خانه / مهندسی پزشکی / گرایش های مهندسی پزشکی / رفتار بیومکانیکی بافت مغز

رفتار بیومکانیکی بافت مغز

نقل قول محقق

این تحقیق به طور کلی برای درک بهتر رفتار مکانیکی بافت مغز انجام شد. ما به طور خاص تفاوت خواص مکانیکی بافت تازه مغز در مقابل بافت ذخیره شده را بررسی کردیم.هدف این است که یک راهی را تعیین کنیم که داده هایی را که از بافت مغز ذخیره شده گرفتیم با بافت مغر تازه مقایسه کنیم و رابطه ای بین این داده ها ایجاد کنیم. این خیلی مهم است که خواص مکانیکی بافت مغز را بهتر بشناسیم زیرا در صورت شناخت بهتر، در قدم های بعدی می توانیم درک بهتری از واکنش مغز در مقابل ایمپلنت های زیست سازگار داشته باشیم . بافت مغز تازه ای از یک گونه میمون که در اکثر آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت و با بافت ذخیره شده مغز مقایسه شد. این تست ها بر بافت مغز با کرنش و نرخ کرنش های متفاوت انجام شد.برای تفاوت بین تست ها، مدل های ویسکوالاستیک/هایپرالاستیک ساخته شد تا از پاسخ بافت به کرنش ها تقلید کند، نتایج نشان داد که بافت ذخیره شده در مقایسه با بافت تازه سخت تر بود ولی منحنی های تنش-کرنش مشابه بودند. همچنین نتایج نشان داد، با داده های نمونه بیشتر، می توان ارتباط ممتدی بین نمونه های بافت تازه و ذخیره شده داشت. این نتایج مفاهیم با ارزشی دارد زیرا که دسترسی و کار کردن با بافت تازه مغز دشوار است.

مقدمه

هدف از انجام این تحقیق مشاهده و درک رفتار تنش-کرنش بافت ذخیره شده مغز در مقابل با بافت تازه مغز است. هدف اصلی این بود که ارتباطات ممکن بین بافت تازه و ذخیره شده تعیین کنیم. این موضوع مهمی است زیرا اگر این ارتباط بتواند برقرار شود ، تحقیقات آینده می تواند از بافت ذخیره شده استفاده کند و واکنش بافت در داخل بدن را تعیین کند و مزیتش این است که به وجود بافت تازه دیگر نیازی نیست. ابتدا در نظر گرفتیم که روش انجام تست را استانداردسازی  کنیم تا مطمئن شویم برای رسیدن به بافت مغز هیچ زمان و بافتی را از دست نمی دهیم، به محض این که کامل شد ما تست را بر روی بافت ذخیره شده انجام دادیم، مشروط بر این که نتایج امیدوار کننده باشد، در مرحله بعد تست را بر روی بافت تازه انجام دادیم . در این مرحله متوجه شدیم مکانیسم تست ما برای مواد نرم نا کارآمد است پس مکانیسم یک تست جدید را تعیین کردیم و از نو شروع کردیم . هنگامی که آزمایش به اتمام رسید مدل های هایپرالاستیک/ ویسکوالاستیک برای چندین تست به دست آمد و مقدار ثابت آن ها تحلیل شد تا اگر روشی وجود دارد تعیین شود. روش های کمی یافت شد ولی کارهای آینده در این زمینه کاملا امیدوار کننده است.

پس زمینه

نورون ها، مسئول پردازش اطلاعات در مغز هستند ولی نورون ها کمتر از ۲۵% مغز را تشکیل داده اند. زمانی که یک مسیر عصبی از سیستم اعصاب مرکزی (CNS) آسیب دیده است، مغز دیگر نمی تواند اطلاعات را از طریق این نورون ها منتقل کند.به منظور جبران، مغز تلاش می کند که پایانه های عصبی در اطراف بافت آسیب دیده را گسترش دهد و مغز به صورت دوره ای نمی تواند در این کار موفق شود. در این موارد، عواقبی مانند از دست دادن مهارت های حرکتی و گفتار وجود دارد.ایمپلنت های عصبی یکی از راه های ممکن برای ادامه انتقال اطلاعات با وجود حضور نورون های آسیب دیده در CNS است.بنابراین، آن ها در بسیاری از کاربردهای پزشکی که شامل درمان ناشنوایی و نابینایی و حمله های صرعی مفید می باشند.

بافت های مختلف به وسیله ایمپلنت های عصبی ایجاد می شود ولی ما قصد داریم که بر روی زیست سازگاری بین ایمپلنت و بافت مغزی تمرکز کنیم. ایمپلنت های رایج از الکترودهای فلزی تشکیل شده است ( مانند طلا، تیتانیوم، پلاتین، Irox) که بر روی بسترهای پلیمری نگه داری می شود( مانند پلیمید، پلی اورتان) . با این حال فلزات و پلیمرها از نظر خواص مکانیکی با بافت مغز متفاوت هستند . در نتیجه مغز ، ایمپلنت را مانند یک جسم خارجی می شناسد و با گذشت زمان به آن حمله می کند و ایمپلنت پس زده می شود.

زمانی که مغز تلاش می کند تا ایمپلنت را پس بزند، سلول ها در اطراف ایمپلنت ساخته می شوند تا ایمپلنت را تا جای ممکن از جسم سلولی نورون دور کند. این باعث می شود که اثربخشی نورون کاهش یابد که این هم بستگی به میزان نزدیکی به جسم سلولی و فرایندهای سلولی دارد.

هدف از انجام این پژوهش پیدا کردن مواد اثر گذار و زیست سازگارتر برای پوشش ایمپلنت های عصبی است اما به جای آن به آزمایش بافت های مغز در حال تلاش پرداختیم تا عکس العمل بافت به کرنش را بیشتر درک کنیم. تحقیقات کمی در زمینه بافت های نرم انسان از جمله مغز وجود دارد لذا طراحی تجهیزی که سازگاری مکانیکی را بهبود بخشد، بدون این که بدانیم بافت های نرم نسبت به تغییر شکل های مکانیکی چه واکنشی نشان میدهند،کاری دشوار است. با درک بهتر از پاسخ بافت و گسترش مواد جدید مشابه مغز ، ایمپلنت می تواند در مغز قرار گیرد بدون این که بدن به آن واکنشی نشان دهد.معضل این است که مغز بافت نرم است ، بنابراین یک منحنی تنش کرنش خطی ندارد.

در این  روش تجربی نیاز است که خواص مواد بافت مغز آزمایش شود. به گفته میلر منحنی های تنش-کرنش از بافت مغز مقعر به سمت بالاست، بدون هیچ خط صافی، که مانع از تعیین مدول الاستیک می شود .در گذشته مشاهده شده بود که پاسخ بافت به سرعت وابسته است . زمانی که تنش ها در بیشترین سرعت خود به بافت مغز اعمال می شود ، پاسخ آن بیشتر از شش برابر نسبت به سرعت های فشار کمتر بالاتر است. از مدل سازی ریاضی درک بهتری از پاسخ بافت های مغزی از قرارگیری ایمپلنت های نورونی دست پیدا کرد. در کار میلر، بحث پیرامون نرخ کرنش که در آن تست فشرده سازی انجام شده است که سرعت بالا ۵۰۰mm/min ، متوسط ۵mm/min و آهسته ۰٫۰۰۵mm/min. در این کار او می توانست نرخ کرنش را در همه آزمایشات اندازه بگیرد. ما اول سرعت متوسط را انتخاب کردیم چون در حدود سرعتی است که ایمپلنت ها قرار داده می شوند. بنابراین برای آنالیز از این سرعت استفاده کردیم .دو سرعت دیگر نیز انتخاب شدند چون آن ها دو مرتبه از عمل های جراحی بزرگتر هستند ، بنابراین داده ها از نرخ کرنش های کاملا متنوع به دست می آید.

میلر توانایی مدل بافت نرم را در جز کوچک از مدل ، که در تلاش برای تقلید از یک عمل جراحی است محاسبه کردو به این منظور از نرم افزار ABAQUS استفاده کرد که او به آن مدل “ساده، ویسکوالاستیک خطی” از تغییرات بافت می گفت. این مدل به صورت بالقوه می تواند برای مشاهد غیر خطی در روابط تنش-کرنش ، با در نظر گرفتن وابستگی به نرخ کرنش، استفاده شود.به منظور تولید مقادیر ثابت برای مدل هایپرالاستیک و ویسکوالاستیک خطی، او از تابع انرژی کرنش چند جمله ای برای هایپرالاستیک، ویسکوالاستیک خطی همان طور که در معادله پایین دیده می شود استفاده کرد.
در این معادله،  مشخصه زمان،  ضرایب استراحت(Relaxation)، N چندجمله ای در ثابت کرنش،  ثابت کرنش،  الاستیسیته آنی را نشان می دهد.همه این ها توسط میلر با جزئیات بیشتر بیان شده است.میلر یک رگرسیون انجام داد و کمترین توان های دوم را برای تنوع در داده های آزمایش سرعت به دست آورد.پس از چندین بار تکرار، او ضرایبی که در مدل سازی اش با نرم افزار ABAQUS لازم داشت ، به دست آورد. این ثوابت بعدا در مدل سازی ما بر روی داده ها با ANSYS استفاده می شود.

ثوابت به دست آمده توسط میلر

فرایند آزمایشگاهی

فرایند آزمایشگاهی ، کاملا ساده و با محوریت تست های فشرده سازی آزاد بود. در این آزمایش دو صفحه داشتیم که بافت مغز را تحت فشار قرار می دادند . هم چنین جابه جایی و سرعت از قبل تعیین شده بود.این سبب می شد که آزمایش را تحت نظر داشته باشیم و با اجرای دستورات ، متغیرها را به آسانی تغییر دهیم. غیر از انجام فشار آزاد، آزمایش دیگر این بود که قالبی را به وسیله گوه(indenter) ، با همان پارامترهای مشابه ایجاد کنیم.  گوه می تواند شکل های مختلفی داشته باشد . این تست ها فقط برای اهداف مقایسه ای استفاده می شود . توسط این فرایند چندین بافت نرم آنالیز شد.

ارتباط بین تنش و کرنش و همچنین پاسخ استراحت بافت نرم توسط سه مکانیزم جدا آنالیز شد.

Instron

Rheological Solid Analyzer (RSA)

و the TestResources’ Servo-compression Machine

هر یک از این مکانیزم های آزمایش قادر به انجام یک رشته از ۳ عملکرد کرنش که شامل بارگذاری، نگه داشتن و آزادسازی کرنش هستند.از این داده ها منحنی تنش در مقابل کرنش ایجاد شد و مورد مقایسه قرار گرفت.

آزمایش های اولیه

ابتدا از Instron برای جمع آوری داده ها استفاده شد. این قابلیت را دارد که هم آزمایشات فشار آزاد و هم آزمایشات فرورفتگی با هم انجام شود که در آن هر دو مجموعه از داده ها برای اهداف مقایسه ای مورد نظر قرار گرفتند. هم چنین Instron می تواند یک ورودی از فشرده سازی داشته باشد که به دنبال توقف پایانی با حذف کرنش حاصل می شود. بسیار مطلوب است که ما می خواهیم هم پاسخ تنش-کرنش و هم پاسخ افت تنشش را محاسبه کنیم. این قابلیت انجام این آزمایش را با بار سلول ۵۰KN به خوبی بار سلول ۵۰۰N را دارد.

