چکیده

با وارد شدن شتاب های بزرگ بر بدن انسان عملکرد قلب و میزان خون رسانی به بدن تحت تأثیر قرار می گیرد. به دلیل ساختار پیچیده قلب از نظر هندسی و رفتار الاستیک غیر خطی بافت سازنده آن، یکی از روشهای سودمند تحلیل رفتار این سازه تحت تأثیر نیروهای خارجی استفاده از روش المان محدود می باشد. برای مدل سازی قلب با استفاده از روش المان محدود، خواص مکانیکی و ویژگیهای هندسی آن باید مشخص شود. مدل سازی بافت های نرم مانند بافت قلب با استفاده از روش اجزاء محدود یکی از چالش برانگیزترین مباحث در حوزه مهندسی بیومکانیک می باشد. در این پایان نامه خواص مکانیکی قلب لا استفاده آزمایش فشار بر روی نمونه هایی از قلب گاو بدست آورده شده است. با استفاده از داده های تجربی بدست آمده، مدل های هایپر الاستیک متفاوتی که به طور معمول برای مدل سازی بافت های نرم استفاده می شود، مورد بررسی قرار گرفته و با مقایسه نتایج، مدل ها هایپر الاستیک یوح از بین آنها انتخاب شده است. برای مدل سازی و تحلیل المان محدود عملکرد قلب، مدل سازی هندسی سه بعدی قلب با استفاده از عکس های ام-آر-آی قلب انسان در نرم افزار های میمیکس و کتیا صورت پذیرفته است. مدل هندسی ساخته شده وارد نرم افزار اجزاء محدود آباکوس گردیده و خواص هایپر الاستیک تعریف شده به آن اختصاص داده شده است.با در نظر گرفتن شرایط مرزی مناسب، تحلیل المان محدود قلب برای سطوح مختلف شتاب در جهت محور عمودی بدن در مرحله پر شدن سریع سیکل قلبی انجام شده است. با استفاده از نتایج تخلیل المان محدود، تغییر شکل، تنش و کرنش ایجاد شده در قلب مورد بررسی قرار گرفته و همچنین تغییر حجم ایجاد شده در بطن ها در اثر شتاب که بر روی میزان خون رسانی قلب به بدن تأثیر گذار است، محاسبه شده است.

واژگان کلیدی: المان محدود، بافت نرم قلب، هایپر الاستیک، تصاویر ام آر آی قلب، شتاب

فصل اول     مقدمه

۱-۱- معرفی و تاریخچه موضوع

قلب به عنوان یکی از مهمترین ارگان های بدن نقشی اساسی در حیات انسان دارد. بسته به سن و اندازه فیزیکی، قلب به طور متوسط با شصت تا هفتاد تپشی در دقیقه خونی معادل ۴ الی ۶ لیتر را در عروق انسان جابجا می نماید که وظیفه انتقال مواد غذایی و اکسیژن را به بخشهای مختلف بدن عهده دار میباشد. هر گونه تغییری در عملکرد قلب باعث اثر گذاری بر دیگر ارگانهای بدن می شود. یکی از عوامل بدن انسان در مکانهای مختلف به طور مداوم تحت تاثیر شتاب های مختلف واقع می شود. در بسیاری از پروازهای خاص، بدن خلبان جنگنده ممکن است تحت اثر شتاب های بسیار بالایی قرار بگیرد که تا G ۱۰ هم برسد. در اثر ایجاد شتاب G مثبت و سنگین تر شدن نسبی، خون بدن انسان نیز سنگین شده و توانایی بالا رفتن به مغز را ندارد، در نتیجه طی حالتی که به آن بلک آوت گفته میشود، چشمان خلبان سیاهی اما قلب هر چه قدر تلاش کند نمی تواند خون را به مغز برساند. در صورت ایجاد شتاب G منفی، خون آدم میشد سبک شده و به مغز فشار میاورد و طی حالتی به نام رد اوت ، چشمان خلبان سرخ می شود و سرش گیج چنین شتابی، عملکرد قلب و خون رسانی به قسمتهای مختلف بدن دچار مشکل می شود و این نگرانی وجود دارد که بافت نرم قلب در اثر وارد شدن تنش های زیاد دچار آسیب دیدگی شود \ در تصادفهای وسایل نقلیه در مدت زمان کوتاهی شتاب بسیار زیادی بر تمام بدن وارد می شود. ایجاد ترومای قفسه سینه”در اثر تصادف باعث اختلال در عملکرد خون رسانی قلب و یا ایجاد تغییر شکل ناگهانی قلب و برخورد با قفسه سینه و در نهایت آسیب به بافت قلب می شود. علاوه بر این استفاده از تجهیزات ایمنی مانند کیسههای هوا نیز ممکن است با ایجاد تروما بر روی قفسه سینه باعث آسیب به استخوانها و اعضای درونی بدن مانند قلب، شش ه و کبد شود. استفاده روزافزون انسان از وسایل نقلیه و حوادث غیر قابل اجتناب ناشی از آنها و توسعه مداوم برنامه های فضایی با بکارگیری هواپیماها و فضاپیماهایی با کارایی بالا که دارای قابلیت ایجاد شتاب های بسیار زیادی هستند، باعث انجام کارهای تحقیقاتی قابل توجهی در ارتباط با واکنش های فیزیولوژیکی بدن انسان در این شرایط خاص شده است. این مطالعات برای حفظ سلامت سرنشینان و خلبانان هنگام قرار گرفتن در این شرایط خاصی بسیار مهم است و به بهبود تجهیزات مورد استفاده و باز بینی در نحوه بکارگیری آنها کمک فراوانی کرده است. واکنشهای فیزیولوژیکی بدن به شتاب در مقادیر معمولی تر شامل از دست دادن موقت دید محیطی و هوشیاری و در موارد شدید تر شامل آسیب به اعضای بدن می شود . برای افزایش ایمنی، اثرات وارد شدن شتاب های بالا بر سیستم قلبی عروقی به بررسی نیاز دارد (رجوع شود به. تحمل انسان در مقابل شتاب به عواملی مانند اندازه شتاب، جهت وارد شدن آن، وضعیت بدن و مدت زمان باقی ماندن شتاب بستگی دارد. بر اساس نتایج آزمایشات انجام شده در یک محیط امن و با استفاده از سانتریفیوژ بر بدن محافت نشده انسان، سطح بلک آوات متوسط بین ۳۵ تا ۴G است. جریان خون در بدن انسانی که در معرض شتابی بیشتر از ۶G قرار بگیرد، به سختی می تواند به مغز برسد و میتواند باعث از دست دادن هوشیاری شود ا۸|ا وارد شدن چنین شتاب هایی برای زمانهای طولانی تر باعث مشاهده رفتارهای غیر عادی در نوار قلب انسان ا۹ او نیز خونریزی در اندوکاردیم و تغییرات پاتولوژیک بافت میوکاردیم در حیوانات می شود. مطالعه اثرات واردشدن شتاب بر بدن انسان برای کاهش آسیبهای وارده بر بدن امری ضروری مینماید.

در روش های تجربی که اثرات شتاب با آزمایش مستقیم بر بدن انسان بررسی می شود، با قرار دادن انسان در شتاب های بالا، حداکثر شتاب قابل تحمل، اندازه گیری می شود. هم چنین پیامدهای این شرایط بر بدن انسان از جمله عملکرد قلب و مغز مورد بررسی قرار می گیرد. اما با استفاده از روشی های تجربی، اطلاعات کافی برای شناسایی آسیبهای محلی وارد شده بر بافت قلب وجود ندارد. از طرفی انجام این آزمایشات با صرف هزینه های بسیار زیاد همراه خواهد بود. امروزه استفاده از روش محاسباتی مانند روش المان محدود برای بدست آوردن اطلاعات مناسب مانند تنش و تغییر شکل در ساختار قلب برای بررسی تغییر در عملکرد آن بسیار ضروری است. تجزیه و تحلیل المان محدود، ابزاری قدرتمند برای شبیه سازی قلب تپنده و مطالعه مکانیک آن است .. به عنوان مثال، از تحلیل المان محدود، میتوان اطلاعات زیادی درباره تنش و کرنش هر نقطه از قلب که دو مورد از مهمترین معیارهای بررسی عملکردهای فیزیولوژیکی قلبی هستند، بدست آورد. این عملکردها عبارتند از: پمپاژ خون در بطنها، نیاز به اکسیژن قلب، توزیع جریان خون در عروق کرونری، آسیب پذیری مناطق قلب به بیماریهای ایسکمی و انفارکتوس و خطر آریتمی

