فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال دوم شماره 1 (بهار 1387)

  • ویژه نامه لیزر و اولتراسوند
  • تاریخ انتشار: 1387/02/11
  • تعداد عناوین: 7
|
  • هانیه نیرومند اسکویی، فرزان قالیچی، محمد تفضلی شادپور صفحه 1
    این تحقیق به نحوه تغییر بارهای مکانیکی و ساختار با افزایش سن در نمونه ای از شریان های عضلانی پرداخته است. بر اساس داده های تجربی گرداوری شده شریان براکیال به عنوان شریان عضلانی شبیه سازی شده است. با در نظر گرفتن اندرکنش سیال-جامد، از نرم افزار آدینا 1. 8 برای حل عددی برای حل معادلات سیال و جامد استفاده شده است. به منظور بررسی همزمان تاثیر تنش محیطی و تنش برشی در بازسازی، موج های فشار و جریان نوسانی به عنوان شرایط مرزی انتخاب شده اند. بررسی سه الگوی بازسازی در شریان براکیال نشان داد روش آتروفیک داخلی با تغییرات کم نتایج بهتری در مقابل حفظ محدوده تنش محیطی دیواره در پی داشته و می توان آن را روش بهینه برای بازسازی شریان براکیال در نظر گرفت.
    کلیدواژگان: شریان براکیال، تنش محیطی، تنش برشی، بازسازی، اندرکنش سیال، جامد
  • افسانه مجری، محمد تفضلی شادپور، احسان یخشی تفتی صفحه 9

    گرفتگی های شریانی و بیماری های قلبی- عروقی ناشی از آن مانند تصلب شرائین، از دلایل عمده مرگ و میر در دنیاست. در این مقاله، با استفاده از یک مدل غیرخطی سه بعدی از شریان کاروتید دارای گرفتگی نامتقارن و با در نظر گرفتن تعامل میان جامد و سیال (FSI)، جریان خون در این شرایط مدلسازی شد. برای انجام دادن شبیه سازی از نرم افزار انسیس بهره گرفته شد. با توجه به بررسی های انجام گرفته این نرم افزار از توانایی مناسبی در تحلیل مسائل FSI برخوردار نیست. بنابراین با استفاده از کدنویسی در محیط ماکروی نرم افزار، دسترسی به الگوریتم حل مساله FSI از طریق روش کوپلینگ ضعیف میسر شد. تغییرات قابل توجه فشارخون بصورت موضعی و افت شدید فشار و در نتیجه ایجاد تنش فشاری در پایین دست گرفتگی، پروفیل متغیر تنش برشی در منطقه گرفتگی و تغییرات قابل توجه آن پس از گرفتگی، تغییرات قابل توجه پروفیل سرعت و ازدیاد قابل توجه جریان های برگشتی در اثر افزایش میزان خروج از مرکز پلاک، از جمله نتایج به دست آمده در پژوهش حاضر است. نتایج به دست آمده در ارزیابی وخامت بیماری، امکان پیشروی بیماری و پیش بینی محل های مستعد برای شکست پلاک آتروسکلروتیک استفاده می گردد.

    کلیدواژگان: گرفتگی شریانی، جریان خون، اندرکنش جامد و سیال، شکست پلاک، روش المان محدود
  • مرتضی خلیلیان، مهدی نویدبخش، مجتبی رضازاده، محمود چیذری، پوپک افتخاری صفحه 21

