عنوان

تأثیر نرخ‌های مختلف بارگذاری ضربه‌ای بر پاسخ بیومکانیکی سر انسان

IR

۳۸۴۹پ

فارسی

IR

تأثیر نرخ‌های مختلف بارگذاری ضربه‌ای بر پاسخ بیومکانیکی سر انسان

[پایان‌نامه]

The effect of different traumatic loading rates on biomechanical response of human head

/امیرحسین گندمی روزبهانی

: مهندسی پزشکی

، ۱۳۹۸

۱۳۶ص.

:

زبان: فارسی

زبان چکیده: فارسی

چاپی - الکترونیکی

مصور، جدول، نمودار

کارشناسی ارشد

مهندسی پزشکی- بیومکانیک

۱۳۹۸/۰۹/۰۱

صنعتی سهند

مغز به عنوان بخش اصلی در سیستم اعصاب مرکزی محسوب می‌شود و نقشی مهم را در زندگی انسان ایفا می‌کند .آسیب‌های وارد شده به این قسمت کیفیت زندگی فرد را تحت تأثیر قرار داده و می‌توانند منجر به مرگ وی شوند .آسیب ضربه‌ای به مغز از جراحات ایجاد شده در سوانح روزمره است .این موضوع باعث تخریب شرایط زندگی افراد جامعه شده و همچنین هزینه‌های ناشی از آن بار اقتصادی بالایی را به همراه دارد .بنابراین بررسی روند رخ دادن این آسیب‌ها از موضوعات مهم مطالعاتی محسوب شده و به بهبود شرایط ایمنی کمک می‌کند .شبیه‌سازی به روش اجزاء محدود با استفاده از مدل‌های محاسباتی شیوه‌ای مناسب برای بازسازی شرایط اعمال ضربه به سر و بررسی رفتار مکانیکی اجزای مختلف به خصوص مغز محسوب شده و از این طریق نواحی حساس‌تر و مستعد آسیب را می‌توان تشخیص داد .در بررسی حاضر با استفاده از تصاویر پزشکی یک مدل سه بعدی از سر انسان دارای جمجمه، مایع مغزی نخاعی و مغز با تمایز ماده‌ی سفید و خاکستری ایجاد شد .در این پژوهش اهمیت استفاده از خواص مکانیکی مناسب برای مغز مورد توجه قرار گرفت .ابتدا از یک مدل ساختاری هایپرالاستیک با ضرایب ماده‌ی معلوم به عنوان حالت پایه برای تعریف مغز استفاده شد .برای تعیین ضرایب این مدل به نرخ‌های بارگذاری بالا و شرایط بار ضربه‌ای( در آزمایش تجربی) توجه نشده بود .سپس با استفاده از داده‌های تجربی از مطالعات پیشین رفتار وابسته به زمان و رفتار الاستیک غیر خطی بافت مغز در نرخ کرنش‌های نزدیک به شرایط بار ضربه‌ای تعیین شد .در این بخش خواص ماده سفید و خاکستری از یکدیگر مجزا تعیین شدند .در ادامه با استفاده از حالت‌های پایه و برازش یافته به داده‌های تجربی، دو گروه مدل ساختاری ایجاد شد .در هر گروه مدل‌های الاستیک، ویسکوالاستیک، هایپرالاستیک و هایپر-ویسکوالاستیک ایجاد شد .نتایج شبیه‌سازی با استفاده از هر مدل ساختاری مورد مقایسه قرار گرفت .با بررسی مقادیر تنش در بخش انحرافی پاسخ مکانیکی مغز( مرتبط با تغییر شکل)، مناسب‌ترین عملکرد برای شرایط استفاده از مدل هایپر-ویسکوالاستیک ایجاد شده از برازش داده‌های تجربی تشخیص داده شد .بر اساس نتایج شبیه‌سازی، اهمیت بالای استفاده از خواص الاستیک غیرخطی و وابسته به زمان مغز، جهت افزایش دقت بررسی‌های عددی مشخص گردید .در ادامه رفتار مدل در شرایط بارگذاری دینامیکی مختلف با تغییر دادن مدت زمان و بیشینه‌ی بار اعمال شده مورد مقایسه قرار گرفت .اهمیت افزایش مدت زمان اعمال بار در بررسی قسمت انحرافی پاسخ مکانیکی، با بیشتر شدن تنش مربوطه مشاهده گردید .با این حال بیشینه‌ی نیروی اعمالی به عنوان مهم‌ترین عامل در مطالعه‌ی احتمال وقوع آسیب ضربه‌ای به مغز در مطالعه‌ی حاضر تشخیص داده شد .با اعمال بیشینه نیروی ۱۵ کیلونیوتنی، بیشینه‌ی فشار مغز برابر ۳۶۸ کیلوپاسکال، از مقدار بحرانی وقوع آسب مغزی عبور کرد .با تغییر محل اعمال یک بارگذاری یکسان، حالت اعمال از جانب سر باعث بیشترین مقادیر تنش و تغییر شکل مغز شد .بیشینه‌ی کرنش ناحیه‌ی مغز میانی در ضربه‌ی جانبی ۰/۲۸، در ضربه‌ی پس‌سری ۰/۰۸ و در ضربه‌ی پیشانی ۰/۰۷ محاسبه شد که در حالت جانبی احتمال بروز آسیب ضربه‌ای به مغز بالاتر بود .در انتها تأثیر خواص مکانیکی الاستیک خطی مختلف مربوط به ناحیه‌ی مایع مغزی نخاعی در حالت تقریبا تراکم‌ناپذیر بررسی شد .با توجه به نتایج، اهمیت بیشتر تعیین مقدار مدول الاستیک نسبت به مدول حجمی انتخابی، در مشاهده و بررسی موج برشی انتقال یافته به مغز مشخص گردید.

Brain is known to be the major part of the central nervous system and it plays an important role in humans life .Injuries in this organ may totally affect ones life quality or even lead to death. Traumatic brain injuries are frequent among daily observed accidents and also respective costs make a huge economical load. Studying the trend by which these injuries happen is therefore an important field of research and can be helpful in developing safety requirements. Finite element simulations constitute an appropriate approach to model the head impact instances. In this way, mechanical properties of different constituents, especially the brain, can be studied Therefore its possible to recognize sensitive regions which are prone to injury. In the present study, a three-dimensional human head model was reconstructed using medical images. This model includes skull, cerebrospinal fluid and brain, in which white and grey matters are considered separately. In this research, the significance of appropriate mechanical properties for brain was considered. At first a hyperelastic constitutive model was used as the base head model. The high loading rates comparable to impact loads was not considered in determining material parameters for the base model. Then by fitting constitutive models to experimental sets of data from the literature, the time dependency and nonlinear elastic behavior of brain tissue were determined. This was done separately for white and grey matters of brain. Afterwards two groups of constitutive models were made by means of the base and the fitted models. These groups consist of elastic, viscoelastic, hyperelastic and hyper-viscoelastic models. The results of simulations were compared to one another. By studying the deviatoric stresses (related to the shape changes), the most suitable material model observed by the fitted hyper-viscoelastic model. Regarding the simulation results, the importance of accounting for nonlinear elasticity and time dependent properties of brain, was revealed. Then head model behaviors was compared in different dynamic loading cases, by changing duration and maximum loading amplitude. The rise in the stress values observed on deviatoric response, revealed the significance of the increased impact duration. Although, in studying the probability of traumatic brain injury occurrence, the most important role was attributed to the case with maximum force. By applying a maximum force of 15 kN, maximum brain pressure of 368 kPa exceeded the critical values corresponding to brain injury. When the impact location on the head was changed, by comparing model responses in similar force-time cases, an impact to side of the head caused the highest stress. The maximal strain of the midbrain region was calculated to be 0.28, 0.08 and 0.07 in side, occipital and frontal impacts, respectively. Therefore traumatic brain injury was most probable in the side stroke case. Finally, the effect of different elastic material parameters of the cerebrospinal fluid in an incompressible state, was studied. Compared to the bulk modulus, the higher significance was seen for the elastic modulus in the terms of shear waves transferred to the brain.

ba

The effect of different traumatic loading rates on biomechanical response of human head

آسیب ضربه‌ای مغز

رفتار بیومکانیکی

معادله ساختاری

روش اجزاء محدود

Traumatic brain injury, Biomechanical behavior, Constitutive equation, Finite element method

آسیب ضربه‌ای مغز، رفتار بیومکانیکی، معادله ساختاری، روش اجزاء محدود

گندمی روزبهانی، امیرحسین

تقی‌زاده، هادی، استاد راهنما

ذوالجناحی اسکوئی، ایمان، استاد راهنما

ایران

20230617

پزشکی.م ،۱۰۰۳۴ ،۱۳۹۸

تأن‌اسنا رس‍ ی‌کیناکمویب‍ خ‌ساپ‍ رب‍ ی‌اه‌برض‍ ی‌راذگراب‍ ف‌لتخم‍ ی‌اهخ‌رن‍ ریث‍.pdf

عادی

عادی

3849.pdf

pm10034.pdf

0

ایمانی

متن

0

پ۳۸۴۹

فارسی

نمایه‌سازی قبلی

pe

TF

92029

1

a

Y