finite element method
در نشریات گروه مهندسی پزشکی-
قوز قرنیه یا کراتوکونوس (KC) نوعی بیماری غیرالتهابی و پیش رونده قرنیه محسوب می شود. تظاهر بالینی این بیماری بصورت شکل گیری نواحی مخروطی شکل بر سطح قرنیه و مشکلات شدید دید چشم فرد مبتلا بروز پیدا می کند.کارگذاری ایمپلنت های قوسی داخل قرنیه ای (ICRS) یک درمان رو به گسترش برای بازیابی شکل قرنیه به وضعیت نرمال و در نتیجه بهبود حدت بینایی فرد محسوب می شود هر چند در باره اثربخشی آن اختلاف نظر وجود دارد. در این مطالعه، مدل ساده ای از قرنیه مبتلا به کراتوکونوس با قوز در ناحیه مرکزی برای تعیین کمی اثرات مکانیکی و اپتیکی برخی از انواع متداول ICRS تجاری موجود مورد استفاده قرار گرفت. مجموعه ایمپلنت های قوسی متداول برای این نوع قوز طبق روال بالینی متداول در دو گروه کلی قوس تکی و قوس های دوتایی قرار دارند. در تحقیق حاضر مدل های مربوط به وضعیت پس از کارگذاری این ایمپلنت ها به روش المان محدود (FE) مدل سازی و تحلیل شد. در گروه قوس تکی، یک قوس °360، یک قوس °350، یک قوس °320 و در گروه قوس های دوتایی، دو قوس متقارن و متناظر °160،°150،°120 و°90 مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که کارگذاری قوس های دوتایی متقارن می تواند انتخاب بهتری برای قوز قرنیه با ناحیه پاتولوژیک مرکزی باشد. این مطالعه تاثیر بالقوه کارگذاری ICRS را از منظر بیومکانیکی نشان می دهد و اولین قدم به سمت توسعه یک نوموگرام مبتنی بر شواهد برای انتخاب از بین ترکیبات مختلف ایمپلنت های قوسی در درمان یا جلوگیری از پیشرفت قوز قرنیه است.
کلید واژگان: قرنیه کراتوکونیک، روش المان محدود، بیومکانیک چشم، توزیع تنش، توزیع جابه جاییKeratoconus (KC) is a non-inflammatory and degenerative disease of the cornea. It is manifested by the formation of cone-shaped regions accompanying severe eyesight issues. Implantation of intrastromal corneal ring segments (ICRS) is a popular treatment to improve visual acuity. Controversies exist over restoring functionality of different ICRSs. In this study, numerical models were used to quantify the mechanical and optical effects of different ICRSs on a reference cornea with central cone. Finite element (FE) simulations were used to simulate the implantation of two classes of ICRS sets common in clinical settings: a) single segment arcs of 360º (1 × 360), 350º (1 × 350), 320º (1 × 320), and b) symmetric double-segment arcs of 160º each (2 × 160), 150º each (2 × 150), 120º each (2 × 120), and 90º each (2 × 90). Results showed that implantation of symmetric double-segment arcs caused the symmetric displacement and stress distribution contours on both anterior and posterior corneal surfaces. This study shows the potential impact of a detailed mechanical analysis of ICRS placement and represents a first step toward the development of an evidence-based nomogram for the different implantation techniques and the optimization of the surgical intervention based on patient-specific modeling.
Keywords: Keratoconic cornea, finite element method, Ocular biomechanics, Stress Distribution, Displacement distribution -
ریزسوزن ها نوعی سوزن با ابعاد میکرونی هستند که بعد از تحویل دارویی از طریق دهانی و تزریقی سومین سیستم تحویل پرکاربرد هستند. باتوجه به هزینه ی بالای ساخت ریزسوزن، شبیه سازی عددی نفوذ ریزسوزن در پوست می تواند برای بررسی استحکام ریزسوزن و هم چنین اثر آن روی پوست در حین نفوذ مفید باشد. در این پژوهش ابتدا یک روش شبیه سازی جدید در نرم افزار آباکوس با روش صریح، با استفاده از المان های کوهسیو برای بررسی نفوذ ریزسوزن در پوست ساعد دست انسان ارایه شد. پوست به صورت مدل هایپرالاستیک اوگدن و دولایه در نظر گرفته شد. ریزسوزن به عنوان جسم صلب در نظر گرفته شد و به آن سرعت ثابت 6/0 میلی متر بر ثانیه اعمال شد. ریزسوزن دارای بالک با عنوان های زیست الهام بررسی و پارامترهای مهم آن مانند ارتفاع، تیزی و زاویه بالک ارزیابی گردید. در انتها چند مدل پیشنهادی از ریزسوزن ها به همراه شیارهای طولی برای افزایش تمرکز تنش روی پوست و جلوگیری از اصطکاک ارایه شده است. مقایسه ریزسوزن بالک دار طراحی شده با ریزسوزن بدون بالک نشان می دهد که ریزسوزن بالک دار تمرکز تنش بیشتری حدود دوبرابر روی پوست ایجاد می کند، اما نیروی نفوذ را به اندازه ی 15 درصد کاهش می دهد، که در نتیجه ی آن راحت تر در پوست نفوذ می کند. نتایج حاصل بیان می کند شیارهای طولی کاهشی تا حدود 10 درصد تنش ایجاد شده در پوست را افزایش داده ولی تاثیر ناچیزی برروی نیروی نفوذ در پوست دارند. نتایج این پژوهش می تواند در زمینه دارورسانی، نمونه برداری، جوان سازی به وسیله ریزسوزن و همچنین برای ساخت چسب های پزشکی و ریزسوزن های مورد استفاده در ثبت سیگنال زیستی مانند الکتروکاردیوگرافی، الکترومایوگرافی و الکتروانسفالوگرافی نیز مفید باشد.
کلید واژگان: زیست الهام، ریزسوزن، المان های کوهسیو، روش اجزا محدودMicroneedles are a type of micron-sized needle that is the third most widely used delivery system after oral and injectable drug delivery, used in a variety of fields including drug release and rejuvenation. Optimizing the geometry of microneedles to reduce pain and inflammation has been important in recent years. Due to the high cost of microneedle fabrication, numerical simulation of microneedle penetration into the skin can be useful to evaluate the microneedle strength as well as its effect on the skin during penetration. In this study, first a new simulation method in Abaqus software with explicit method using cohesive elements to investigate the penetration of microneedles in the skin of the human forearm was presented. The skin was considered as Ogden and bilayer hyperelastic models. The microneedle was considered as a rigid body and a constant velocity of 0.6 mm/s was applied to it .The microneedle with bulk with bio-inspired titles was examined and its important parameters such as height, sharpness and bulk angle were evaluated. Finally, some proposed models of microneedles with longitudinal grooves are presented to increase the concentration of stress on the skin and prevent friction. A comparison of the designed microneedle with the barbless microneedle shows that the barbed microneedle concentrates more than twice as much stress on the skin, but reduces the penetration force by as much as 15%, making it easier to penetrate the skin. The results show that the reduction longitudinal grooves increase the tension created in the skin by about 10%, but have little effect on the penetrating force on the skin.
Keywords: bioinspiration, Microneedle, cohesive element, finite element method -
با توجه به کاربرد آزمایش و تحلیل شکست استخوان در هر دو حوزه ی پزشکی و مهندسی، یافتن نمونه ی مناسب برای اندازه گیری خواص مکانیکی شکست بسیار مهم است. لذا در این مطالعه به تحلیل تجربی و عددی شکست استخوان کورتیکال گوساله برای 4 ناحیه ی آناتومیکی با استفاده از نمونه های کمان-شکل پرداخته شده است. تست تجربی شکست برای نمونههای کمان-شکل در دمای محیط انجام شده و در عمل فاکتور شدت تنش با استفاده از فرمول تحلیلی استاندارد برای نمونههای کمان-شکل و روش مدل المان محدود مربوط به نمونهها محاسبه شده است. به منظور صحت سنجی مدل المان محدود، نتایج تحلیل تنش و کرنش با نتایج به دست آمده از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی مقایسه شده است. توافق بسیار خوب بین نتایج تحلیل تنش و کرنش عددی و تجربی، نشان دهنده ی دقت تحلیل المان محدود است. در این مطالعه ارتباط خوبی در شروع و رشد ترک بین نتایج تجربی و المان محدود و هم چنین مقادیر چقرمگی شکست به دست آمده از روش عددی با دیگر مطالعات مشاهده شده است. هم چنین نتایج حاصل از این مطالعه نشان میدهد که فاکتور شدت تنش تحلیلی میتواند نتایج دقیقی برای نمونههای کمان-شکل ایجاد شده از نواحی آناتومیکی خلفی و قدامی ارایه کند، هرچند برای نواحی آناتومیکی میانی و جانبی، تنها مدل المان محدود میتواند دقت لازم را فراهم سازد.کلید واژگان: استخوان کورتیکال، روش المان محدود، نمونه ی کمان-شکل، تحلیل تنش، برهم نگاری تصاویر دیجیتال، چقرمگی شکستRegarding the application of testing and analysis of bone fractures in both medical and engineering fields, finding proper specimens for measuring fracture properties is important. In this study, the experimental and numerical fracture analyses of bovine cortical bone were performed for 4 anatomical regions using arc-shaped specimens. The tensile fracture tests for arc-shaped specimens were performed at ambient temperature. In practice, the stress intensity factor was calculated using standard analytical formula for arc-shaped specimens and also the related finite element (FE) models. In order to validate the FE models, the stress and strain analyses results were compared with the results obtained from digital image correlation (DIC) method. The very good agreement between these results was indicative of the accuracy of FE analyses. There were also good correlations between the initiation and propagation of crack from both experimental and FE results and the measured fracture toughness values were in good agreement with those reported in the literature. The results of this study showed that the analytical stress intensity expressions can give accurate results for the arc-shaped specimens excised from posterior and anterior regions. However, for the medial and lateral regions only the FE models can provide the required accuracy.Keywords: Cortical bone, finite element method, Arc-Shaped Specimen, Stress analysis, Digital Image Correlation, Fracture toughness
-
دیسک بین مهره ای در ستون فقرات عامل انعطاف پذیری، انتقال بار و استهلاک انرژی ضربات ناشی از بارگذاری می باشد. گذشت زمان و اعمال بارگذاری های نامناسب باعث دژنره شدن دیسکهای بین مهره ای می شود. بررسی پارامترهای بیومکانیکی دیسک سالم و دژنره شده برای کشف مکانیزمهای مربوط به دژنره شدن و یافتن راهکارهای درمان از اهمیت بالایی برخوردار است. در تحقیق حاضر دیسک ناحیه گردنی ستون فقرات به همراه دو مهره مجاور آن (C5 و C6) با استفاده از روش سی تی اسکن به یک مدل سه بعدی دقیق تبدیل شده است. برای تعریف دقیق خواص بیومکانیکی دیسک و مهره از دو مدل پوروویسکوالاستیک و پوروالاستیک استفاده شده است. این دو مدل ضمن درنظرگرفتن خواص ماتریس جامد دیسک و مهره، جریان سیال آب درون آنها را نیز به عنوان یک جزء اساسی در عملکرد ستون مهره ها با درنظرگرفتن ساختار متخلخل برای دیسک و مهره لحاظ کرده اند. خاصیت ویسکوالاستیک فاز جامد دیسک با استفاده از تست آزمایشگاهی ریلکسیشن بر روی نمونه دیسک گوسفندی و برازش داده های تنش-زمان به مدل عمومی ماکسول دوشاخه ای استخراج گردیده است. با استفاده از روش المان محدود، پاسخهای وابسته به زمان دیسک بین مهره ای سالم و دیسکهای دژنره شده در سه سطح مختلف (خفیف، متوسط و شدید) در بارگذاری ریلکسیشن مورد بررسی قرارگرفته است. نتایج نشان می دهند که در فرآیند ریلکسیشن، با افزایش میزان دژنره شدن دیسک، سرعت جریان سیال درون آن کاهش می یابد و این امر منجر به کاهش انعطاف پذیری دیسک تحت بارگذاری می گردد. همچنین با بررسی نتایج مشاهده می شود که تنش ریلکسیشن دیسک دژنره شده شدید نسبت به دیسک بین مهره ای سالم تا حدود 16% افزایش یافته است. بررسی میزان بیرون زدگی دیسکهای دژنره شده نسبت به دیسک سالم تحت بارگذاری، نشاندهنده افزایش میزان بیرون زدگی با افزایش میزان دژنره شدن دیسک است.
کلید واژگان: دیسک بین مهره ای، تست ریلکسیشن، مدل پوروویسکوالاستیک، انحطاط دیسک، روش المان محدودIntervertebral disc (IVD) provides flexibility and shock absorption for the spine in the load transmission procedure. Disc degeneration may occur as a result of aging and inappropriate types of loading. Assessing biomechanical parameters of intact IVD in comparison to the degenerated disc with different grades of degeneration can facilitate the detection procedure and planning for suitable therapeutic treatment. In the present study, a real three-dimensional model of cercival IVD (C_5-C_6) with adjacent vertebrae is constructed by using computed tomography (CT-scan) images. In order to accurately define mechanical properties, the disc and the vertebrae are modelled as poroviscoelastic and poroelastic materials, respectively. A porous medium approach is adopted to consider the considerable water content of both media alongside the solid matrix. For the solid phase of the IVD, the related viscoelastic parameters are extracted from an experimental test on a sheep lumbar intervertebral disc and stress vs. time data are fitted to the generalized Maxwell model with two Maxwell arms. By employing the finite element method, time-dependent response of the intact IVD and three different levels of the degenerated IVD (mild, moderate, and severe) are studied in a relaxation test. Results indicate that during relaxation procedure, intradiscal fluid velocity decreases as a result of disc degeneration. This may oppositely affect the flexibility of IVD in the load bearing. It is also observed that stress relaxation of the severe degenerated IVD almost increases up to 16% relative to the intact IVD. Assessing the amount of disc bulging under load application shows enhancement for the degenerated disc compared to the intact disc.
Keywords: intervertebral disc, relaxation test, poroviscoelastic model, disc degeneration, finite element method -
با افزایش سن، نگرانیهای بیشتری در رابطه با توانائی بافتهای سخت مانند دندان در برآورده کردن نیازهای روزمره به مدت طولانیتر وجود دارد. ویژگی قابل توجه میکروساختار عاج دندان در وجود لولههای استوانهای کوچک به نام لولههای عاجی است که تاثیر بسزایی در رفتار و خصوصیات مکانیکی از جمله مکانیک شکست آن دارد که افزایش سن منجر به پرشدن تدریجی لولههای عاجی میشود. در این مقاله با در نظر گرفتن میکرو ساختار عاج دندان به صورت مواد مرکب فیبری به بررسی تاثیر میکروساختار و تاثیر تغییرات میکروساختاری ناشی از افزایش سن بر روی رفتار شکست و مسیر رشد ترک با استفاده از تئوری مکانیک شکست الاستیک خطی و روش تحلیل اجزاء محدود پرداخته شد. نتایج بیانگر آن است که مسیر رشد ترک علاوه بر هندسه ریز ساختار عاج دندان به خواص مواد اجزاء سازنده آن و آرایش لولههای عاجی وابسته است. همچنین نتایج ما نشان دهنده آن است که با لولههای عاجی توپر ناشی از افزایش سن نقش اساسی در مسیر رشد ترک ایفا می کند و به عنوان دفع کننده رشد ترک محسوب می شوند.
کلید واژگان: میکروساختار عاج دندان، افزایش سن، مکانیک شکست الاستیک خطی، روش اجزای محدودWith the increase in lifespan there are many concerns related to ability of the hard tissues such as teeth to meet the physical demands over an extended period of function. The dentin has a special microstructural feature that governs its mechanical behavior, e.g., fracture mechanics: cylindrical tubules that are called dentin tubules. These tubules are gradually occluded in the elderly. The present study is aimed to investigate the effects of microstructure and its aging-related changes of the considered fiber-reinforced composite dentin on the fracture behavior and crack propagation trajectory, utilizing linear elastic fracture mechanics and finite element method. Obtained results indicate that the crack propagation path depends on geometrical microstructure of the dentin as well as respective mechanical properties and arrangement of dentin tubules. Also our results delineate that occlusion of dentinal tubule due to the aging plays a significant role at crack propagation trajectory and behaves as a barrier to crack growth.
Keywords: dental microstructure, Aging, linear elastic fracture mechanics, Finite Element Method -
تحلیل عددی مدل سه بعدی طناب نخاعی در شرایط بیماری سیرنگومیلی با استفاده از روش بر هم کنش سیال و جامدبزرگ شدن سیرینکس در بیماری سیرنگومیلی، باعث بروز آسیب نورولوژیکی پیشرونده میشود؛ بنابراین، بررسی عوامل دخیل در توسعه سیرینکس، در یافتن روش هایی برای کنترل این بیماری بسیار اهمیت دارد. یکی از فرضیات بالینی مهم در رابطه با علت توسعه سیرینکس، انتشار موج شوک فشار در سیال فضای ساب آراکنویید را عامل اصلی حرکت سیال داخل سیرینکس و در طولانی مدت، توسعه سیرینکس و آسیب فزاینده به نخاع، می داند. مدل سازی و تحلیل حاضر در راستای آزمودن این فرضیه و به کمک روش المان محدود انجام شده است؛ به این ترتیب که یک مدل سه بعدی، شامل سیرینکس، طناب نخاعی، سیال مغزی-نخاعی در فضای ساب آراکنویید، لایه سخت شامه و گرفتگی، ایجاد شد. تحریک پالس فشار به سطح بالایی مدل سیال فضای ساب آراکنویید، که تاثیر پالس شریانی جمجمه ای را شبیه سازی میکرد، اعمال شد. سیال مغزی-نخاعی، به صورت نیوتنی و جریان آن، به صورت لایه ای فرض شد. رفتار جامد نیز، الاستیک خطی در نظر گرفته شد. تحلیل برهم کنش سیال و جامد توسط نرم افزار ADINA اجرا شده و مشخصات جریان سیال، شامل میدان سرعت و فشار و همچنین تنش های ایجاد شده در بافت ها، استخراج شد. نتایج نشان می دهد که انتشار موج فشار در سیال فضای ساب آراکنویید، به القای حرکت در سیال سیرینکس منجر می شود و با توقف سیال در انتهای سیرینکس، افزایش فشار موضعی به ایجاد تمرکز تنش در بافت نخاعی می انجامد؛ اما مقادیر این تنش ها، کمتر از حد تحمل بافت نخاعی است و انتشار موج فشار در این شرایط، نمی تواند عامل اصلی توسعه سیرینکس باشد.کلید واژگان: هیدرودینامیک سیال مغزی-نخاعی، روش المان محدود، انتشار موج فشار، سیرینکسSyrinx growth in Syringomyelia desease causes progressive neurological disorders. Thus, the examination of effective factors in syrinx development is so important for controlling this desease. One of clinical assumptions related to the reason of syrinx development, considers the propagation of pressure wave shock in subarachnoid-space fluid as the main reason for fluid motion in syrinx and syrinx development and increasing damage to spinal cord. Modeling and analysis have been performed to test the theory in this research using finite element method. So a 3d model was created including syrinx, spinal cord, cerebrospinal-fluid in subarachnoid-space, dura mater and stenosis. Pressure puls stimulation was applied to the superior surface of the subarachnoid-space fluid model simulating arterial puls of skull. Cerebrospinal-fluid has been assumed as a Newtonian fluid with laminar flow. The solid phase has been considered to be linear elastic. The fluid-solid interface was analized using ADINA software and fluid flow characteristics were extracted including velocity and pressure field as well as tissue stresses. Results show that pressure wave propagation in subarachnoid-space fluid causes the induction of motion in syrinx fluid, and stress concentration is created in spinal tissue due to the fluid cessation in syrinx and increasing local pressure, however these stress values are lower than spinal tissue strength and pressure wave propagation in this situation cannot be the main reason of syrinx development.Keywords: cerebrospinal-fluid hydrodynamics, finite element method, pressure wave propagation, syrinx
-
درک مکانیزم تخریب مصنوعی دیسک به کمک مدل های حیوانی می تواند در مطالعه روش های احیایی به امید یافتن استراتژی های درمانی، مورد استفاده قرار گیرد. زیرا برای احیای بافت در مدل های حیوانی ابتدا نیاز به مدل تخریب شده بافت است. فرآیند تخریب دیسک می تواند در مدلهای حیوانی به روش ایجاد جراحت با سوزن سرنگ شبیه سازی شود. این در حالی است که تاکنون پاسخ دقیق مکانیکی دیسک تخریب شده به این روش تحت بارگذاری فیزیولوژیک روزانه به خوبی در ادبیات تحقیق مطالعه نشده است. از این رو در این تحقیق، آنالیز های اجزاء محدود معکوس در ترکیب با تست های آزمایشگاهی استفاده گردید تا به کمک آنها خصوصیات مکانیکی دیسک های سالم (8 نمونه) و دیسک های تخریب شده به وسیله سوزن سرنگ (8 نمونه) استخراج گردد. پس از آن، مدل های توسعه داده شده برای هر کدام از 16 نمونه، تحت بارگذاری دینامیکی روزانه تحلیل شدند. نتایج مبین آن بود که تغییرات جابجایی محوری، فشار بین دیسکی و جابجایی کلی سیال بعد از 24 ساعت در گروه دیسک های سالم بالاتر از دیسک های تخریب شده بوده است. اما ماکزیمم استرس محوری داخل دیسک، در گروه آسیب دیده بالاتر بوده است. نتایج بدست آمده همبستگی مناسبی با نتایج دیسک تخریب شده طبیعی جسد انسان دارد. بنابراین نتیجه گیری می شود که تخریب دیسک بین مهره ای با سوزن سرنگ سایز 16 روشی ساده و مقرون به صرفه است که می تواند در شبیه سازی مکانیزم تخریب دیسک در مدل های حیوانی مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: دیسک بین مهره ای، تخریب دیسک، تست آزمایشگاهی، روش اجزاء محدود، بهینه سازی، بارگذاری دینامیکی روزانهUnderstanding the mechanism of artificial disc degeneration using animal models is useful to study the regenerative techniques in hope of finding potential therapeutic strategies. For any type of potential therapeutic techniques, first we need to have the degenerated model. Disc degeneration can be mimicked in animal studies using needle puncture. However, the detailed mechanical response of the artificial degenerated disc using needle puncture under physiological diurnal activities has not been analyzed well. Hence, reverse finite element analyses combined with in-vitro experiments were used in this study to find the mechanical properties of intact (N=8) and injured discs using needle puncture (N=8). Afterward, specimen-specific FE models for 16 discs were simulated during physiological diurnal activity. The results showed that the variation of axial displacement, intradiscal pressure, and total fluid exchange in intact discs were significantly higher than the injured ones after 24h. But the maximum axial stress within disc was significantly higher in injured group. The achieved results are correlated with previous human cadaver data for natural disc degeneration. Therefore, it is concluded that the G-16 needle puncture injury is a simple and cost-effective methodology which can be used to mimic the degeneration mechanism in animal models.
Keywords: Intervertebral Disc, Disc Degeneration, In-Vitro Experiment, finite element method, optimization, Daily Dynamic Loading -
بررسی تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی در شرایط طبیعی بدن و همچنین شرایط کشت آزمایشگاهی، موضوعی بسیار مهم در جهت دستیابی به توانایی کنترل بر رفتار و پاسخ های سلولی همچون رشد، تکثیر و تمایز می باشد. در مورد عوامل بیومکانیکی دخیل در این پدیده پژوهش های فراوانی انجام شده و امروزه ثابت شده است که عواملی همچون، مورفولوژی سلول، آرایش اجزای زیرسلولی، هندسه ی داربست، سختی بسترو تحریک مکانیکی اعمالی از جانب بستر و یا جریان سیال تاثیر بسزایی در پاسخ های سلولی دارند. در پژوهش حاضر سعی شده است تا با استفاده از روش تحلیل اجزای محدود، یکی از این عوامل مهم در تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی مزنشیمال یعنی اثر سختی و ضخامت بستر و پاسخ سلول از جنس تنش و کرنش به این عامل ارزیابی شود. برای این منظور از بستر های پایه کلاژنی به عنوان ماتریس خارج سلولی مصنوعی استفاده شد و شرایط کشت سلول درون یک بیوراکتور و در حضور جریان سیال شبیه سازی شد. با به کار گیری روش برهمکنش سیال و سازه برای شبیه سازی و حل آن به شیوه ی جفت شوندگی دو طرفه ی معادلات سیال و جامد، تاثیر افزایش سختی بستر و ضخامت آن به ترتیب در افزایش و کاهش تنش های وارده بر سلول از جانب بستر به میزان حداکثر 15 درصد در نتایج مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که تغییر سختی بستر تنها در بازه ی 1/0 تا 100 کیلو پاسکال می تواند در تغییر رفتار سلول در مقابل تحریک خارجی موثر باشد. نتایج به دست آمده از این تحقیق در کنار سایر تحقیقات مشابه می توانند به عنوان یک راهنما برای محققین جهت بهینه سازی شرایط ریزمحیطی سلول بنیادی در محیط کشت آزمایشگاهی و در نهایت دستیابی به نتایج کارآمدتر در پژوهش های مرتبط با مهندسی سلول های بنیادی قلمداد شوند.کلید واژگان: تنظیمات مکانیکی، تحلیل اجزای محدود، برهمکنش سیال و سازه، سختی و ضخامت بستر، کلاژن، سلول بنیادیInvestigating the mechanical stimuli on stem cells under in vitro and in vivo conditions is a very important topic to achieve an ability to control the cellular responses like growth, proliferation and differentiation. Many investigations carried out about biomechanical factors involved in this phenomenon and nowadays, it is proved that some factors like as cell morphology, subcellular elements configuration, scaffold architecture, substrate stiffness and mechanical stimulation via substrate displacement or fluid flow, have got an important effect on cellular responses. In this study, we have tried to evaluate the responses of a stem cell to the stiffness and thickness of the substrate by the means of finite element method. For this purpose, we have used collagen-based scaffolds as the artificial ECM and a cell culture in a bioreactor with fluid flow was simulated.by use of fluid-structure interaction method and solving the equations in two-way coupling scheme, the results show that the increase in thickness and stiffness of the substrate will result in 15 percent change in cell-substrate stresses, respectively. Also, it was seen that the change of substrate stiffness only in the range of 0.1-100 KPa could affect the cell response to an external stimulation.These results, along with other similar investigations, could be used as an instructor by the researchers to optimize the stem cells microenvironment in vitro, and finally get the most out of their stem cell related Investigations.Keywords: Mechanical Modulation, Finite element method, Fluid Structure Interaction, Substrate Thickness, Stiffness, Collagen, Stem Cell
-
سلولهای بدن، ازجمله سلولهای بنیادی مزانشیمی در معرض نیروهای مکانیکی مختلفی قرار دارند. نوع و بزرگی این نیروها در شرایط مختلف فیزیولوژیک و پاتولوژیک متفاوت بوده و پاسخهای بسیار متنوعی در سلولها ایجاد می کند که توانایی تغییر عملکرد سلول را دارد. بررسی پاسخ سلول های بنیادی به نیروهای مکانیکی در شناخت عملکرد سلولها و بافتها در شرایط سالم و بیمار از اهمیت بالایی برخوردار است. توانایی تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی به دیگر سلولها، آن ها را به یک منبع سلولی بسیار مهم در مهندسی بافت تبدیل کرده است. درین مطالعه، با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و روش محاسباتی اجزای محدود، به شبیه سازی اثر بارگذاری های مکانیکی بر سلول بنیادی پرداخته شد که شامل بررسی رفتار سلول، متاثر از رفتار اجزای داخلی آن، از طریق توزیع تنش و تغییر شکلهای بزرگ است. درین طرح، نرم افزار اجزای محدود آدینا برای شیبهسازی رفتارهای الاستیک خطی و هایپرالاستیک اجزای سلول (غشای سلول، سیتوپلاسم و هسته) تحت بار فشاری بهکار گرفته شد. نتایج حاصل، نشان دهنده ی پاسخ مکانیکی سلول بنیادی در بدن است که در اثر اعمال بار فشاری در محدوده ی مورد بررسی فیزیولوژیک، قابلیت تمایز به سلولهای استخوانی و غضروفی را دارد. جنبه های نوآوری برجستهی این حوزه تحقیق، استفاده از نوع سلول (سلول بنیادی بافت هم بندی چربی)، به کارگیری اجزای سلولی و نیز استفاده از مدلهای محاسباتی دقیقتر برای اجزای سلولی با بهره گیری از داده های آزمایشگاهی از خواص مکانیکی سلول است. این پژوهش میتواند گام اولیه ی مهمی در تحقیقات از سلولهای مختلف بیمارو بررسی پاسخهای آن سلولها به بارگذاری های مکانیکی با روش مشابه در جهت یافتن روش های درمانی جدید باشد. نتیجه ی آن باعث تعمیق مطالعات آسیب شناسی بافت و سلول خواهد بود.
کلید واژگان: تنظیم مکانیکی رفتار سلول بنیادی، خواص مکانیکی سلول، روش اجزای محدود، مکانیک سلولیBody cells, including mesenchymal stem cells are subject to a lot of mechanical forces. The type and magnitude of these forces are different in different physiological and pathological conditions. They cause a wide variety of cell responses and are able to change metabolisms and functions of the cell. Analysis of stem cell response to mechanical stimulation is very important in recognizing healthy and diseased condition of tissues and cells. Differentiation potential of mesenchymal stem cells to specialized cells makes them important cell sources in tissue engineering. In this study, atomic force microscopy and finite element method and used mechanical effects on a stem cellaresimulated which includes cell behavior due to strain andstress distributions in internal components of the cell. In this study, the ADINA software used to simulate mechanical behavior of the cell components (cell membrane, cytoplasm and nucleus) under a compressiveload. Results indicate mechanical response of stem cells in the body through which they can differentiate into bone cells and cartilage under compressive loads in the physiological range. This study has some considerable innovations as compared with the similar studies in the literature which is because of the kind of cells has been used (adipose-derived stem cells) as well as and also using precise material models for cell components based on the data extracted from laboratory tests for mechanical properties of the cell. Furthermore, this study can be considered as an important initial step for future studies on different patho-cells and analyzing their responses to mechanical loading using a similar method of this study to find new diagnostic methods. Also, it can be used to deepen pathological studies of the cells and the tissues.
Keywords: Mechanical regulation of stem cell behavior, mechanical properties of the cell, finite element method, cell Mechanics -
در این مقاله روش اجزای محدود - بدون مش مبتنی بر موجک به منظور حل مساله پیشرو مقطع نگاری القای مغناطیسی ارائه شده است. طبیعت بدون تماس و ایمن این فن تصویربرداری، آن را به روشی مناسب برای تصویر برداری پزشکی و صنعتی غیرتهاجمی تبدیل کرده است. در این روش ابتدا با عبور جریانی متناوب از یک یا چند سیم پیچ تحریک، میدان مغناطیسی تحریک درون جسم مورد نظر ایجاد شده؛ سپس ولتاژهای القایی در سیم پیچ های گیرنده اندازه گیری می شوند. تصویر با تخمین ضرایب هدایت الکتریکی جسم با استفاده از نتایج حاصل از اندازه گیری، نتایج حل مساله پیشرو و حل مساله معکوس بازسازی می شود. شبیه سازی مساله پیشرو به طور معمول با روش اجزای محدود انجام می شود؛ اما وابستگی جواب حاصل به مش مورد استفاده، بویژه وقتی که ناحیه هدف شامل اجسام متحرک باشد، محدودیتی برای روش اجزای محدود محسوب می شود. در این تحقیق، به منظور رفع مشکل وابستگی به مش بندی در روش اجزای محدود و اعمال دقیق تر و سریع تر شرایط مرزی در روش بدون مش، روش ترکیبی اجزای محدود - بدون مش مبتنی بر موجک برای حل مساله پیشرو مقطع نگاری القای مغناطیسی پیشنهاد می شود. همچنین برای اعمال شرایط پیوستگی حد فاصل بین دو ناحیه اجزای محدود و بدون مش، توابع پرش شیب به کار گرفته شده اند. برای ارزیابی کارایی روش پیشنهادی، نتایج شبیه سازی با نتایج بدست آمده از روش اجزای محدود معمول از لحاظ دقت و زمان محاسبات مقایسه شده اند.
کلید واژگان: مقطع نگاری القای مغناطیسی، تصویر برداری القای مغناطیسی، روش ترکیبی اجزای محدود، بدون مش، مساله پیشرو، تقریب موجکIn this paper, a combined wavelet based mesh free method has been presented to solve the forward problem in magnetic induction tomography (MIT). Being a non-contact safe imaging technique,MIT has been an appropriate method for noninvasive industrial and medical imaging. In this imaging method, a primary magnetic field is applied by one or more excitation coils to induce eddy currents in the material to be studied, and then the secondary magnetic field from these eddy currents is detected in sensing coils.Image reconstruction is obtained from estimated electric conductivity coefficients by using measurement data and solutions of forward and inverse problems. In general, the forward problem is solved using finite element method (FEM) with acceptable accuracy but in problems involving moving objects or objects with changing geometrical appearance, mesh distortion is inevitable and susceptible to producing error in numerical results.Since the solution of the FEM depends on the mesh shape and boundary condition constraints are difficult to be applied to the mesh free method, in this paper, the combined wavelet based mesh free approach is suggested to resolve the disadvantages of both methods in the MIT forward problem. In order to apply interface conditions betweenthe two finite element and mesh free sub-domains, slope jump functions are entered to the set ofbasis functions.The simulation results obtained by the proposed method are compared with the FEM in terms of accuracy and computational cost.
Keywords: Magnetic induction tomography, combined wavelet based mesh free, finite element method, wavelet, Galerkin method, forward problem, wavelet method -
شبیه سازی بی درنگ برای نشان دادن رفتار واقعی بافت نرم به مدل های بیومکانیک دقیقی نیاز دارد که دارای محاسبات سریع باشد. این مدل ها در خدمت کاربردهایی از جمله تشخیص پزشکی، برنامه ریزی و آموزش جراحی است. یکی از چالش ها در شبیه سازی عمل جراحی، برش بافت نرم است که به تغییرات ساختار هندسی و مش بندی مجدد عناصر در زمان بصورت آنی نیاز دارد. در این مقاله الگوریتم برشی با توجه به تحلیل هندسی بافت پیشنهاد شده است به طوری که تعداد درجات آزادی کمی تولید کرده و شبیه سازی پایدارتری را با آسیب کمتر به بافت نشان می دهد. با توجه به نتایج حاصل از شبیه سازی، الگوریتم پیشنهادی از سرعت نسبتا زیادی برخوردار است. علاوه بر الگوریتم پیشنهادی برش، روش نگاشتی پیشنهاد شده است که ارتباط بین مدل فیزیکی عناصر و مش بندی بصری و برخورد را برقرار ساخته و عمل جراحی واقعی تری را نشان می دهد. در این مقاله برای به دست آوردن نتایج قابل اعتماد، از مدل فیزیکی، دقیق و محاسباتی اجزای محدود استفاده شده است. روش اجزای محدود برای پایداری، دقت و عملکرد کافی در شبیه سازی آنی به کار می رود. الگوریتم پیشنهادی در محیط شبیه سازی SOFAبرای بافت نرم سه بعدی توموری شکل ارزیابی شده است.کلید واژگان: اجزای محدود، برش بافت نرم، بیومکانیک، سیستم های هپتیکی، شبیه سازی جراحیComputationally fast biomechanical models are required to present the actual behavior of soft tissue in real-time simulation. These models are applied in medical diagnosis, surgical planning and training. One of the challenges in the surgical simulation is soft tissue cutting that requires topology changes and elements remeshing in real-time.This paper present a new algorithm for soft tissue cutting using its geometric analysis. This method creates a less number of degrees of freedom and shows a stable simulation that leads in less tissue damage as compared to other methods. According to the simulation results, the proposed algorithm has a relatively high speed. In addition, a mapping method has been proposed that relates physical and visual model and consequently shows a more realistic surgery. In order to achieve a physics based, accurate and reliable force model, Finite Element Method is used. Finally, the proposed algorithm is simulated for three-dimensional soft tissue tumor and evaluated using the SOFA-Framework.Keywords: finite element method, Soft Tissue Cutting, Biomechanic, Haptics Systems, Surgery Simulation
-
به دلیل پیچیدگی ها و عوامل مختلفی که بر ارتودنسی موثر هستند، متخصصان ارتودنسی در صدد مطالعه مکانیزم حرکت دندان از قبیل تعیین رابطه بین اندازه نیروی اعمالی و نرخ حرکت دندان در ارتودنسی هستند. در این میان وجود نیروی اصطکاک با مقدار نامعین در محل تماس درمان ارتودنسی را غیر قابل پیش بینی می کند. در این تحقیق براکت استاندارد بامدل های براکت طراحی شده بر اساس گرد کردن لبه های خروجی سیم از شیار براکت، با توجه به زوایای موجود در شیار براکت، با دو نوع سیم ارتودنسی با مقطع مستطیل شکل و دایره ای مدل سازی شدند و اثر هندسه های مختلف بر توزیع تنش و نیروی اصطکاک با استفاده از روش اجزای محدود بررسی شده است. نتایج نشان داد در براکت هایی که دارای انحنای بیشتر در باله هستند، شدت توزیع تنش در محل تماس سیم و براکت در مقایسه با براکت استاندارد کاهش یافته است. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش انحنای باله مقدار اصطکاک در براکت با باله استوانه ای در مقایسه با براکت استاندارد کاهش قابل توجه دارد و در مقایسه با براکت های دارای انحنا، کمتر است. بررسی نتایج تفاوت اصطکاک در دو نوع سیم با مقطع گرد و مستطیلی، کاهش اصطکاک را در سیم مقطع دایره ای در مقایسه با سیم مقطع مستطیلی نشان داد و مطالعات قبلی را تایید کرد. در نهایت با توجه به کاهش اصطکاک در براکت هایی با باله دارای انحنای بیشتر، طراحی این نوع براکت و استفاده از آن بمنظور کاهش اصطکاک مناسب به نظر می رسد.کلید واژگان: براکت ارتودنسی، روش اجزای محدود، زاویه تماس بحرانی، نیروی اصطکاک، انحنای لبه خروجیOrthodontic specialists interest in study of tooth movement mechanic, such as the relationship between applied force and the rate of tooth movement in orthodontic treatment. It is because of the complexity and variety of factors that can affect orthodontic treatment. The friction force at the contact surfaces with an undetermined magnitude, makes the orthodontic treatment unpredictable. In this study, friction coefficient and forces were investigated in new designed bracket that had beveled edge which has been modeled based on standard bracket. Torque, tip and angulations angles of the brackets slot are designed. Arch wires were modeled by two rectangular and circular cross-sections and the effect of geometry on the stress distribution and the friction force was investigated using Finite Element Method (FEM). The results have showed that the stress concentration generated in the bracket which has been the most curvature, decreased compared to the standard bracket at the contact wire and bracket braces. In addition, results have showed that friction in the beveled edge bracket was significantly decline compared to the standard bracket and also are less than the type with minor curvature. Results of investigation of friction between the two types of round and square wire, have revealed that the round wire has lower friction and confirmed previous studies. Finally, due to the reduced friction in the brackets which have been the most curvature, this type of design is appropriate to decrease friction force.Keywords: Orthodontics bracket, finite element method, Critical contact angle, Friction Force, Curvature in Outlet Edges (COE)
-
بررسی نوسازی استخوان در اطراف پیچ اورتوپدی هدفمند و مقایسه با پیچ فلزی با استفاده از روش اجزای محدودپیچ های اورتوپدی ابزار رایجی برای تثبیت استخوان شکسته محسوب می شوند. شل شدن پیچ ها در اثر نبودن تنش کافی در استخوان مجاور پیچ و جذب استخوان ناشی از آن، یکی از عوامل موفق نبودن ترمیم شکستگی ها است. در این مطالعه، پیچ اورتوپدی هدفمند از ماده تیتانیوم و هیدروکسی اپتایت، Ti-Hap، همراه استخوان های اسفنجی و متراکم در نرم افزار اجزای محدود، مدلسازی شده است. پارامتر انتقال تنش، STPو پارامتر انتقال چگالی انرژی کرنشی، SEDTPتعریف می شود که به ترتیب نسبت تنش و نسبت چگالی انرژی کرنشی را در دندانه های پیچ به نقاط مجاور در استخوان بیان می کنند. مقادیر کم این پارامترها انتقال ضعیف تنش و چگالی انرژی کرنشی را به استخوان مجاور نشان می دهد که نشانه ای از پدیده مضر سپر تنش است. نتایج این تحقیق نشان داد که مقدار پارامترهای STPو SEDTP، برای پیچ هدفمند در مقایسه با پیچ فلزی، بیشتر است. بعلاوه با کاهش مدول الاستیسیته جزء فلزی و با افزایش جزء حجمی سرامیک، آثار منفی سپر تنش کاهش می یابد. برای پیچی که دارای یک قسمت همگن و یک قسمت هدفمند است؛ هر چه طول قسمت هدفمند بیشتر باشد، پارامترها مقدار بزرگتری را نشان می دهند. بنابراین اثر سپر تنشی و مقدار شل شدگی پیچ کاهش می یابد. همچنین هر چه قسمت هدفمند در موقعیتی نزدیک تر به دندانه های ابتدایی قرار گیرد، مقدار پارامترهای STPو SEDTP، افزایش می یابد. به علاوه نتایج نشان داد با کاهش توان ترکیب توزیعی که نشان دهنده نحوه تغییر ترکیب هدفمند از فلز به سرامیک است، مقدار پارامترها افزایش می یابد. نتایج این تحقیق با مطالعات بالینی و آزمایشگاهی در دسترس، تطابق خوبی دارد.کلید واژگان: پیچ اورتوپدی، توان ترکیب توزیعی، چگالی انرژی کرنشی، روش اجزای محدود، سپر تنش، ماده هدفمند تیتانیوم- هیدروکسی اپتایت، نوسازی استخوانOrthopedic screws are widely used devices for fixation of bone fractures. Progressive loosening of bone fixation screws, induced by stress shielding and subsequent adaptive bone remodeling, results in bone loss around the screw. A set of two-dimensional finite element models including cortical and cancellous bone with a functionally graded Ti-Hap screw was developed. A dimensionless set of stress-transfer parameters (STP) and strain energy density-transfer parameter (SEDTP) were developed to quantify the screw–bone load sharing. Lower STP and SEDTP values indicate weak stress and strain energy density transfer to bone which is a sign of stress shielding. The results indicated that STP and SEDTP values for FGM screw are higher than those of a fully metal screw. Moreover, reducing elastic modulus of metal fraction and increasing the volume fraction of ceramic decrease the stress shielding. For a partially graded screw (with both homogenous and FGM parts), the longer FGM part is, the greater are STP and SEDTP values. Furthermore, the results showed that decreasing compositional distribution exponent which shows composition change of FGM content from metal fraction toward ceramic fraction, increases the parameters. Results from this study are in admissible agreement with available clinical and experimental study.Keywords: bone remodeling, Compositional distribution exponent, finite element method, Functionally graded material, Orthopedic screw, Strain energy density, Stress shielding, Ti-Hap
-
تحلیل عددی انسداد کامل شریان کاروتید معمولی انسان در اثر پدیده ترومبوآمبولی شریانی با ارائه یک مدل اجزای محدود تماسیترومبوآمبولی شریانی از مهم ترین عوامل مرگ و میر در بیماران قلبی است. در شریان های خون رسان مغز، ذرات جدا شده لخته های خون به صورت آمبولی به بافت مغز منتقل می شوند و سبب ضایعات عصبی یا سکته مغزی می شوند. در این تحقیق برای اولین بار یک مدل عددی ارائه شده است که در آن انسداد کامل شریان کاروتید انسان در اثر حرکت فیزیکی یک توده لخته خون با هندسه کروی مورد بررسی قرار گرفته است. در این مدل عددی، جریان خون گذرا در یک مجرای متقارن محوری با طول محدود در نظر گرفته شده است. از معادلات تراکم ناپذیر ناویر- استوکس به عنوان معادلات حاکم بر سیال و از یک مدل الاستیک خطی برای توده لخته خون استفاده شده است. برای مدل کردن تماس بین توده لخته خون و دیواره شریان در محل گرفتگی، یک مدل متقارن محوری تماسی صلب در نظر گرفته شده است. برای تحلیل تغییر مکان های بزرگ جامد، از فرمول بندی لاگرانژی- اویلری دلخواه (ALE) استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که در زمان تماس بین لخته و گرفتگی، نواحی جدایش و اتصال مجدد جریان به طور گسترده روی گرفتگی اتفاق می افتد که این نواحی مستعد ایجاد و توسعه ترومبوزیس شریانی هستند. با قطع تماس بین دیواره و لخته در حال عبور از گرفتگی، ناحیه پایین دست گرفتگی و زیر توده لخته در حال حرکت، جریان گردابی بسیار وسیعی ایجاد می شود. بررسی حرکت و تغییر شکل لخته نشان داد که با گذشتن کامل لخته از گرفتگی، نواحی نزدیک به قله لخته، میل شدیدی به انبساط پیدا می کنند که تمایل به واپاشی را در این نواحی نشان می دهد.
کلید واژگان: بیوسیالات، بیومکانیک، همودینامیک، گرفتگی، تحلیل تماسی، روش اجزای محدود، برهمکنش سیال و جامدNumerical Analysis of Fully Blocked Human Common Carotid Artery Resulted From Arterial Thromboembolism Using a Contact Finite Element ModelArterial embolism is one of the major killers of the people who have heart diseases. In cerebral arteries, the danger of embolism is that the ruptured particles are carried into the brain, provoking neurological symptoms or a stroke. In this research, for the first time, we have presented a numerical model to study the complete blockage of the human common carotid artery resulted from the physical motion of a blood clot bulk with spherical geometry in it. In the numerical model, a transient flow was assumed in an axisymmetric finite length tube. The incompressible Navier-Stokes equations were used as the governing equations for the fluid and a linear elastic model was utilized for the blood clot bulk. In order to model the contact conditions between the blood clot and arterial wall, an axisymmetric rigid contact model was used. The arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation (ALE) was applied to analyze the solid large displacements inside fluid flow. The results indicated that during contact between stenosis and the clot, separation and reattachment regions were occurred on the stenosis extensively which are susceptible to thrombosis onset and growth. By abruption of the clot from the arterial wall during its passage through the stenosis, an extensive recirculation zone occurred downstream of the stenosis and beneath the moving clot bulk. Analysis of the clot motion and deformation have showed that when the clot passed the stenosis completely, the areas near the clot peak had a large tendency to expand which indicated the propensity of these areas to disperse.Keywords: Biofluid, Biomechanics, Hemodynamics, stenosis, Contact analysis, Finite element method, structure interactions -
گرفتگی های شریانی و بیماری های قلبی- عروقی ناشی از آن مانند تصلب شرائین، از دلایل عمده مرگ و میر در دنیاست. در این مقاله، با استفاده از یک مدل غیرخطی سه بعدی از شریان کاروتید دارای گرفتگی نامتقارن و با در نظر گرفتن تعامل میان جامد و سیال (FSI)، جریان خون در این شرایط مدلسازی شد. برای انجام دادن شبیه سازی از نرم افزار انسیس بهره گرفته شد. با توجه به بررسی های انجام گرفته این نرم افزار از توانایی مناسبی در تحلیل مسائل FSI برخوردار نیست. بنابراین با استفاده از کدنویسی در محیط ماکروی نرم افزار، دسترسی به الگوریتم حل مساله FSI از طریق روش کوپلینگ ضعیف میسر شد. تغییرات قابل توجه فشارخون بصورت موضعی و افت شدید فشار و در نتیجه ایجاد تنش فشاری در پایین دست گرفتگی، پروفیل متغیر تنش برشی در منطقه گرفتگی و تغییرات قابل توجه آن پس از گرفتگی، تغییرات قابل توجه پروفیل سرعت و ازدیاد قابل توجه جریان های برگشتی در اثر افزایش میزان خروج از مرکز پلاک، از جمله نتایج به دست آمده در پژوهش حاضر است. نتایج به دست آمده در ارزیابی وخامت بیماری، امکان پیشروی بیماری و پیش بینی محل های مستعد برای شکست پلاک آتروسکلروتیک استفاده می گردد.
کلید واژگان: گرفتگی شریانی، جریان خون، اندرکنش جامد و سیال، شکست پلاک، روش المان محدودArterial stenosis and the consequent cardiovascular diseases such as atherosclerosis remain the major cause of mortality in the world. In this study, blood flow was analyzed in a three-dimensional model of stenosed carotid artery with asymmetric stenosis utilizing fluid-structure interaction method. The modeling was performed by ANSYS finite element software. To overcome the software inconsistency in FSI mode, a new code was designed in ANSYS multi-physics environment for coupling of solid and fluid domains via incremental boundary iteration method. The results indicated a considerable variation of local blood pressure, velocity and shear stress in stenosed artery, high pressure drop along stenosis, compressive stress and larger flow separation zone in the post-stenotic region as the result of increased eccentricity of stenosis. The results might be applied in evaluation of plaque severity, progression of disease, plaque growth and vulnerable regions of plaque to fracture.
Keywords: Arterial stenosis, Blood flow, fluid-structure interaction, Plaque rupture, Finite element method -
در این تحقیق، نحوه تمرکز امواج فراصوتی به منظور گرمادرمانی بافت های سرطانی مورد مطالعه قرار گرفته و عمل تراگردانی به منظور تمرکز امواج توسط سلول های پیزوالکتریک در کانون سرطان معرفی شده است. با محاسبه میزان انرژی متمرکز شده توسط حل عددی معادله فشار آکوستیک به وسیله انتگرال ریلی، مناسب ترین آرایش فضائی برای تمرکز انرژی ارائه می شود. برای کنترل مسیر درمان از طریق حل عددی معادله بیو- هیت نحوه توزیع فضائی انرژی گرمایی در ناحیه مورد درمان مورد توجه قرار گرفته و با انتخاب سرطان دهانه رحم به عنوان نمونه، نتایج حاصل از شبیه سازی تمرکز امواج فراصوتی ارائه شده است.
کلید واژگان: امواج فراصوتی، گرمادرمانی، معادله فشار آکوستیک، معادله بیو، هیت، روش اجزای محدودThe methods of focusing ultrasonic waves in order to apply hyperthermia cancer therapy have studied and a transducer capable of focusing waves on cancerous tissues with the aid of its piezoelectricelements has introduced. The amount of absorbed energy was computed by solving numerically the acoustic pressure equation using Rayleigh-Summerfield Integral, with the intention to determine the optimum spatial array of piezoelectric elements for energy concentration. In order to control the treatment procedure, the numerical solution of Bio-heat Transfer Equation (BHTE), along with the finite-element simulation of thermal energy distribution in a cervix cancerous tissue is considered.
Keywords: Ultrasonic Waves, Hyperthermia, Acoustic Pressure Equation, Bio-Heat Transfer Equation, Finite element method -
در این مطالعه، چندین مدل المان محدود خطی و غیر خطی از ستون مهره در حالت سالم و تثبیت شده مورد تحلیل قرار گرفته است. مدل سالم با استفاده از تصاویر سی تی اسکن توسعه یافته و پس از بررسی اعتبار آن، عمل تثبیت با استفاده از دو نوع ایمپلنت رایج شبیه سازی شده است. نتایج مدل ها، شامل رفتار بار- تغییر مکان و توزیع تنش در ساختارهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. هم چنین اثر تغییر در پارامترهای هندسی پدیکل، خطای جایگذاری و خصوصیات پیوند استخوانی بر نحوه توزیع تنش در ساختارها ستون مهره و اجزای ایمپلنت، با استفاده از یک مدل پارامتری بررسی شده است. نتایج حاصله بر مزیت ایمپلنت های تیتانیومی نسبت به ایمپلنت های فولادی، لزوم استفاده از یک پیوند استخوانی قدامی و افزایش احتمال شکست پیچ در اثر پوکی استخوان در مجموعه های تثبیت شده تاکید می کنند. هم چنین بر مبنای نتایج مطالعه، استفاده از پیچ هایی با قطر بزرگتر برای پدیکل هایی که دارای طول قدامی– خلفی هستند و پرهیز از خطاهای جایگذاری، به منظور کاهش احتمال شکست پیچ های پدیکل به جراحان توصیه شده است.
کلید واژگان: ستون مهره، پیچ پدیکل، تحلیل تنش، روش المان محدود، پیوند استخوانیSeveral linear and nonlinear finite element models of intact and fixed lumbar spine were analyzed. The intact model was developed based on CT images, and following verification, was employed to simulate the spinal fixation procedure using two different commercial pedicle screw systems. The results including the force-deformation behavior and the stress distribution within the structures were studied in detail. The effects of pedicle morphology, insertion errors and material properties of bone graft on the stress distribution pattern within the vertebrae and implant components were also studied. The results suggest superiority of titanium implants over steel implants, necessity of bone graft insertion, and a higher failure risk for screws due to osteoporosis. It has been recommended that surgeons use thicker screws when dealing with pedicels with larger anterior posterior length and avoid insertion errors to minimize the risk of screw fracture.
Keywords: Lumbar Spine, Pedicle Screw, Stress analysis, Finite element method, Bone Graft
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.