23343

مشخصه يابي خواص مكانيكي وابسته به موقعيت و راستاي استخوان اسفنجي با استفاده از روش گسترش امواج

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي

97

99/11/19

سياوش كاظمي راد

مهندسي مكانيك

مشخصه يابي خواص مكانيكي استخوان اسفنجي در تشخيص بيماريهاي مرتبط با استخوان و طراحي و ساخت ايمپلنت نقش بسيار حائز اهميتي دارد. اين بافت استخواني ناهمگن بوده و از دسته مواد متخلخل ناهمسانگرد ميباشد. هدف از انجام اين مطالعه تعيين خواص الاستيك ناهمسانگرد استخوانچهها در نواحي مختلف با استفاده از روش گسترش امواج رايلي ميباشد. دو نمونه استخوان اسفنجي از ناحيه ران حيوان گاو تحت آزمايشهاي گسترش امواج رايلي و تصويربرداري سيتي اسكن قرار گرفت. مدول الاستيك نمونه ها با استفاده از روش حل معكوس مسئله گسترش امواج رايلي و محاسبه سرعت امواج به صورت تجربي از نواحي مختلف مد نظر و جهات گسترش امواج ، حاصل شد. همچنين پارامترهاي ساختاري نمونه ها كه عبارتند از : ضخامت استخوانچهها، فاصله بين استخوانچهها و نسبت حجم استخواني به حجم كل نمونه در هر ناحيه و جهت مد نظر با استفاده از تصاوير سيتي اسكن استخراج شدند. مدول يانگ حاصل از آزمايش گسترش امواج رايلي در بازه 1922-921مگاپاسكال براي نواحي و جهات مختلف محاسبه شد كه گواهي بر ناهمگني و ناهمسانگردي نمونههاي استخواني است. مدول الاستيك با افزايش ضخامت استخوانچهها و نسبت حجم استخواني به حجم كل نمونه افزايش مييابد و اين در حالي است كه با افزايش فاصله بين استخوانچهها مقدار مدول يانگ كاهش مييابد. نتايج بدست آمده از آزمايشات و نتايج گزارش شده در تحقيقات پيشين كه با روشهاي مختلفي انجام شدهاند، در محدوده يكساني قرار دارند. بنابراين از روشهاي مبتني بر گسترش امواج ميتوان بعنوان روشي بسيار موثر در ارزيابي خواص ناهمسانگرد استخوان اسفنجي به شكل غير تهاجمي بهره مند شد. نتايج نشان داد كه بين سرعت موج و كسر حجمي ) (R2=0.83و همچنين با نسبت ضخامت تربكيولاها به فاصله بين آنها ) (R2=0.66كه نشان ميدهد اين موارد رابطه بسيار قابل قبولي دارند. همچنين مدول يانگ نيز با كسر حجمي با ضريب ) (R2=0.96و با نسبت ضخامت استخوانچهها به فاصله بين آنها با ضريب )(R2=0.85 مرتبط بود

1400/02/01

Characterization of mechanical properties depending on the position and direction of spongy bone using wave propagation method

2/8/2022 12:00:00 AM

The characterization of the mechanical properties of trabecular bone is of great importance for bone disease diagnosis and implant design and fabrication. The trabecular bone is a heterogeneous and anisotropic porous material. The main purpose of this study was to quantify the anisotropic elastic properties of trabecular bone in different bone regions using the Rayleigh wave propagation method. Two bovine femur trabecular bone specimens underwent the Rayleigh wave propagation tests and CT-scan imaging. The elastic modulus of the bone specimens was estimated through the solution of the corresponding inverse Rayleigh wave propagation problem using the experimentally measured wave velocity in different regions of interest (ROI) and wave propagation directions. The structural parameters of the trabecular bone specimens including the trabecular thickness, trabecular separation, and bone volume fraction were also obtained via the processing of CT-scan images for all of the tested ROIs and directions. The estimated elastic modulus was in the range between 321 MPa to 1322 MPa for different ROIs and directions, showing significant heterogeneity and anisotropy of the bone specimens. The elastic modulus increased with the bone volume fraction and trabecular thickness and decreased with the trabecular separation. The estimated elastic modulus of the trabecular bone specimens was in the same range of that reported in the literature obtained by different measurement methods. Therefore, it was concluded that the wave propagation-based methods may offer a strong tool for non-invasive assessment of anisotropic elastic properties of trabecular bone. The highest coefficient of determination was obtained between the wave velocity and the bone volume fraction (R2=0.83) followed by the trabecular thickness to trabecular separation ratio (R2=0.66). The elastic modulus also 94 correlated the best with the bone volume fraction (R2=0.96) followed by the trabecular thickness to trabecular separation ratio (R2=0.85).

استخوان اسفنجي , استخوانچه , خواص مكانيكي , مورفولوژي , ريزساختار , امواج رايلي , فراصوت

Cancellous bone , Trabeculae , Mechanical Properties , Morphology , Microstructure , Rayleigh wave , ultrasound