Πειραματική μελέτη και προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς ιστών του ανθρώπειου ουροποιητικού συστήματος

Abstract

Biomechanics refers to all the laws and principles of engineering that apply to biology and medicine to interpret the behavior of all living organisms. In order to study the ureter, it is also necessary to understand the structure, anatomy, function, and pathophysiology of the tissue under study. The ureter has been largely overlooked heretofore in the study of the biomechanics of soft biological tissues, although there has been significant motivation to use its biomechanical properties as inputs to mathematical models of ureteral function. The present study aims to determine the biomechanical properties of human ureter in relation to age and gender and it is divided into 2 main sections. In the first section we used histological analysis for quantification of collagen contents and thickness/area of the ureteral layers, with concomitant geometrical analysis of zero-stress and no-load states, and inflation/extension testing to biomechanically characterize with the Fung-type model the ureters from 12 cadavers. In the second section we report definite zero-stress/no-load geometrical characterization at fifteen regions along the ureter of human cadavers, estimating the opening angle, residual strains, axial curvature, and dimensional parameters.A summary of our results is as follows: 1) Tissue properties do not differ (p>0.05) between the left and right ureter. 2) Regional heterogeneity is established that was profoundly age-related but seldom gender-related. 3) In younger subjects, the axial stress-circumferential strain curves for upper ureter are shifted to smaller stresses, and the model parameter a_2 representing axial stiffness is smallest (p<0.05). 4) The upper ureter undergoes axial stiffening with advanced age. 5) Aging increases (p <0.05) the collagen content of upper ureter to favor a near-uniform regional distribution. 6) Wall thickness increases with age, it is not constant throughout its length (it increases towards from the upper to the middle and then decreases to the lower part), unlike the opening angle and residual strains. 7) The curvature of ureter in the no-load state increases steadily and significantly along the first half of ureter and decreases in the second half. 8) Finally, gender affects little (p> 0.05) the opening angle and morphometry of the no-load and zero-stress states. The presented data will provide insight into the biomechanical response of ureter under zero and physiologic stress conditions and the relationship between ureteral remodeling and aging. Importantly, they may also be used to inform finite element models and computational studies simulating the ureter.

Ο όρος εμβιομηχανική αναφέρεται σε όλους τους νόμους και τις αρχές της επιστήμης του μηχανικού που βρίσκουν εφαρμογή στη βιολογία και την ιατρική για να ερμηνεύσουν τη συμπεριφορά των ζωντανών οργανισμών. Για την εφαρμογή της εμβιομηχανικής απαιτείται η κατανόηση της δομής, της ανατομίας, της λειτουργίας, και της παθοφυσιολογίας του υπό εξέταση ιστού στη συγκεκριμένη περίπτωση του ουρητήρα. Μέχρι τώρα ο ουρητήρας έχει μελετηθεί σε πολύ μικρό βαθμό, παρά τη σημαντική εμβιομηχανική έρευνα που έχει γίνει σε άλλους βιολογικούς ιστούς και ενώ υπάρχει μεγάλο κίνητρο για την εισαγωγή των εμβιομηχανικών ιδιοτήτων του ουρητήρα σε μαθηματικά μοντέλα ανάλυσης της λειτουργίας του. Η παρούσα διατριβή έχει ως σκοπό τον προσδιορισμό των εμβιομηχανικών ιδιοτήτων των ουρητήρων του ανθρώπου, σε σχέση με την ηλικία και το φύλο, ενώ χωρίζεται σε 2 ενότητες.Στην πρώτη ενότητα χρησιμοποιήθηκαν 12 ζεύγη ανθρώπινων ουρητήρων (πτωματικό υλικό) (έξι άντρες, ηλικίας 54±9 ετών και έξι γυναίκες, ηλικίας: 55±8 ετών) για πειράματα διόγκωσης/έκτασης και για την ιστολογική ανάλυση της περιεκτικότητας του τοιχώματος του ουρητήρα σε κολλαγόνο και του πάχους αυτού (και των επιμέρους στοιβάδων του), ενώ ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκε γεωμετρική ανάλυση των καταστάσεων μηδενικής τάσης και μηδενικής φόρτισης στα τρία τμήματα του ουρητήρα (άνω, μέσο και κάτω τμήμα). Τα πειραματικά αποτελέσματα προσομοιώθηκαν με το μαθηματικό μοντέλο τύπου Fung. Στη δεύτερη ενότητα της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν πτωματικά δείγματα ολόκληρου του ουρητήρα από 21 άτομα. Τα δείγματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της αξονικής καμπυλότητας του ιστού και των παραμενουσών παραμορφώσεων στις καταστάσεις μηδενικής φόρτισης και μηδενικής τάσης σε όλο το μήκος του και συγκεκριμένα σε 15 διαφορετικές θέσεις. Συνοπτικά προκύπτει ότι: 1) Δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ του δεξιού και του αριστερού ουρητήρα σε κάποια ιδιότητα του ιστού (p>0.05). 2) Διαπιστώνεται τοπική ετερογένεια που σχετίζεται σημαντικά με την ηλικία αλλά σπάνια με το φύλο. 3) Στα νέα άτομα, οι καμπύλες αξονικής τάσης-περιφερειακής παραμόρφωσης του άνω τμήματος του ουρητήρα μετατοπίζονται σε μικρότερες τάσεις και η παράμετρος του μοντέλου Fung που αναπαριστά την αξονική δυσκαμψία είναι μικρότερη (p<0.05). 4) Το άνω τμήμα του ουρητήρα υφίσταται αύξηση της αξονικής δυσκαμψίας του σε προχωρημένη ηλικία. 5) Με τη γήρανση αυξάνεται (p<0.05) η περιεκτικότητα σε κολλαγόνο του άνω τμήματος του ουρητήρα ευνοώντας μια πιο ομοιόμορφη κατανομή κατά μήκος του. 6) Το πάχος του τοιχώματος του ουρητήρα αυξάνεται με την ηλικία, ενώ δεν είναι σταθερό κατά το μήκος του, (αυξάνεται από το άνω προς το μέσο τμήμα και ακολούθως μειώνεται προς το κάτω τμήμα), αντίθετα με ό,τι συμβαίνει με τη γωνία ανοίγματος και τις παραμένουσες παραμορφώσεις. 7) Παρατηρείται ότι η καμπυλότητα του ουρητήρα στην κατάσταση μηδενικής φόρτισης αυξάνεται κατά το πρώτο ήμισυ του ουρητήρα, και μειώνεται κατά το δεύτερο ήμισυ. 8) Τέλος τo φύλο επηρεάζει ελάχιστα (p>0.05) τη γωνία ανοίγματος και τη μορφομετρία των καταστάσεων μηδενικής φόρτισης και μηδενικής τάσης. Τα εμβιομηχανικά, μορφομετρικά και ιστολογικά δεδομένα που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες αναφορικά με τις εμβιομηχανικές ιδιότητες του ουρητήρα υπό συνθήκες όχι μόνο φυσιολογικών τάσεων αλλά και στην κατάσταση άνευ τάσεων/φορτίων, επεξηγούν δε τη σχέση γήρανσης-αναδιαμόρφωσης του οργάνου. Τα δεδομένα αυτά είναι εξόχως αναγκαία σε μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων, που θα προσομοίωσουν τη φυσιολογική και παθολογική λειτουργία του ουρητήρα.