    به تازگی توجه چشمگیری به اندازه گیری خواص مکانیکی بافت های زنده و به طور خاص سلول واحد شده است. سفتی، پارامتر مهمی در تعیین خصوصیات فیزیکی بافت های زنده است. در حقیقت تغییرات سفتی تخمک به عنوان یک سلول واحد، بحث بی نظیری را در شناخت فرایند لقاح ارائه می کند. گزارش های ارائه شده نشان می دهند که لایه زونا پلوسیدا، لایه محیطی تخمک، پس از عمل لقاح دچار تغییرات می شود. در این مطالعه خصوصیات بیوفیزیکی لایه زونای تخمک موش قبل و بعد از لقاح به عنوان تغییرات رفتار مکانیکی سلول مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کار از طریق روش مکش با میکروپیپت، سلول مورد آزمایش زیر میکروسکوپ معکوس به داخل میکروپیپت کشیده و تغییرشکل حاصل اندازه گیری شده است. با استفاده از قوانین حاکم بر مکانیک سلولی رابطه ای برای محاسبه ضریب کشسانی لایه زونای تخمک استخراج و تغییر در کشسانی زونا در مرحله متافاز و پیش هسته به صورت کمی محاسبه شد. نتایج به دست آمده نشان داد فرایند لقاح و تغییر در خصوصیات بیوفیزیکی به طور مستقیم بر رفتار مکانیکی سلول موثر است. بنابراین با تعیین مشخصات مکانیکی سلول می توان شرایط فیزیولوژیکی آن را مورد مطالعه قرار داد. در خصوص سلول جنسی موش، نتایج به طور واضح سفت شدن لایه زونای تخمک را بعد از لقاح نشان می دهد. روش و مدل ارائه شده در این مطالعه می تواند برای بررسی خصوصیات مکانیکی دیگر بیوغشاها و انواع دیگر سلول ها مورد استفاده قرار گیرد.

    کلیدواژگان: ضریب کشسانی، مکش با میکروپیپت، سلول زنده، زونا پلوسیدا، لقاح
  • بهمن وحیدی، ناصر فتورایی، علی ایمان پرست صفحه 29

    جریان بازگشتی (رفلاکس) مثانه به میزنای یکی از عوامل شایع پدید آورنده بیماری های پیلونفریت و سیستیت است. اتساع میزنای، لگنچه کلیوی و کالیس ها به طور معمول در اثر رفلاکس مشاهده می شود. در این مقاله به منظور بررسی پدیده مذکور، یک مدل متقارن محوری معرفی شده است. برای مدلسازی انقباض میزنای از یک جسم صلب که با جدار خارجی میزنای برخورد دارد، استفاده شده است. معادلات اجزای محدود برای سیال و جامد با استفاده از روش تکراری نیوتن-رافسون حل شد. تاثیر کشسانی دیواره میزنای، اثر اختلاف فشار ورودی و خروجی و همچنین سرعت متوسط حرکت موج دودی شکل در طول میزنای بر دبی جریان خروجی تحلیل و اثر تعداد موج انقباض بر روابط فشار و جریان در میزنای بررسی شد. افزایش تعداد موج انقباض باعث کاهش دبی عبوری از میزنای می شود. بر اساس نتایج به دست آمده از بررسی تغییرات سرعت حرکت موج انقباض در طول مجرا، که اگر سرعت متوسط موج انقباض از مقدار حدی کمتر باشد، وجود آن تاثیر جدی بر دبی خروجی میزنای نخواهد داشت. در نهایت نشان داده شد که وجود اختلال در دریچه های مجاری ادراری، حتی با فرض شروع کم سرعت موج انقباض، بخشی از جریان بازگشتی را از خود عبور خواهند داد.

    کلیدواژگان: حرکت دودی شکل، بازگشت ادرار، انتقال ادرار، موج انقباض، برهمکنش سیال و جامد
  • حامد آوری، فرزان قالیچی، مجید احمدلوی داراب صفحه 39

    تنظیم آهنگ تنفس یکی از متغیرهای مهمی است که افراد در هنگام فعالیت های مختلف به ویژه فعالیت های ورزشی با آن مواجه اند. در این مقاله، با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک مدل متقارن محوری دو بعدی مورد مطالعه قرار گرفته است. این مدل مصرف و تبادل گاز اکسیژن را در مویرگ های ریوی که در سیستم گردش خون کیسه هوایی در ریه رخ می دهد، بررسی و مطالعه می کند. مدل دارای سه بخش اصلی متشکل از یک غشای مویرگی بدون حرکت، یک ناحیه پلاسمائی متحرک و چهار گلبول قرمز نیم دایره شکل متحرک است. نتایج به دست آمده نشان می دهد رابطه ای معکوس بین زمان اشباع گلبول های قرمز و آهنگ تنفس وجود دارد و تعداد دفعات دم و بازدم برای یک دقیقه در حالت نرمال 14 بار و برای حالات با بیشترین فعالیت 50 بار براورد می شود. با استفاده از یک عامل تبدیل رابطه ای بین حالت های مختلف فعالیت های جسمانی، با شدت متغیر و آهنگ تنفس ارائه گردیده است.

