ניתוח מיקרו-מכני של רקמות רכות

Error: Contact form not found.

ניתוח מיקרו-מכני של רקמות רכות (דפנות העורק) בעזרת תוכנת ®COMSOL Multiphysics

עבודת מחקר של הסטודנטית לתואר שני דר אור, בהנחייתו של פרופ. גל דבוטון. העבודה התבצעה במסגרת המחלקה להנדסה ביורפואית באוניברסיטת בן גוריון.

דר מספרת כיצד תוכנת ®COMSOL Multiphysics סייעה לה בשלבי המחקר השונים:

"תוכנת ®COMSOL שימשה לי כמעבדה וירטואלית על מנת לבנות מודל המדמה יחידת תא של דופן העורק, וביצעתי סימולציות כאשר מופעלים הלחצים הקיימים בעורקים"

"את התוצאות הנומריות השוויתי לתוצאות של מודל אנליטי המתאר את ההתנהגות המכאנית של דופן העורק ובנוסף השוויתי לתוצאות של מודל פנומנולוגי שכבר קיים (מודל של חוקר שנקרא Holzpfel). מצאתי התאמה גבוהה מאוד בין התוצאות בתוכנת ®COMSOL למודלים במציאות וכך חסכתי זמן עבודה רב"

"COMSOL® איפשרה לי להגדיר תנאי שפה מיוחדים שהיו הכרחיים לטובת סימולציה של תא יחידה השייך לשכבה בדופן העורק"

"חקרתי בעזרת תוכנת ®COMSOL שתי שכבות של העורק, וקיבלתי תוצאות מאוד הגיוניות"

"באמצעות שימוש ב- ®COMSOL יכולתי לבדוק מצבים שונים, דבר שעד כה במודלים הקיימים לבדיקת כל מצב, מצריך ביצוע בדיקות מעבדה חדשות"
רקע למחקר:
הפרעות וסקולאריות, לרוב הקשורות לעורקים, הן האחראיות מספר אחת לתחלואה ולתמותה אצל בני אדם יותר מכל מחלה אחרת. בעשור האחרון הובן כי הסיבה למחלות אלה קשורה למכניקה של העורקים. ואכן, מחקרים רבים הוקדשו לאיפיון ההתנהגות הביומכנית של דופן העורק. בהתאם לזאת, הבנה טובה יותר של ההיבט המכני של העורקים תקדם את הפיתוח העתידי של טיפול רפואי טוב יותר ושל הנדסת הרקמות.
הרוב הגדול של המודלים בהם נעשה שימוש בספרות לתיאור ההתנהגות הפאסיבית של דופן העורק הם פנומנולוגיים, הווה אומר הם מבוססים על פריסטלטיות של מדידות ניסוייות. במודלים אלו המבנים הרקמתיים של העורקים ברמות שונות מטופלים בדרגה משתנה של דיוקים. מחקר זה מאמץ מודל המבוסס על מיקרו-מכניקה אשר לוקח בחשבון את התרומות של המרכיבים המכניים המשמעותיים של דופן העורק בצורה ריגורוזית.
כאן אנו מפעילים את השיטה של איפיון התגובות המקרוסקופיות של ה- adventitia, השכבה החיצונית של דופן העורק, שנקראת גם הגלימה החיצונית, ושל ה- media, השכבה האמצעית של דופן העורק, שנקראת גם הגלימה האמצעית. גישה זו תאפשר לבנות מודלים מכוננים ספציפיים עבור ה- media וה- adventitia מניטור בלתי פולשני של ההיסטולוגיות הרקמתיות. בכדי להבין את הגישות המבוססות על מיקרו-מכניקה, עלינו לסקור את המבנה ההיסטולוגי של דופן העורק ושל מאפייני המרכיבים הכוללים אותה.
דופן העורק מורכבת משלוש שכבות: tunica intima, tunica media ו- tunica adventitia. בכל שכבה ישנו רובד שונה בצורה משמעותית של דפורמציה רזידואלית. ע"י שימוש בגישה מיקרו-מכנית מדויקת לתיאור תא יחידה המתאים לשכבות הספציפיות, מטרתנו היא לספק מודל מכונן ביומכני ספציפי לכל שכבה. ה- media וה- adventitia הן רקמות המתוגברות בשתי משפחות של סיבי קולגן.
המאפיינים המכניים של דופן העורק תלויים בעיקר בסיבים אלו. סיבי קולגן משמרים את התיפקוד והאחדות של העורקים, הם האלמנטים נושאי הנטל העיקריים בדפנות העורק. במטרה לחקור את המאפיינים המכניים של שכבות העורק האינדיבידואליות, יש להתחשב בנקודות הבאות: סוג סיבי הקולגן, האוריינטציה של סיבי הקולגן, ריכוז הסיב הקולגני, והמאפיינים המכניים של סיבי הקולגן.
לפי המודל האנליטי שמוצע במחקר, ההתנהגות הכוללת של רקמה אורתוטרופית מבוטאת ע"י:

ניתוח מיקרו-מכני של רקמות רכות (דפנות העורק) בעזרת תוכנת ®COMSOL Multiphysics

עבודת מחקר של הסטודנטית לתואר שני דר אור, בהנחייתו של פרופ. גל דבוטון. העבודה התבצעה במסגרת המחלקה להנדסה ביורפואית באוניברסיטת בן גוריון.

