33187

مدل‌سازي ساختاري آنولوس فيبروزوس ديسك بين‌مهره‌اي با استفاده از شبكه‌هاي عصبي مصنوعي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي- بيومكانيك

1401

1403/12/19

ساسان آسيايي

محمد حق پناهي

مهندسي مكانيك

آنولوس فيبروزوس، به‌عنوان يكي از سه بخش اصلي ديسك بين‌مهره‌اي، نقشي حياتي در توزيع بارها و متعاقباً ايجاد حركت و انعطاف‌پذيري ستون‌مهره‌ها ايفا مي‌كند. تنش‌هاي شديدِ ناشي از فعاليت‌هاي بيش از حدِ بدني ممكن است باعث از هم‌گسيختگي و پارگي الياف آنولوس فيبروزوس شود كه اين خود منجر به دژنراسيون ديسك بين‌مهره‌اي شده كه عامل اصلي كمردرد و بي‌ثباتي ستون‌مهره‌ها در نظر گرفته مي‌شود. از آنجايي كه رفتار مكانيكي پيچيده و ناهمسانگرد اين بافت، مدل‌سازي دقيق آن را با چالش‌هاي متعددي روبرو ساخته است؛ در اين پروژه، يك مدل ساختاريِ هايپرالاستيكِ ناهمسانگرد مبتني بر يك شبكه عصبي پيشخور با هدف ارايه مدلي دقيق و كارآمد براي پيش‌بينيِ رفتار مكانيكيِ اين بافت با رعايت اصول فيزيكي حاكم بر آن توسعه داده شده است. مدل پيشنهادي با استفاده از يك معماري شبكه عصبي خاص با مجموعه‌اي از پاياهاي تانسورِ تغييرشكلِ كوشي-گرين راست به عنوان ورودي، به طور خودكار شرايط ساختاري مانند سازگاري ترموديناميكي، پايايي چارچوب مادي، تقارن مادي و تقارن تانسور تنش را برآورده مي‌‌سازد. امّا به دليل عدم ارضاي دو شرط نرمال‌سازي و رشد حجمي، در خروجي شبكه اصلاحاتي انجام شد. براي اعتبارسنجي مدل، از داده‌هاي تجربي موجود در منابع علمي استفاده شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه مدل پيشنهادي با متوسط ضريب تعيين( 97/0= R2) برخلاف مدل‌هاي ساختاريِ پديدارشناختي از دقتِ درون‌يابي و پيش‌بيني بسيار بالايي براي توصيف رفتار غيرخطي و ناهمسانگرد بافت آنولوس فيبروزوس برخوردار است. مدل توسعه يافته، با رعايت اصول فيزيكي و ارايه دقت قابل توجه، مي‌تواند به عنوان ابزاري مؤثر در تحليل و شبيه‌سازي رفتار مكانيكي اين بافت در شرايط بارگذاري مختلف مورد استفاده قرار گيرد و به درك بهتر عملكرد آن در شرايط فيزيولوژيكي و آسيب‌شناسي كمك كند. اين مدل با شبيه‌سازي دقيق رفتار آنولوس فيبروزوس، مي‌تواند گامي مهم در جهت توسعه روش‌هاي درماني و پيشگيري از آسيب‌هاي ديسك بين‌مهره‌اي و كمردرد بردارد.

1403/12/28

Constitutive Modeling of the Annulus Fibrosus of the Intervertebral Disc Using Artificial Neural Networks

1/1/1900 12:00:00 AM

The annulus fibrosus, as one of the three main components of the intervertebral disc, plays a crucial role in load distribution and subsequently creating movement and flexibility of the spine. The complex and anisotropic mechanical behavior of this tissue makes its accurate modeling face numerous challenges. Severe stresses resulting from excessive physical activity may cause rupture and tearing of the annulus fibrosus fibers, which in turn leads to intervertebral disc degeneration, which is considered the main cause of low back pain and spinal instability. In this project, a hyperelastic anisotropic constitutive model based on a feedforward neural network has been developed for the annulus fibrosus tissue. The goal is to provide an accurate and efficient model for predicting the mechanical behavior of this complex tissue while respecting the governing physical principles. The proposed model, using a set of invariants of the right Cauchy-Green deformation tensor as input and a specific neural network architecture, automatically satisfies constitutive conditions such as thermodynamic consistency, material frame-indifference (objectivity), material symmetry, and stress tensor symmetry. However, to satisfy the two conditions of normalization and volumetric growth, modifications were made in the output of the neural network. To validate the model, experimental data available in scientific sources has been used. The results demonstrate that the proposed model, unlike phenomenological constitutive models, exhibits a remarkably high interpolation and prediction accuracy with an average coefficient of determination (R2=0.97) for describing the nonlinear and anisotropic behavior of the annulus fibrosus tissue. The developed model, while respecting the physical principles and providing significant accuracy, can be used as an effective tool in the analysis and simulation of the mechanical behavior of this tissue under various loading conditions and help to better understand its function in physiological and pathological conditions. By accurately simulating the behavior of the annulus fibrosus, this model can take an important step towards developing treatment methods and preventing intervertebral disc injuries and low back pain.

آنولوس فيبروزوس , هايپرالاستيسيته , شبكه‌هاي عصبي پيشخور , ناهمسانگردي , مدل‌سازي ساختاري

Annulus fibrosus , hyperelasticity , feedforward neural networks , anisotropy , constitutive modeling

Morteza Maetoofi

Dr. Sasan Asiyaei