فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال شانزدهم شماره 3 (پاییز 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/02/11
  • تعداد عناوین: 7
|
  • احسان محمدی مهموئی، بهروز سلامت، رضا لشگری* صفحات 205-216

    بدن انسان دارای پنج حس اصلی بینایی، شنوایی، چشایی، بویایی و لامسه می باشد که هر یک از این حواس اطلاعات بخصوصی را از محیط پیرامون به ما می دهند. نقص عملکرد هریک از آنها موجب اقدام ما نسبت به رفع آن و استفاده از تکنولوژی می گردد. حس شنوایی نیز از این مقوله مستثنی نبوده و تلاش های متعدد و زیادی در بهبود آن انجام شده که منجر به طراحی و ساخت ایمپلنت های گوناگونی شده است. در این پژوهش با هدف بررسی عملکرد ایمپلنت شنوایی ساقه مغز (Auditory Midbrain Implant - AMI)، به ایجاد دو نوع تحریک آکوستیک و الکتریک در سیستم شنوایی گربه پرداخته شده است. تحریک های الکتریک، حاصل تزریق جریان به بافت توسط AMI و تحریک های آکوستیک حاصل تولید موج تک-تن در گوش گربه می باشند. پس از انجام تحریک و ثبت پتانسیل های عمل محیطی از قشر اولیه شنوایی مغز گربه، ویژگی های زمانی استخراج شده و نهایتا به مدلسازی توسط شبکه عصبی، پرداخته شده است. بعد از ثبت و مقایسه بین داده ها، مشخص شد که AMI در تحریک هسته کولیکولوس تحتانی موفق عمل کرده است. اما این ایمپلنت کاهش تاخیر در زمان تحریک را احتیاج دارد. پس از مدلسازی مشخص شد که شبکه عصبی با مدل غیرخطی همراه با الگوریتم لونبرگ-مارکوارت و 10 نرون در لایه پنهان بهترین عملکرد را در بین باقی ساختارها با خطایی معادل 009/0 از خود ارایه کرده است. در مقایسه مدل الکتریک با مدل اعصاب شنوایی، هر دو مدل رفتار مشابهی در برابر تغییرات فرکانس از خود نشان داده اند، اما مدل الکتریک در یک فرکانس ثابت شدت بزرگتری از پاسخ را در خروجی نشان داده است. علاوه بر این موارد، فاصله زمانی انتقال پیام عصبی از هسته حلزونی تا کولیکولوس تحتانی، 9 میلی ثانیه محاسبه شده است.

    کلیدواژگان: ایمپلنت شنوایی ساقه مغز، پتانسیل های عمل محیطی، تحریک الکتریک و آکوستیک، مدلسازی غیر خطی، الگوریتم لونبرگ-مارکوارت
  • علی مالکی*، الهام حسنی صفحات 217-228

    بیماری پارکینسون یک بیماری تخریب کننده عصبی است که باعث اختلالات حرکتی شدیدی از جمله برادی کینزی، سفتی و لرزش می شود. هیچ درمانی برای بیماری پارکینسون وجود ندارد و تنها می توان با علایم آن مقابله کرد. تشخیص بیماری پارکینسون با استفاده از مقیاس جهانی سطح بندی MDS-UPDRS صورت می گیرد. در این مقیاس، چهار سطح جزیی، خفیف، متوسط و شدید برای بیماری تعریف می شود که آزمون نواخت انگشتان یکی از موارد مقیاس سطح بندی است. نگاشت بازرخداد و ویژگی های RQA، ابزاری برای توصیف رفتار سامانه های آشوبناک و آشکار ساختن الگوهای پنهان در پویایی سامانه می باشند. در این مقاله، اثر پیشرفت سطح بیماری پارکینسون بر ویژگی های آشوبی RQA مورد مطالعه قرار گرفته است. به این منظور، از مجموعه دادگان شتاب سنج نصب شده روی دست حین انجام آزمون نواخت انگشت استفاده شده که شامل 67 داده سالم، 54 داده سطح یک، 66 داده سطح دو، 59 داده سطح سه و 14 داده سطح چهار بیماری است. پس از انجام پیش پردازش، نگاشت های بازرخداد دادگان رسم و ویژگی های RQA آن ها محاسبه شد. الگوهای نگاشت های بازرخداد شامل نقاط بازرخداد مجزا، خطوط قطری، خطوط عمودی، مربع های سیاه رنگ و نوارهای سفید رنگ افقی و عمودی بررسی شدند. طبق نتایج به دست آمده، الگوهای نگاشت های بازرخداد دارای تفاوت های معناداری در بین سطوح مختلف بیماری پارکینسون بودند. بنابراین می توان از ویژگی های RQA برای تعیین خودکار سطح بیماری پارکینسون بهره برد.

    کلیدواژگان: آزمون نواخت انگشتان، بیماری پارکینسون، تحلیل کمی بازرخداد
  • علی مالکی*، مائده آزادی مقدم صفحات 229-240

    برای اینکه کاربرد رابط مغز-رایانه(BCI) مبتنی بر پتانسیل برانگیخته بینایی حالت ماندگار (SSVEP) از آزمایشگاه به زندگی واقعی منتقل شود، خستگی به عنوان یک چالش جدی مطرح است. اجرای طولانی مدت فرمان ها در یک سیستمBCI می تواند منجر به خستگی ذهنی سوژه و در نتیجه، ایجاد نارضایتی و کاهش کارآیی سیستم شود. اولین قدم برای کاهش اثرات نامطلوب خستگی، داشتن شاخصی کمی برای خستگی است. اگرچه شاخص های فرکانسی جزء پرکاربردترین شاخص های ارزیابی خستگی بوده است ولی نتایج پژوهش های پیشین در این زمینه با یکدیگر همسو نیستند. از این رو، جای بررسی دقیق و جامعی برای چگونگی اثر خستگی بر شاخص های فرکانسی خالی است. در این مقاله تمام شاخص های فرکانسی خستگی معرفی شده در مطالعات گذشته و دامنه طیف زیرباندهای فرکانسی به طول 1هرتز، 2هرتز و 4 هرتز برای اولین بار به منظور بررسی دقیق تر، ارزیابی شده است. بدین منظور، تحریک بینایی با استفاده از 9 نشانه با فرکانس های مختلف برای سوژه ها نمایش داده شد و از آن ها خواسته شد به نشانه هدف توجه کنند. تحریک بینایی به صورت پیوسته و بدون استراحت بوده تا از خسته شدن سوژه ها در انتهای آزمون اطمینان حاصل شود. به منظور ارزیابی خستگی، از شاخص های فرکانسی متوسط دامنه باندهای فرکانسی تتا، آلفا، بتا و بخش های باند فرکانسی 4-30هرتز با گام های 1 هرتز، 2 هرتز و 4 هرتز استفاده شد. نتایج نشان می دهد متوسط دامنه باند فرکانسی 9-8 هرتز شاخص مناسب تری برای ارزیابی خستگی است. این ویژگی به دلیل عدم تمرکز سوژه و تلاش ذهنی برای حفظ سطح هوشیاری بیشترین تغییرات را با خستگی دارد.

    کلیدواژگان: رابط مغز-رایانه، پتانسیل برانگیخته بینایی حالت ماندگار، ارزیابی خستگی، شاخص های فرکانسی
  • هادی سلطانی زاده*، پوریا شریفی، علی مالکی صفحات 241-255

    از دست دادن صدا و حنجره یک معضل بزرگ برای افراد با اختلالات گفتاری محسوب می شود. این اتفاق عواقب جدی و منفی بر کیفیت زندگی فردی و گروهی این اشخاص به ویژه در محیط های کاری ایجاد می کند. توسعه یک سیستم هوشمند بر پایه سیگنال های الکترومایوگرام با قابلیت تشخیص گفتار (بدون استفاده از صوت) می تواند دریچه امیدی برای افرادی که حنجره و صدای خود را بر اثر سرطان از دست داده اند باشد. اگرچه در این حوزه پژوهش هایی برای زبان های مختلف انجام شده است اما برای زبان فارسی پژوهشی صورت نگرفته است. در این مقاله برای اولین بار، بازشناسی واژگان فارسی با استفاده از الکترومایوگرام عضلات چهره انجام پذیرفت. بدین منظور، سیگنال های sEMG از هشت عضله چهره شش داوطلب هنگام بیان دوازده کلمه زبان فارسی جمع آوری شد. سپس ویژگی های MFL، VAR، DAMV، LTKE، IQR و Cardinality از هر کانال و هر پنجره از سیگنال استخراج گردید و 432 ویژگی حاصل از هر سیگنال با استفاده از روش تحلیل مولفه اصلی به 49 ویژگی تقلیل یافت. درنهایت به منظور بازشناسی دوازده کلمه زبان فارسی، ویژگی ها به طبقه بندهای SVM، KNN و RF داده شد. میانگین صحت طبقه بندی به ترتیب 16/83 %، 91/81 % و 97/78 % به دست آمد. ارزیابی نتایج این مقاله گویای آن است که با استفاده از سیگنال های EMG می توان کلمات محدود زبان فارسی را با صحت خوبی بازشناسی نمود.

    کلیدواژگان: الکترومایوگرام چهره، کلمات فارسی، رابط گفتاری بی صدا، بازشناسایی کلمات
  • زهره مجیری، امیر اخوان، احسان روحانی* صفحات 257-269

    تحریک الکتریکی عمقی مغز روشی است که به کمک آن می توان به تحریک نواحی عمقی مغز دست یافت و به دو صورت تهاجمی و غیرتهاجمی استفاده می شود. در تحریک عمقی مغز با رویکرد تهاجمی، برای دستیابی به عمق مورد نظر تحریک، الکترودها توسط عمل جراحی در داخل مغز کاشته می شوند. از شایع ترین عوارض این روش می توان به خونریزی داخل جمجمه اشاره کرد. یکی از تکنیک های جایگزین، استفاده از تحریک عمقی مغز با رویکرد غیرتهاجمی به روش تداخل زمانی است. در تحریک تداخل زمانی، تداخل سازنده دو میدان الکتریکی ایجاد شده توسط دو جریان سینوسی فرکانس بالا، باعث تقویت شدن تحریک در عمق مشخصی می شود. هدف این پژوهش، بررسی و تحلیل کیفی و کمی اثر تحریک تداخل زمانی بر روی قشر حرکتی اولیه مغز رت می باشد. برای نیل به این هدف، از یک دستگاه تحریک کننده 4 کاناله استفاده می شود. نحوه انجام آزمایش به این صورت است که پس از بیهوشی رت با ماده اورتان، تحریک به صورت فراجمجمه ای توسط پیچ اتصال الکترود که بر روی جمجمه قرار گرفته است، اعمال و نتایج آن به صورت کیفی و کمی در حوزه زمان، فرکانس و مکان ارزیابی می شود. برای کمی سازی نتایج از یک سنسور شتاب سنج سه محوره برای ثبت حرکات دست راست استفاده می شود. نتایج نشان داد که به ازای تغییر در پارامترهای تحریک (شدت جریان تحریک، اختلاف فرکانس و نسبت جریان های دو الکترود) ناحیه تحریک در داخل دو نیمکره مغز و به دنبال آن دامنه حرکت ایجاد شده در دست راست تغییر می کند. همچنین ارتباط میان اختلاف فرکانس تحریک زوج الکترود با دامنه حرکت ایجادشده در دست راست با استفاده از یک رگرسور چندجمله ای مرتبه 3 مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت.

    کلیدواژگان: تحریک عمقی مغز، تداخل زمانی، غیرتهاجمی، قشر حرکتی اولیه رت
  • پرستو صادقی نیا، حامد داننده حصار* صفحات 271-287

    سیگنال های فونوکاردیوگرافی (PCG)، اطلاعات ارزشمندی را در مورد عملکرد دریچه های قلبی دارند. ازاین رو، این سیگنال ها در تشخیص زودهنگام بیماری های قلبی می توانند مفید واقع شوند. طبقه بندی خودکار صدای قلب، دارای پتانسیل امیدوارکننده ای در آسیب شناسی قلبی است. در این پژوهش، روشی خودکار برای تشخیص صداهای طبیعی از غیرطبیعی قلب پیشنهاد گردیده است. در روش پیشنهادی ابتدا صداهای قلبی به چهار بخش صدای S1، S2، سیستول و دیاستول قطعه بندی می گردند. سپس ویژگی های زمانی آماری و زمانی فرکانسی از هرکدام از این بخش ها استخراج می گردد. قبل از عملیات طبقه بندی داده ها، از دو رهیافت برای انتخاب ویژگی های موثر استفاده شده است. در رهیافت اول، انتخاب ویژگی با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) و در رهیافت دوم با استفاده از جستجوی سلسله مراتبی (SFFS) انجام می گردد. روش پیشنهادی بر روی پایگاه داده چالش 2016 فیزیونت ارزیابی گردید و در نهایت عملکرد روش پیشنهادی با استفاده از روش اعتبارسنجی متقابل10لایه ای مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین، به علت نامتوازن بودن تعداد صداهای طبیعی نسبت به صداهای غیرطبیعی، از تکنیک بیش نمونه برداری اقلیت مصنوعی (SMOTE) برای تولید مجموعه داده های متعادل استفاده گردید. نتایج ارزیابی روی پایگاه داده فوق الذکر نشان دادند که روش پیشنهادی دارای صحت 03/98 درصد، حساسیت 64/97 درصد و اختصاصیت 43/98 درصد در تشخیص صداهای طبیعی از غیرطبیعی می باشد.

    کلیدواژگان: فونوکاردیوگرام، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات، انتخاب ویژگی، طبقه بندی
  • سارا زادگان، بهمن وحیدی*، نوشین حقیقی پور صفحات 289-299

    ترمیم آسیب های بافت استیوکندرال به دلیل پیچیدگی بسیار زیاد این بافت و توانایی محدود در خود ترمیمی بافت غضروف آن را با چالش بزرگی روبرو کرده است. در این راستا مهندسی بافت با ارایه داربستهای حاوی سلول های بنیادی همراه با اعمال تنش های مکانیکی به عنوان راهکار پیشنهادی جدید برای ترمیم این بافت مورد توجه محققان قرار گرفته است. این مطالعه در مرحله نخست شامل ساخت داربست سه لایه فیبرویین ابریشم- نانو الیاف فیبرویین به روش خشکایش انجمادی و پس از آن شبیه سازی محاسباتی تحریک مکانیکی داربست حاوی سلول های بنیادی در بیوراکتور پرفیوژن به روش اجزای محدود و برهمکنش سیال-سازه جهت طراحی بهینه آزمون های سلولی و در مرحله آخر شامل انجام آزمون های سلولی بود. آزمون های مشخصه یابی نشان داد که این داربست از به هم پیوستگی بسیار خوبی در بین لایه ها برخوردار است و اندازه متوسط تخلخل ها در لایه استخوان، لایه میانی و غضروف به ترتیب 76،152 و 102 میکرون بود. این داربست بیومیمتیک، مدول فشاری MPa 0/4 و حداکثر مقاومت کششی MPa 10 را در حالت مرطوب دارد. نتایج شبیه سازی حاصل از عبور جریان سیال از داربست نشان داد که چنان چه لایه ی استخوان در مسیر ورودی جریان قرار گیرد، دامنه توزیع تنش برشی در داربست یکنواخت تر بوده و باعث تسهیل تمایز استخوانی و غضروفی می شود. همچنین نتایج تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که پس از 14روز اعمال تنش مکانیکی، علاوه بر گسترش سلولی موجب نفوذ سلول ها به لایه های پایین ترداربست شده است. علاوه بر این اعمال جریان پرفیوژن به مدت 21 روز منجر به افزایش معنی دار بیان ژن های استخوان و غضروف توسط سلول های بنیادی بافت چربی خرگوش در لایه استخوان و غضروف داربست در مقایسه با کشت استاتیک شد.

    کلیدواژگان: بیوراکتور پرفیوژن، بافت استئوکندرال، داربست چند لایه، دینامیک سیالات محاسباتی، سلول های بنیادی، فیبرویین ابریشم
|
  • Ehsan Mohammadi Mahmoei, Behrouz Salamat, Reza Lashgari * Pages 205-216

    The human body has five main senses of sight, hearing, taste, smell and touch. The defective performance of any of these senses causes us to solve this problem and use technology for this purpose. The sense of hearing is no exception and several attempts have been made to restore it, which has led to the design of various implants. In this study, with the aim of investigating the function of the auditory midbrain implant (AMI) in restoring hearing ability, the cat’s auditory system has been stimulated in acoustic and electrical stimulation. Electrical stimuli are the result of AMI injecting current into the central nucleus of the inferior colliculus (ICC) and acoustic stimuli are the result of pure tone sound in the cat’s ear. After stimulation, responses were extracted from the primary auditory cortex of the cat's brain. Finally, a neural network (NN) with backpropagation-based modelling has been used. After data acquisition and processing, it was clear that AMI successfully stimulated the ICC. But it is associated with delays during stimulation. After model creation, it was found that the Levenberg-Marquardt algorithm with 10 neurons in the hidden layer had the best performance compared to the others with an error of 0.009. Also, both models show similar behaviour to frequency changes, but the electrical model at a constant frequency shows a bigger response at the output. finally, the interval between the transmission of the neural message from the cochlear nucleus to the inferior colliculus was calculated at 9 milliseconds.

    Keywords: Auditory midbrain implant, local field potentials, electrical, acoustic stimulation, Nonlinear modeling. Levenberg-Marquardt algorithm
  • Ali Maleki *, Elham Hasani Pages 217-228

    Parkinson's disease is a neurodegenerative disease that causes severe movement disorders including bradykinesia, rigidity, and tremors. There is no cure for Parkinson's disease, only the symptoms can be managed. Parkinson's disease is diagnosed using the MDS-UPDRS global grading scale. In this scale, four levels including slight, mild, moderate, and severe levels are defined for the disease. Recurrence plots and RQA features are tools for describing the behavior of chaotic systems and revealing hidden patterns in system dynamics. In this paper, the effect of Parkinson's disease progression on RQA chaotic features is studied. For this purpose, the dataset of the accelerometer mounted on the hand during the finger tapping test was used, which included 67 healthy data, 54 level one data, 66 level two data, 59 level three data, and 14 level four data. After pre-processing, the recurrence plots of the data were drawn and their RQA characteristics were calculated. Patterns of recurrence plots including separate recurrence points, diagonal lines, vertical lines, black squares, and horizontal and vertical white bands were investigated. According to the obtained results, the patterns of recurrence plots had significant differences among different levels of Parkinson's disease. Therefore, RQA features can be used to automatically determine the level of Parkinson's disease.

    Keywords: Finger Tapping Test, Parkinson Disease, RQA Features
  • Ali Maleki *, Maedeh Azadimoghadam Pages 229-240

    A significant challenge in moving SSVEP-based BCIs from the laboratory into real-life applications is that the user may suffer from fatigue. Prolonged execution of commands in a BCI system can cause mental fatigue and, as a result, create dissatisfaction in the user and reduce the system's efficiency. The first step to studying and ultimately reducing the destructive effects of fatigue is to identify the level of fatigue. Although frequency indices have been used for fatigue evaluation, the results of previous research in this field are inconsistent. Therefore, there is no detailed and comprehensive investigation of how fatigue affects frequency indices. In this paper, the evaluation of frequency-domain fatigue indicators has been done accurately and comprehensively. For this purpose, nine visual stimuli with different flickering frequencies were displayed to the subject, and they were asked to pay attention to the target cue. The visual stimulation was presented continuously, without rest to ensure that the fatigue occurs at the end of the test. Mean amplitude of theta, alpha, and beta bands, and 4-30Hz frequency band segments with 1Hz, 2Hz, and 4Hz steps were evaluated as fatigue indices. The results show that the mean amplitude of the frequency band of 8-9 Hz is more suitable for fatigue evaluation. This index has the most changes with fatigue in a state of wakeful relaxation of the subject and the mental effort to maintain the level of alertness in the fatigue state.

    Keywords: Brain-Computer Interface, SSVEP, Fatigue Assessment, Frequency indices
  • Hadi Soltanizadeh *, Pouria Sharifi, Ali Maleki Pages 241-255

    Losing of voice and larynx is a major problem for people with speech disorders. It creates serious and negative consequences on the quality of individual and group life of these people, especially in working environments. The development of an intelligent system based on electromyogram signals with the ability to recognize speech (without using sound) can be a window of hope for people who lost their larynx and voice due to cancer. Although progress and studies in this field are growing in our country and in different languages, but these studies have not been done for the Persian language. In this article, for the first time, recognition of Persian words was done using electromyogram of facial muscles. For this purpose, sEMG signals were collected from eight facial muscles and six volunteers while speaking twelve Persian words. Then, MFL, VAR, DAMV, LTKE, IQR and Cardinality features were extracted from each channel and each window from the signal, and the 432 features from each signal were reduced to 33 features using the PCA principal component analysis method. Finally, in order to recognize twelve Persian words, the features were given to SVM, KNN and RF classifiers. The average classification accuracy was 83.16%, 81.91% and 78.97%, respectively. Our evaluation in this article gives the hope that by using EMG signals it is possible to recognize the limited words of Persian language.