דר מספרת כיצד תוכנת ®COMSOL Multiphysics סייעה לה בשלבי המחקר השונים:

"תוכנת ®COMSOL שימשה לי כמעבדה וירטואלית על מנת לבנות מודל המדמה יחידת תא של דופן העורק, וביצעתי סימולציות כאשר מופעלים הלחצים הקיימים בעורקים"

"את התוצאות הנומריות השוויתי לתוצאות של מודל אנליטי המתאר את ההתנהגות המכאנית של דופן העורק ובנוסף השוויתי לתוצאות של מודל פנומנולוגי שכבר קיים (מודל של חוקר שנקרא Holzpfel). מצאתי התאמה גבוהה מאוד בין התוצאות בתוכנת ®COMSOL למודלים במציאות וכך חסכתי זמן עבודה רב"

"COMSOL® איפשרה לי להגדיר תנאי שפה מיוחדים שהיו הכרחיים לטובת סימולציה של תא יחידה השייך לשכבה בדופן העורק"

"חקרתי בעזרת תוכנת ®COMSOL שתי שכבות של העורק, וקיבלתי תוצאות מאוד הגיוניות"

"באמצעות שימוש ב- ®COMSOL יכולתי לבדוק מצבים שונים, דבר שעד כה במודלים הקיימים לבדיקת כל מצב, מצריך ביצוע בדיקות מעבדה חדשות"
רקע למחקר:
הפרעות וסקולאריות, לרוב הקשורות לעורקים, הן האחראיות מספר אחת לתחלואה ולתמותה אצל בני אדם יותר מכל מחלה אחרת. בעשור האחרון הובן כי הסיבה למחלות אלה קשורה למכניקה של העורקים. ואכן, מחקרים רבים הוקדשו לאיפיון ההתנהגות הביומכנית של דופן העורק. בהתאם לזאת, הבנה טובה יותר של ההיבט המכני של העורקים תקדם את הפיתוח העתידי של טיפול רפואי טוב יותר ושל הנדסת הרקמות.
הרוב הגדול של המודלים בהם נעשה שימוש בספרות לתיאור ההתנהגות הפאסיבית של דופן העורק הם פנומנולוגיים, הווה אומר הם מבוססים על פריסטלטיות של מדידות ניסוייות. במודלים אלו המבנים הרקמתיים של העורקים ברמות שונות מטופלים בדרגה משתנה של דיוקים. מחקר זה מאמץ מודל המבוסס על מיקרו-מכניקה אשר לוקח בחשבון את התרומות של המרכיבים המכניים המשמעותיים של דופן העורק בצורה ריגורוזית.
כאן אנו מפעילים את השיטה של איפיון התגובות המקרוסקופיות של ה- adventitia, השכבה החיצונית של דופן העורק, שנקראת גם הגלימה החיצונית, ושל ה- media, השכבה האמצעית של דופן העורק, שנקראת גם הגלימה האמצעית. גישה זו תאפשר לבנות מודלים מכוננים ספציפיים עבור ה- media וה- adventitia מניטור בלתי פולשני של ההיסטולוגיות הרקמתיות. בכדי להבין את הגישות המבוססות על מיקרו-מכניקה, עלינו לסקור את המבנה ההיסטולוגי של דופן העורק ושל מאפייני המרכיבים הכוללים אותה.
דופן העורק מורכבת משלוש שכבות: tunica intima, tunica media ו- tunica adventitia. בכל שכבה ישנו רובד שונה בצורה משמעותית של דפורמציה רזידואלית. ע"י שימוש בגישה מיקרו-מכנית מדויקת לתיאור תא יחידה המתאים לשכבות הספציפיות, מטרתנו היא לספק מודל מכונן ביומכני ספציפי לכל שכבה. ה- media וה- adventitia הן רקמות המתוגברות בשתי משפחות של סיבי קולגן.
המאפיינים המכניים של דופן העורק תלויים בעיקר בסיבים אלו. סיבי קולגן משמרים את התיפקוד והאחדות של העורקים, הם האלמנטים נושאי הנטל העיקריים בדפנות העורק. במטרה לחקור את המאפיינים המכניים של שכבות העורק האינדיבידואליות, יש להתחשב בנקודות הבאות: סוג סיבי הקולגן, האוריינטציה של סיבי הקולגן, ריכוז הסיב הקולגני, והמאפיינים המכניים של סיבי הקולגן.
לפי המודל האנליטי שמוצע במחקר, ההתנהגות הכוללת של רקמה אורתוטרופית מבוטאת ע"י: