شبیه‌سازی رشد عضله دوسررانی تحت کشیدگی با بکارگیری الگوی چندمقیاسی برای افزودن تعداد سارکومرها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 گروه مکانیک- دانشکده مهندسی- دانشگاه فردوسی مشهد

3 دانشگاه تهران*مهندسی مکانیک

4 دانشگاه علوم پزشکی تهران

10.22060/mej.2019.15643.6175

چکیده

از ابزارهای کاربردی متخصصان دخیل در امر بیماری‌های عضلانی-اسکلتی نظیر متخصصان طب فیزیکی، توان بخشی و ارتوپدی در تشخیص روش صحیح درمان، شناخت روند رشد ماهیچه و تعیین نواحی بحرانی آن است که در حین کشش‌های وارده در فیزیوتراپی تحت خطر آسیب و یا پارگی قرار می‌گیرند. هدف این مقاله، بررسی نحوه رشد سلول عضلانی-اسکلتی و هم‌چنین تعیین نواحی آسیب پذیر عضله دوسررانی بر اثر کشش‌های مکانیکی وارده برآن است. در این تحقیق با فرض رفتار ماده هایپرالاستیک برای ماهیچه، روابط رشد محدود با بهره‌گیری از روش تجزیه تنسور گرادیان تغییر شکل به دو بخش الاستیک و رشد برای آن بازنویسی شده است. در نتیجه، روابط مکانیک محیط پیوسته بامعادله تکامل رشد تلفیق شده و یک مجموعه معادلات دیفرانسیلی دارای مفاهیم بیولوژیکی و مکانیکی حاصل شدند که برای حل آن‌ها از روش اجزاء محدود با کمک نرم‌افزار آباکوس و کدنویسی سابروتین UMAT در نرم‌افزار فرترن استفاده شده است. سپس عضله دوسر رانی قسمت سر بلند به شکل یک استوانه مدل و شبیه‌سازی آن بر اساس یک دوره 6 هفته‌ای و به‌میزان 10% افزایش طول اولیه بر آن انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند که بیشینه کشیدگی‌ها نه در داخل عضله بلکه در رویه‌ها و در نواحی بالا در رویه بیرونی معادل با 04/1 و نواحی پایین در رویه درونی معادل با 06/1 اتفاق می-افتند. هم‌چنین با بررسی پراکندگی رشد مشخص می‌شود که ماهیچه به‌طور ناهمگن رشد می‌کند. نتایج شبیه‌سازی عددی، به تشخیص نحوه صحیح و بهینه درمان، در توان بخشی بیماران و جراحی های ارتوپدیک کمک ارزشمندی خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation of biceps femoris muscle growth based on stretch unisg a multiscale model for sarcomere addition

نویسندگان [English]

  • Abdolrahman Jaamialahmadi 1
  • Saeed Javadi 2
  • Ali Reza Danesh Mehr 3
  • Mohaddeseh Azadvari 4
  • Saeid Nekoonam 4
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad
3 Mechanical Engineering, Tehran University
4 Tehran University of Medical Sciences
چکیده [English]

An applicable tool for professionals, who are involved in curing musculoskeletal disorders, including physical medicine and rehabilitation specialists and orthopedic surgeons, is recognition the process of muscle tissue growth and determining the areas which are vulnerable to different types of injuries or rupture. In this study, by considering hyper-elastic behavior for materials of the muscle, the finite growth relations have been applied using the decomposition of deformation gradient tensor to two parts of the elastic and growth. Consequently, the continuum relations were combined with the growth evolution equation and a series of mechanobiological relations were obtained. To solve them, a user material subroutine UMAT code was written in FORTRAN based on finite element software ABAQUS. Then the biceps femoris – long head muscle was modeled as a cylinder and the simulation was based on a 6-week period and a 10% increase in initial length. As a result of the simulation, it was found that maximum stretches occur in the surfaces, and not inside the muscle and they reach 1.04 in near the proximal muscle-tendon junction in the posterior layer and 1.06 in distal muscle- muscle-tendon junction in the posterior layer and 1.06 in distal muscle-junction in interior layer. Also, by examining how the growth dispersed, it was found that the muscle grows heterogeneously. This numerical simulation provides valuable results, such as; correct and optimal diagnosis of treatment, helping patient’s rehabilitation, and orthopedic surgeries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Soft tissue growth"
  • "Finite Element Analysis"
  • "Hyper elastic"
  • "Musculoskeletal"
  • "Simulation"