1-1معرفی و تاریخچه موضوع 2

2-1مدل سازی خواص مکانیکی بافت نرم قلب 4

3-1مدل سازی هندسی قلب 7

4-1اهداف پژوهش 8

5-1فصل بندی مطالب پایان نامه 9

دریچه های تشکیل دهنده قلب

دریچه های تشکیل دهنده قلب

فصل دوم   معرفی قلب

۱-۲ – مقدمه

قلب عضوی حیاتی در داخل بدن است که همیشه در حال کار کرد می باشد. برای شبیه سازی همه جانبه قلب اطلاعات کاملی در مورد ویژگی های مختلف ساختاری و عملکردی آن مورد نیاز است. در این بخش قلب و وظیفه آن در بدن به طور کامل معرفی می شود. برای مدل سازی خواص مکانیکی بافت نرم قلب، ساختار بافت تشکیل دهنده آن مورد بررسی قرار میگیرد. حفره های قلب و ویژگیهای هندسی قسمتهای مختلف آن مانند دیواره ها برای مدل سازی سه بعدی قلب معرفی می شود. در انتهای فصل نیز سیکل قلبی و نحوه عملکرد آن بررسی میگردد.

2-8-اعصاب قلب

سیستم عصبی خودکار ضربان قلب از طریق اعصاب سمپاتیک و پاراسمپاتیک می باشد که به دهلیزها، بطن ها، گره SA و A V عصب دهی می کند. فیبرهای سمپاتیک اثرات کرونوتروپیک مثبت  افزایش دهنده ضربان قلب  و اینوتروپیک مثبت افزایش دهنده قدرت انقباضیدارد. با تحریک اعصاب سمپاتیک نوراپی نفرین ترشح شده و سبب افزایش ضربان قلب، افزایش قدرت انقباضی و افزایش سرعت هدایت در گره AV می شود. فیبرهای پاراسمپاتیک اثرات کرونوتروپیک منفی کاهش دهنده ضربان قلب) و اینوتروپیک منفی کاهش دهنده قدرت انقباضی) دارد. با تحریک اعصاب پارا سمپاتیک استیل کولین نتیجه افزایش زمان هدایت در گره AV می شود.

1-2مقدمه 11

2-2- آناتومی قلب 11

2-3- لایه های تشکیل دهنده بافت نرم قلب 13

2-4- حفره های قلب 16

2-5- آناتومی دریچه قلب 17

2-5-1- دریچه های دهلیزی-بطنی 18

2-5-2- دریچه های نیمه هلالی 19

2-6- اهمیت دریچه های قلب 20

2-7- عروق کرونر قلب 21

2-8- اعصاب قلب 23

2-9- سیستم الکتریکی هدایت قلب 23

2-10- سیکل قلبی 25

2-11- سیکل قلبی همراه با الکتروکاردیوگرافی 25

2-12- نکاتی در رابطه با سیکل قلبی 31

عروق کرونر قلب

عروق کرونر قلب

فصل سوم   خصوصیات مکانیکی بافت های نرم 

۱-۳ – مقدمه

برای بسیاری از مواد، مدلهای الاستیک خطی به درستی رفتار مکانیکی را توصیف نمی کنند. رایج ترین مثال این نوع از مواد، بافتهای نرم هستند که می توان رابطه تنش-کرنش را برای آنها به صورت الاستیک غیر خطی تعریف کرد. برای مدل سازی بافتهای نرم از مدل های مختلفی مانند هایپرالاستیک، ویسکوالاستیک و یا ویسکوهایپرالاستیک که ترکیبی از دو مدل قبلی است، استفاده می شود. برای معرفی بهتر این مواد، ابتدا به معرفی مواد هایپرالاستیک و ویسکوالاستیک میپردازیم و سپس ماده ویسکوهایپرالاستیک را تعریف می کنیم.

مقدمه 34

2.3.  ماده هایپر الاستیک 34

1.2.3. آیزوتروپی 34

2.2.3. تابع چگالی انرژی کرنشی 35

3.3.  مدل های هایپر الاستیک پیشنهادی 39

1.3.3. انبساط گرمایی 44

4.3. ماده ویسکوالاستیک 45

5.3. ماده ویسکوهایپرالاستیک 47

قلب انسان ومحل قرارگیری آن در قفسه سینه

قلب انسان ومحل قرارگیری آن در قفسه سینه

فصل چهارم: بدست آوردن خصوصیات هایپر الاستیک بافت نرم 

۱-۴ – مقدمه

برای تعریف خصوصیات مکانیکی و بدست آوردن ضرائب مدل های هایپرالاستیک ارائه شده، به داده – های تجربی از رفتار مکانیکی بافت نرم قلب از جمله نمودارهای تغییر تنش بر اساس کرنش نیاز است. به همین دلیل برای بدست آوردن رفتار مکانیکی بافت قلب آزمایش فشار بر روی نمونه هایی از قلب گاو انجام شد و سپس با استفاده از دادههای تجربی بدست آمده، ضرائب مدلهای هایپرالاستیک نئو-هوکین، مونی – ریولین، چند جمله ای، یوح و اگدن که به طور معمول برای مدل سازی بافتهای نرم استفاده می شود، با استفاده از روشهای بهینه یابی ریاضی محاسبه شد. با مقایسه نتایج مدلهای مختلف، بهترین مدل برای شبیه سازی خواص مکانیکی بافت قلب انتخاب شد.

