مدلسازی استحکام استخوان با استفاده از مواد همسانگرد و ناهمسانگرد
این سوال که استخوان های زنده دقیقا چقدر قوی هستند، ملاحظات مهم بسیاری را برای صنعت پزشکی مطرح می کند. در حال حاضر دستگاه تک منظوره ای برای آزمایش استحکام استخوان در این زمینه وجود ندارد. با این حال، این امکان برای محققان وجود دارد که با مدلسازی کل ساختار استخوان و استفاده از شبیهسازی چندفیزیکی برای انجام آنالیزهای استرس و فشار، قدرت استخوان را اندازهگیری کنند. شبیه سازی استحکام استخوان با یک نقشه ساده از توپولوژی خارجی استخوان شروع می شود و سپس به ساختار و ترکیب داخلی پیچیده آن می پردازد.
FEM در مدلسازی استحکام استخوان یک قدم بالاست
هنگامی که محققان دانشگاه فناوری د پریرا ، کلمبیا برای تعیین هندسه، ابعاد و استحکام مکانیکی استخوان ران انسان اقدام کردند، از کمک شبیهسازی چندفیزیکی استفاده کردند. محققان با استفاده از COMSOL Multiphysics، مدلهای مختلف اجزای محدود را آزمایش کردند تا بهترین راه را برای طراحی مدلی که بیشتر شبیه به یک استخوان واقعی است، تعیین کنند. نتایج مطالعه آنها در مقاله ” تعیین مقاومت مکانیکی عناصر استخوانی از طریق مدلسازی عناصر محدود ” در کنفرانس COMSOL 2013 ارائه شد.
یکی از تکنیکهای مدلسازی که آنها بررسی کردند، اجرای مواد همسانگرد بود ، موادی که به نیروهای اعمال شده در جهات مختلف پاسخ یکسانی میدهند، و مواد ناهمسانگرد ، آنهایی که بسته به جهت نیروی اعمالشده، خواص فیزیکی متفاوتی دارند. مدل های قبلی استخوان ران فرض می کردند که استخوان ران انسان به طور کامل از مواد همسانگرد تشکیل شده است. با این حال، این مدلها نتوانستند الگوهای شکستگی صحیحی را که زمانی که استخوان ران در معرض استرس زیاد قرار میگیرد، پیشبینی کنند. محققان با استفاده از مواد همسانگرد و ناهمسانگرد در مدلهای خود، ترکیبی از مواد را یافتند که نتایجی را ایجاد کرد که بیشترین تطابق را با دادههای آزمایشهای انجام شده بر روی استخوان ران واقعی انسان داشت.
شبیه سازی مواد همسانگرد و ناهمسانگرد در استخوان ران
محققان با اسکن استخوان ران انسان با استفاده از یک اسکنر لیزری سه بعدی شروع کردند و سپس با استفاده از این اطلاعات، یک مدل المان محدود سه بعدی ساختند. این به آنها هندسه خارجی استخوان را داد. با این حال، به منظور تعیین ترکیب داخلی بافت های مختلف، آنها از مطالعات قبلی در مورد استحکام استخوان و ترکیب بافت استفاده کردند.
استخوان ران از چند بخش تشکیل شده است: استخوان ترابکولار، استخوان قشر مغز و کانال مدولاری (در زیر نشان داده شده است). استخوان کورتیکال نوعی بافت استخوانی است که بسیار فشرده است و پشتیبانی، محافظت از اندام ها، اهرم هایی برای تحرک و توانایی تبادل عناصر شیمیایی را فراهم می کند. استخوان ترابکولار اسفنجی است و به مرکز نزدیکتر است و کانال مدولاری رگی است که مغز استخوان در آن ذخیره می شود. ترکیب مواد یک استخوان را می توان با استفاده از یک نوع رادیوگرافی به نام جذب سنجی اشعه ایکس با انرژی دوگانه (DXA) تعیین کرد که برای اندازه گیری تراکم معدنی استخوان کار می کند. متخصصان پزشکی دو پرتو اشعه ایکس با سطوح انرژی متفاوت را به سمت بافت استخوانی هدف قرار می دهند، سپس سطح جذب را کم می کنند تا تراکم مواد معدنی استخوان را به دست آورند. علاوه بر این، آزمایشهایی که محققان با آنها مشورت کردند از توموگرافی کامپیوتری کمی (QCT) استفاده کردند. این یک تکنیک برای نمایش مقطع اشعه ایکس یا اولتراسوند است.
ساختار داخلی استخوان ران انسان. تصویر با حسن نیت از
E. Isaza، L. García، و E. Salazar و از مقاله آنها اقتباس شده است .
محققان سر استخوان ران را به عنوان یک مدل همسانگرد و ناهمسانگرد تعمیم یافته مدل کردند. سپس استخوانهای ترابکولار و قشر مغز بهعنوان یک ماده ناهمسانگرد یا ماده همسانگرد در چندین شبیهسازی مختلف شبیهسازی شدند که ویژگیهای ماده برگرفته از مطالعات تجربی قبلی را آزمایش کردند.
این مدلها سپس با نتایج تجربی مقایسه میشوند (” استحکام استخوان ران با مدلهای اجزا محدود بهتر از QCT و DXA پیشبینی میشود. “، کودی و همکاران) برای تعیین اینکه کدام خواص ماده بیشترین میزان بار شکستگی یک استخوان واقعی را پیشبینی میکند. نتایج آنها در نمودار زیر ارائه شده است:
همانطور که نمودار نشان می دهد، مواد ناهمسانگرد بیشتر با داده های آزمایش فیزیکی مطابقت داشتند. با شبیه سازی و اندازه گیری الگوهای تنش در هر دو مدل ناهمسانگرد و همسانگرد، محققان توانستند اعتبار این مدل را به عنوان مطابقت با الگوهای استرس شناخته شده آزمایش کنند. مدل زیر توزیع تنش های مختلف در سر استخوان ران استخوان ران را در مدل های ناهمسانگرد و همسانگرد نشان می دهد، که در آن مدل ناهمسانگرد تصویر دقیق تری از مقاومت مکانیکی را نشان می دهد. تجزیه و تحلیل هایی مانند این می تواند به طور بالقوه به درک و پیش بینی الگوهای شکستگی در استخوان های کم تراکم کمک کند.
استرس در سر استخوان ران در مدل ایزوتروپیک (سمت چپ). استرس در سر استخوان ران در مدل ناهمسانگرد (راست).
هر دو مواد همسانگرد و ناهمسانگرد را می توان در COMSOL مدلسازی کرد که امکان اجرای آسان چندین مدل را برای آزمایش ترکیبات مختلف مواد فراهم می کند. این داده ها می تواند به بیماران کمک کند تا خطر بیماری، ضعف و آسیب پذیری استخوان ها را کاهش دهند. تاثیر در مقیاس بزرگ می تواند بهبود دارو و درمان و درک بهتر ساختار یکی از مهم ترین سیستم های ساختاری ما باشد.
بیشتر خواندن
- مقاله کامل « تعیین مقاومت مکانیکی عناصر استخوانی از طریق مدلسازی اجزای محدود » را که در کنفرانس COMSOL 2013 ارائه شده است، بررسی کنید.
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید