عنوان پایان‌نامه
محاسبه تنش های پسماند ناشی از نیروی جاذبه در بافت صورت به روش المان محدود
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3382;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77383;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3382;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77383
- تاریخ دفاع
- ۱۴ تیر ۱۳۹۵
- دانشجو
- سیدمحمدامین عسکری
- استاد راهنما
- محمدعلی نظری
- چکیده
- در دهه‌های اخیر، رشد و تغییرشکل ساختارهای بیولوژیکی بسیار مورد توجه محققان گرفته است. یافتن پاسخ بافت‌ها و اندام‌های زنده به بارهای مکانیکی در گستره وسیعی از زمینه‌های علمیِ در حال توسعه ضروری می‌باشد. ازین زمینه‌ها می‌توان به طراحی اندام‌های مصنوعی و اعمال جراحی بهینه شده اشاره کرد. تحقیقات علمی ثابت کرده است که ساختارهای فیزیولوژیکی حتی در حالتی که تحت بارهای مکانیکی نیستند، دارای تنش می‌باشند که این تنش‌ها تحت عنوان تنش پسماند بافت نامگذاری می‌شوند. اگرچه منشا دقیق و معین این تنش‌های پسماند مشخص نیست اما به لحاظ علمی می‌توان گفت رشد و تغییرشکل یکی از عوامل اصلی ایجاد و تغییر این تنش‌ها می‌باشد. جاذبه زمین که از بدو تولد ارگان‌ها واندام‌های بدن را تحت تاثیر قرار می‌دهد می‌تواند یکی از ساده ترین دلایل این تنش‌ها باشد. از طرفی نادیده گرفتن تنش‌های پسماند در شبیه سازی‌های عددی می تواند منجر به نتایج بسیار دور از واقعیت گردد و دقت مساله را به شدت کاهش دهد. در این کار تلاش ما بر این بوده است که با بکارگیری مفاهیم مکانیکی و استفاده از روش‌های عددی، یک ساختار محاسباتی برای تعیین و اندازه گیری تنش‌های پسماند ناشی از رشد در بافت نرم ارائه کنیم. بعلاوه روشی برای یافتن حالت مرجع بدون تنش که در تحلیل‌های مکانیکی مورد نیاز است، تبیین شده است. این یافته‌ها در نهایت بر روی مدل المان محدود صورت انسان سالم و بالغ که هندسه آن از تصاویر پزشکی استخراج گردیده، اعمال شده است. در این کار توزیع تنش‌های پسماند در بافت صورت تعیین شده است که می‌تواند بر جاذبه غلبه کرده و باعث شود بافت به صورت پایدار و استوار باقی بماند. برای مثال، چروکیده شدن پوست در پیری می‌تواند از نتایج کاهش این تنش‌ها و در نیتجه عدم غلبه بر جاذبه باشد. این نتایج کاربردهای مهمی در جراحی‌های فک و صورت داشته و می‌تواند به جراحان در پیش بینی تغییرات و نتایج بعد از عمل کمک کند. واژه‌های کلیدی: روش اجزا محدود غیرخطی، رشد، تنش پسماند، بافت نرم، هایپرالاستیسیته
- Abstract
- Growth and remodeling of biological structures have gained lots of attention over the past decades. Determining the response of living tissues to mechanical loads is necessary for a wide range of developing fields such as prosthetics design or computer-assisted surgical interventions. It is a well-known fact that biological structures are never stress-free, even when externally unloaded. The exact origin of these residual stresses is not clear, but theoretically, growth is one of the main sources. Extracting body organ’s shapes from medical imaging does not produce any information regarding the existing residual stresses in that organ. The simplest cause of such stresses is gravity since an organ grows under its influence from birth. Ignoring such residual stresses might cause erroneous results in numerical simulations. Accounting for residual stresses due to tissue growth can improve the accuracy of mechanical analysis results. This work presents an original computational framework based on gradual growth to determine the residual stresses due to growth. Using nonlinear continuum mechanis and theories of growth, the mathematical framework and constitutive equation are determined to simulate the growth of soft tissues. Also a loading-growth-unloading protocol is presented to develop the residuall stress in models. To illustrate the method, we apply it to an anatomy-based finite element model of a healthy human face reconstructed from medical images. The distribution of residual stress in facial tissues is computed, which can overcome the effect of gravity and maintain tissues firmness. Our assumption is that tissue wrinkles caused by aging could be a consequence of decreasing residual stress and thus not counteracting gravity. Taking into account these stresses seems therefore extremely important in maxillofacial surgery. It would indeed help surgeons to estimate tissues changes after surgery. Keywords: Nonlinear finite element method, Growth, Residual stress, Soft tissue, Hyperelsticity
