Механические свойства атеросклеротических бляшек, покрышек и стенок артериальных сосудов: испытания на мобильном стенде

Механические свойства атеросклеротических бляшек, покрышек и стенок артериальных сосудов: испытания на мобильном стенде

Автор: Доль А.В.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (101) т.27, 2023 года.

Бесплатный доступ

В рамках данной работы разработаны методика и прототип испытательного стенда для проведения экспериментов на сжатие образцов биологических тканей. Испытательный стенд для реализации методики состоит из высокоточных весов (точность измерений до 0.01 г, максимальная масса - 5 кг), электронного штангенциркуля (точность измерения до 0.01 мм) с изготовленными на 3D-принтере площадками, которые крепятся на захваты, а также видеокамеры. Благодаря такому мобильному стенду удалось провести серию экспериментов (в общей сложности 99 испытаний) по определению модуля Юнга атеросклеротических бляшек и участков сосудистых стенок, изъятых из организма не позднее нескольких часов. Это позволило набрать базу данных о максимально приближенных к реальным свофствам механических характеристиках бляшек. Кроме того, построены регрессионные зависимости между числами Хаунсфилда, соответствующим плотным атеросклеротическим отложениям, различимым на компьютерной томограмме, и модулями Юнга, полученными в ходе экспериментов. Такие зависимости в дальнейшем позволят определять механические свойства бляшек in vivo на основе данных компьютерной томографии. Методика была верифицирована посредством механических экспериментов на универсальной испытательной машине Instron 3342 и на мобильном испытательном стенде на образцах из твердых (с явно выраженным кальцинозом) и мягких бляшек. Для образцов каждого типа было проведено по 7 экспериментов. Результаты отличались не более чем на 4.3% для мягких бляшек и не более чем на 9.5% для твердых бляшек. Для проверки межэкспертной надежности методики был проведен ряд экспериментов с привлечением двух независимых участников. Каждый из трех операторов мобильного стенда выполнил по 5 испытаний на образцах из мягкой резины. Исследование межэкспертной надежности позволило показать независимость методики от навыков и квалификации оператора.

Еще

Биомеханика, атеросклероз, мобильный стенд, сжатие, модуль юнга

Короткий адрес: https://sciup.org/146282783

IDR: 146282783   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.3.06

Список литературы Механические свойства атеросклеротических бляшек, покрышек и стенок артериальных сосудов: испытания на мобильном стенде