    کلیدواژگان: آهنگ تنفسی، CFD، مویرگ های ریوی، اشباع گلبول قرمز، شبکه محاسباتی لغزان
  • محمد حق پناهی، محمد نیکخو، حبیب الله پیروی صفحه 47

    در راستای مطالعات مکانیک بیولوژیکی به عنوان یکی از زیر ساختارهای مهم علوم مهندسی بافت، در این مقاله به مدلسازی ترکیبی المان محدود دیسک های بین مهره ای به عنوان یک بافت نرم متخلخل اشباع شده پرداخته شده است. بنابراین در ابتدا با توجه به قوانین حاکم بر مکانیک محیط های پیوسته، روابط حاکم بر مدل سه فازی دیسک های بین مهره ای استخراج شده است. سپس با استفاده از روش باقیمانده وزنی گلرکین، فرمول بندی المان محدود استخراج و با بهره گیری از روش های نیومارک و بازگشتی اویلر، روابط غیرخطی حل گردیده است. در نهایت به منظور صحه گذاری مدل ریاضیاتی، نتایج مدل یک بعدی با نتایج تحلیلی دکتر سیمون و دکتر سان و همچنین اطلاعات آزمایشگاهی دکتر رست مقایسه شده است. نتایج مبین قابلیت مدل ریاضیاتی برای استفاده در مطالعات بیومکانیکی در قبال بارگذاری های مختلف مکانیکی و الکتروشیمیایی است و بنابراین می توان بر پایه این مدل به بررسی بیومکانیک مهندسی بافت دیسک های بین مهره ای در طرح ریزی فرایند کشت سلولی پرداخت. در نهایت با استفاده از مدل دوبعدی همگن صفحه ساجیتال با خواص مکانیکی دیسک بین مهره ای، به بخشی از کاربردهای متعددی که مدل می تواند در فرایند مطالعات بیومکانیک مهندسی بافت ایفا کند، اشاره ای اجمالی شده است.

    کلیدواژگان: المان محدود، مکانیک بیولوژیکی، تئوری محیط های متخلخل، دیسک بین مهره ای، روش باقیمانده وزنی گلرکین
  • نیما جمشیدی، مصطفی رستمی، سیامک نجاریان، محمدباقر منهاج، محمد سعادت نیا، فیروز سلامی صفحه 57

    در این مطالعه متغیرهای سینتیکی حاصل از نیروهای عکس العمل زمین برای محدود کردن تشخیص های افتراقی در بیماران نوروپاتی و اندازه گیری شدت ناتوانایی در طی گام برداشتن ارزیابی شده است. 25 بیمار نوروپاتی با راه رفتن اسبی و 20 فرد سالم در این مطالعه شرکت کردند که از نظر متغیرهای قد، وزن، سن بین دو گروه تفاوت معنا داری وجود نداشت (05/0.P>). هر شرکت کننده به طور میانگین 2±10 بار برای محاسبه متغیرهای سینتیکی نیروهای عکس العمل زمین مورد آزمایش قرارگرفت. سپس پارامترهای زمانی و نیرویی مولفه های نیروی عمودی عکس العمل زمین که بیانگر فازهای مختلف راه رفتن هستند، متغیرهای زمانی و نیروی قدامی– خلفی نیروی عکس العمل زمین، بیشترین نیروی رانش پا به جلو، بیشترین نیروی توقف در خلال مرحله بارگذاری و حداکثر نیروی خلفی شتاب گیرنده در انتهای فاز ترمینال استنس، ضربه حاصل از برخورد پای بیمار با زمین، نرخ بارگذاری و باربرداری نیروهای عمودی طی فاز تماس پا با زمین و جابجایی مرکز فشار در کف پا وضریب اصطکاک بین پا و زمین محاسبه شدند. نتیجه این تحقیق نشان داد که همبستگی میان اولین و دومین قله مولفه های قدامی-خلفی نیروهای عکس العمل زمین، الگوی جابجایی مرکز فشار در کف پا و متغیرهای زمانی نیروی عکس العمل می توانند شاخص های خوبی برای تشخیص افتراقی و اندازه گیری شدت ناتوانایی ها باشند. این مطالعه می تواند سبب گسترش کاربردهای بالینی صفحات سنجش نیروی عکس العمل زمین و معرفی معیارهای مناسبی برای محدود کردن تشخیص های افتراقی و اندازه گیری شدت ناتوانایی ها در نوروپاتی ها گردد. گسترش مطالعات با نمونه های بیشتری از افراد بیمار و سالم برای تایید یافته های این پژوهش ضروری به نظر می رسد.

