Mechanical Characterization of Human Ascending Aorta Based on Tensile and Compression Test
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摘要:
为获取人体升主动脉内膜力学性质，利用单轴拉伸系统，设计升主动脉内膜压破及拉伸试验方案，获取人体升主动脉内膜力学性质.研究结果表明：人体升主动脉内膜最大压破力与厚度正相关；内膜的周向与纵向的应力-应变均呈非线性曲线关系，并存在各向异性，升主动脉内膜的纵向最大拉伸断裂应力大于周向，初始弹性模量分别为1 104、787 kPa.因此，在对主动脉内膜破裂风险评估及建立主动脉壁本构方程时应考虑厚度；在夹层、动脉瘤扩张初期，原发破口易沿纵向继续撕裂.
Abstract:To obtain mechanical characterization of human ascending aorta intima, by using the uniaxial tensile system, the mechanical characterization of the human ascending aorta intima were acquired by designed uniaxial and compression tensile test. The maximum rupture force of the human ascending aorta was found to have a positive correlation with thickness. The obtained resulted a significant anisotropy of human ascending aorta intima between circumferential and longitudinal directions, and non-linear stress-strain relationship curve was verified. The maximum tensile stress between longitudinal and circumferential directions of human ascending aorta intima was found that the longitudinal stress was higher. The initial elastic modulus calculated in longitudinal and circumferential directions were 1 104 kPa and 787 kPa. Therefore, the thickness should be taken into account within rupture assessment of aortic intima and the establishment of the human aorta constitutive equation. The primary break continues to tear along the longitudinal direction in the early stage of aortic dissection or aneurysm.
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Keywords:
- ascending aorta /
- compression test /
- tensile test
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心血管疾病，如动脉瘤、动脉粥样硬化、夹层等[1]，是近年来因疾病造成患者死亡的主要原因，其出现的主要原因是动脉壁组织发生了显著性的改变[2].主动脉是人体动脉血管的重要位置，升主动脉是主动脉血管的首要位置，在各种心血管疾病中，升主动脉更是夹层、动脉瘤等疾病原发破口最易出现的区域，研究主动脉壁力学性质，尤其是升主动脉力学性质对心血管疾病的研究有积极的促进作用.
升主动脉瘤(aneurysms of the ascending aorta, AsAA)是一种升动脉出现局部扩张的疾病，包括真性动脉瘤及假性、夹层动脉瘤, 前者动脉壁完好，由动脉局部扩张而形成，后者动脉壁局部撕裂，受血液冲击形成.升动脉瘤疾病发病前患者一般无明显症状，在几年的时间段内，极有可能出现主动脉壁的破裂，严重危及生命安全[3].现阶段AsAA的唯一治疗选择是升主动脉置换手术[4]，当前的手术决策基于最大动脉瘤直径，但研究报道小于手术决策直径[5]的动脉瘤也可能发生破裂[6].任何心脏外科手术都会涉及不可忽略的风险，因此在动脉壁破裂和手术之间建立一种评估方式至关重要.
为了更好地建立破裂风险评估方案，了解患者特异性生物力学性质，寻找一些如数值预测的壁应力[7]、有限元分析的破裂指数[8]等与动脉壁或动脉夹层有关的力学参数来评估破裂风险程度十分必要.从生物力学的角度来看，当壁应力或壁变形达到壁强度的极值时，会发生动脉壁的破裂[9].所以，研究壁应力和壁强度等力学特性可以为建立一种更可靠的动脉壁破裂评估提供帮助.本研究利用单轴拉伸系统，设计了升主动脉内膜压破及拉伸试验方案，通过该方案获取人体升主动脉内膜力学性质，并对升主动脉内膜的力学性质进行分析讨论，为建立一种更可靠的动脉壁破裂评估方案及主动脉壁本构方程的构建提供研究基础.
1. 材料及制备
人体动脉壁分为内膜、中层、外膜3部分，内膜是主动脉内侧最贴近血液的这一层.升主动脉置换术会将内膜及周边部分更换为人造血管，考虑手术治疗效果，只取出升主动脉前壁内膜.