قبل از انجام آزمایش بر روی بافت تازه مغز، خیلی مهم است که ، درک بهتری از تجهیزات آزمایش و واکنش کلی بافت نرم داشته باشیم. ما می خواهیم فرمی از بافت نرم را آنالیز کنیم که به ما اجازه عیب یابی کل آزمایش را بدون از دست دادن نمونه های بافت نرم با ارزش بدهد.هم چنین ما می خواستیم ویژگی های روند آزمایش مانند راه اندازی آزمایش، تدابیر پیشگیرانه، سیر وقایع بررسی کنیم . هم چنین بررسی کنیم که آیا دستگاه تست کافی بوده است یا خیر.

 

این آزمایشات، ابتدا بر روی سینه مرغ انجام شد. اگرچه خواص مکانیکی سینه مرغ با  بافت مغز متفاوت است  ولی از آن می توان برای شبیه سازی بافت نرم استفاده کرد. سینه مرغ با آزمایش فشار ساده به وسیله Instron مورد آزمایش قرار گرفت. آزمایش اولیه ما، به طور شماتیک، آزمایشی که میلر مستقیم بر روی بافت انجام داده بود، نشان می دهد. در هنگام آزمایش بافت بین دو ورق کوچک تفلونی قرار گرفت و در تلاش است که حرکات اصطکاکی در بافت نرم محدود شود.یک بار ۵۰ نیوتونی برای فشار ساده استفاده می شود ، اما بعد از انجام آزمایش با پارامترهای مختلف ، ما می خواهیم پاسخی که با استفاده از گوه می گیریم را آنالیز کنیم. گوه به بار کمتر (۵۰۰ نیوتون) نیازمند است، همچنین می تواند استنباطات دقیق تری را تحویل دهد. زمانی که آزمایش گوه انجام شد ، یک صفحه تفلونی بر روی پایه بافت نرم قرار داده شد. ولی قسمت بالای بافت نرم در ارتباط مستقیم با گوه است . برای اطمینان از استحکام نمونه بافت نرم، ابزار نمونه برداری گسترش یافته است.. در هر آزمایشی که انجام می شود از این ابزار استفاده می شود که شامل آزمایش بافت های نرم و ذخیره شده مغز نیز می باشد. این نمونه های استوانه ای شکل که تقریبا قطر ۲۸٫۵ میلی متر دارد را ایجاد می کند. قطعات بافت به طوری که ارتفاع هر نمونه حدود ۱۰ تا ۱۵ میلی متر شد، بریده شد. یک نگرانی که وجود دارد این است که دستگاه برش به بافت آسیب می زند یا خیر ولی  با این حال این راه بهترین و اصولی ترین روش برای برش بافت می باشد. برای Instron  لازم است که ورودی در مراحل زمان به آن داده شود. بافتی که ما داریم، با تغییر کرنش ها به صورت دینامیکی درگیر است، به این معنی است که مراحل زیاد را تا جای ممکن وارد کنیم تا ورودی که ایجاد می شود از کنترل مطلوب ما از کرنش و نرخ کرنش کلی تقلید کند.برای ساده کردن محاسبات یک ورق اکسل ایجاد شده است که مراحل زمان را از سرعت و جابه جایی کل محاسبه می کند.

پاسخ سینه مرغ در شکل ۲ و ۳ مشاهده می شود . ورودی با استفاده از منحنی کرنش-زمان نشان داده می شود، که در آن فشار، دوره نگه داری ودر نهایت کرنش به سمت حذف شدن پیش می رود.آزمایش سینه مرغ تنها به این دلیل بود که ببینیم آیا راه اندازی آزمایش کافی بوده است یا خیر. و با توجه به نتایجی که در زیر آمده است، ما نتیجه گرفتیم که روش ما خوب بوده است.با توجه به این که نتایج آزمایش سینه مرغ موفقیت آمیز بود، ما تصمیم گرفتیم که از بافت مغز انسان که در Paraformaldehyde ذخیره شده بود در آزمایشات استفاده کنیم.

ما توانستیم دو مغز انسان که قبلا در آزمایشات دیگر استفاده شده بود دسترسی پیدا کنیم . هر دو مغز به مدت ۶ تا ۱۲ ماه در Paraformaldehyde  ذخیره شده بودند. ازParaformaldehyde  همیشه برای حفظ کردن ارگان ها استفاده می شود چون که پروتئین بافت ها را به هم می چسباند بنابراین از هم پاشیدگی کاهش می یابد. تاثیر آن بر روی خواص مکانیکی بافت مغز در مقایسه با بافت مغز تازه مشخص نشده است، بنابراین آن را بافت تازه در نظر می گیریم و با آن کار می کنیم.

مجموعه ای تست های فشار آزاد بر روی Instron  انجام شد، ولی شکل ۴ آزمایش را که با نرخ کرنش ۵mm/min انجام شده است را نشان می دهد. نرخ کرنش ۵mm/min انتخاب شد زیرا همان طور که میلر توضیح داد، جراحی های مغز و اعصاب در حدود این نرخ کرنش انجام می شود. این دلگرم کننده است که وجود Relaxation(آرامش) و hysteresis(پسماند) ، همان طور که انتظار داشتیم دیده شد. به نظر می رسد کرنش کل کمی متفاوت است ، ولی این را می توان به تفاوت ارتفاع نمونه های اولیه نسبت داد. در شکل ۴ یکی از مجموعه داده ها که به صورت “~۲۵% Strain Sample D” نمایش داده شده است با ۳ آزمایش دیگر موجود مطابقت ندارد. هر چند که حدود نصف آزمایشات دیگر تحت تنش قرار گرفت با این حال همه آزمایشات در جابه جایی و سرعت مشابه انجام شد.

Instron – Stress v. Strain – ۵ mm/min Strain Rate Unconfined Compression

 

زمانی که آزمایشات فشار ساده به اتمام رسید . ما می خواستیم که این داده ها را با آزمایش گوه که بعد انجام می دهیم مقایسه کنیم. گوه ای که در این آزمایش استفاده شد قطر ۰٫۵ سانتی متر دارد که دارای نوک کروی می باشد. مجموعه ای از داده های نمونه را در شکل ۶ می توانید ببینید و به علت اهداف مقایسه ای شکل ۵ و ۶ هر دو داری نرخ کرنش ۵mm/min می باشند. داده های گوه در شکل ۶ فقط شامل دو مجموعه از داده ها می باشد. این دو آزمایش را برای مقایسه انتخاب کردیم زیرا که هر دو نمونه ارتفاعات برابر و همچنین ورودی های برابر دارند که داده های مطابق با آن به دست می آید. توجه داشته باشید که محور X و Y بر حسب بار و جابه جایی می باشد. علت تفاوت آن با آزمایش قبلی این است که در این آزمایش از گوه استفاده شده است.گوه نمی تواند داده هایی بر حسب تنش و کرنش ایجاد کند زیرا ارتباط بین نقطه تماس و حالت تعلیق بافت هنوز به طور کامل شناخته نشده است . هر چند که X و Y آن متفاوت است ولی شکل آن را به راحتی می توان با آزمایش قبلی مقایسه کرد.هر یک از داده های آزمایش گوه با استفاده از بار نسبت به جابه جایی مورد بررسی قرار گرفت.نتایج حاصل از آن تقریبا منحنی های مشابهی را ایجاد کرده است. شکل کلی یکی بود ولی ماکسیموم بار ارتفاع آن در دومی بیشتر است.این مشکلات به احتمال زیاد به علت عدم توانایی انجام آزمایش یکسان، از لحاظ این که تماس بین مکانیزم و نمونه برقرار شود همان طور که در اندازه گیری ارتفاع اشتباه می شد.

Instron Indenter – Stored Human Tissue – ۵ mm/min Compression Rate – ۱۰ mm sample

زمانی که آنالیز بر روی بافت ذخیره شده انجام می شود، بررسی می شود که آیا روش انجام آزمایش استانداردسازی شده است و همچنین در این زمان که کار بر روی بافت تازه را شروع کنیم. هر وقت که آزمایش بر روی بافت انجام شد آنالیز آن را انجام می دهیم.

آزمایشات بافت تازه

برای انجام این آزمایشات، از بافت تازه مغر میمون استفاده شد. این خیلی مهم است که همان موقع که مغز را خارج کردیم آزمایش را انجام دهیم تا مطمئن باشیم که دقیقا مشابه با بافت داخل بدن می باشد. به این منظور ساعات کمی پس از خروج بافت از بدن برای انجام آزمایش داریم.ما برنامه ریزی کردیم که ابتدا آزمایش گوه را انجام دهیم چون که بار برای گوه ۵۰۰N در مقایسه با تست فشار آزاد که بار آن ۵۰KN ، کمتر است و بار کمتر داده های دقیق تری را ایجاد می کند ، همچنین باید حذف نویزها را در نظر داشته باشیم.آزمایش اصلی در زمان های از پیش تعیین شده مشخص تنظیم شد  تا این که متوجه شویم خواص مواد در طول زمان چگونه تغییر می کند. مشکل این بود که بار اول که این آزمایش را انجام دادیم ، متوجه شدیم که Instron نمی تواند تنش های بافت را به درستی تشخیص دهد. بافت در مقایسه با بافت قبلی که استفاده کردیم خیلی نرم بود. اطلاعات به دست آمده همان طور که در شکل ۷ می بینید خیلی به هم ریخته و دارای نویز بود.

Instron Indenter – Fresh Macaque Tissue – 5 mm/min Compression Rate – ۱۰ mm sample

 

قبل از این که بر روی بافت تازه آزمایش انجام شود به دستگاه تست جدید نیاز بود. خوشبختانه ۲ راه دیگر داشتیم که استفاده از
Rheological Solids Analyzer (RSA)و Servo Compression Machine by TestResources بود.

برای این که از تجهیزات جدید استفاده کنیم ، باید کار با هر یک از دستگاه ها را فرا بگیریم، تا مطمئن باشیم که ما هنوز پارامتر های آزمایش اصلیمان را حفظ کرده ایم.مکانیزم آزمایش با Instron متفاوت است چون که فقط توانایی این که آزمایش تست فشار ساده را انجام دهند دارند با این حال قادر هستند ورودی فشاری که به دنبال نگه داری پایانی با حذف کرنش ایجاد می شود را دریافت کنند. باری که به RSA اعمال می شود ۲۰N است که خیلی کمتر از Instron که می توانست بار ۵۰KN و ۵۰۰N را بگیرد. بار کمتر می تواند نویزهایی را که از این مکانیزم ایجاد می شود را حذف کند و داده های صحیح تری به دست می آید.

ما می توانیم کرنش را در این دستگاه ها کنترل کنیم که برای ورودی های بارگذاری، نگهداری، باربرداری استفاده می کنیم و به پارامترهای اصلی آزمایش اضافه می کنیم.محدودیت RSA این است که تنها آزمایشی که می توان بر روی آن انجام داد آزمایش تست فشار ساده است چون که صفحات آن برای تنظیمات کلی طراحی شده است. این باعث می شود که داده های کمتری از آزمایش به دست بیاوریم . با وجود همه این محدودیت ها ما تصمیم گرفتیم آزمایش تست فشار ساده را در ابتدا برای بافت نرم انجام دهیم. در شکل ۱۰ و ۱۱ نشان داده شده است.

 

در هر دو شکل ۱۰ و ۱۱ برخی روندهای قابل توجه با توجه به رابطه تنش کرنش بر اساس افزایش نرخ کرنش وجود دارد.در هر دو شکل با افزایش کرنش، تنش افزایش می یابد. همچنین ، استراحت بافت در طول دوره نگهداری گسترش می یابد وقتی که کرنش افزایش می یابد.  این ارتباطات زمانی که مدل های به دست آمده از پلات به دست آمد، بیشتر بحث می شود. با توجه به این که نمودارهای شکل ۱۰ و ۱۱ نسبت به نمودارهای شکل ۴ و ۵ صاف تر هستند ،نشان می دهد که RSA قادر است تنش های کمتر را نیز محاسبه کند و احتمالا به وسیله RSA بتوانیم بر روی بافت تازه آزمایش انجام دهیم.

RSA – Stored Human Tissue – ۷٫۹% Strain at a Strain Rate of 5 mm/min

منحنی تنش-کرنش بافت تازه مشابه با منحنی بافت ذخیره شده بود. در شکل ۱۲، از نرخ کرنش مشابه با شکل ۵،۶،۷،۱۰،۱۱ استفاده شد تا تطابق حفظ شود .در شکل ۱۲ پاسخ تنش-کرنش مشابه با بافت ذخیره شده در شکل ۱۰ و ۱۱ بود(شکل مقعر) به این معنی است که ما به هدف خود نزدیک شده ایم. تنش هایی که از انجام این آزمایش به دست آمد زمانی که با  بافت ذخیره شده مقایسه شد که در حدود ۱۰% کرنش در شکل ۱۱ موجود است . به آسانی می توان متوجه شد که بافت ذخیره شده تنش بیشتری را تولید می کند. زمانی که این آزمایش تمام شد تصمیم گرفتیم با کرنش بالا و نرخ کرنش بالا انجام دهیم،تا بتوانیم آن را با همه داده های جمع آوری شده مقایسه کنیم.متاسفانه با این کار داده های جالبی ایجاد شد ، ولی تکرار پارامترهای آزمایش همان طور که در شکل ۱۲ دیده می شود می تواند انتخاب عاقلانه تری برای بررسی داده ها باشد.

RSA – Stored Human Brain – ۵۶٫۷% Strain at a Strain Rate of 40 mm/min

داده های کرنش و نرخ کرنش بالا در شکل ۱۳ دیده می شود و شکل پاسخ با آزمایشات قبلی متفاوت است که ما انتظار این را داشتیم. پاسخی که در شکل ۱۳ دیده می شود در شروع مانند شکل ۱۲ محدبی شکل است ولی زمانی که آزمایش به ناحیه نگه داری نزدیک می شود ،منحنی تنش-کرنش به سمت پایین خم می شود که این در هیچ کدام از آزمایشاتی که تا به حال انجام شده دیده نشده بود.پاسخ بافت در شکل ۱۳ نسبت به شکل ۱۲ مستقیم تر است. شیب ناحیه فشار در شکل ۱۲ حدود ۱۴۰۰pa در مقایسه با شیب ناحیه میانی خطی که در حدود ۱۱۰۰۰pa می باشد. این تفاوت خیلی بزرگ است . همان طور که قبلا گفتیم ماشین RSA فقط فقط قادر است تست فشار آزاد را انجام دهد بنابراین ما به دنبال قابلیتی هستیم که با آن آزمایش گوه را انجام دهیم.

یکی دیگر از دستگاه ها که باید معرفی شود servo-compression Machine می باشد. راه اندازی این آزمایش قابل مقایسه با Instron می باشد که هم می تواند تست فشار آزاد را انجام دهد و هم تست گوه (Indentation) و هم چنین قابلیت این را دارد که ورودی را نگه داری پایانی که با حذف کرنش ایجاد می شود را بگیرد. باری که به آن اعمال می شود حدود ۱۰N  است . پس می تواند داده های صحیح تری را نسبت به دو دستگاه دیگر ایجاد کند .

TestResources machine به صورت بالقوه اجازه می دهد که مقایسه بین دو فرم بافت ( تازه وذخیره شده) انجام شود. تنها مسئله این است که ما باید برای دسترسی به بافت تازه صبر کنیم ولی تفاوت بین آزمایش های انجام شده وقتی از گوه استفاده می شد برای بافت ذخیره شده وجود دارد. یک مثال در شکل ۱۴ دیده می شود که مشابه با داده های Instron  و RSA به منظور این که چگونه داده ها را مقایسه کنیم و اگر بافت تازه تامین شود خیلی خوب خواهد شد.

TestResources – Stored Human Tissue – 5 mm/min Compression Rate – 13 mm sample

TestResources – Stored Human Tissue – ۵ mm/min Compression Rate – ۱۳ mm sample

زمانی که همه داده ها را جمع آوری کردیم خیلی مهم است که بهترین مجموعه از داده ها را که می توان برای مقایسه بین بافت تازه و ذخیره شده مقایسه کرد پیدا کنیم. مفیدترین مجموعه داده ها از RSA به دست آمد چون که هیچ کدام از داده ها از بافت ذخیره شده مغز انسان نبود بلکه از یک بافت نسبتا تازه استفاده شد (فقط چند روز) بنابراین RSA بهترین داده ها را برای ایجاد مدل به ما داده است که از آن می توانیم رابطه بین بافت ذخیره شده و تازه را به دست بیاوریم.

مدل سازی

برای این که درک بهتر از داده های جمع آوری شده داشته باشیم ضروری است بافت مغز را به فرم نرم افزار مدل سازی کنیم.تصمیم بر این شد که داده ها را با ANSYS آنالیز کنیم. بافت به صورت استوانه جامد مدل سازی شد که شعاع آن ۰٫۱۴۲۵که برابر با قطر ۲۸٫۵ میلی متر از نمونه های بریده شده است. ارتفاع مدل با توجه به آزمایشی که انجام می شود متفاوت است. سطح پایینی استوانه با جابه جایی صفر در راستای محور Z مقید شده بود.گره سطح پایینی بدون مشخص کردن انتخاب شد و به آن صفر درجه آزادی داده شد تا که مدل در راستای X و Y به صورت نامناسب حرکت نکند. گره ها بر سطح بالایی قرار داده شده اند که با هم دیگر جفت شدند وقتی گره ها با هم جفت باشند ، برای اتصال به گره های کمتری احتیاج است . در این زمان خواص مواد اضافه می شود قبل از این که آزمایش انجام شود. ، که برای هر آزمایش، خواص متفاوت است . بعدا در این مورد بیشتر توضیح خواهیم داد. جابه جایی مورد نظر بر گره کنترل قرار داده شد و پس از آن شبیه سازی اجرا می شود.  بعد از اجرا شدن شبیه سازی، نیرویی لازم برای جا به جایی نمونه گرفته می شود  همان طور که نیروی عکس العمل بر روی گره کنترل می باشد. گره کنترل همه نیروهای ارتجاعی را بر روی خود دارد زیرا که همه گره های بر روی سطح با یکدیگر جفت هستند و اجازه مقایسه زمان/نیرو/جابه جایی از مدل به داده های واقعی جمع آوری شده را می دهد.

بعد از خواندن مقالات میلر تصمیم بر این شد که بافت را به صورت مواد ویسکوالاستیک/هایپرالاستیک مدل سازی کنیم . در این مقاله ما می توانیم که هر دو خواص مکانیکی ویسکوالاستیسیته و هایپرالاستیسیته برای مدل به کار ببریم ولی آن ها بیشتر از نرم افزار ABAQUS تا نرم افزار ANSYS استفاده کردند . ثوابت را در جدول ۱ می توانید ببینید(پس زمینه)

رابطه مدل هایپرالاستیک با توجه به منوی Help نرم افزار ANSYS در واقع همان تابع چگالی انرژی کرنش است که در معادله دیده می شود.

محقق : مهندس ارشد بیومکانیک، سرکار خانم فائزه نقدبیشی

پاسخ بدهید

ایمیلتان منتشر نمیشودفیلدهای الزامی علامت دار شده اند *

*