    کلیدواژگان: نوروپاتی، افتادگی پا، مرکز فشار، راه رفتن، سینتیک، شدت بیماری
|
  • Hanie Niroomand Oscuii, Farzan Ghalichi, Mohammad Tafazzoli Shadpour Page 1
    In this paper, we studied the effect of mechanical loading on remodeling process with aging in muscular arteries. Based on the gathered experimental data, the brachial artery was selected for simulation. In this simulation, pulsatile pressure and flow waves were considered as boundary conditions to study the effect of circumferential stress and wall shear stress on the remodeling process. FSI based transient numerical simulation was used to solve the fluid and solid equations. The results of three remodeling schemes showed that inward eutrophic scheme is an optimum algorithm for brachia! Artery remodeling with aging. Such remodeling scheme causes the most optimized outcome to keep circumferential stress with minimal alteration.
    Keywords: Brachial artery, Circumferential stress, Wall shear stress, Remodeling, Fluid- solid interaction
  • Afsane Mojra, Mohammad Tafazzoli Shadpour, Ehsan Yakhshi Tafti Page 9

    Arterial stenosis and the consequent cardiovascular diseases such as atherosclerosis remain the major cause of mortality in the world. In this study, blood flow was analyzed in a three-dimensional model of stenosed carotid artery with asymmetric stenosis utilizing fluid-structure interaction method. The modeling was performed by ANSYS finite element software. To overcome the software inconsistency in FSI mode, a new code was designed in ANSYS multi-physics environment for coupling of solid and fluid domains via incremental boundary iteration method. The results indicated a considerable variation of local blood pressure, velocity and shear stress in stenosed artery, high pressure drop along stenosis, compressive stress and larger flow separation zone in the post-stenotic region as the result of increased eccentricity of stenosis. The results might be applied in evaluation of plaque severity, progression of disease, plaque growth and vulnerable regions of plaque to fracture.

    Keywords: Arterial stenosis, Blood flow, fluid-structure interaction, Plaque rupture, Finite element method
  • Morteza Khalilian, Mehdi Navidbakhsh, Mojtaba Rezazade, Mahmoud Chizari, Poupak Eftekhari Yazdi Page 21

    Recently, considerable biomedical attention has centered on the mechanical properties of living tissues at the single cell level. Stiffness is an important parameter in determining the physical properties of living tissues. Indeed, stiffness changes of the ovum as a single cell pose a unique challenge in determining the sequence of fertilization. The ovum's extracellular layer has been reported to be altered following fertilization in a process described as Zona reaction. In the present study, the Young's modulus of Zona Pellucida of the mouse ovum was evaluated using micropipette aspiration technique. By incorporating exact engineering principles into the cell mechanics and extract appropriate formula, the Young's modulus of metaphase II (MII) and pronuclear (PN) was measured. The experimental results clearly demonstrated that the mouse Zona Pellucida hardened following fertilization. This study involves the contents of Reproductive Biology and Mechanics, and opens up a new trail of thought for evaluating the quality of mammalian oocytes and embryos.

    Keywords: Young's modulus, Micropipette aspiration, Living cells, Zona Pellucid, Fertilization
  • Bahman Vahidi, Nasser Fatouraee, Ali Imanparast Page 29

