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编号:10273675
平滑肌活性对兔肠系膜上静脉环箍应力-应变关系的影响
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 1998年第3期
     作者:成海平1 刘正津2 邹昭文3

    单位:1 (第三军医大学 西南医院康复科生物力学实验室,重庆 400038);2 (第三军医大学 基础部解剖教研室,重庆 400038);3 (重庆建筑大学 理论力学教研室,重庆 400030)

    关键词:肠系膜上静脉;平滑肌;活性;力学性质

    生物医学工程学杂志980306 内容摘要 将14只家兔的肠系膜上静脉(SMV)随机分为两组:Ⅰ(正常组)和Ⅱ(平滑肌失活组)。通过充压试验结果表明:兔SMV环箍应力-应变关系为指数函数关系,平滑肌活性对兔SMV材料常数X2有明显影响,材料常数X2组间比较有显著性差异(P<0.05),材料常数X1组间比较差异无显著性。认为X2是平滑肌活性参数。
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    The Effect of Activity of Smooth Muscles on the Relationship

    of Circumferential Stress-Strain of Superior Mesenteric

    Veins in Rabbits

    Cheng Haiping1 Liu Zhengjing2 Zou Zhaowen3

    1 (Biomechanical Laboratory,Department of Rehabilitation Medicine,Southwest Hospital,Third Military

    Medical University,Chongqing 400038)
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    2 (Department of Anatomy,Third Military Medical University,Chongqing 400038)

    3 (Chonqing Architectural Engineering University,Chongqing 400038)

    Abstract The superior mesenteric veins (SMV) of 14 rabbits were divided into two groups for experiment of inflation pressure,namely the normal group and the inactivated smooth muscles group.The results showed that the relationship of circumferential stress-strain of SMV could be expressed with the exponential equation.Constant X2 is effected by the active condition of smooth muscles.The difference of the material constant X2 between the two groups was statistically significant (P<0.05),but the difference of the material constant X1 between the two groups was not statistically significant (P>0.05).These suggest that X2 is the parameter concerning the activity of smooth muscles.
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    Key words Superior mesenteric veins Smooth muscle Activity Biomechanical property

    1 前 言

    正常情况下静脉血占全身血管系中血流体积的80%左右,静脉中血液体积的任何变化都会影响到心脏的血流。因此,静脉最重要的性质就是它的弹性变化[1]。一般情况下,某些静脉在正常功能状态可存在一种不稳定现象-坍陷,静脉的工作压力大大低于部位大略相同的动脉中的压力,其管壁薄,易于变形,所以静脉对于条件变化十分敏感。

    生物力学试验中生物组织必需在活性状态下才能呈现正常的生物力学特性,任何影响生物组织活性的因素都会影响其生物力学性质。血管组织中,平滑肌是受神经控制主动承载的成份,而其它结缔组织是被动承载的成份,平滑肌细胞对缺氧的耐受能力比结缔组织差得多,若放置时间过长将会影响其生物学活性,这是多数生物力学工作者关注的问题。以往我们研究过神经因素对急性门脉高压时兔SMV内压力-时间关系的影响[2]。本文探讨平滑肌活性对兔SMV环箍应力-应变关系的影响。
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    2 材料和方法

    家兔14只性别不拘,随机分为2组:Ⅰ(正常组)和Ⅱ(平滑肌失活组)。用20%乌拉坦静脉麻醉(4 ml/kg),腹正中切口,游离肠系膜上静脉,其中因手术失败淘汰一例,活体状态下测量SMV被测段的长度,取材后,Ⅰ组立刻置于37±0.5℃生理盐水中,在HLC-1型生物活组织力学试验机上(见图1),将标本拉至活体长度后,进行充压试验[3],自动采集压力与直径一一对应的数据,先预调5次数据已稳定,取第六次的数据作为最后结果。Ⅱ组取材后,置于4℃环境中24 h,此时平滑肌完全失活,再按Ⅰ组的方法进行力学试验。

    原始管壁厚度的测量,采用冰冻切片苏木精染色后,用测微尺测量8个位点,取均值。

    图1 HLC-1型生物活组织力学试验机框图
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    Fig 1 The Principle of HLC-1 Biomechanical Testing System in Vivo

    3 数据处理与理论分析

    3.1 管内压和直径初值的确定

    通过对SMV的形态观察,内压为零时,管壁坍陷,管腔及管壁形态不规则[1],图像分析的方法也难以精确测量原始直径。目前在文献中还没有确定零压状态下初始直径大小的公认方法,而内压初值与直径初值的确定,对于应力-应变对应值的计算是至关重要的。本文采用Laplace定律P-D关系式作为联立方程[4]

    其中: Po为初始压力;T0为初始张力;Do为初始直径,通过实验得到的P-D一一对应的数据,根据数据类型确定本试验兔SMV管内P-D的关系为指数函数:
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    P=aebD+c(3)

    通过式(3)求出P-D的关系常数a、b、c,当给定T0为某一初值(本试验给定To=1.1N),可通过式(1)和式(2)联立方程求出Po和Do

    3.2 平均环箍应力(T)和平均扩张力(λ)的计算

    设血管变形前后的内半径为a0、a,外半径为bo、b,壁厚初值为ho。考虑SMV为薄壁管,血管变形时,厚度变化与管径变化比很小,因此假设厚度不变,根据薄壁管应力计算公式和Lagrangian应力的定义[1],管壁θ轴平均应力Tθ计算公式为:

    Tθ=aP/ho(4)
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    平均扩张率λθ[5]

    λθ=/o>(5)

    其中:为平均扩张半径;o>为平均参考半径。

    3.3 SMV环箍应力-应变关系

    根据一维应变能ρoW作为一维应变E的函数,它对应变E求导,得到一维应力S。

    S= ρoW/E(6)
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    其中:

    E=(λθ2-1)/2(7)

    因

    T=λS[6]

    ρoW=(1)/(2)X1exp[x2(E2-E*2)](8)

    其中:X1、X2为材料常数,E*2为相应于其一选定的应力S*时的应变,与方程(5)对应的Lagarenian应力T为:

    Tθ=X1*X2θ*E exp[X2(E2-E*2)](9)
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    上式表示SMV环箍应力-应变关系,采用改进高斯-牛顿最小二乘法求得离体材料常数X1、X2(见表1),图2为各组单根拟合曲线,有良好的拟合性。

    表1 兔肠系膜上静脉材料常数

    Table 1 The material constants of superior mesenterie veins in rabbits

    组别

    例数

    (1±s)(kPa)

    (2±s)(无量纲)
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    Ⅰ

    6

    1.4247±1.5147

    1.1690±0.3817

    Ⅱ

    7

    1.5572±1.5120

    2.1769±0.9359

    P

    >0.05

    <0.05

    4 结果与讨论
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    由于兔SMV是薄壁的,易于坍陷,圆形截面能否维持有赖于管内外压力差的大小。离体试验中,兔SMV游离以后,管壁坍陷,如何确定参考直径和参考管内压是理论分析的关键,考虑兔SMV为薄壁管,本文采用Laplace定律和P-D关系式作为联立方程,给定To为某一初值(本试验给定To=1.1N)作为管壁统一的参考张力,求解出每一标本的Po和Do,作为参考直径和参考内压力,这样使处理的结果更具可比性。

    图2 兔SMV环箍应力-应变关系拟合曲线

    Fig 2 The relationship of circumferential stress-strain of superior mesenteric veins in rabbits.Fitting curve based on Eq.9
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    静脉是含平滑肌比较丰富的组织,平滑肌是受神经控制主动承载的成份,而其它结缔组织是被动承载的成份,平滑肌的生物学活性直接影响静脉的生物力学特性,特别是在低应力区反应更为突出,本研究结果充分证明了这一现象。本研究结果表明:两组本构方程均为指数函数关系,平滑肌失活组的曲线左移,材料常数X1组间比较无显著性差异(P>0.05),而材料常数X2组间比较有显著性差异(P<0.05),这从理论上进一步说明:平滑肌是低应力区的主要承载者,因为X2反映的是曲线的弯曲程度,这就是平滑肌失活组为什么其曲线左移的原因。平滑肌失活主要对X2产生影响,因此可以认为,X2是平滑肌活性参数。

    参 考 文 献

    1 冯元桢.生物力学血液循环.长沙:湖南科学技术出版社,1986;224

    2 成海平,何光箎,刘正津.HLC-1型生物活组织力学试验机的研制与应用.中国生物医学工程学报,1995;13(4)∶365
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    3 成海平.不同状态下血管和神经的力学性质与形态的相关性研究.博士研究生论文.1993;24

    4 成海平,刘正律,张立楚.温度对兔肠系膜上静脉环箍应力-应变关系的影响.生物医学工程杂志,1996;13(3)∶227

    5 成海平,陈锡昌,李桌球.脐带静脉的非线性本构关系.湖北医学院学报,1990;11(3)∶191

    6 冯元桢.生物力学软组织的力学特性.长沙:湖南科学技术出版社,1986∶224-334

    (收稿:1997-2-24 修回:1997-05-01), 百拇医药(成海平1 刘正津2 邹昭文3)