عنوان پایان‌نامه
سه بعدی سازی و همگن سازی خواص مکانیکی بافت مغز
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3106;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71478
- تاریخ دفاع
- ۱۰ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- حسین جوکار
- استاد راهنما
- مجتبی حقیقی یزدی, مجید بنی اسدی
- چکیده
- بافت مغز به عنوان ناشناخته‌ترین عضو بدن انسان جذابیت‌های زیادی را برای مطالعه ایجاد کرده است. در این پژوهش یک روش میکرومکانیکی برای تحلیل و همگن سازی ماده ی ناهمگون بافت مغز ارائه شده است. روش پیشنهادی به توسعه یک مدل سه بعدی سلولی برای همگن سازی و تحلیل میدانی قسمت نامنظم بافت مغز منجر شده است که در آن سعی شده تا حد امکان پیچیدگی های ساختاری نرون با کمترین ساده سازی مورد استفاده قرار گرفته و نتایج دقیق تری حاصل شود. در پروسه ی مشخصه سازی اجزای سازنده با فرض رفتار الاستیک و ویسکوالاستیک خطی مدل شده‌اند. مدل حاصل با استفاده از روش المان محدود از چند منظر میکرومکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج نشان دهنده ی مناسب بودن شبیه سازی می باشند. نتایج نشان می دهند به دلیل پایین بودن نسبت طول به قطر در حجم سلولی (نسبت منظری)، افزایش کسر حجمی تاثیر کمی بر بهبود خواص مکانیکی بافت – مانند مدول الاستیک - دارند و نزدیک به پیش بینی حد پایین یا مدل رئوس می باشند. همچنین تاثیر توزیع نامنظم نرون‌ها بر روی خواص مکانیکی بافت و میدان‌های تنش محلی مورد توجه قرار گرفتند که مشخص شد توزیع متفاوت نرون‌ها بر خواص کلی بافت اثرگذار نیستند. نتایج نشان دادند که میدان تنش محلی به میکرومکانیک بافت وابسته است. تفاوت در توزیع نرون‌ها در ماتریس برون سلولی بر تنش‌های محلی در بافت اثرگذارند. بررسی میدان تنش های محلی ایجاد شده توسط نیروی فشاری بر المان نماینده حجم، به عنوان نماینده‌ای از بافت، بیانگر بیشینه بودن تنش در نرون ها و در محل اتصال نوریت ها به حجم سلولی می باشد. همچنین مشاهده شد که با افزایش کسر حجمی تنش میزز بیشینه و تنش بیشینه فشاری و کششی در جهت اعمال بار در بافت افزایش میابند. در تحلیل ویسکوالاستیک مشخص شد که تنش میزز بیشینه به خوبی افت می‌کند اما تنش بیشینه فشاری و کششی افت قابل توجهی ندارند. بررسی اثر نرخ کرنش نشان داد با افزایش نرخ کرنش اعمالی تنش ماکزیمم میانگین حجمی، تنش میزز بیشینه، تنش بیشینه فشاری و کششی افزایش می‌یابند. بنابراین یکی از راه‌های کاهش خطرپذیری آسیب مغز کم کردن نرخ کرنش اعمالی می‌باشد. واژه‌های کلیدی: مدل‌سازی سه بعدی سلولی، میکرومکانیک، همگن‌سازی، پاسخ بافت مغز، آسیب ترومایی مغز، الاستیک، ویسکوالاستیک، المان محدود
- Abstract
- Brain tissue as the most unknown part of human body, has many attractions to study. This study proposes a micromechanical algorithm for analysis and homogenization of heterogeneous brain tissue. The presented method has led to the development of a three dimentional cell model for homogenization of disordered part of brain matter. The structural complexity of neuron has modeled with low level of simplification in order to achieve more accurate results. In the homogenization process the constituents of brain, neuron and extracellular cell matrix, are assumed to have an elastic and linear viscoelastic behavior. The proposed model is studied in some micromechanical aspects and results indicate the model simulates the tissue behavior reasonably. Results show that because of low length to diameter ratio (aspect ratio) in the cell body, increase in number of neurons in the representative volume element has low effect on improvement of tissue mechanical properties, such as elastic modulus, and the properties are close to the prediction of lower bound or Reuss model. Also, effect of random distribution of neurons on the mechanical properties of tissue and local stress fields has been investigated in which results show that total properties of tissue are not affected by different distribution of neurons. Besides, results indicate that local stress fields are related to tissue micromechanics which means variation in neuron distribution causes variation in local stresses in the representative volume element. Investigation of stress fields caused by compression load on the representative volume element, as the part of brain tissue, announce that the maximum stress is located in the neuron and specially at the junction of neurites (axon and dendrites) and soma and also along the neurites. It is also observed that increase in volume fraction lead to increase in max. misses stress, compression and tension max. stress in direction of load applied on the model. In the viscoelastic analysis, results express that max. misses stress relaxes obviously while compression and tension max. stress don’t relax considerably. Strain rate also is studied in the viscoelastic analysis which shows that increase in strain rate lead to increase in the following stresses: volumetric average max. stress, max. misses stress, compression max. stress, tension max. stress. Therefore one way to reduce the risk of brain injury is to decrease the strain rate. Keywords: three dimentional cell modeling, micromechanics, homogenization, brain tissue response, traumatic brain injury, elastic, viscoelastic, finite element