    Keywords: Facial electromyogram, Persian words, Silent speech interface, Word recognition
  • Zohre Mojiri, Amir Akhavan, Ehsan Rouhani * Pages 257-269

    Deep brain stimulation (DBS) is a technique to stimulate the deep areas of the brain which can be used in both invasive and non-invasive methods. In invasive DBS, the electrodes are surgically implanted inside the brain to achieve the desired depth of the stimulation. The invasive DBS approach suffers from intracranial bleeding. One solution is using non-invasive DBS by temporal interference (TI) method. In TI stimulation, the constructive interference of two electric fields generated by two high-frequency sinusoidal currents increases the stimulation intensity at a certain depth. The objective of this paper is to investigate quantitatively as well as qualitative analysis of TI stimulation effect on the activation of primary motor cortex area of the rat. To this end, a 4-channel stimulator is used. The experiment is conducted on one anesthetized rat. The transcranial stimulation is applied by the electrode fixed on the skull with screw and the results are evaluated qualitatively and the quantitatively in the domains of time, frequency, and space. To quantify the results, a three-axis accelerometer sensor is used to record the movement acceleration of the right hand. The results showed that, the variation of the stimulation parameters (stimulation current intensity, frequency difference and ratio of currents of the two electrodes) changed the stimulation area inside the two hemispheres of the brain and movement range of the right hand. Moreover, the relationship between the difference frequency of the stimulation of the two pairs of electrodes and the range of motion was analyzed using a three-order polynomial regression model.

    Keywords: Deep Brain Stimulation, Temporal interference, Non-invasive, Rat primary motor cortex
  • Parastoo Sadeghinia, Hamed Danandeh Hesar * Pages 271-287

    Phonocardiography (PCG) signals provide valuable information about the heart valves .These auditory signals can be useful in the early diagnosis of heart diseases. Automatic heart sound classification has a promising potential in the field of heart pathology. In this research, a new method based on machine learning techniques is proposed for discriminating normal and abnormal heart sounds. In this method, first, the heart sounds are segmented into 4 main parts: S1, S2, systole and diastole segments. From these segments, statistical and time-frequency features are extracted for classification. Before classification, the distinctive features are selected using two approaches. In the first approach, the feature selection is accomplished using particle swarm optimization algorithm (PSO). In the second approach, we use Sequential Forward Feature Selection (SFFS) method. The proposed method was evaluated on the Physionet 2016 Challenge database using 10-fold cross-validation method. In this database, the number of normal and abnormal PCG signals are not balanced. Therefore, in this paper, the synthetic minority over-sampling technique (SMOTE) is applied to produce balanced data. The evaluation results showed that the proposed method can distinguish the normal heart sounds from abnormal ones with accuracy of 98/03% and sensitivity and specificity of 97.64%, 98.43%respectively.

    Keywords: Phonocardiogram, Particle Swarm Optimization Algorithm, feature selection, Classification
  • Sara Zadegan, Bahman Vahidi *, Nooshin Haghighipour Pages 289-299

    Repairing osteochondral defects (OCD) remains a formidable challenge due to the high complexity of native osteochondral tissue and the limited self-repair capability of cartilage. In this regard, the development of osteochondral tissue engineering with scaffolds seeded with stem cells along with mechanical stimulation has been considered by the researchers as a new proposed technique for the repair of this tissue. In this study, at first we fabricated an integrated and biomimetic trilayered Silk Fibroin (SF) scaffold containing SF nano fibers in each layer. Then fluid wall shear stress in different areas of the scaffold was predicted in dynamic cell culture condition under the inlet velocity of 0.4 ml/min in a perfusion bioreactor using finite elements and fluid-structure interactions methods. Finally, using the simulation results, osteogenesis and chondrogenesis of rabbit adipose derived stem cells (RADSCs) were analyzed. The results showed that this novel osteochondral graft has a seamlessly integrated layer structure and a high degree of pore interconnectivity. The average size of the pores in the bone layer, middle layer, and cartilage were 76, 152, and 102 microns, respectively. In addition, this biomimetic scaffold presented compressive moduli of 0.4 MPa and uitimate tensile strength of 10 MPa in the wet state. Also, based on the simulation analyses, the shear stress distribution is more uniform if the bone layer is exposed to the fluid inlet path which facilitates bone differentiation. Good adhesion and infiltration of cells were observed after 14 days dynamic culture. The results of expression analysis of differentiated genes in bone and cartilage layer containing RADSc after 21 days of culture under static and dynamic conditions showed that perfusion flow significantly upregulated the expression of bone and cartilage genes in the respective layers and downregulated the hypertrophy gene expression in intermediate layer of scaffold.

    Keywords: perfusion bioreactor, osteochondral tissue, multi layered scaffold, Computational fluid dynamics, Stem cells, Silk fibroin