  • Иванов Д.В., Доль А.В., Кузык Ю.И. Биомеханические основы прогнозирования протекания каротидного атеросклероза // Российский журнал биомеханики. -2017. - Т. 21. - № 1. - С. 29-40.
  • Лобанов Д.С. Экспериментальные исследования деформационных и прочностных свойств полимерных композиционных материалов и панелей с заполнителем: дис. канд. техн. наук: 01.02.04. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2015. - 148 с.
  • Arrizabalaga J.H., Simmons A.D., Nollert M.U. Fabrication of an Economical Arduino-Based Uniaxial Tensile Tester // J. Chem. Educ. - 2016.
  • Barrett H.E., Van der Heiden K., Farrell E., Gijsen F.J.H., Akyildiz A.C. Calcifications in atherosclerotic plaques and impact on plaque biomechanics // Journal of Biomechanics. - 2019. - Vol. 87 - P. 1-12.
  • Barrett S.R.H., Sutcliffe M.P.F., Howarth S., Li Z.Y., Gillard J.H. Experimental measurement of the mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque fibrous cap // J. Biomech. - 2009. - Vol. 42. - P. 1650-1655.
  • Bessonov L.V., Golyadkina A.A., Dmitriev P.O., Dol A.V., Zolotov V.S., Ivanov D.V., Kirillova I.V., Kossovich L.Y., Titova Yu.I., Ulyanov V.Yu., Kharlamov A.V. Constructing the Dependence Between the Young's Modulus Value and the Hounsfield Units of Spongy Tissue of Human Femoral Heads // Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics. - 2021. - Vol. 21. - № 2. - P. 182193.
  • Campbell D.C., Chapman A.V., Goodchild I.R., Fulton W.S. Experimental Determination of the Mooney-Rivlin Constant for Natural Rubber Vulcanisates // J. nat. Rubb. Res. - 1992. - Vol. 7. - Iss. 3. - P. 168 - 180.
  • Chai C.K., Akyildiz A.C., Speelman L., Gijsen F.J.H., Oomens C.W.J., van Sambeek M.R.H.M., van der Lugt A., Baaijens F.P.T. Local Anisotropic Mechanical Properties of Human Carotid Atherosclerotic Plaques - Characterisation by Microindentation and Inverse Finite Element Analysis // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. - 2014 - Vol. 43. - P. 5968.
  • Cunnane E.M., Mulvihill J.J.E., Barrett H.E., Hennessy M.M., Kavanagh E.G., Walsh M.T. Mechanical Properties and Composition of Carotid and Femoral Atherosclerotic Plaques: A Comparative Study // Journal of Biomechanics. -2016. - Vol. 49. - Iss.15. — 26 p.
  • Delfino A., Stergiopulos N., Moore J.E. Meister J.-J. Residual strain effects on the stress field in a thick wall finite element model of the human carotid bifurcation // J. Biomech. - 1997. - Vol. 30. - P. 777-786.
  • Desyatova A, Poulson W, MacTaggart J, Maleckis K, Kamenskiy A. Cross-Sectional Pinching in Humanfemoropopliteal Arteries due to Limb Flexion, and Stent Design Optimization for Maximumcross-Sectional Opening and Minimumintramural Stresses // J.R. Soc. Interface. - 2018. - Vol.15. - P. 0475.
  • Gao H., Long Q. Effects of varied lipid core volume and fibrous cap thickness on stress distribution in carotid arterial plaques // J Biomech. - 2008. - Vol. 41. - Iss. 14. - P.3053-9.
  • Geasa M. M. Development of an Arduino based universal testing apparatus // Archives of Agriculture Sciences Journal. - 2022. - Vol. 4. - Iss. 3. - P. 121-131.
  • Helck A., Bianda N., Canton G., Yuan C., Hippe D.S., Reiser M.F., Gallino A., Wyttenbach R., Saam T. Intra-Individual Comparison of 17carotid and Femoral Atherosclerotic Plaque Features With in vivo MR Plaque Imaging // 18Int J Cardiovasc Imaging. - 2015. - Vol.31. -P. 1611-8.
  • Holzapfel G.A., Gasser T.C., Ogden R.W. A New Constitutive Framework for Arterial Wall Mechanics and a Comparative Study of Material Models // Journal of Elasticity. - 2000. - Vol. 61. - P. 1-48.
  • Holzapfel G.A., Ogden R.W. Constitutive modelling of arteries // Proc. R. Soc. - 2010. - Vol. 466. - P. 1551-1597.
  • Karimi A., Navidbakhsh M., Faghihi S., Shojaei A., Hassani A.K. A finite element investigation onplaque vulnerability in realistichealthy and atherosclerotichuman coronary arteries // Proc IMechE Part H:J Engineering in Medicine. - 2012. -Vol. 227. - Iss. 2. - P. 148-161.
  • Kim Y.-H., Kim J.-E., Ito Y., Shih A.M., Brott B., Anayiotos A. Hemodynamic Analysis of a Compliant Femoral Artery Bifurcation Model using a Fluid Structure Interaction Framework // Annals of Biomedical Engineering. - 2008. -Vol. 36. - No. 11. - P. 1753-1763
  • Kumar N., Pai R., Manjunath M., Ganesha A., Khader A. Effect of linear and Mooney-Rivlin material model on carotid artery hemodynamics // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. - 2021. -Vol. 43. - 395.
  • Labropoulos N., Mansour M.A., Kang S.S., Oh D.S., Buckman J.F., Baker W.H. Viscoelastic properties of normal and atherosclerotic carotid arteries // European journal of vascular and endovascular surgery: the official journal of the European Society for Vascular Surgery. - 2000. - Vol.19. -Iss. 3. - P. 221-225.
  • Matsumoto T. Sugita S. Yaguchi T. Biomechanics of Blood Vessels: Structure, Mechanics, and Adaptation // Advances in Metallic Biomaterials. - 2015. - P. 71-98.
  • Mooney, M. A Theory of Large Elastic Deformation // J. Appl. Physiol. - 1940. - Vol. 11. - P. 582-592.
  • Nachar N. The Mann-Whitney U: A Test for Assessing Whether Two Independent Samples Come from the Same Distribution // Tutorials in Quantitative Methods for Psychology. - 2008. Vol. 4. - P. 1-13.
  • Riley W., Barnes R., Burke G. Ultrasonic Measurement of the Elastic Modulus of the Common Carotid Artery: The Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) Study // Medicine Stroke. - 1992. - Vol. 23. - P. 952-956.
  • Schiavone P., Chassat F., Boudou T., Promayon E., Valdivia F., Payan Y. In vivo measurement of human brain elasticity using a light aspiration device // Med Image Anal. - 2009. -Vol. 13. - P. 673-678.
  • Tang D., Yang C., Zheng J., Woodard P.K., Sicard G.A., Saffitz J.E., Yuan C. 3D MRI-based multi-component FSI models for atherosclerotic plaques a 3-D FSI model // Annals of Biomedical Engineering. - 2004. - Vol. 32. - Iss. 7. - P. 947-960.
  • Wintermark M., Jawadi S.S., Rapp J.H., Tihan T., Tong E., Glidden D.V., Abedin S., Schaeffer S., Acevedo-Bolton G., Boudignon B., Orwoll B., Pan X., Saloner D. HighResolution CT Imaging of Carotid Artery Atherosclerotic Plaques // American Journal of Neuroradiology. - 2008. -Vol. 29 (5). - P. 875-882.
  • Wissing T.B., Van der Heiden K., Serra S.M., Smits A., Bouten C., Gijsen F.J.H. (2021). Tissue-engineered Collagenous Fibrous Cap Models to Systematically Elucidate Atherosclerotic Plaque Rupture // Scientific Reports. - 2022. - Vol. 12. - 5434.
  • Yanev S., Savova M., Chaldakov G. The fibrous cap: a promising target in the pharmacotherapy of atherosclerosis // Biomedical Reviews. - 2019. - Vol. 30. - P. 136-141.
  • Zouggari L., Bou-said B., Massi F., Culla A., Millon A. The Role of Biomechanics in the Assessment of Carotid Atherosclerosis Severity: A Numerical Approach // World Journal of Vascular Surgery. - 2018. - Vol. 1. - Iss. 1. - P. 1-8.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp