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磁共振成像(MRI)研究的实验设计
来源:TEKSCAN_压力发电膜_piezoelectricity_压力发电_压力发电膜鞋_压力发电机_薄膜压力发电 | 发布时间:2020-2-21 | 浏览次数:
表1 垫子 本研究选择了四个垫层:两个标准商用粘弹性垫层(A和B)和两个标准商用泡沫垫层(C和D),厚度和机械性能如表1所示。在实验室条件下,磁共振成像试验前测量每个缓冲垫的弹性模量。具体地说,我们使用附着在机电单轴试验机(Instron 5544;High Wycombe,United Kingdom)上的半球形压头在压痕试验配置中测试了粘弹性垫A,该压头以20 mm/min的速率使垫变形。我们使用赫兹解计算了垫A的长期弹性模量对于这种压头缓冲接触问题,如Agam和Gefen所述,在允许1分钟的应力松弛后,压痕应变为60%、70%和80%[19](体重下的典型缓冲应变[20])。在压缩配置中测试缓冲垫B、C和D。从每个垫层上切取6.5×6.5×6.5cm的材料试样。来自缓冲垫B(也被称为粘弹性缓冲垫)(表1)的试样在60%、70%和80%应变下进行长期弹性模量试验,与缓冲垫a的试验方案类似。来自泡沫缓冲垫C和D的试样被压缩至80%应变,再次压缩速率为20 mm/min,记录了它们的切线(瞬时)弹性模量。记录了垫层C和D的切线模量,因为与粘弹性垫层SA和B不同,垫层C和D在较大的垫层应变下没有表现出实质性的粘弹性行为(即应力松弛)(表1)。 图1a 图1b 图1.磁共振成像(MRI)研究的实验设计:(a)方案和(b)受试者坐在MRI中的照片。 坐位压力在单独的研究中,我们记录了当受试者坐在垫子A、B、C和D(表1)上时,受试者IT区域的接触压力,垫子放置在MRI设置中使用的相同塑料椅上。我们使用放置在臀部和垫子/支架之间的商用压力垫,以1赫兹的频率测量接触压力。我们使用了Tactilus®压力垫(Sensor Products Inc;Madison,New Jersey),其中包含256个压电传感器,每个2.5×2.5 cm~2,容量为141 kg/cm~2,精度为±10%,重复性为±2%,滞后性为±5%,非线性为±1.5%。传感器固有的蠕变和滞后效应由Tactilus®软件自动校正。在实际的MRI扫描中,由于压力垫和MRI之间的电磁干扰,没有获得接触压力。我们得到了它的峰值接触压力和臀部缓冲接触区的平均压力。 在坐姿压力研究中,受试者还被要求选择最舒适的坐垫和最不舒适的坐垫。 磁共振数据分析 通过磁共振扫描分别计算臀肌、浅表脂肪组织(肌肉和皮肤之间)以及肌肉和脂肪作为一种有效的“软组织”材料(图2)的组织变形。组织变形计算如下:对于肌肉,我们首先通过测量非负重磁共振扫描的顶点到肌肉脂肪边界的垂直距离来获得非变形厚度。通过再次测量同一受试者到肌肉脂肪边界的距离Mw,我们从负重MRI(对于给定的支撑/缓冲)中获得了同一受试者的变形肌肉厚度。肌肉变形的百分比计算为%M=(Mn–Mw)/Mn。同样,对于浅表脂肪组织,我们在非负重(Fn)和负重(Fw)MRI扫描中测量了从肌肉脂肪边界直接投射到皮肤的距离,并计算了脂肪变形的百分比为%F=(Fn–Fw)/Fn。对于有效的软组织变形,我们在非负重(Sn=Mn+Fn)和负重(Sw=Mw+Fw)MRI扫描中测量了软组织顶点和皮肤之间的距离,并计算了有效软组织变形的百分比为%S=(Sn-Sw)/Sn。计算这些组织厚度和变形的解剖学标志总结在表2中,也显示在图2中。我们分别计算了左侧和右侧的%M、%F和%S,然后平均每个受试者身体侧之间的每个结果测量值,以增加下面描述的统计测试的统计能力。 图2a图2b 图2.右臀部(a)非负重和(b)负重位置的磁共振成像扫描示例,图像上标记有肌肉(Mn和Mw)和脂肪(Fn和Fw)组织厚度。坐骨结节。 表2 表2。计算非负重动物组织厚度的解剖学标志表2 表2。计算非负重和负重坐姿中组织厚度的解剖学标志(另见图2)。 统计分析 我们获得了IT下接触压力峰值、平均坐压、%M、%F和%S的描述性统计(平均值和标准偏差)。我们对支架类型(缓冲垫a、B、C或D或刚性支架)的因素进行了单向方差分析(ANOVA),以确定支架之间的峰值接触压力是否存在差异。然后我们对平均压力进行了类似的方差分析。同样,我们对%M、%F和%S进行了单独的方差分析测试,以确定每个参数在不同的支持下是否不同。对于每个方差分析,相应的事后Tukey-Kramer多方面比较,然后确定各支持变量之间的具体差异。p<0.05被认为具有统计学意义。 结果 各缓冲垫的峰值和平均接触压力数据(图3)见表3。刚性支承引起的最大接触压力峰值,约为所有垫层引起的最大接触压力平均值的2.4倍(p<0.01,表3)。粘弹性缓冲垫A是本文研究的最薄的缓冲垫(表1),其诱发的平均接触压力(穿过臀部缓冲接触区)约为其他缓冲垫压力的1.3倍(p<0.05,表3)。Tukey-Kramer比较明确地表明,当使用任何类型的垫层时,峰值压力始终低于刚性支承压力(p<0.01),薄垫层A导致的峰值压力明显高于厚垫层D(表3)。受试者将粘弹性垫A列为最舒适和最不舒适的垫。 图3.同一受试者(男性,34岁,体重87公斤,体重指数26公斤/平方米)坐在四个研究垫子上,(a)粘弹性a,(b)粘弹性b,(c)泡沫c和(d)泡沫d和(e)刚性支架上的坐姿压力分布示例。 图3a图3b 图3c图3d 图3e图3比例 表3 表3。坐垫上坐骨结节下的接触压力(平均值±标准差)(N=10)。 对于表1所示的四个垫子以及刚性支架,肌肉(M)、脂肪(F)和有效软组织(S)的组织变形如图4所示。我们发现,无论支持类型如何,肌肉组织变形的百分比都是脂肪组织的两倍以上(图4(a)和(b))。肌肉组织变形的平均值在支架的64%到72%之间,而脂肪组织变形的平均值在23%到35%之间(图4(a)和(b))。有效软组织变形(肌肉加脂肪)的平均值在50%到59%之间(图4(c))。 图4a 图4b 图4c 图4:(a)肌肉,(b)脂肪,和(c)所有支撑表面的有效软组织(肌肉和脂肪一起)的组织变形百分比。*p<0.03。 对于刚性支撑,所有变形结果测量值的平均值较低,而对于有效的软组织变形,只有泡沫垫D引起的数据显著降低(p<0.03)。一般来说,粘弹性垫的%M、%F和%S的平均值略高于泡沫垫,但这些差异没有统计学意义。Tukey成对比较仅在%S测量中发现了统计上的显著差异,对于该测量,仅在泡沫垫D(相对硬度,80%应变时切线弹性模量为85 kPa;表1)和刚性支架(图4(c))之间存在统计上的显著差异。总的来说,图4中的数据表明,商业粘弹性垫或泡沫垫可以减少非残疾个体的深层组织变形,相对于刚性支架引起的组织变形而言,最多可减少10%。具体来说,对于性能最好的垫层,泡沫D,与刚性支架相比,在%M、%F和%S处的变形分别减少了8%、12%和9%(图4)。分析单个受试者的数据,其中研究了每个给定垫子的%M、%F和%S之间的个体差异程度以及刚性支撑的相应参数,证实使用垫子时,每个个体的内部组织变形减少了大约10%。 讨论 我们发现商用软垫可以减少内部组织的变形,令人惊讶的是,仅为10%(图4)。具体来说,当受试者坐在垫子或刚性支撑物上时,有效的软组织变形(肌肉加脂肪)约为50%到60%,在相同的范围内(图4)。本研究中评估的最坚硬的垫层(泡沫D,Tab我们发现商用软垫可以减少内部组织的变形,令人惊讶的是,仅为10%(图4)。具体来说,当受试者坐在垫子或刚性支撑物上时,有效的软组织变形(肌肉加脂肪)约为50%到60%,在相同的范围内(图4)。本研究中评估的最坚硬的缓冲垫(泡沫D,表1)导致软组织变形最大(统计显著性)减少(图4(c)),与测量的接触压力一致,该接触压力为该特定缓冲垫提供相对较低的峰值压力记录(图3,表3)。基于MRI的方法清楚地显示了所有受试者的软组织变形,并且一致地提供了%M、%F和%S的定量测量。 在这项研究中,我们确定了直接在它下面的局部软组织变形。肌肉和脂肪等软组织由于含液量高而几乎不可压缩,所以在负重过程中,它下垂到软组织中会引起肌肉和脂肪的侧向膨胀。这一结果已经在先前的核磁共振研究中观察到了[14-15]。此外,以前的文章指出,软组织变形最大的IT下[14-15,21]。从临床角度来看,DTI典型地在IT下发展[5];因此,我们将重点放在感兴趣的解剖区域。 虽然当一个人坐在垫子上时,内部组织变形减少10%的程度在临床上似乎是可以忽略的重要,但这种解释可能是不正确的。Gefen等人。通过对组织工程肌肉结构施加压缩变形,并通过荧光染色这些结构中的永久损伤细胞,确定骨骼肌的“安全”和细胞死亡诱导变形[22]。他们发现,暴露在超过77%的变形中会导致结构中的肌肉细胞立即死亡(图5)。这一临界变形水平在连续压缩的第一个小时和之后略有下降,并迅速下降,因此连续压缩3小时后,即使是受到52%变形影响的细胞也会死亡(图5)。为了证明本研究结果对有或无坐垫的长时间坐姿时肌肉细胞活力的理论意义,我们使用了Gefen等人的细胞死亡耐受性。[22]。分析的基本原理是,分层计算机建模先前表明,在组织连续体尺度上的高变形与高细胞变形相关[23]。基于这一结果,我们预计,目前在这项核磁共振研究中观察到的局部肌肉和脂肪的升高也会严重扭曲软组织中的细胞。 图5 图5.理论上的例子说明了在有或无坐垫的长期坐姿中,目前的研究结果如何显示肌肉细胞活力的差异。为此,采用了葛芬及其同事的细胞死亡耐受性。*资料来源:Gefen A、Van Nierop B、Bader DL、Oomens CW。深部组织损伤组织工程模型系统中骨骼肌的应变-时间细胞死亡阈值。生物技术杂志。2008年;41(9):2003-12。[PMID:18501912]DOI:10.1016/j.jbiomech.2008.03.039(a)参考图4(a)中的数据,假设受试者静止地坐在刚性支撑物上,从而导致72%的臀肌组织变形。理论上,这将允许受试者连续坐75分钟,而不会有深部组织损伤(DTI)的危险。(b) 然而,如果使用缓冲垫D,肌肉组织变形减少到64%(图4(a)),并且在该变形水平下,受试者可以连续坐115分钟而不存在DTI风险。因此,尽管相对于刚性支撑而言,肌肉组织变形仅减少8%,但坐垫D可以增加相当长的安全坐姿时间(40分钟[53%以上])。 作为一个例子,我们将本研究数据的理论含义与Gefen等人的肌肉细胞死亡阈值结合起来。[22]。参考图4(a)中的数据,我们假设受试者静止地坐在刚性支撑物上,这会导致72%的臀肌组织变形。理论上,这一水平的肌肉变形将允许受试者在无DTI风险的情况下连续坐75分钟(图5(a))。然而,如果使用缓冲垫D,肌肉组织变形减少到64%(图4(a)),并且在该变形水平下,理论上,受试者可以连续坐115分钟而不冒DTI的风险(图5(b))。因此,虽然相对于刚性支撑而言,肌肉组织变形仅减少8%,但坐垫D可以提供相当长的额外时间——40分钟(53%以上)——安全坐姿。这种效应的产生是因为肌肉细胞对变形的耐受曲线的性质[22]。对于60%到70%左右的变形,这条曲线急剧下降(图5),因此即使是轻微的肌肉收缩
 
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