توصيفگر ها :
مري , نيروي پيشران , حركت دودي , روش اجزاء محدود
چكيده فارسي :
شناخت توانايي‌هاي فيزيكي اندام مختلف انسان در حالت سالم مي‌تواند به شناخت بيماري‌ها و روش‌هاي درمان آن‌ها كمك كند. بررسي عملكرد مري در زمينه‌هاي مختلفي چون طراحي سگمنت‌هاي اصلاحي، برآورد شرايط فيزيكي داروهاي خوراكي و تخمين احتمال آسيب به بافت آن در اثر بلع مواد و يا اجرام مختلف مورداستفاده خواهد بود.
اين پژوهش با استفاده از تحقيقات پيشين به تحليل مري به كمك شبيه‌سازي كامپيوتري پرداخته است. ايجاد هندسه سه‌بعدي مناسب، استفاده از معادلات ساختاري و پارامترهاي مكانيكي متناسب با خواص بافت مري و ماده بلعيده شده و همچنين طراحي مكانيزمي سازگار با عملكرد طبيعي براي ايجاد حركت موجي مري در راستاي انتقال لقمه از حلق به معده، بخش‌هاي مختلفي هستند كه براي تكميل فرايند شبيه‌سازي مورد بررسي قرار گرفته‌اند. در پژوهش حاضر از يك استوانه تو‌خالي ساده با ابعادي نزديك به ميانگين ابعاد طبيعي مري به‌عنوان مدل هندسي استفاده شده است. شرايط مكانيكي حاكم بر بافت مري با فرض هايپر‌الاستيك بودن رفتار، با استفاده از معادله ساختاري اوگدن مشخص گرديده و خواص ماده بلعيده شده، به‌صورت الاستيك در نظر گرفته شده است. ازآنجايي‌كه در پژوهش حاضر، نتايج موجود در خصوص بلع يك مايع توسط محققين پيشين مورد استفاده قرار گرفته‌اند، با كاهش مدول الاستيك و افزايش ضريب پواسون سعي بر آن بوده است كه خواص تعيين‌شده در مدل به ويژگي‌هاي يك سيال تراكم‌ناپذير نزديك‌تر شود. مشاهده تغييرات اندك فشار در طول ماده حين عبور از مري، نشان از اثربخش بودن تقريب به‌كاررفته داشته است. نحوه انتشار موج انقباض در پژوهش‌هاي تجربي پيشين مورد بررسي قرار گرفته و در پژوهش حاضر نيز برايندي از نتايج آن‌ها براي شبيه‌سازي پيشروي لقمه در مري استفاده شده است. در مدل ارائه‌شده، يك مكانيزم به‌صورت شبكه‌اي متشكل از رشته‌هاي طولي و حلقوي، به كمك انقباضات ناشي از تغيير دما، كرنش‌هاي لازم را در راستاهاي طولي و شعاعي به بدنه مري تحميل خواهد كرد. پس از تكميل مدل و معرفي خواص مربوطه، مسئله ايجاد شده به روش اجزاء محدود در نرم‌افزار آباكوس مورد تحليل قرار گرفته و در راستاي كاهش اختلاف مقادير محاسبه شده ناشي از روش تحليل عددي نسبت به عملكرد حقيقي، شبكه بندي مناسب هر قطعه از مدل با تكرار محاسبات براي اندازه‌هاي مختلف المان‌بندي در راستاي صحت پاسخ و يا افزايش دقت آن استخراج گرديده است. شرايط مرزي مسئله نيز به‌طور سازگار با مدل ساختاري و توجه به شرايط طبيعي بدن انتخاب و اعمال شده‌اند.
در اين پژوهش با در نظر گرفتن بيشينه تنش فون‌ميزز مشاهده شده در بافت مري حين حركت طبيعي و انتقال موفق ماده بلعيده شده به‌عنوان يك حد تسليم عصبي-عضلاني، نيروي پيشران وارد بر ماده حدوداً برابر با 1/72 نيوتن به دست آمده و براي اعتبارسنجي، با نتايج تجربي موجود در تحقيقات پيشين مقايسه شده است. طبق انتظار، مقدار نيروي محاسبه شده، در محدوده بيشينه اعداد گزارش شده در مطالعات آزمايشگاهي قرار گرفته است. استفاده از المان‌هاي حلقوي و طولي براي تقليد مكانيزم طبيعي انقباضات در مري، دليل مشاهدات تجربي پيرامون بروز بيشينه فشار در پشت ماده بلعيده شده را آشكار ساخته است. فشردگي بيشتر، ناشي از انقباض تار‌هاي طولي در اين ناحيه، سبب بروز چنين پديده‌اي شناخته شده است.
چكيده انگليسي :
Understanding the physical abilities of different parts of the human body in a healthy state can help in the recognition of diseases and their treatment methods. Analyzing the function of the esophagus can be useful in various areas such as designing corrective segments, estimating the physical conditions of oral medications, and estimating the likelihood of tissue damage due to swallowing different substances or objects.
Using previous studies, this research has analyzed the esophagus with the help of computer simulation. Creating a suitable three-dimensional geometry, using constitutive equations and mechanical parameters appropriate to the characteristics of the esophageal tissue and the swallowed substance and also designing a mechanism compatible with natural function to create a wave movement of the esophagus in line with the transfer of the materials from the pharynx to the stomach, are different parts that have been investigated to complete the simulation process. In the present study, a simple hollow cylinder with dimensions close to the average natural dimensions of the esophagus has been used as a geometric model. The mechanical conditions governing the esophageal tissue have been determined using Ogden's constitutive equation, assuming hyperelastic behavior, and the properties of the swallowed substance have been considered elastic. Since in the present study, the results regarding the swallowing of a liquid have been used by previous researchers, by reducing the elastic modulus and increasing the Poisson's ratio, it has been tried to make the properties determined in the model closer to the properties of an incompressible fluid. Observing small pressure changes along the length of the substance while passing through the esophagus has shown the effectiveness of the used approximation. The way of propagation of the contraction wave has been investigated in previous experimental researches, and in the present research, some of their results have been used to simulate the progress of the food in the esophagus. In the presented model, a mechanism in the form of a network consisting of longitudinal and circular fibers, with the help of contractions caused by temperature changes, will impose the necessary strains in the longitudinal and radial directions to the body of the esophagus. After completing the model and introducing the relevant properties, the created problem was analyzed using the finite element method in Abaqus software, and in order to reduce the difference between the calculated values caused by the numerical analysis method compared to the actual performance, the appropriate mesh dimensions of each part of the model have been extracted by repeating the calculations for different element sizes in order to correct the answer or increase its accuracy. Also, the boundary conditions of the problem have been selected and applied in accordance with the structural model and paying attention to the natural conditions of the body.
In this research, considering the maximum von Mises stress observed in the esophageal tissue during normal movement and the successful transfer of the swallowed material as a neuromuscular yield limit, the propulsive force on the material is approximately equal to 1.72 newtons and for Validation has been compared with experimental results in previous researches. As expected, the calculated force value has been within the range of maximum numbers reported in laboratory studies. The use of circular and longitudinal elements to imitate the natural mechanism of contractions in the esophagus has revealed the reason for the experimental observations about the occurrence of maximum pressure behind the swallowed material. More compression, caused by the contraction of longitudinal fibers in this area, has been known to cause such a phenomenon.
