Разработка и апробация мобильного стенда по исследованию механических свойств биологических тканей

Разработка и апробация мобильного стенда по исследованию механических свойств биологических тканей

Автор: Паршина И.Ф., Доль А.В., Иванов Д.В., Бессонов Л.В., Майстренко Д.Н., Генералов М.И.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (105) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Вопрос определения механических свойств стенок сосудов и атеросклеротических бляшек постоянно возникает при численном моделировании участков сосудистого русла. Испытательные машины, как правило, стоят в специальных лабораториях вне медицинских учреждений, и транспортировка образцов из клиники связана с определенными трудностями. Таким образом, актуальной является задача разработки мобильных испытательных устройств, которые могут быть установлены непосредственно в клинике для проведения испытаний сразу после операции. Представлены результаты разработки и апробации мобильного испытательного стенда для осуществления механических экспериментов по одноосному сжатию и растяжению биологических тканей. Назначение стенда - проведение механических испытаний в клинике со свежими тканями с целью избегания их транспортировки в лабораторию и/или заморозки. В качестве управляющего элемента в стенде используется аппаратная платформа Arduino UNO , которая осуществляет контроль за основными элементами стенда (двигатель, тензодатчик), а также запись данных на SD -карту и вывод информации об эксперименте на экран компьютера. Конструкционно стенд представляет собой аналог двухколонной испытательной машины. Все механизмы скомпонованы в переносном чемодане, управляющий модуль выполнен в виде выносного пластикового бокса. Верификация стенда осуществлялась на основе универсальной машины Instron 3342 с нагрузочной ячейкой 500 Н. С использованием стенда в общей сложности был проведен 121 эксперимент на мягких тканях (включая стенки артерий и атеросклеротические бляшки). Полученные модули Юнга и предельные значения прочности сведены в таблицу. Средний модуль Юнга для стенки внутренней сонной артерии составил 0,32 ± 0,24 МПа, для мягкой бляшки 0,30 ± 0,17 МПа, для твердой бляшки 0,85 ± 0,39 МПа; для твердых бляшек в сонных артериях также был определен предел прочности 1,12 ± 0,67 МПа. В результате была составлена уникальная база данных о модулях Юнга, полученных из свежесобранного материала. Методика и ее реализация на мобильном стенде показывают хорошее соответствие литературным данным для всех типов исследованных материалов.

Еще

Модуль юнга, предел прочности, одноосное сжатие, одноосное растяжение, экспериментальный стенд

Короткий адрес: https://sciup.org/146282987

IDR: 146282987   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.03

Список литературы Разработка и апробация мобильного стенда по исследованию механических свойств биологических тканей

  • Иванов, Д.В. Биомеханические основы прогнозирования протекания каротидного атеросклероза / Д.В. Иванов, А.В. Доль, Ю.И. Кузык // Российский журнал биомеханики. – 2017. – Т. 21, № 1. – С. 29–40.
  • Gasser, T. Modeling plaque fissuring and dissection during balloon angioplasty intervention / T. Gasser, G. Holzapfel // Annals of biomedical engineering. – 2007. – Vol. 35. – P. 711–23.
  • Mechanical properties and composition of carotid and femoral atherosclerotic plaques: A comparative study / E.M. Cunnane, J.J.E. Mulvihill, H.E. Barrett, M.M. Hennessy, E.G. Kavanagh, M.T. Walsh // Journal of Biomechanics. – 2016. – Vol. 49, no.15. – P. 26.
  • The role of biomechanics in the assessment of carotid atherosclerosis severity: А numerical approach / L. Zouggari, B. Bousaid, F. Massi, A. Culla, A. Millon // World. J. Vasc. Surg. – 2018. – Vol.1, no. 1. – P. 1007.
  • Holzapfel, G.A. Mechanics of angioplasty: Wall, balloon and stent / G.A. Holzapfel, C.A.J. Schulze-Bauer, M. Stadler // Mechanics in Biology. NewYork: The American Society of Mechanical Engineers (ASME). – 2000. – Vol. 242, no. 46. – P. 141–156.
  • Holzapfel, G.A. Anisotropic mechanical properties of tissue components in human atherosclerotic plaques / G.A. Holzapfel, G. Sommer, P. Regitnig // Journal of Biomechanical Engineering. – 2004. – Vol. 126. – P. 657–665.
  • Holzapfel, G.A. A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models / G.A. Holzapfel, T.C. Gasser, R.W. Ogden // Journal of Elasticity. – 2000. – Vol. 61. – P. 1–48.
  • Riley, W. Ultrasonic measurement of the elastic modulus of the common carotid artery: the atherosclerosis risk in communities (ARIC) study / W. Riley, R. Barnes, G. Burke // Medicine Stroke. – 1992. – Vol. 23. – P. 952–956.
  • A finite element investigation onplaque vulnerability in realistichealthy and atherosclerotichuman coronary arteries / A. Karimi, M. Navidbakhsh, S. Faghihi, A. Shojaei, A.K. Hassani // Proc IMechE Part H:J Engineering in Medicine. – 2012. – Vol. 227, no. 2. – P. 148–161.
  • Arrizabalaga, J.H. Fabrication of an economical arduinobased uniaxial tensile tester / J.H. Arrizabalaga, A.D. Simmons, M.U. Nollert // J. Chem. Educ. – 2017. – Vol. 94, no. 4. – Р. 530–533.
  • Geasa, M.M. Development of an Arduino based universal testing apparatus / M.M. Geasa // Archives of Agriculture Sciences Journal. – 2022. – Vol. 4, no. 3. – P. 121–131.
  • Разработка испытательной машины для двухосного тестирования мягких тканей и биоматериалов / А.Л. Овсепьян, В.Ю. Саламатова, А.Н. Рамазанов, Д.Д. Диц, О.С. Вартанов, Д.Н. Бардынин, Н.В. Клочко, А.В. Подоровский, Ю.В. Василевский // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 4. – С. 12–24.
  • Исследование связи между подошвенным давлением и тонусом икроножной мышцы. Разработка и апробация нового экспериментального стенда / А.О. Гуляева, А.С. Фалькович, С.И. Киреев, Д.В. Терин, И.М. Магомедов // Российский журнал биомеханики. – 2023 – Т. 27, № 4. – С. 127–137.
  • Доль, А.В. Механические свойства атеросклеротических бляшек, покрышек и стенок: испытания на мобильном стенде / А.В. Доль // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 3. – С. 81–88.
  • Механическое поведение материала из никелида титана при растяжении и оценка биомеханической совместимости / Е.С. Марченко, А.А. Козулин, Е.Б. Топольницкий, Н.А. Шефер, А.В. Ветрова, М.А. Ковалёва // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 2. – С. 52–63. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.04
  • Chen, E.H. The power of the Shapiro–Wilk W test for normality in samples from contaminated normal distributions / E.H. Chen // Journal of the American Statistical Association. – 1971. – Vol. 66. – P. 760–762.
  • Experimental measurement of the mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque fibrous cap / S.R.H. Barrett, M.P.F. Sutcliffe, S. Howarth, Z.Y. Li, J.H. Gillard // J. Biomech. – 2009. – Vol. 42. – P. 1650–1655.
  • Local anisotropic mechanical properties of human carotid atherosclerotic plaques - Characterisation by microindentation and inverse finite element analysis / C.K. Chai, A.C. Akyildiz, L. Speelman, F.J.H. Gijsen, C.W.J. Oomens, M.R.H.M. van Sambeek, A. van der Lugt, F.P.T. Baaijens // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. – 2014. – Vol. 43. – P. 59–68.
  • Structural strength of cancellous specimens from bovine femur under cyclic compression / K. Endo, S. Yamada, M. Todoh, M. Takahata, N. Iwasaki, S. Tadano // PeerJ. – 2016. – Vol. 4. – P. e1562.
  • Rezvani-Sharif, A. Progressive changes of elastic moduli of arterial wall and atherosclerotic plaque components during plaque development in human coronary arteries / A. Rezvani-Sharif, M. Tafazzoli-Shadpour, A. Avolio // Med. Biol. Eng. Comput. – 2019. – Vol. 57, no. 3. – P. 731–740.
  • Material properties of components in human carotid atherosclerotic plaques: a uniaxial extension study / Z. Teng, Y. Zhang, Y. Huang, J. Feng, J. Yuan, Q. Lu, M.P. Sutcliffe, A.J. Brown, Z. Jing, J.H. Gillard // Acta Biomater. – 2014. – Vol. 10. – P. 5055–5063.
  • Structure-dependent dynamic mechanical behavior of fibrous caps from human atherosclerotic plaques / R.T. Lee, A.J. Grodzinsky, E.H. Frank, R.D. Kamm, F.J. Schoen // Circulation. – 1991. – Vol. 83. – P. 1764–1770.
  • Mechanical properties of model atherosclerotic lesion lipid pools / H.M. Loree, B.J. Tobias, L.J. Gibson, R.D. Kamm, D.M. Small, R.T. Lee // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. – 1994. – Vol. 14. – P. 230–234.
  • Mapping elasticity moduli of atherosclerotic plaque in situ via atomic force microscopy / P. Tracqui, A. Broisat, J. Toczek, N. Mesnier, J. Ohayon, L. Riou // Journal of Structural Biology. – 2011. – Vol. 174, no. 1. – P. 115–123.
  • Viscoelastic properties of normal and atherosclerotic carotid arteries / N. Labropoulos, M.A. Mansour, S.S. Kang, D.S. Oh, J.F. Buckman, W.H. Baker // European journal of vascular and endovascular surgery: the official journal of the European Society for Vascular Surgery. – 2000. – Vol.19, no. 3. – P. 221–225.
  • Matsumoto, T. Biomechanics of Blood Vessels: Structure, Mechanics, and Adaptation / T. Matsumoto, S. Sugita, T. Yaguchi // Advances in Metallic Biomaterials. – 2015. – P. 71–98.
  • Holzapfel, G.A. Constitutive modelling of arteries / G.A. Holzapfel, R.W. Ogden // Proc. R. Soc. – 2010. – Vol. 466. – P. 1551–1597.
  • Hemodynamic analysis of a compliant femoral artery bifurcation model using a fluid structure interaction framework / Y.-H. Kim, J.-E. Kim, Y. Ito, A.M. Shih, B. Brott, A. Anayiotos // Annals of Biomedical Engineering. – 2008. – Vol. 36, no. 11. – P. 1753–1763
  • Residual strain effects on the stress field in a thick wall finite element model of the human carotid bifurcation / A. Delfino, N. Stergiopulos, J.E. Moore, J.-J. Meister // J. Biomech. – 1997. – Vol. 30. – P. 777–786.
  • Effect of linear and Mooney–Rivlin material model on carotid artery hemodynamics / N. Kumar, R. Pai, M. Manjunath, A. Ganesha, A. Khader // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2021. – Vol. 43. – P. 395.
  • 3D MRI-based multi-component FSI models for atherosclerotic plaques a 3-D FSI model / D. Tang, C. Yang, J. Zheng, P.K. Woodard, G.A. Sicard, J.E. Saffitz, C. Yuan // Annals of Biomedical Engineering. – 2004. – Vol. 32, no. 7. – P. 947–960.
  • Experimental Determination of the Mooney-Rivlin Constant for Natural Rubber Vulcanisates / D.C. Campbell, A.V. Chapman, I.R. Goodchild, W.S. Fulton // J. nat. Rubb. Res. – 1992. – Vol. 7, no. 3. – P. 168–180.
  • Calcifications in atherosclerotic plaques and impact on plaque biomechanics / H.E. Barrett, K. Van der Heiden, E. Farrell, F.J.H. Gijsen, A.C. Akyildiz // Journal of Biomechanics. – 2019. – Vol. 87 – P. 1–12.
  • The effects of freezing on the mechanical properties of bone / B. Kaye, C. Randall, D. Walsh, P. Hansma // The Open Bone Journal. – 2012. – Vol. 4. – P. 14–19.
  • Lander, S. L. The effects of freezing, boiling and degreasing on the microstructure of bone / S.L. Lander, D. Brits, M. Hosie // HOMO – Journal of Comparative Human Biology. – 2014. – Vol. 65, no. 2. – P. 131–142
  • Density and mechanical properties of vertebral trabecular bone-A review / C. Öhman-Mägi, O. Holub, D. Wu, R.M. Hall, C. Persson // JOR Spine. – 2021. – Vol. 4, no 4. – P. e1176.
  • The predictive value of quantitative computed tomography for vertebral body compressive strength and ash density / L. Mosekilde, S.M. Bentzen, G. Ortoft, J. Jørgensen // Bone. – 1989. – Vol. 10, no 6. – P. 465–470.
  • Rho, J.Y. Relations of mechanical properties to density and CT numbers in human bone / J.Y. Rho, M.C. Hobatho, R.B. Ashman // Med Eng Phys. – 1995. – Vol. 17, no 5. – P. 47–55.
  • Построение зависимости между значением модуля Юнга и числами Хаунсфилда губчатой кости головок бедра / Л.В. Бессонов, А.А. Голядкина, П.О. Дмитриев, А.В. Доль, В.С. Золотов, Д.В. Иванов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович, Ю.И. Титова, В.Ю. Ульянов, А.В. Харламов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2021. – Т. 21, вып. 2. – С. 182–193. DOI: 10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp