عنوان

توسع‍ مدل هایپرالاستیک- خزشی دیسک بین‌مهره‌ای‮‭L۵ - L۴‬براساس داده‌های تجربی با در نظرگرفتن اثر پیری,‮‭Developing a Hyperelastic-Creep Model For L۴-L۵ Intervertebral Disc With Aging Effect Using Experimental Data‬

Number

‭۲۳۵۶۰پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

توسع‍ مدل هایپرالاستیک- خزشی دیسک بین‌مهره‌ای‮‭L۵ - L۴‬براساس داده‌های تجربی با در نظرگرفتن اثر پیری

Parallel Title Proper

‮‭Developing a Hyperelastic-Creep Model For L۴-L۵ Intervertebral Disc With Aging Effect Using Experimental Data‬

First Statement of Responsibility

/اکبر رسولیان

Name of Publisher, Distributor, etc.

: فنی و مهندسی مکانیک

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۹‬

Name of Manufacturer

، راشدی

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۱۴۸‬ص‬

Text of Note

چاپی - الکترونیکی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی

Date of degree

‮‭۱۳۹۹/۰۸/۲۵‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

براساس گزارش مؤسس‍ بین‌المللی سلامت، حدود هفتاد الی هشتاد و پنج درصد افراد در طول زندگی خود عارض‍ درد پایین کمر را تجربه می‌کنند .نتایج بررسی‌ها نشان داده‌اند کمردرد سومین علت شایع ناتوانی در دوران فعال زندگی پس از بیماری‌های قلبی و روماتیسم مفصلی است .بنا به‌گزارش ششمین دور بررسی صورت‌گرفته بر روی شرایط کار اروپا، چهل و سه درصد از افراد شاغل در اروپا از مشکلات ناشی از کمردرد رنج برده و آن را به‌عنوان گسترده‌ترین مشکل حوز سلامت در ‮‭۱۲‬ ماه منتج به نظرسنجی دانسته‌اند .هم‍ این موارد، دلایل خوبی برای تحقیق در زمین‍ مکانیک دیسک بین‌مهره‌ای برای توصیف رفتار پیچیده آن هستند .متخصصان بالینی، دلیل اصلی بروز کمردرد را آسیب‌های وارده به‌دیسک‌های بین‌مهره‌ای و ناتوانی ستون مهره‌ها بیان نموده‌اند که به‌واسط تخریب و یا فتق دیسک بین‌مهره‌ای در اثر افزایش سن، تحمل بارهای شدید و یا وضعیت‌های حرکتی نامناسب در فعالیت‌های سنگین طولانی‌مدت ایجاد شده‌اند .نتایج بررسی‌ها نشان داده‌اند که بیشترین موارد آسیب دیسک بین‌مهره‌ای در ناحیه کمری و در دیسک‌های‮‭L۵ - L۴‬اتفاق می‌افتد .دیسک بین‌مهره‌ای از دو بخش پیرامونی انیولس فیبرزس ‮‭(AF)‬ و مرکزی نوکلیس پالپسس ‮‭(NP)‬ تشکیل شده است که ‮‭AF‬ به‌عنوان یک بافت غضروفی‌مانند، بخش ژله‌ای‌مانند ‮‭NP‬ را احاطه کرده است .انیولس فیبرزس وظیف‍ توزیع بار و حرکت و انعطاف‌پذیری ستون مهره‌ها و ‮‭NP‬ وظیف‍ جذب بارهای وارده را بر عهده دارند .باتوجه به اینکه استفاده از مدل‌های ریاضی و همچنین شبیه‌سازی رایانه‌ای می‌تواند به‌صورت بالقوه، ابزار بسیار مناسب و مهمی را برای متخصصان به‌منظور تصمیم‌گیری‌های درست فراهم آورد، در پژوهش حاضر ابتدا معادل‍ ساختاری حاکم بر رفتار پرو- هایپرالاستیک دیسک بین‌مهره‌ای براساس نظری‍ دوفازی با در نظرگرفتن برهم‌کنش متقابل فازهای جامد و مایع در شرایط فشار محدودشده استخراج شده است .در ادامه و به‌منظور استفاده در بارگذاری‌های واقعی، مدل ساختاری پرو- هایپرالاستیک با در نظرگرفتن الیاف تقویتی در فاز جامد توسعه یافته است .برای تعیین ضرایب ساختاری موجود در مدل‌های ساختاری ارائه‌شده، آزمایش‌های مختلف واهلش و خزش در شرایط فشار محدودشده بر روی نمونه‌های ‮‭AF‬ و ‮‭NP‬ انجام شده است .نتایج تجربی نشان داده‌اند که بافت ‮‭AF‬ دارای مقادیر مدول تجمعی بزرگتری در مقایسه با بافت ‮‭NP‬ بوده و از نظر ساختاری سفت‌تر بوده اما ضریب نفوذپذیری آن کمتر از بافت ‮‭NP‬ بوده و در نتیجه جریان سیال در داخل ‮‭NP‬ راحت‌تر از بافت ‮‭AF‬ بوده است .به‌منظور فراهم‌آوردن امکان شبیه‌سازی دقیق‌تر، با انجام آزمایش‌های تجربی مختلف، تأثیر عوامل پیری، دما، تورم و ناهمسانگردی بافت در رفتار مکانیکی دیسک بین‌مهره‌ای به‌صورت جداگانه بررسی شده‌اند .نتایج به‌دست‌آمده از تأثیر معنادار پیری بر ویژگی مدول تجمعی حکایت داشته‌اند به‌طوری با افزایش سن، مدول تجمعی نمونه‌ها افزایش یافته اما نفوذپذیری آنها تفاوت چندانی نکرده است .در بررسی اثر دما نیز نتایج به‌دست‌آمده از وجود تأثیر غیرخطی و معنادار دما بر ویژگی‌های مدول تجمعی و نفوذپذیری بافت دیسک بین‌مهره‌ای حکایت داشته‌اند به‌طوری‌که با افزایش دما مقدار نفوذپذیری افزایش و مدول تجمعی کاهش یافته است و برعکس .مطالع‍ اثر تورم آزاد و محدودشد نمونه‌ها بیانگر آن بوده است که مقادیر مدول تجمعی و ظرفیت تحمل بار با روندی مشابه یکدیگر، در حالت تورم محدودشده بزرگتر از حالت تورم آزاد بوده است اما رفتار ویژگی نفوذپذیری برعکس بوده و برای نمونه‌های با تورم آزاد مقادیر بزرگتری دارد .بررسی اثر ناهمسانگردی نیز، از عدم وجود اختلاف معنادار میان ضرایب ماد مربوط به نمونه‌های برگرفته از راستاهای مختلف و رفتار همسانگرد بافت در بارگذاری‌های فشاری حکایت داشته است .همچنین، با انتخاب نمونه‌های آزمایشی مختلف از ستون‌های مهر بز، انسان و دم‍ گاو شباهت‌ها و تفاوت‌های میان بافت انسانی و جایگزین‌های حیوانی مطالعه شده‌اند .در ادامه با بهره‌گیری از کدنویسی ‮‭UMAT‬ و توسع‍ تحلیلی معادلات حاکم در محیط پیوسته، مدل ساختاری پرو- هایپرالاستیک برای استفاده در نرم‌افزار اجزای محدود آماده‌سازی شده است .مدل دقیق سه‌بعدی دیسک بین‌مهره‌ای‮‭L۵ - L۴‬براساس تصویرسازی تشدید مغناطیسی ‮‭(MRI)‬ و مهره‌های ‮‭L۴‬ و ‮‭L۵‬ نیز براساس تصاویر پرتونگاری کامپیوتری ‮‭(CT Scan)‬ موجود برای یک جسد مرد ‮‭۳۹‬ ساله آماده‌سازی و به نرم‌افزار اجزای محدود وارد شده‌اند .با اعمال بارگذاری واقعی بر روی دیسک، رفتار مکانیکی آن بررسی شده و تغییرشکل دیسک و تنش‌های وارد بر آن به‌دست آمده و با داده‌های موجود در ادبیات فن صحه‌گذاری شده‌اند .با این شبیه‌سازی سه‌بعدی، ابزاری مناسب برای متخصصان بالینی برای تعیین الگوی بارگذاری مهره‌ها و تأمین جایگزین‌های مصنوعی فراهم شده است

Text of Note

According to the reports provided by the National Institutes of Health (NIH) almost 70-85 of people experience Low Back Pain (LBP) in their lift time. Also, investigations have shown that back pain is the third common reason for the disability of the people after heart diseases and Rheumatoid Arthritis. The Sixth European Working Conditions Survey reported 43 of the working people in Europe suffering from backache as the most widely reported health problem in the 12 months prior to the survey. These are good reasons for research in the field of intervertebral disc (IVD) mechanics, to describe its complicated behaviour. Clinicians stated that the main reasons for low back pain are damages to the intervertebral discs and spine disability, which are caused by degeneration or herniation of the intervertebral disc due to aging, enduring heavy loads or inappropriate posturers during long-term heavy activities. Most of these damages occur in the L4-L5 intervertebral disc. Each intervertebral disc consists of an exterior lamellated part known as Annulus Fibrosus (AF), and an inner part called Nucleus Pulposus (NP). AF is responsible for load distribution and provides flexibility while NP sustains applied loads. Since using mathematical models and numerical simulations provide potentially powerful tools for experts in making appropriate decisions, in this research, firstly, a set of pro-hyperelastic constitutive equations was derived based on the biphasic theory with considering the interaction between the solid and fluid phases in confined compression conditions. Then, to be used in realistic loadings, the pro-hyperelastic constitutive model was developed by considering reinforcing fibres in the solid phase. To determine the material parameters in the proposed constitutive models, various relaxation and creep experiments were carried out on the AF and NP samples under confined compression conditions. The experimental results showed that the AF tissue has a larger aggregate modulus than the NP, and it is structurally stiffer, but its permeability coefficient is lower than NP, which indicates the easier fluid flow inside the NP. To provide a more accurate simulation, the effects of aging, temperature, swelling and tissue anisotropy on the mechanical behaviour of the intervertebral disc were investigated, separately, by carrying out various experimental tests. The obtained results showed a significant effect of aging on the aggregate modulus. With increasing age, the aggregate modulus of the samples increased, but their permeability did not differ much. The outcomes showed a nonlinear and significant effect of temperature on the aggregate modulus and permeability of the intervertebral disc tissue. With increasing temperature, the value of permeability increased, and the aggregate modulus decreased, and vice versa. The study of the effect of free and confined swelling conditions showed that the values of aggregate modulus and load-bearing capacity with a similar trend were greater for confined swelling condition, but it was opposite for the permeability and had larger values for free-swollen samples. Investigating the anisotropy effect showed no significant differences between the material parameters of the samples prepared in different directions; in other words, the tissue had an isotropic behaviour under compressive loads. Also, by selecting different test samples extracted from spines of goat, human and bovine tail, similarities and differences between human tissue and animal alternatives were studied. Then, by means of writing the UMAT code and analytical development of governing equations in continuum mechanics, the pro-hyperelastic model was prepared for use in finite element software. 3D accurate models of L4-L5 IVD and L4 and L5 vertebrae were obtained based on existing MRI and CT scans for a 39-year-old male cadaver, respectively, and entered to the finite element software. The mechanical behaviour of the IVD was investigated under realistic loadings, and its deformation and applied stresses were determined and validated with the literature. Using this 3D simulation, a suitable tool was developed for clinicians to form an appropriate loading pattern for the vertebrae and provide artificial substitutes

Parallel Title

‮‭Developing a Hyperelastic-Creep Model For L۴-L۵ Intervertebral Disc With Aging Effect Using Experimental Data‬

رسولیان، اکبر

Rasoulian, Akbar

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی