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利用物理模型研究生殖生物力学
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妇女健康工程
2022年4月25日 体积 52 问题 1
本期的文章介绍了检测乳腺癌和其他癌症的最新技术, 减少早产发生率的方法, 以及远程监控怀孕情况, 这种大流行使许多人不愿去看医生或去医院，这是一种特别令人感兴趣的发展.

利用物理模型研究生殖生物力学

2022年3月29日，星期二

作者: 亚历克莎·鲍默，亚历克西斯·吉莫夫斯基，迈克尔·加拉格尔和梅根·C. Leftwich

工程模型可以增强对生殖生物力学的理解，改善对孕妇的护理.

历史上，大多数关于怀孕和分娩的研究都是通过临床框架进行的, 依靠大规模的统计研究. 这一过程使得标准实践和新技术的发展缓慢. 为当前的挑战找到更好的解决方案, 以理解基本生物力学为基础的工程框架可以作为一种补充方法.

生殖生物力学领域是广泛的, 涉及从植入到分娩的各个方面. beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您实验室的工作重点是中晚期妊娠和分娩. 用常规方法进行体内生殖力学研究难度大，且具有侵入性. 因此, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您接近生物力学问题与工程建模的观点，以增加知识和基础, 希望, 妇女健康的科学基础.

简介

宫颈, 在子宫的底部, 是子宫和阴道之间的致密结缔组织区域(图1). 它一般呈圆柱形，直径约为2.5厘米，长度在2到4厘米之间. 子宫颈的每一端都有一个开口，称为内孔和外孔 os). 在这两个开口之间是颈内管, 子宫和阴道之间的狭窄通道.

图1 . Baumer等.gif
图1人类女性生殖系统示意图.

子宫颈是动态的——它的力学特性在整个怀孕期间都在变化. 在怀孕的最初阶段，子宫颈保持长而闭合，而胎儿发育. 在怀孕末期，子宫颈会缩短并扩张以保证顺利分娩. 此外，颈椎组织在重塑过程中软化. 颈椎组织软化的确切时间和速率一直难以量化. 然而, 一般认为，如果组织软化得太快, 它会导致早产.

早产

并发症可在怀孕期间的任何时间出现，并可能导致早产(妊娠37周之前)。. 在世界范围内，估计有9%至12%的出生被归类为早产(Beck等. 2010; Blencowe et al. 2013). 早产可导致新生儿并发症以及延长住院时间(Ward and Beacy, 2003年). 为了降低早产的发生率，了解早产的原因是至关重要的.

在早产的情况下，由于过早的宫颈重塑, 宫颈无法保留妊娠, 没有临床宫缩的迹象和症状, 或劳动, 在妊娠中期或两者兼有(ACOG 2014). 诊断通常是在怀孕18至22周之间通过经阴道超声联合进行, 临床检查, 和病史(Ciavattini et al. 2016).

缺乏治疗往往会导致流产，但这种情况没有治愈方法. 在处理它时，首要的是尽可能延长怀孕时间. 一个典型的治疗方案是给予孕酮补充和实施宫颈环扎术, 产生不同结果的治疗方案.

宫颈环扎术包括用强力缝线缝合宫颈. 当它成功时，怀孕时间延长，流产的风险降低. Results vary on the success rate of the procedure; a 47 percent success rate has been reported for emergency cerclage (Gupta et al 2010), 但该程序的有效性是持续争论的主题(Namouz et al. 2013; Naqvi and Barth 2016).

确定为什么该手术对某些患者有效，而对另一些患者无效，对于临床决策和改善整体护理至关重要. 这使得环扎术成为一个标准实践的很好的例子，可以从力学框架的检查中受益.

因为典型的力学工具不能用来研究真实的, 生理系统, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您创建了一个子宫颈的合成模型和一个平台来研究环扎术的各个方面及其力学性能. 通过这种工程方法，beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您获得了无法通过患者研究获得的信息. 在这篇文章中，beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您描述了这种方法，并讨论了如何应用这种技术来增强对妇女健康的理解.

工程方法

在创建一个合成子宫颈模拟物时，两个主要考虑因素是材料和几何形状. beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您必须模仿怀孕宫颈的物质特性, 但是很难成功地量化大多数软组织的性质.

组织性质与材料选择

有有限的方法来测量特性，如在生理负荷下的刚度. 切除组织并对其进行测试是一种生成信息的方法, 但这是有限的，因为一旦它们出了体外，组织的机械行为就会发生变化. 子宫颈也不例外. 更复杂的是, 未怀孕的宫颈与怀孕的宫颈有显著不同, 因为子宫颈是动态的, 在整个怀孕期间进行的测量将得出不同的值. 因此，研究人员必须对他们的方法进行深思熟虑和创新.

量化颈椎组织的研究使用了动物模型, 从子宫切除术中提取样本进行测试, 并在体内进行测量. 对小鼠重构的研究表明，-胶原纤维的硬度和基质弹性模量在整个妊娠期下降(Yoshida等. 2016). 来自非怀孕患者的人类宫颈组织样本(在子宫切除术中获得)明显比来自怀孕患者的宫颈组织样本坚硬(Myers et al. 2008).

另一种量化宫颈组织刚度的方法是在体内通过抽吸子宫颈外壁并测量闭合压力(Badir等. 2013). 在这项工作中, 颈椎组织的测量以前做过, 怀孕期间, 和产后. 结果显示，在怀孕早期，宫颈软化的初始阶段(从第一个到第二个三个月大约减少了50%)比之前想象的要早, 其次是稳定和逐渐减少软化之间的第二和第三三个月. 所有这些方法都扩展了对这一复杂组织的认识，并为创建模拟软化宫颈的合成组织提供了有价值的见解.

整个怀孕期间的宫颈柔软度通常由体检确定. 这种定性评估包括医生触诊患者的子宫颈并将其赋值为“软”, 媒介, 或硬.“因为与这些术语相对应的材料属性的数据很少, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您决定用这种医生的方法来制造beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您的合成组织.

图2.gif
图2选择用于宫颈组织类似物的硅胶混合物的过程. 首先，beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您创建了一个大样本阵列(左)供医生感受. 他们确定了最能代表颈部组织的三个临床描述符的样本:柔软(以薰衣草色表示), 介质(绿色), 还有硬的(黄色). 其他颜色表示不同程度的弹性.

beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您制作了十种不同的硅胶样品，从中找出三种符合医生评估的硅胶样品(图2). Silicone is a widespread choice for mimicking properties of biological tissue; it is highly versatile and cost effective, 它能产生一定范围的弹性模量, 在实验室环境下保存良好. 有一次beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您制作了十个硅胶样品, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您的三位医生合作者感受了每个样本并确定, 尽他们所能, 哪个样本最有效地代表每个临床组. 基于他们的评估, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您确定了合成组织的材料特性(图2), 中间和右边的面板).

几何和物理模型

确定颈椎的形状和设计, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您从乔治华盛顿大学医院的常规20周妊娠扫描中获得了经阴道超声图像. 利用这些图像集提取相关几何图形, 比如颈椎长度, 组织厚度, 以及子宫颈是否出现漏斗状或扩张.

图3 . Baumer等.gif
图3beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您合成宫颈模型的制作过程. 左边第一个面板:完全组装的3d打印组件. 第二块板:内片，代表颈椎管，附在基板上. 这些模型是高度可配置的，有许多选择的宫颈长度和管型. 第三张图:环扎前的硅胶宫颈. 第四个面板:植入人造宫颈环扎术(使用5mm Mersilene胶布), 准备好实验了.

每个宫颈的患者特异性特征被概括为一个圆柱体(图3), 在它的顶部，模型展开来代表子宫的下部. 进行实验, 该模型由三部分3D打印而成:底板, 以及模型的外部和内部. 内部是颈椎管. 合成宫颈由医生用硅酮混合物模拟宫颈组织铸造.

环扎术测试

beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您实验室制作的合成宫颈使用与临床相似的材料和方法进行缝合(在锥形针上使用5mm -Mersilene胶带进行麦克唐纳环扎). 缝线被放置在宫颈的最高点, 靠近模型扇形展开的部分. 针在子宫颈12点位置开始和结束，沿圆周方向进出. 胶带的两端被拉紧打结了7、8次.

图4 . Baumer等.gif
图4beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您在环扎实验中获得的两个数据示例. 左图:软、中、硬宫颈的个体实验. 环扎上的力是作为延伸到材料中的函数绘制的，破裂点用黑点表示. 右图:每个颈椎刚度下的平均断裂力与弹性模量的比值(以兆帕斯卡为单位).

在材料测试设备里, 设计了一个锥形头的铝插入器，适合MTS机器，并对环扎施加力(宫颈被限制在3d打印的胶囊中，以最大限度地减少运动). 失败的标准被确定为当缝合开始撕裂合成组织, 导致测压元件记录的力值下降. 数据如图4所示.

参数选择

该问题的参数空间较大, 考虑几何因素和改变材料特性. 在最初的实验中，beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您只关注颈椎柔软度(Baumer et al. 2019). beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您发现较硬的组织能够在破裂前以较高的力维持环扎. 在此后的实验中，beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您测试了不同的宫颈长度(经历过早宫颈重塑的患者通常宫颈长度较短)。, 宫颈管形状(图5), 以及环扎缝合材料.

图5 . Baumer等.gif
图5宫颈模型的修改. (A)三种颈椎长度:15毫米、25毫米和35毫米. (B)三种宫颈管形状的示意图:Y型、V型和开放式.


分别关注这些参数, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您可以独立于其他因素来研究每一个因素的重要性. 但仍有更多参数需要研究. 例如，还有其他类型的环扎技术(例如.g.(Shirodkar)，可以在进一步的实验中进行比较. 结合参数可以对颈椎生理有更深入的了解.

而beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您的宫颈模型主要用于测试环扎, 它还可以用于未来新兴技术实验的测试协议. 另一个简单的应用程序, 低成本模式可以作为医学生和住院医生的培训工具. 随着关于子宫颈的知识越来越多, 将开发新的设备和方法来治疗过早的颈椎重塑.

经验教训和局限性

这里描述的开发合成颈椎组织的方案是向提供在其他物理和计算模型中有用的材料信息迈出的可行的第一步. 为了beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您的研究, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您认识到，用有限的生理数据和依赖医生培训来创建合成组织是有局限性的. 定性的，“凭感觉”的评估可以在医生之间产生不同的结果(Badir等. 2020)，这可能会影响临床决策. beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您试图通过多名医生来减少差异.

尽管如此，为beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您的实验测试而开发的人造宫颈还是有一些局限性. 第一个, 也许最重要的是, 是在简化复数吗, 不均匀的组织形成均匀的硅胶, beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您无法捕捉生理负荷下的某些物质行为.

另一个限制是模型上的边界条件. 在人体内，子宫颈被韧带和组织包围，用来传递内力. 通过消除这些元素，取而代之的是坚固的墙壁, 模型中的应力分布与生理现实并不相似.

最后, 软组织, 比如子宫颈, 显示非线性响应, 在随后的加载周期中变得更加顺从(Myers等. 2015). 在合成子宫颈模型中, 环扎环上的载荷是一个单一的周期，在相对较短的时间内，直接力的大小不断增加.

未来的模型可以进行修改，以更全面地捕捉这些机制.

结论

上述方法为研究生殖生物力学提供了一个框架. 而, 像所有的模型一样, 这需要对一个非常复杂的问题进行一些简化, 当无法进行原位实验时，可以使用它.

beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您已经介绍了一个例子，其中一个子宫颈模型被设计和建造来研究一个特定的条件, 宫颈软化与潜在环扎成功的关系. beat365官方-beat365(澳门) 有限公司官方网站 -欢迎您还讨论了-修改-延长模具, 改变子宫颈管的几何形状和缝合材料，以增加这个模型的有用性.

这种类型的工程模型可以, 而且应该, 用于获得生殖生物力学的其他方面的基本见解. 类似的模型也可以构建来探索分娩和分娩:产妇骨盆形状的作用, 胎儿的演讲, 或几何. 这种模型生产成本低，易于修改. 它们可以成为动物模型非常有用的补充, 计算工作, 以及临床研究，以增强对生殖生物力学的理解，改善对孕妇的护理.

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作者简介:亚历克莎·鲍默，乔治华盛顿大学工程与应用科学学院研究助理. 亚历克西斯·吉莫夫斯基(Alexis Gimovsky)是普罗维登斯妇幼医院的母胎医学专家. 迈克尔·加拉格尔(Michael Gallagher)是华盛顿大学医学与健康科学学院的临床副教授, 梅根·莱夫特维奇是乔治华盛顿大学机械与航空航天工程系的副教授.