulen, G Marchal, P Suetens; citation_volume=16; citation_issue=2; citation_publication_date=1997; citation_pages=187-198; citation_doi=10.1109/42.563664; citation_id=CR27 citation_journal_title=Ann. Biomed. Eng.; citation_title=Mechanical buckling of veins under internal pressure; citation_author=R Martinez, CA Fierro, PK Shireman, H-C Han; citation_volume=38; citation_issue=4; citation_publication_date=2010; citation_pages=1345-1353; citation_doi=10.1007/s10439-010-9929-1; citation_id=CR28 citation_journal_title=Med. Image Anal.; citation_title= In vivo mechanical characterization of human liver; citation_author=A Nava, E Mazza, M Furrer, P Villiger, WH Reinhart; citation_volume=12; citation_issue=2; citation_publication_date=2008; citation_pages=203-216; citation_doi=10.1016/j.media.2007.10.001; citation_id=CR29 citation_journal_title=Microsc. Microanal.; citation_title=Speckle patterning of soft tissues for strain field measurement using digital image correlation: preliminary quality assessment of patterns; citation_author=J Ning, VG Braxton, Y Wang, MA Sutton, SM Lessner; citation_volume=17; citation_issue=1; citation_publication_date=2011; citation_pages=81-90; citation_doi=10.1017/S1431927610094377; citation_id=CR30 citation_journal_title=Theor. Biol. Med. Model.; citation_title=Characterization of vascular strain during in vitro angioplasty with high-resolution ultrasound speckle tracking; citation_author=P Patel, R Biswas, D Park, TJ Cichonski, MS Richards, JM Rubin, S Phan, J Hamilton, WF Weitzel; citation_volume=7; citation_publication_date=2010; citation_pages=36; citation_doi=10.1186/1742-4682-7-36; citation_id=CR31 citation_journal_title=Open Urol. Nephrol. J.; citation_title=Does vascular elasticity affect arteriovenous fistula maturation?; citation_author=WD Paulson; citation_volume=7; citation_issue=1; citation_publication_date=2014; citation_pages=26-32; citation_doi=10.2174/1874303X01407010026; citation_id=CR32 citation_journal_title=J. Mech. Behav. Biomed. Mater.; citation_title=Comparison of biaxial mechanical properties of coronary sinus tissues from porcine, ovine and aged human species; citation_author=T Pham, W Sun; citation_volume=6; citation_publication_date=2012; citation_pages=21-29; citation_doi=10.1016/j.jmbbm.2011.09.001; citation_id=CR33 citation_journal_title=Med. Image Anal.; citation_title=Strain measurement in the left ventricle during systole with deformable image registration; citation_author=NS Phatak, SA Maas, AI Veress, NA Pack, EVR Bella, JA Weiss; citation_volume=13; citation_issue=2; citation_publication_date=2009; citation_pages=354-361; citation_doi=10.1016/j.media.2008.07.004; citation_id=CR34 citation_journal_title=Ann. Biomed. Eng.; citation_title=Noninvasive determination of ligament strain with deformable image registration; citation_author=N Phatak, Q Sun, S-E Kim, D Parker, K Sanders, A Veress, B Ellis, JA Weiss; citation_volume=35; citation_issue=7; citation_publication_date=2007; citation_pages=1175-1187; citation_doi=10.1007/s10439-007-9287-9; citation_id=CR35 citation_journal_title=SPIE 2573, Vision Geometry IV; citation_title=Mapping of hyperelastic deformable templates using the finite element method; citation_author=RD Rabbitt, JA Weiss, GE Christensen, MI Miller; citation_volume=2573; citation_publication_date=1995; citation_pages=252-265; citation_id=CR36 citation_journal_title=J. Biomech.; citation_title=Biomechanical response of varicose veins to elastic compression: a numerical study; citation_author=CP-Y Rohan, P Badel, B Lun, D Rastel, S Avril; citation_volume=46; citation_issue=3; citation_publication_date=2013; citation_pages=599-603; citation_doi=10.1016/j.jbiomech.2012.10.043; citation_id=CR37 citation_journal_title=J. Biomech.; citation_title=Determination of constitutive equations for human arteries from clinical data; citation_author=CAJ Schulze-Bauer, GA Holzapfel; citation_volume=36; citation_issue=2; citation_publication_date=2003; citation_pages=165-169; citation_doi=10.1016/S0021-9290(02)00367-6; citation_id=CR38 citation_journal_title=Biomech. Model. Mechanobiol.; citation_title=Experimental investigation and constitutive modeling of the 3D histomechanical properties of vein tissue; citation_author=DP Sokolis; citation_volume=12; citation_issue=3; citation_publication_date=2013; citation_pages=431-451; citation_doi=10.1007/s10237-012-0410-y; citation_id=CR39 citation_journal_title=Med. Biol. Eng. Comput.; citation_title=Differential histomechanical response of carotid artery in relation to species and region: mathematical description accounting for elastin and collagen anisotropy; citation_author=DP Sokolis, S Sassani, EP Kritharis, S Tsangaris; citation_volume=49; citation_issue=8; citation_publication_date=2011; citation_pages=867-879; citation_doi=10.1007/s11517-011-0784-5; citation_id=CR40 citation_journal_title=Med. Image Anal.; citation_title=Image matching as a diffusion process: an analogy with Maxwell’s demons; citation_author=JP Thirion; citation_volume=2; citation_issue=3; citation_publication_date=1998; citation_pages=243-260; citation_doi=10.1016/S1361-8415(98)80022-4; citation_id=CR41 citation_journal_title=J. Biomech.; citation_title=Study of stress concentration in the walls of the bovine coronary arterial branch; citation_author=MJ Thubrikar, SK Roskelley, RT Eppink; citation_volume=23; citation_issue=1; citation_publication_date=1990; citation_pages=15-26; citation_doi=10.1016/0021-9290(90)90365-A; citation_id=CR42 citation_journal_title=Pulm. Circ.; citation_title= In vivo and in vitro measurements of pulmonary arterial stiffness: a brief review; citation_author=L Tian, NC Chesler; citation_volume=2; citation_issue=4; citation_publication_date=2012; citation_pages=505-517; citation_doi=10.4103/2045-8932.105040; citation_id=CR43 citation_journal_title=J. Biomech. Eng.; citation_title=Measurement of strain in the left ventricle during diastole with cine-MRI and deformable image registration; citation_author=AI Veress, GT Gullberg, JA Weiss; citation_volume=127; citation_issue=7; citation_publication_date=2005; citation_pages=1195-1207; citation_doi=10.1115/1.2073677; citation_id=CR44 citation_journal_title=J. Biomech. Eng.; citation_title=Strain measurement in coronary arteries using intravascular ultrasound and deformable images; citation_author=AI Veress, JA Weiss, GT Gullberg, DG Vince, RD Rabbitt; citation_volume=124; citation_publication_date=2002; citation_pages=734-741; citation_doi=10.1115/1.1519279; citation_id=CR45 citation_journal_title=J. Biomech.; citation_title=Mechanical characterization of skin-finite deformations; citation_author=DR Veronda, RA Westmann; citation_volume=3; citation_issue=1; citation_publication_date=1970; citation_pages=111-124; citation_doi=10.1016/0021-9290(70)90055-2; citation_id=CR46 citation_journal_title=Am. J. Physiol. Circ. Physiol.; citation_title=Three-dimensional mechanical properties of porcine coronary arteries: a validated two-layer model; citation_author=C Wang, M Garcia, X Lu; citation_volume=291; citation_issue=3; citation_publication_date=2006; citation_pages=1200-1209; citation_doi=10.1152/ajpheart.01323.2005; citation_id=CR47 Weiss, J. A., A. I. Veress, G. T. Gullberg, N. S. Phatak, Q. Sun, D. Parker, and R. D. Rabbitt. Strain measurement using deformable image registration. In: Mechanics of Biological Tissue, pp. 489–501, 2006. citation_journal_title=J. R. Soc. Interface; citation_title=Medical ultrasound: imaging of soft tissue strain and elasticity; citation_author=PNT Wells, H Liang; citation_volume=8; citation_issue=64; citation_publication_date=2011; citation_pages=1521-1549; citation_doi=10.1098/rsif.2011.0054; citation_id=CR49 citation_journal_title=J. Biomech. Eng.; citation_title=Regional left ventricular myocardial contractility and stress in a finite element model of posterobasal myocardial infarction; citation_author=JF Wenk, K Sun, Z Zhang, M Soleimani, L Ge, D Saloner, AW Wallace, MB Ratcliffe, JM Guccione; citation_volume=133; citation_issue=4; citation_publication_date=2011; citation_pages=1-14; citation_doi=10.1115/1.4003438; citation_id=CR50 citation_journal_title=J. Magn. Reson. Imaging; citation_title=Cine phase contrast MRI to measure continuum Lagrangian finite strain fields in contracting skeletal muscle; citation_author=H Zhou, JE Novotny; citation_volume=25; citation_issue=1; citation_publication_date=2007; citation_pages=175-184; citation_doi=10.1002/jmri.20783; citation_id=CR51