手术中被替换下来的升主动脉前壁内膜，剔除患有结缔组织类疾病的样本，即为试验原始样本，原始样本总量为40，患者年龄在46~68岁，男女比例为7:3.
试验测试前，需先在常温下完成样本制备，移除主动脉内膜周围的脂肪及结缔组织，消除其他组织对机械测试的影响.制备完成样本如图 1所示.制备完成样本均储存在4 ℃等渗生理盐水中.
术后12 h内会依次完成厚度、单轴拉伸或压破试验，只有少数情况(不多于全体样本的2%)会推迟至术后24~48 h内完成试验.
2. 方法
为获取全面的升主动脉内膜信息，采用简单压破法和单轴拉伸试验方案完成测试内容.简单压破法用来测试垂直内膜方向的力，获取内膜的最大压破力，用于研究夹层、动脉瘤的破裂风险.单轴拉伸试验方案用来测试平行内膜方向的力，获取内膜在周向、纵向的延展性及最大断裂力，用于研究夹层等疾病破口撕裂风险.整个研究从3个方向测试升主动脉内膜，获取内膜的力学信息.
2.1 厚度测量
在保持血管自然形态情况下，测量样本厚度.测量方法为在样本测试的区域内，随机选取3点，通过数显千分尺完成厚度数据测量，最后将厚度数据均值后记录.机械测试仪器采用INSTRON公司5944试验机(50 N最大载荷，精度0.1%，10 Hz频率采样).
2.2 简单压破试验
简单压破试验使用经制备工作后的样本，未进行形状等处理.简单压破试验状态如图 2所示，测试样本由圆形中空盖片及固定件固定，内膜下方承受杆为中空结构，不会阻碍压破杆向下运动.压破杆头部为半径5 mm的半球型结构，试验中压破杆以10 mm/min的速度垂直挤压原始样本，至内膜片发生破裂，试验中在5个连续数据点内，载荷出现20%的连续下降变化，认为内膜片被压破，以位移载荷形式记录试验数据[10-11].
2.3 单轴拉伸试验
单轴拉伸试验定义升主动脉圆环方向为周向，近心端向远心端延伸方向为纵向，将制备后的样本按2个方向分别利用模具完成切割，制作成长20 mm、宽2 mm，长宽比10:1的长条状主动脉内膜拉伸实验样本，具体切割数量由原始样本的大小决定，如图 3所示.
试验采用血管阻断钳夹具夹持，测试样本两端由夹具按竖直方向夹持固定，保持内膜试验前为自然形态.测试中，样本下端固定不动，上端由拉伸仪牵引完成拉伸测试.
在准静态条件下进行拉伸操作，为获取稳定的标本和可重复的应力-应变曲线，实验前完成预处理工作，预处理以10 mm/min的恒定位移速度从0.05 N的最小载荷增加至最多0.20 N时卸载，执行10个连续装载-卸载循环，如图 4所示.
其后获取内膜周向或纵向力学曲线，试验以10 mm/min速度进行，直到试样出现破裂情况.试验以在5个连续数据点内，载荷出现20%的连续下降变化，且为典型样本破裂方式(如图 5所示)视为此次数据有效.典型样本破裂方式：夹具区为夹具夹持升主动脉内膜区域，中间区域为测试区，试验样本只有在测试过程中，且只有在测试区内断裂，视为有效并记录数据.其他情况均视为无效，不记录试验数据.
单轴拉伸试验状态如图 6所示，测试样本所用血管阻断钳夹具，其上下高度、夹持力度均可调节，夹持力度为刚好夹持而不损伤样本.试验样本宽度小于等于夹具宽度.同一患者的样本，取3次试验数据均值作为最后数据记录.
3. 数据整理与分析
3.1 简单压破试验数据
压破试验获取主动脉内膜厚度h及最大压破力Fc，样本数N为30，升主动脉内膜厚度平均为1.202 mm，最大压破力为12.23 N，如表 1所示.在厚度与最大压破力的相关性分析中，相关性系数r为0.494，P为0.006，小于0.05.数值模拟等计算中，为简化计算量，以一元线性方程表示最大压破力与厚度的关系，SPSS一元线性回归拟合，回归方程为Fc=6.569h+4.041，如图 7所示.
表 1 最大压破力和摩度Table 1. Maximum crushing force and thickness参数 平均值 中位数 标准差 压破力/N 12.23 11.11 3.80 厚度/mm 1.202 1.210 0.22 3.2 单轴拉伸试验数据
由于人体升主动脉内膜具有一定黏弹性，应用应力-应变曲线表示其在外力作用下发生的各种形变.试验获取得到的数据包括：拉伸载荷量F、拉伸形变量Δl、样本测试初始长度l0、内膜厚度数据h.通过数据统计分析软件SPSS 19.0记录样本信息，计算出的原始截面积A0、工程应力σE和工程应变εE，如图 8、9所示[11]，计算公式为
$$ {{\sigma }_{E}}=\frac{F}{{{A}_{0}}}, {{\varepsilon }_{E}}=\frac{\Delta l}{{{l}_{0}}} $$ (1) 拉伸过程中，由于试验样本的长度不停变化，工程应力-应变曲线可能存在应力下降的假象，为消除这种可能，获取更为准确的数据，最后选用真应力-应变曲线来表示试验结果[12].数据包括：真应力σT、真应变εT、瞬时截面积A、瞬时样本长度l.对比真应力-应变曲线图，周向与纵向存在各向异性，这与很多文献结论相同[10-11, 13-14]，如图 10、11所示，计算公式为
$$ {{\sigma }_{T}}=\frac{F}{A}, {{\varepsilon }_{T}}=\int_{{{l}_{0}}}^{l}{\frac{\delta l}{l}=~\text{ln}\frac{l}{{{l}_{0}}}}~ $$ (2) 拉伸试验中获取的最大拉伸断裂力结果显示，升主动脉内膜周向最大拉伸断裂力应力均值小于纵向，但纵向的拉伸断裂力数值变化幅度大于周向，如表 2所示，样本数量N为10.
表 2 最大拉伸断裂力和应变Table 2. Maximum tensile breaking force and strain参数 平均值 中位数 标准差 最大值 最小值 周向应力/kPa 411 421 80 523 297 周向应变 0.348 0.375 0.053 0.399 0.256 纵向应力/kPa 468 480 185 662 146 纵向应变 0.390 0.397 0.012 0.399 0.372 选取真应变0.20±0.01范围内的数据，每例随机抽取10个数据点，共100例数据(N=100)，计算周向与纵向的弹性模量，结果表明周向的初始弹性模量为1 014 kPa，纵向为787 kPa，周向初始弹性模量均值大于纵向，在夹层、动脉瘤扩张初期，破裂口易沿纵向延伸撕裂[15-18]，如表 3所示.
表 3 初始弹性模量Table 3. Initial elastic modulus参数 平均值/kPa 标准差/kPa 周向弹性模量 1 014 338.0 纵向弹性模量 787 198.7 4. 讨论
4.1 实验结果分析
人体升主动脉内膜最大压破力与厚度正相关，r为0.494(P=0.006 < 0.05).一元线性方程拟合为Fc=6.569h+4.041，厚度可以作为夹层及动脉瘤的破裂评估方案、人体主动脉本构方程建立的影响因素[19].厚度相关系数较低可能与样本数量较少有关.
内膜的周向与纵向的应力-应变均呈非线性曲线关系，并存在各向异性，周向最大拉伸断裂应力小于纵向，但纵向的拉伸断裂力数值变化幅度比周向大，标准差185>80.升主动脉的周向与纵向均具有破裂风险，而纵向在已有原发破口的情况下更易出现继续撕裂情况.
升主动脉内膜周向的初始弹性模量为1 104 kPa，纵向为787 kPa，周向的初始弹性模量大于纵向，夹层、动脉瘤疾病的原发破口易沿纵向继续撕裂.
4.2 实验的局限性
目前，试验进行到现在，样本量为压破试验为30例，拉伸试验10例，数据间的相关性不够明显，数据量不足以明确地显示出升主动脉内膜的全部力学性质信息，下阶段实验将继续完成试验测试，增大样本量，建立厚度、宽度与拉伸压破力之间的关系.
5. 结论
1) 人体升主动脉内膜最大压破力与厚度正相关，r为0.494(P < 0.05)，一元线性拟合方程为Fc=6.569h+4.041，在为主动脉内膜破裂评估及建立主动脉壁本构方程时应考虑厚度.
2) 内膜的周向与纵向的应力-应变均呈非线性曲线关系，并存在各向异性，初始弹性模量分别为1 104、787 kPa，在夹层、动脉瘤扩张初期，原发破口易沿纵向继续撕裂.
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表 1 最大压破力和摩度
Table 1 Maximum crushing force and thickness
参数 平均值 中位数 标准差 压破力/N 12.23 11.11 3.80 厚度/mm 1.202 1.210 0.22 
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表 2 最大拉伸断裂力和应变
Table 2 Maximum tensile breaking force and strain
参数 平均值 中位数 标准差 最大值 最小值 周向应力/kPa 411 421 80 523 297 周向应变 0.348 0.375 0.053 0.399 0.256 纵向应力/kPa 468 480 185 662 146 纵向应变 0.390 0.397 0.012 0.399 0.372
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表 3 初始弹性模量
Table 3 Initial elastic modulus
参数 平均值/kPa 标准差/kPa 周向弹性模量 1 014 338.0 纵向弹性模量 787 198.7
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[1] ELEFERIADES J A, FARKAS E A. Thoracic aortic aneurysm clinically pertinent controversies and uncertainties[J]. Journal of the American College of Cardiology, 2010, 55(9):841-857. doi: 10.1016/j.jacc.2009.08.084
[2] 张忠君, 左春玲, 马洪顺.升主动脉拉伸试验研究[J].工程与试验, 2004, 44(3):71-72. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SNSN2004Z2028.htm ZHANG Z J, ZUO C L, MA H S. Tensile test of ascending aorta[J]. Engineering and experiment, 2004, 44(3):71-72. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SNSN2004Z2028.htm
[3] HAMAOUI K, RIAZ A, HAY A, et al. Massive spontaneous diaphragmatic rupture in Ehlers-Danlos syndrome[J]. Annals of the Royal College of Surgeons of England, 2012, 94(1):e5-e7. doi: 10.1308/003588412X13171221499306
[4] LAVALL D, SCHAFERS H J, BOHM M, et al. Aneurysms of the ascending aorta[J]. Deutsches Rzteblatt International, 2012, 109(13):227-233. http://www.aortarepair.com/ascending-aortic-aneurysms.html
[5] HOLZAPFEL G A, OGDEN R W. On planar biaxial tests for anisotropic nonlinearly elastic solids. A continuum mechanical framework[J]. Mathematics & Mechanics of Solids, 2009, 5(5):474-489. http://journals.sagepub.com/home/mms
[6] PAPE L A, TSAI T T, ISSELBACHER E M, et al. Aortic diameter >or=5.5 cm is not a good predictor of type A aortic dissection:observations from the International Registry of Acute Aortic Dissection (IRAD)[J]. Circulation, 2007, 116(10):1120-1127. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.107.702720
[7] FILLINGER M F, MARRA S P, RAGHAVAN M L, et al. Prediction of rupture risk in abdominal aortic aneurysm during observation:wall stress versus diameter[J]. Journal of Vascular Surgery, 2003, 37(4):724-732. doi: 10.1067/mva.2003.213
[8] MCGLOUGHLIN T M, DOYLE B J, CALLANAN A, et al. A finite element analysis rupture index (FEARI) as an additional tool for abdominal aortic aneurysm rupture prediction[J]. Vascular Disease Prevention, 2009, 6(1):95-98. http://www.academia.edu/3698421/A_Finite_Element_Analysis_Rupture_Index_FEARI_as_an_Additional_Tool_for_Abdominal_Aortic_Aneurysm_Rupture_Prediction
[9] VORP D A. Biomechanics of abdominal aortic aneurysm[J]. Journal of Biomechanics, 2006, 40(9):1887-1902. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17254589?access_num=17254589&link_type=MED
[10] DUPREY A, KHANAFER K, SCHLICHT M, et al. In vitro, characterisation of physiological and maximum elastic modulus of ascending thoracic aortic aneurysms using uniaxial tensile testing[J]. European Journal of Vascular & Endovascular Surgery the Official Journal of the European Society for Vascular Surgery, 2010, 39(6):700-707. https://www.researchgate.net/publication/281967151_Characterisation_of_native_stomach_tissue_of_swine_by_uniaxial_tensile_testing
[11] KHANAFER K, DUPREY A, ZAINAL M, et al. Determination of the elastic modulus of ascending thoracic aortic aneurysm at different ranges of pressure using uniaxial tensile testing[J]. Journal of Thoracic & Cardiovascular Surgery, 2011, 142(3):682-686. https://experts.umich.edu/en/publications/determination-of-the-elastic-modulus-of-ascending-thoracic-aortic
[12] FERRARA A, MORGANTI S, TOTARO P, et al. Human dilated ascending aorta:mechanical characterization via uniaxial tensile tests[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2015, 53:257-271. https://www.researchgate.net/publication/281681154_Human_dilated_ascending_aorta_Mechanical_characterization_via_uniaxial_tensile_tests
[13] PHAM T, MARTIN C, ELEFTERIADES J, et al. Biomechanical characterization of ascending aortic aneurysm with concomitant bicuspid aortic valve and bovine aortic arch[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9(8):7927-7936. doi: 10.1016/j.actbio.2013.04.021
[14] PICHAMUTHU J E, PHILLIPPI J A, CLEARY D A, et al. Differential tensile strength and collagen composition in ascending aortic aneurysms by aortic valve phenotype[J]. Annals of Thoracic Surgery, 2013, 96(6):2147-2154. doi: 10.1016/j.athoracsur.2013.07.001
[15] PASTA S, PHILLIPPI J A, GLEASON T G, et al. Effect of aneurysm on the mechanical dissection properties of the human ascending thoracic aorta[J]. Journal of Thoracic & Cardiovascular Surgery, 2012, 143(2):460-467. https://www.researchgate.net/profile/Julie_Phillippi/publication/51596273_Effect_of_aneurysm_on_the_mechanical_dissection_properties_of_the_human_ascending_thoracic_aorta/links/572121e608ae82260fab3d9e.pdf?origin=publication_detail
[16] 冯家烜. 主动脉夹层腔内隔绝术后移植物远端再发破裂的生物力学研究[D]. 上海: 第二军医大学, 2014. http://med.wanfangdata.com.cn/Paper/Detail/DegreePaper_Y2662144 FENG J X. Biomechanical study on distal recurrence of grafts after endovascular graft exclusion[D]. Shanghai:Second Military Medical University, 2014. http://med.wanfangdata.com.cn/Paper/Detail/DegreePaper_Y2662144
[17] RIMARCHI S, TSAI T, EAGLE K A, et al. Acute abdominal aortic dissection:insight from the International Registry of Acute Aortic Dissection (IRAD)[J]. European Journal of Vascular & Endovascular Surgery the Official Journal of the European Society for Vascular Surgery, 2012, 109(1):122-127. https://www.researchgate.net/publication/5866905_Acute_abdominal_aortic_dissection_Insight_from_the_International_Registry_of_Acute_Aortic_Dissection_IRAD
[18] 秦永林, 景在平.主动脉组织结构与主动脉夹层形成关系的研究进展[J].国外医学:外科学分册, 2005, 4:310-313. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GWWK200504020.htm QIN Y L, JING Z P. Advances in the study of the relationship between aortic structure and aortic dissection[J]. Foreign Medical Sciences:Surgery Section, 2005, 4:310-313. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GWWK200504020.htm
[19] WANG X, HAN F. Long-term survival in patients presenting with type B acute aortic dissection:insights from the International Registry of Acute Aortic Dissection[J]. Circulation, 2006, 114(21):2226-2231. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.106.622340
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