1.4.- مقدمه 50

2.4. انتخاب مدل هایپرالاستیک برای مدل سازی میوکاردیم 50

3.4. آزمایش فشار بر روی بافت ماهیچه قلب گاو 51

4.4. روش غیر خطی حداقل مربعات برای محاسبه ضرائب مدل هایپرالاستیک 54

5.4. شبیه سازی آزمایش فشار در نرم افزار آباکوس 57

6.4. بررسی و تأیید مدل های هایپر الاستیک مورد استفاده 58

لایه میوکاردیم قلب و فیبرهای منشعب وشاخه شاخه آن

لایه میوکاردیم قلب و فیبرهای منشعب وشاخه شاخه آن

فصل پنجم: مدل سازی سه بعدی قلب

۵- ۱- مقدمه

برای مطالعه قلب از لحاظ ساختاری و هندسه و هم چنین تحلیل اجزا محدود عملکرد آن، مدل سه بعدی از قلب مورد نیاز است. استخراج نتایج مناسب برای بررسی اثر شتاب های بزرگ بر عملکرد قلب مانند تغییرشکلی ها و تغییرات در حجم حفرهها نیازمند مدلی است که بر اساس شکل و ساختار واقعی قلب ساخته شده باشد. این مدل باید بتواند قلب را از لحاظ فیزیکی و خواص مکانیکی به درستی شبیه سازی کند. مدل سازی قلب به دلیل وجود حفره ها و دریچه های متعدد و شکل هندسی نامنظم و نا متقارن آن نیازمند راهکار ویژه ای میباشد تا بتوان مدل سه بعدی قلب را برای تحلیل تنش و کرنش فراهم نمود. برای انجام این مدل سازی نیاز است تا ابعاد قلب، ضخامت دیوارهها، مکان دقیق حفرهها و دریچه ها مشخص باشد. یکی از راه های مناسب برای مدل سازی قلب استفاده از عکسهای امآرآی می باشد. در این قسمت روش استفاده از عکس های امآرآی برای مدل سازی سه بعدی قلب شرح داده می شود.

5-2-روشهای مورد استفاده برای تصویر برداری قلب

در کارهای قبلی که تحلیل المان محدود قلب انجام شده است، مدل مورد استفاده برای قلب بسیار ساده و فقط به صورت دو حفره در نظر گرفته شده است . (شکل (۵-۱)). در این پایان نامه سعی بر این بوده است که مدل دقیق تری از قلب که شامل تمامی حفرهها و رگهای اصلی متصل به قلب باشد، ارائه شود تا نتایج تحلیل عملکرد قلب به حالت واقعی نزدیک تر باشند.شکل ۵-۱. مدل های ساخته شده برای قلب در پژوهشهای قبلی یکی از راهکارهای مناسب که برای استخراج مدل قلب استفاده می شود استفاده از عکس های امآرآی قلب می باشد. در تهیه عکسهای امآرآی از تصویرسازی تشدید مغناطیسی استفاده میشود تا وضوح قابل ملاحظه ای از مفاصل و بافتها و ارگانهای درونی بدن فراهم شود. در این پروژه برای مدل سازی قلب از عکس های امآرآی استفاده شده است. عکس برداری از سیستم قلبی عروقی با عکس برداری از سایر قسمت – های بدن تا حدودی متفاوت است. روش کار بر اساس اصول پایه همان تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (ام آر آی) است، اما برای استفاده در سیستم قلبی و عروقی بهینه سازی شده است. این بهینه سازی عمدتا در استفاده از  تکنیکهای تصویر برداری سریع و یا توالی است. با ترکیبهای مختلف از روش های مورد نظر، ویژگیهای کلیدی عملکردی و مورفولوژیکی از سیستم قلبی عروقی می تواند مورد ارزیابی قرار گیرد. برای تولید یک تصویر از توالی پالس که یک الگو از پالسهای فرکانس رادیویی و گرادیان مغناطیسی است، استفاده می شود. توالی پالسهای مختلف برای تصویربرداری از قلب وجود دارد که می توان به صورت گسترده به تکنیکهای خون سیاه و تکنیکهای خون روشن تقسیم نمود. از دو توالی اسپین اکو” و شیب اکو برای عکس برداری سیستم قلبی عروقی استفاده می شود. توالی اسپین اکو معمولا از تکنیک – های خون سیاه و توالی شیب اکو معمولا از تکنیکهای خون روشن استفاده می کند

1.5. مقدمه 64

2.5. روش های مورد استفاده برای تصویر برداری قلب 64

1.2.5. تکنیک های خون سیاه 66

2.2.5. تکنیک های خون روشن 66

3.5. ثبت تصاویر قلب با توجه به ضربان قلب 67

4.5. نحوه استخراج مدل قلب از عکسهای ام آر آی 67

5.5. گسسته سازی و مش بندی مدل قلب 74

لایه های تشکیل دهنده بافت ماهیچه ای قلب

لایه های تشکیل دهنده بافت ماهیچه ای قلب

فصل ششم:تحلیل المان محدود قلب تحت تأثیر بارگذاری شتاب

۱-۶ – مقدمه

در این فصل مدل سازی نهایی برای بررسی اثر شتاب بر عملکرد قلب انجام شده است. برای تحقق این هدف، ضرائب مدل هایپرالاستیک محاسبه شده به مدل اختصاص داده شده است. بعد از در نظر گرفتن شرایط مرزی مناسب، بار گذاری های مختلف شتاب اعمال و تغییر شکل قلب و تنشها و کرنش های ایجاد شده محاسبه گردیده است. همچنین تغییر حجم ایجاد شده در بطنها که بر روی میزان خون رسانی قلب تاثیر گذار هستند مورد بررسی قرار گرفته است.

۶- ۲- شرایط مرزی

اصلی ترین اعضایی که قلب موقعیت خود در داخل قفسه سینه نگه می دارند، رگ های متصل به آن هستند. برای تعریف شرایط مرزی برای مقید کردن مدل قلب، رگهای متصل به قلب ثابت فرض شده اند. هم چنین برای جلوگیری از جابجایی بیش از حد دیواره بالایی قلب به دلیل بارگذاری شتاب، درجه آزادی در امتداد محور عمودی برای قسمتی از نواحی مجاور رگهای متصل به قلب مقید شد. در حفره قفسه سینه، قلب بوسیله ریهها، کبد و دیافراگم احاطه شده است. اثر این اندام بر تغییر شکل و عملکرد قلب باید در تحلیل المان محدود در نظر گرفته شود. از آنجا که اطلاعات بسیار کمی در مورد خواص مکانیکی بافتهای نرم اطراف قلب در دسترس است ا۳۸]، مدلی مستطیلی شکل با مدول یانگ ۱۸۰ پاسکال و نسبت پواسون ۴۹/ که به طور کامل قلب را در بر میگیرد، ایجاد شد. این مدل به عنوان محدودیت فیزیولوژیکی در مقابل انبساط قلب در نظر گرفته شده است. شرایط مرزی تماسی در محل تماس سطح خارجی قلب با مدل اطراف آن تعریف شده است.

۱-۲-۶- انتخاب مرحله مناسب از سیکل قلبی برای بارگذاری شتاب

در طول فاز دیاستولیک چرخه قلبی، بطن های قلب در حال پر شدن از خون هستند در حالی که قلب در حال استراحت است. بر این اساسی، نیروهای ماهیچه های میوکاردیم به به روند پر شدن بطنها کمک نمی کنند. مرحله دیاستول خود به سه قسمت تقسیم می شود (شکل (۶-۱)). اولین قسمت مجموعه بلافاصله بعد از دوره آرامش هم حجم، زمانی که فشار بطنها در حداقل مقدار خود قرار دارد، آغاز می شود. در این لحظه فشار خون در دهلیزها از فشار بطن ها بیشتر است، بنابراین دریچههای تریکوسپید و میترال باز می شوند و خون به سرعت به داخل بطن ها جریان پیدا می کند. برای یک فرد بزرگسال در حال استراحت حجم بطن چپ به طور معمول از ۱۰+۴۰ تا ۱۰+ ۸۰ میلیلیتر افزایش پیدا میکند ا۵۳-۵۵ ]. به این مرحله که یک سوم اول فاز دیاستول را پوشش میدهد، مرحله پر شدن سریع میگویند که قسمت اصلی پر شدن بطنها از خون در این مرحله اتفاق میافتد. در طول یک سوم دوم، جریان خون به داخل بطنها بسیار آهسته است (شکل (۶-۱)). در مرحله سوم، دهلیزها دچار انقباض می شوند و در نتیجه خون بیشتری به بطنها جریان پیدا می کنند. به این مرحله سیستول دهلیزی گفته می شود و مقدار خونی که طی آن منتقل می شود در حدود ۲۵٪ از حجم پایان دیاستولی بطن ها می باشد. همان طور که اشاره شد در طول مرحله پر شدن سریع نیروهای ماهیچه ای میوکاردیم به روند پر شدن بطن ها کمک نمی کنند، به همین دلیل تغییر شکل قلب در اثر وجود نیروهای خارجی مانند شتاب می تواند باعث کاهش حجم خون ورودی به بطن ها شود. برای بررسی تاثیر شتاب بر عملکرد قلب، مرحله مناسبی از چرخه قلبی باید در نظر گرفته شود. مرحله پر شدن سریع که مهم ترین بخشی از دیاستول بطنی است و بخش اصلی از بطنها در این مرحله از خون پر می شوند، به عنوان مرحله مناسب از سیکل قلبی برای ارزیابی اثر شتاب بر عملکرد قلب در نظر گرفته شده است. در مطالعات المان محدود عملکرد قلب، فشار خون دارای پیامدهای قابل توجهی در تنش و کرنش نهایی میباشد که این مسئله باید در شبیه سازی در نظر گرفته شود.

1.6. مقدمه 78

2.6.شرایط مرزی 78

1.2.6. انتخاب مرحله مناسب از سیکل قلبی برای بارگذاری شتاب 78

3.6. ویژگی های مدل ساخته شده 82

4.6. شبیه سازی نهایی و نتایج 82

مدل های ساخته شده برای قلب در پژوهش های قبلی

مدل های ساخته شده برای قلب در پژوهش های قبلی

فصل هفتم: نتیجه گیری

در این پایان نامه اثرات شتاب های بزرگ در جهت رو به بالای محور عمودی بدن بر روی عملکرد قلب انسان مورد مطالعه قرار گرفت. برای نیل به این هدف، روشی برای شبیه سازی خواص مکانیکی و هندسی قلب انسان توسعه داده شد. ماهیچه قلب به عنوان ماده هایپرالاستیک ایزوتروپیک مدل گردید. خواص مکانیکی بافت قلب با استفاده از آزمایش های فشرده سازی تک محوره بر روی نمونه هایی از عضلات قلب گاو تعیین شد. برای انجام آزمایش نمونه های استوانه ای از عضله دیواره آزاد بطن چپ و راست تهیه گردید و مقدار کرنش ماکزیمم برای آنها در آزمون های فشرده سازی برای جلوگیری از آسیب به بافت ۳۰٪ در نظر گرفته شد. ضرایب تابع های هایپرالاستیک با استفاده از روش غیر خطی حداقل مربعات بر اساس دادههای تجربی تعیین شد. بر اساس نتایج بدست آمده مدل های مونی- ریولین و چند جمله ای برای مدل سازی خواص مکانیکی قلب مناسب نیستند در حالی که مدل های او گدن و یوح رفتار مکانیکی ماهیچه قلب را به خوبی مدل می کنند. از مدل یوح که دارای کمترین خطا است، برای تجزیه و تحلیل المان محدود قلب تحت بارگذاری های مختلف مورد استفاده قرار گرفت. به منظور بررسی اثر بارگذاری شتاب بر روی قلب، مدل هندسی سه بعدی واقع بینانه قلب با استفاده از تصاویر امآرآی قلب ایجاد شد. برای استخراج مدل قلب از تصاویر امآرآی و ساخت آن از نرم افزارهای میمیکس و کتیا استفاده گردید. مدل هندسی ساخته شده وارد نرم افزار آباکوس گردید و ضرائب محاسبه شده مدل هایپرالاستیک یوح به آن اختصاص داده شد. مرحله پر شدن سریع از چرخه قلبی به عنوان مرحله مناسب برای بررسی تاثیر شتاب بر عملکرد قلب انتخاب شد. برای تحلیل مدل شرایط مرزی هندسی لازم در نظر گرفته شد و منحنی تغییرات فشار – زمان بطنها در طول مرحله پر شدن سریع به عنوان بارگذاری فشار به مدل وارد شد. تغییرات حجم بطن چپ در اثر بارگذاری فشار داخلی مورد ارزیابی قرار گرفت که دارای سازگاری مناسبی با اطلاعات اندازه گیریهای قبلی است. از میان شتاب هایی که در جهتهای مختلف بر بدن انسان وارد می شوند، آن هایی که در جهت رو به بالای محور عمودی بدن (FGZ) وارد می شوند، دارای اهمیت بیشتر و اثرات شدیدتری بر بدن هستند. به همین دلیل در این پایان نامه سطوح مختلف شتاب از ۱G تا ۶G در جهت رو به بالای محور همودی بدن به مدل قلب وارد شد. تحت بارگذاری شتاب ۶G در جهت رو به بالای محور عمودی بدن، حجم بطن چپ در پایان مرحله پر شدن سریع به اندازه ۷.۲٪ کاهش و تنش متوسط در دیواره داخلی بطن چپ به اندازه ۹.۴٪ افزایش یافته است. کاهش حجم بطن چپ نشانه ای از کاهش میزان خون رسانی به بدن بوسیله قلب در شتاب های بالا می باشد. بر اساس نتایج بدست آمده اندازه حفرهها و نحوه پیکربندی آنها، ضخامت دیواره بطنها و دهلیزها و فشار داخلی حفره ها عوامل تعیین کننده اصلی در میزان و توزیع تنش و کرنش هستند. نتایج بدست آمده برای بررسی وضعیت جسمانی و حفظ سلامت سرنشینان و خلبانان هنگام قرار گرفتن در معرض شتاب های بالا بسیار کمک کننده است و به بهبود تجهیزات مورد استفاده و باز بینی در نحوه بکارگیری آنها کمک فراوانی می کند. با استفاده از تکنیکهای تجربی بر روی بدن انسان امکان به دست آوردن اطلاعات دقیق در مورد تنش و تغییر شکل محلی ایجاد شده در قلب در اثر شتاب وجود ندارد که محققان را از انجام یک مطالعه جامع باز می دارد. در این شرایط استفاده از شبیه سازی مجازی و روشی های محاسباتی مانند تجزیه و تحلیل المان محدود برای مطالعه تغییرات در عملکرد سیستم قلبی کاملا لازم میباشد. با پیشرفت مدلسازی تحلیلی و المان محدود و امکان مدلسازی بسیار متنوع خواص مکانیکی بافتهای نرم و تکامل مدل های هندسی ساخته شده با استفاده از تکنولوژیهایی همچون سی تی و ام آر آی، مدلهای تحلیلی و عددی روز به روز حجیم تر و پیشرفته تر می شوند و در تقابل با تکنیکهای تجربی قرار می گیرند و چه بسا راه را برای انجام پژوهشهای جدید باز می نمایند.

منابع 94

پیوست 99

مقطع قلب و قسمت های داخلی تشکیل دهنده آن شامل دریچه ها وحفره ها

مقطع قلب و قسمت های داخلی تشکیل دهنده آن شامل دریچه ها وحفره ها

فهرست شکلها

شکل1.2. قلب انسان و محل قرار گیری آن در قفسه سینه [39] 12

شکل2.2. لایه های تشکیل دهنده بافت ماهیچه ای قلب [40] 13

شکل 3.2. لایه میوکاردیم قلب و فیبر های منشعب و شاخه شاخه آن [41] 15

شکل 4.2. دریچه های تشکیل دهنده قلب[42] 17

شکل5.2. مقطع قلب و قسمت های تشکیل دهنده آن شامل دریچه ها و حفره ها [43] 20

شکل6.2. عروق کرونر قلب [45] 22

شکل7.2. سیستم الکتریکی هدایت قلب[46] 24

شکل8.2. تغییرات پتانسیل الکتریکی در اثر فعالیت الکتریکی عضله قلب [47] 26

شکل1.4. نتایج تست رهایی تنش برای مقادیر مختلف کرنش[30] 51

شکل2.4. تنش کوشی بر حسب کرنش بدست آمده از آزمایش فشار برای بافت ماهیچه قلب54

شکل3.4. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی المان محدود در نرم افزار آباکوس و نتایج به دست آمده از فرآیند بهینه یابی با داده های تجربی برای مدل نئو-هوکین 58

شکل4.4. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی المان محدود در نرم افزار آباکوس و نتایج به دست آمده از فرایند بهینه یابی با داده های تجربی برای مدل مونی-ریولین 59

شکل4.5. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی المان محدود در نرم افزار آباکوس و نتایج به دست آمده از فرایند بهینه یابی با داده های تجربی برای مدلچند جمله ای 59

شکل 4.6. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی المان محدود در نرم افزار آباکوس و نتایج به دست آمده از فرایند بهینه یابی با داده های تجربی برای مدل یوح 60

شکل 4.7. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی المان محدود در نرم افزار آباکوس و نتایج به دست آمده از فرایند بهینه یابی با داده های تجربی برای مدل اگدن 60

شکل 1.5. مدلهای ساخته شده برای قلب در پژوهش های قلبی [38،37] 65

شکل 2.5. تفوات بین تکنیک های خون سیاه و خون روشن در عکس های ام آر آی 67

شکل 3.5. عکس های ام آر آی مورد استفاده برای مدل سازی قلب در سه نمای هوریزنتال (راست)، کرونال (وسط) و سجیتال (چپ) 69

شکل 4.5.سنجش مقدار مقیاس خاکستری با استفاده از ابزار آستانه سنجی در نرم افزار میمیکس 70

شکل 5.5. نواحی تفکیک شده قسمت های مختلف قلب در تصاویر ان آز آی در سه نمای هوریزنتال (چپ)، کرونال(وسط) و سجیتال (راست) 71

شکل6.5. مدل سه بعدی محاسبه شده (پایین و راست) با استفاده از نواحی مرز بندی شده 72

شکل7.5. ایجاد پروفایل مقاطع قلب با استفاده از مرزهای مناطق تفکیک شده 72

شکل8.5. پروفایل مقاطع قلب جهت گرفتن خروجی igs از مدل قلب 73

شکل 9.5. مدل ساخته شده قلب در سه نمای کامل، برش خورده عمود بر محور Z و برش خورده عمود بر محور X  76

شکل 1.6. دیاگرام ویگر 80

شکل 2.6. تغییرت فشار بر حسب زمان بطن ها در طول مرحله پر شدن سریع[38] 81

شکل 3.6. تغییرات فشار بر حسب زمان بطن چپ در طول مرحله پر شدن سریع [38] 81

شکل 4.6. تغییرات حجم بطن چپ بر حسب زمان در طول مرحله پر شدن سریع در اثر بارگذاری فشار 83

شکل 5.6. کاهش در تغییرات حجم بطن چپ در مرحله پر شدن سریع برای سطوح مختلف شتاب از +1G تا+6G  84

شکل 6.6. توزیع تنش وان میزس در قلب در پایان مرحله پر شدن سریع تحت شتاب +6G  85

شکل 7.6. تغییرات ایجاد شده در تنش میانگین دیواره داخلی (اندوکاردیم) بطن چپ در اثر شتاب های مختلف 86

شکل 8.6. تغییرات ایجاد شده در تنش میانگین دیواره خارجی (پریکاردیم) بطن چپ در اثر شتاب های مختلف 86

شکل 9.6. تغییرات ایجاد شده در تنش میانگین دیواره داخلی بطن راست در اثر شتاب های مختلف 87

شکل 10.6. تغییر شکل و افزایش حجم قلب در اثز فشار داخلی 87

شکل 11.6. توزیع کرنش ایجاد شده در قلب در پایان مرحله پر شدن سریع تحت شتاب +6G   88

شکل 12.6. جابجایی ایجاد شده در نقاط مختلف قلب در پایان مرحله پر شدن سریع تحت شتاب +6G  89

شکل 13.6. تغییر مکان طولی راس قلب در اثر تغییرات شتاب  89

فهرست جداول

جدول 1.4. ضرائب محاسبه شده برای توابع انرژی کرنشی هایپرالاستیک 57

جدول 2.4. مقایسه خطای نسبی هر یک از توابع انرژی کرنشی 61

جدول 2.6. جدول مقایسه ویژگی های مدل ساخته شده با قلب واقعی 82


Abstract

This study investigates the effect of body acceleration on human cardiac function. Finite element analysis is conducted to simulate geometrical and mechanical properties of human heart. Heart geometrical modeling in three-dimension is performed by segmentation of cardiac MRI images. The nonlinear mechanical behavior of myocardium is modeled by Mooney-Rivlin, Polynomial, Ogden and Yeoh hyperelastic material models. Stressstrain curves of myocardial tissue are obtained from experimental compression tests on bovine heart samples. The experimental results are employed for the evaluation of material coefficients by the nonlinear least squares method. Among hyperelastic models, Yeoh model presents the best fit with experimental stress-strain curve and is used for finite element simulation of heart tissue. Obtained material coefficients are implemented into the constructed heart model and nonlinear finite element analysis is performed for different levels of acceleration in upward direction of vertical axis of body during the rapid filling phase of cardiac cycle. Based on the finite element analysis, ventricular volume change, stress and deformation of heart model are evaluated. It is revealed that when the body is subjected to high accelerations, structural changes in the heart reduce blood supply to body up to 7.2% at +6G.

Keywords: Finite element method; Human heart; Hyperelastic; Cardiac MRI; Rapid filling phase; Acceleration Corresponding Author


تعداد صفحات فایل : 246

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و سفارش فایل word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید