軟部組織

軟組織 とは、体内で内臓や骨を連結、囲む、または支える組織のことで、筋肉、腱、靭帯、脂肪、線維組織、リンパ管、血管、筋膜、滑膜などが含まれます。^[¹^]^[²^] 軟組織は、骨や歯のように骨化や石灰化の過程によって硬化しません。^[¹^]

それは、何でないかによって定義されることもあります。例えば、「網内系とグリア細胞を除いた、非上皮性、骨格外間葉組織」などです。^[³^]

構成

軟組織の細胞外マトリックス内の特徴的な物質は、コラーゲン、エラスチン、および基質です。通常、軟組織は基質のおかげで非常に水分を含んでいます。線維芽細胞は、軟組織の線維と基質の産生を担う最も一般的な細胞です。軟骨芽細胞などの線維芽細胞の変異体もこれらの物質を産生することがあります。^{[ 4 ]}

機械的特性

小さなひずみでは、エラスチンが組織に剛性を与え、ひずみエネルギーの大部分を蓄積します。コラーゲン線維は比較的伸びにくく、通常は緩く（波状、縮れ）なっています。組織の変形が進むにつれて、コラーゲンは変形の方向に徐々に引き伸ばされます。これらの線維が張ると、組織の剛性が大きく増加します。この複合的な挙動は、ナイロンストッキングに似ています。ナイロンのゴムバンドがエラスチンの役割を果たし、ナイロンがコラーゲンの役割を果たします。軟組織では、コラーゲンが変形を制限し、組織を損傷から保護します。

人間の軟組織は非常に変形しやすく、その機械的特性は人によって大きく異なります。衝撃試験の結果、被験者の組織の剛性と減衰抵抗は、衝突する物体の質量、速度、およびサイズと相関関係があることが示されました。このような特性は、打撲傷が誘発された場合の法医学的調査に役立つ可能性があります。^{[ 5 ]}固体物体が人間の軟組織に衝突すると、衝撃のエネルギーは組織によって吸収され、衝撃の影響や痛みのレベルが軽減されます。軟組織の厚さが厚い被験者は、衝撃をあまり嫌がらずに吸収する傾向があります。^{[ 6 ]}

軟組織は大きな変形を起こしても荷重が取り除かれると元の形状に戻る可能性があり、つまり超弾性材料であり、その応力-ひずみ曲線は非線形です。軟組織はまた粘弾性で、非圧縮性であり、通常は異方性です。軟組織で観察される粘弾性特性には、緩和、クリープ、ヒステリシスなどがあります。^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}軟組織の機械的応答を記述するために、いくつかの方法が使用されてきました。これらの方法には、ひずみエネルギーに基づく超弾性巨視的モデル、非線形構成方程式を使用する数学的近似、線形弾性材料の応答がその幾何学的特性によって修正される構造ベースのモデルなどがあります。^{[ 9 ]}

擬弾性

軟組織は粘弾性特性、すなわち応力がひずみ速度の関数であるという性質を持つが、荷重パターンを前処理することで超弾性モデルによって近似することができる。材料に荷重と除荷を数回繰り返すと、機械的応答はひずみ速度に依存しなくなる。

\mathbf {S} =\mathbf {S} (\mathbf {E} ,{\dot {\mathbf {E} }})\quad \rightarrow \quad \mathbf {S} =\mathbf {S} (\mathbf {E} )

ひずみ速度に依存しないにもかかわらず、前処理された軟組織は依然としてヒステリシスを示すため、機械的応答は、荷重時と除荷時で異なる材料定数を持つ超弾性としてモデル化できます。この方法では、弾性理論を使用して非弾性材料をモデル化します。Fung はこのモデルを擬似弾性と呼び、材料が真に弾性ではないことを指摘しています。^{[ 8 ]}

残留応力

生理的状態の軟組織には通常、組織を切除すると解放される残留応力が存在する。生理学者や組織学者は、切除した組織を分析する際に間違いを避けるために、この事実を認識しておく必要がある。この収縮は通常、視覚的なアーチファクトを引き起こす。^[⁸^]

伸縮性のある素材

Fungは、前処理された軟組織の構成方程式を開発しました。

W={\frac {1}{2}}\left[q+c\left(e^{Q}-1\right)\right]

と

q=a_{ijkl}E_{ij}E_{kl}\qquad Q=b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}

グリーン・ラグランジュひずみの二次形式 $E_{ij}$ そして $a_{ijkl}$ 、 $b_{ijkl}$ そして $c$ 材料定数。^{[ 8 ]} $W$ これは単位体積あたりのひずみエネルギー関数であり、特定の温度における機械的ひずみエネルギーである。

等方性単純化

等方性仮説（すべての方向で同じ機械的特性）で単純化されたファングモデル。これは主伸長に関して記述されています（ $\displaystyle \lambda _{i}}$ ):

W={\frac {1}{2}}\left[a(\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3)+b\left(e^{c(\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3)}-1\right)\right]

、

ここで、a、b、cは定数である。

小規模から大規模まで、あらゆる場面での簡素化

小さなひずみの場合、指数項は非常に小さいため、無視できる。

W={\frac {1}{2}}a_{ijkl}E_{ij}E_{kl}

一方、解析が大きなひずみのみに依存する場合、線形項は無視できる。

W={\frac {1}{2}}c\left(e^{b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}}-1\right)

柔らかな伸縮性素材

W=-{\frac {\mu J_{m}}{2}}\ln \left(1-\left({\frac {\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3}{J_{m}}}\right)\right)

どこ $\mu >0$ は微小ひずみに対するせん断弾性率であり、 $J_{m}>0$ は、鎖の伸長を制限することに関連する剛性パラメータである。^{[ 10 ]}この構成モデルは、最大伸長を超えて一軸引張で伸ばすことはできない。 $J_{m}$ これは、の正の根です

\lambda _{m}^{2}+2\lambda _{m}-J_{m}-3=1

改築と成長

軟組織は、化学的および機械的な長期的変化に反応して成長およびリモデリングする能力を持っています。線維芽細胞がトロポコラーゲンを産生する速度は、これらの刺激に比例します。病気、怪我、および機械的負荷レベルの変化は、リモデリングを誘発する可能性があります。^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}この現象の例として、農夫の手の肥厚があります。結合組織のリモデリングは、ウォルフの法則（骨リモデリング）によって骨でよく知られています。メカノバイオロジーは、細胞レベルでのストレスと成長の関係を研究する科学です。^{[ 7 ]}

成長とリモデリングは、動脈狭窄や動脈瘤^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}、あらゆる軟部組織線維症などの一般的な軟部組織疾患の原因において重要な役割を果たしています。組織リモデリングの他の例としては、動脈壁によって検出される血圧の上昇に応じて心筋が肥厚することが挙げられます。

画像診断技術

軟部組織の細胞外マトリックス（ECM）成分を可視化するための画像化技術の選択には、いくつかの問題が影響します。画像解析の精度は、生データの特性と品質に依存するため、画像化技術の選択は、次のような問題に基づいて行う必要があります。

対象となる構成要素に対して最適な解像度を持つこと。
これらの構成要素の高コントラストを実現する。
遺物の数を少なく抑える。
ボリュームデータ取得のオプションがあること。
データ量を低く抑える。
組織分析のための、簡単で再現性の高いシステムを確立する。

コラーゲン線維の厚さは約 1～2 μm です。したがって、イメージング技術の解像度は約 0.5 μm である必要があります。一部の技術ではボリュームデータを直接取得できますが、他の技術では標本をスライスする必要があります。どちらの場合も、抽出されたボリュームはボリューム全体にわたって線維束を追跡できる必要があります。コントラストが高いと、特に色情報が利用可能な場合は、セグメンテーションが容易になります。さらに、固定の必要性にも対処する必要があります。ホルマリンによる軟組織の固定は収縮を引き起こし、元の組織の構造を変化させることが示されています。さまざまな固定における収縮の典型的な値は、ホルマリン (5% - 10%)、アルコール(10%)、ブアン(<5%) です。^{[ 15 ]}

ECM可視化に使用される画像化方法とその特性。^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

臨床的意義

軟部組織疾患とは、軟部組織に影響を与える病状のことです。軟部組織の損傷は、慢性的な痛みを伴い、治療が非常に困難な疾患の一つです。なぜなら、皮膚の下にある軟部結合組織、筋膜、関節、筋肉、腱の状態を視覚的に確認することが非常に難しいためです。

筋骨格系専門医、徒手療法士、神経筋生理学者、神経科医は、身体の軟部組織の損傷や疾患の治療を専門としています。これらの専門医は、軟部組織を操作する革新的な方法を開発し、自然治癒を促進し、軟部組織の損傷に伴う原因不明の痛みを緩和することがよくあります。この専門分野は軟部組織療法として知られるようになり、技術の進歩により専門家が問題部位を特定する能力が向上するにつれて、急速に拡大しています。

創傷や軟部組織損傷の治療における有望な新しい方法は、血小板由来成長因子によるものである。^{[ 17 ]}

「軟部組織障害」という用語とリウマチには密接な重複がある。これらの状態を説明するために「軟部組織リウマチ性疾患」という用語が使用されることもある。^{[ 18 ]}

軟部組織肉腫は、軟部組織に発生する可能性のある様々な種類の癌の総称です。

参考文献

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外部リンク

ウィキメディア・コモンズにある軟組織関連のメディア

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