    Ureter reflux is one of the prevalent factors that causes pyelonefrit and sistit syndromes. Dilatation of ureter, renal pelves and calyx are detectable with reflux. In this paper, in order to analyze this phenomenon, an axisymmetric model was introduced. We utilized a rigid body, which is in contact with the outer ureter wall to model ureter contraction. The Navier-Stokes equations are solved for the fluid and a linear elastic model is used for ureter wall structure. The finite element equations for both the structure and the fluid were solved by the Newton-Raphson iterative method. The effect of ureter wall elasticity, pressure difference between the ureter inlet and outlet and the effect of the average velocity of peristaltic wave along the length of the ureter on the ureter outlet flow rate were analyzed. Moreover, the effect of the number of contraction waves on the pressure and flow relations in the ureter was analyzed. Increase in the number of contraction waves reduced the flow passing through the ureter. The results of investigating about the contraction wave velocity variations indicated that if average velocity the contraction wave was lower than a limited magnitude, its existence did not have any considerable effect on the ureter outlet flow rate. Finally improper function of urinary tubes junctions results in the passage of a part of back flow even in the case of low velocity beginning of the contraction wave.

    Keywords: Peristalsis, Reflux, Urine transport, Contraction wave, Fluid structure interactions
  • Hamed Avari, Farzan Ghalichi, Majid Ahmadlouy Darab Page 39

    Adjusting the rhythm of breath is one of the important parameters that a successful athlete must consider. In this paper, the relationship between man's activity and respiration rhythm is studied. A numerical simulation is carried out on a 2D axi-symmetric model using computational fluid dynamics (CFD) method. The model considers the oxygen uptake in the pulmonary capillaries in alveolar microcirculation system. The geometry consists of three main parts: a stationary capillary membrane, a moving plasma region and four semi-circular-shaped RBCs. Results show an inverse relationship between saturation time of RBCs and respiration rhythm. Using an inversion factor, a relationship is presented to assess the proper respiration rhythm for different exercise states.

    Keywords: Respiration Rhythm, PuJmonary Capillaries, CFD, RBC saturation, sliding mesh
  • Mohammad Haghpanahi, Mohammad Nikkhoo, Habibollah Peirovi Page 47

    According to mechanobilogical studies as an infrastructure for tissue engineering researches, this paper presents a triphasic finite element modeling of intervertebral discs such a hydrated porous soft tissue. First, the governmental equations were derived on the basis of the laws of continuum mechanics. Then the standard Galerkin weighted residual method was used to form the finite element model. The implicit time integration schemes were applied to solve the nonlinear equations. The formulation accuracy and convergence for one dimensional case were examined with Simon's and Sun's analytical solutions and also Drost's experimental Data. It was shown that the mathematical model is in excellent agreement and has the capability to simulate the intervertebral disc response under different types of mechanical and electrochemical loading conditions. Finally, to have a short review of the capability of the model, a homogenous two dimensional version of the model was applied to simulate the response of a simple sagittal slice of the intervertebral disc.

    Keywords: Finite element, Mechanobiology, Porous media theory, Intervertebral Disc, Galerkin method
  • Nima Jamshidi, Mostafa Rostami, Siamak Najarian, Mohammad Bagher Menhaj, Mohammad Saadatnia, Firouz Salami Page 57

    In this research the kinematics parameters derived from ground reaction forces were evaluated to limit the differential diagnoses and measure the degree of disabilities during the walking among neuropathic subjects. 25 neuropathic subjects affected by drop foot and 20 normal subjects were enrolled in the study. There were no differences in the age, weight and height between the patients and normal subjects (p > 0.05). Each subject was tested in average 10±2 times for calculating the kinetic parameters derived from ground reaction forces. Then time parameters and vertical components of force including three extremums of vertical forces, which state various phases in gait, anterior­-posterior component of ground reaction force, maximum propulsion force, maximum breaking force during loading stage, maximum propulsion force in the end phase of terminal stance, impact derived from the contact of the patient' foot with floor, loading rate and unloading of vertical forces during the contact' phase of the patient's foot with floor and center of pressure displacement in sole of foot and friction' coefficient between foot and floor were calculated. The results revealed that correlation between the first and second peaks of the anterior-posterior component of ground reaction forces, center of pressure displacement pattern in the sole of foot and time parameters of the vertical forces can be good indexes for differential diagnoses and measuring the degree of disabilities. This research can extend the clinical applications of ground reaction force plate, introduce suitable criteria to limit differential diagnoses and measure the degree of disabilities among the neuropathies. There is a need to replicate this research with more patients and normal subjects to confirm our findings.

    Keywords: Neuropathy, Drop foot, Center of pressure, Gait, Kinetic, Disorder intensity