بخشی از مقاله
چکیده
قوز قرنیه بیماری پیش رونده ای است که به دلیل نازک شدگی در برخی نواحی از قرنیه، سبب می شود که قرنیه از حالت مسطح به مخروطی شکل، تغییر شکل دهد. همان گونه که در سازه های مکانیکی پیش بینی رفتار سازه تحت شرایط بارگذاری متفاوت، امری مهم است؛ در اجزای بدن انسان و عمل های جراحی که پارامترهای کنترل متعددی وجود دارد، پیش بینی اثر هریک از این پارامترها در عمل جراحی، با استفاده از نرم افزار المان محدود می تواند راهگشا و سبب بهبود نتایج حاصل از جراحی باشد. در پژوهش پیش رو هدف بر این است به مدل سازی جاگذاری حلقه های درون قرنیه ای - که یکی از روش های درمانی بیماری قوز قرنیه است - ، در قرنیه ی مبتلا به قوز قرنیه در نرم افزار المان محدود آباکوس بپردازیم. مدل سه بعدی قرنیه با استفاده از عکس های OCT گرفته شده از قرنیه ی بیمار در نرم افزار سالیدورکس ایجاد می گردد. خواص رفتاری مستقل از زمان - به دلیل اثر طولانی مدت - 2 هایپرالاستیک مدل آگدن مرتبه 2 در نظر گرفته شده است. در همان محل و عمقی که در عمل جراحی واقعی حلقه در قرنیه جاگذاری می شود، شیاری به موازات سطح قرنیه ایجاد می کنیم. به دلیل مسطح بودن سطح حلقه، با حرکت بر روی سطح شیار ایجاد شده در قرنیه، موجب مسطح تر شدن قرنیه و بهبود دید در شخص می گردد. در پایان به منظور بررسی نتایج حاصل از تحلیل این پژوهش با نتایج حاصل از تحلیل پژوهش های پیشین مورد بررسی قرار گیرد.
-1 مقدمه
بیماری قوز قرنیه یک بیماری پیش رونده در قرنیه است که به دلیل توزیع غیر یکنواخت فیبرها در لایه های قرنیه، قرنیه دچار نازک شدگی در بعضی نواحی شده و در آن نواحی از حالت مسطح به شکل مخروطی شکل تغییر حالت می دهد . همان طور که در علوم مهندسی پیش بینی رفتار سازه در اثر بارگذاری خاصی مورد اقبال است، در علم پزشکی نیز که سازه ی مکانیکی مورد نظر، بدن انسان است، پیش بینی نتایج مورد اقبال می باشد. پژوهش های صورت پذیرفته بر روی قرنیه به دو دسته ی کلی: استخراج خواص رفتاری قرنیه و شبیه سازی توسط نرم افزار المان محدود تقسیم می شوند. در رابطه با بیماری قوز قرنیه و جاگذاری حلقه های درون قرنیه ای، پارامترهایی همچون : شرکت سازنده حلقه، عرض حلقه مورد استفاده، ارتفاع حلقه ئ عمق جاگذاری حلقه در قرنیه از جمله پارامترهای کنترل کننده برای چشم پزشکان است که پیش بینی و مدل سازی توسط نرم افزار المان محدود می تواند راهگشا باشد.
قرنیه شامل 5 لایه است که این لایه ها از خارجی ترین لایه به درونی ترین عبارتست از: اپیتلیوم، بومن، استروما، غشای دسمه و اندوتلیوم که در حدود 90 درصد از این ضخامت را لایه ی استروما تشکیل می دهد. بنابراین می توان خواص رفتاری قرنیه را با خواص رفتاری این لایه تخمین زد. /.%R\FH %UDG و همکارانش در سال 2007 با انتشار مقاله ی[1] به این موضوع اشاره شد که می توان خواص رفتاری قرنیه ی انسان را خواصی غیر آیزوتروپیک در نظر گرفت؛ زیرا که به دلیل لایه های مختلف موجود در قرنیه و همچنین نحوه ی توزیع متفاوت فیبرهای کلاژنی در هریک از لایه ها، توزیع کرنش غیر یکنواخت بود - که حاکی از توزیع غیر یکنواخت فیبرها بود - ، مشاهده گردید. که این توزیع غیریکنواخت کرنش در قرنیه از رفتار غیر آیزوتروپیک برای آن حاکی بود. در سال /.%R\FH %UDG 2008 و همکارانش[2]، به استخراج خواص رفتاری قرنیه ی چشم گاو پرداخته است. در این مقاله به سطح داخلی قرنیه فشار یکنواختی معادل با فشار داخلی چشم، وارد شده و میزان تغییر شکل اعم از جابجایی توسط دوربین های دقیق عکس برداری از بافت نرم، عکس برداری و اندازه گیری شده است. با بررسی و تحلیل عکس های گرفته شده، و همچنین بررسی روابط تنش-کرنش در نقاط مختلف قرنیه، خواص رفتاری ویسکولاستیک سازگاری نزدیکی با نتایج آزمایش داشت.
طبق پژوهش صورت گرفته توسط /L <XDQ /RQJ و همکاران، در سال 2006 مدل ساده ای از قرنیه ارائه گردید.[3] در این پژوهش به بررسی رابطه ی تنش-کرنش در این مدل تحت فشار داخل چشم، پرداخته شده است. تحلیل نتایج به این اصل اشاره دارد که برای جابجایی های کوچک در قرنیه، و با توجه به رابطه ی تنش- کرنش، رفتار ماده ی قرنیه آیزوتروپیک و غیرخطی است. تا به این جا خواص وابسته به زمان - ویسکولاستیک - برای قرنیه در نظر گرفته می شد. حال آن که در بررسی ها و مطالعات المان محدود، از آن جا که اثر بلند مدت مد نظر است، با فرضیاتی به منظور ساده سازی مدل سازی و دست یابی به نتایج مطلوب و پیش بینی های مورد نیاز، خواص قرنیه با تخمین خوبی، هایپرلاستیک و آیزوتروپیک در نظر گرفته شد. در سال 2015 توسط 6LQK $EKLMLt و همکارانش>6@، آزمایشاتی بر روی قرنیه صورت گرفت که نتایج این آزمایشات منجر به تخمین و اندازه گیری پارامترهای خواص رفتاری هایپرالاستیک، برای قرنیه منجر شد. در این مقاله با استفاده از آزمایش DLU SXII به این صورت که سطح درونی قرنیه تحت فشار درون چشم قرار دارد و سطح بیرونی قرنیه را تحت فشار هوای مشخصی - با سرعت و دبی مشخصی - قرار می دهند. بنابراین با استفاده از مدل المان محدود و آزمایشات آزمایشگاهی بر روی 10 قرنیه ی انسان، خواص هایپرالاستیک برای قرنیه ی انسان تخمین زده شد.
از جمله مطالعات صورت پذیرفته در زمینه مدل سازی المان محدود بر روی قرنیه و بیماری قوز قرنیه، می توان به پژوهش در سال 2013 توسط .OLQJ و >5@ 0DUFRV شبیه سازی عمل جاگذاری حلقه های درون قرنیه ای برای مدلی دو بعدی از قرنیه انجام گرفت. در این مقاله خواص هایپر الاستیک به قرنیه داده شده است. خواص قرنیه هایپرالاستیک و از نظریه ی مونی ریویلین در نظر گرفته شده است. در این مقاله یک بار برای قرنیه ی سالم و بار دیگر برای قرنیه ی مبتلا به قوز قرنیه جاگذاری حلقه های مختلف با طول ارتفاع های متفاوت جاگذاری شده و تنها اثر ارتفاع حلقه در میزان جابجایی قرنیه مورد بررسی قرار گرفته شده است. تنها موردی که در این مقاله ذکر شده است نوع تماس VXUIDFH WR VXUIDFH و بدون اصطکاک تعریف شده است.
در سال 2015 توسط گروهی در دانشگاه پلی تکنیک بارسلونا، در اسپانیا صورت گرفته است. این مطالعه برای اولین بار به ارائه ی شبیه سازی بروی مدل واقعی بیمار و همچنین مدل سه بعدی پرداخته است.>4@ در این مقاله خواص رفتاری قرنیه هایپرالاستیک و مدل آگدن مرتبه ی 2 برای قرنیه در نظر گرفته شده است. ضرایب مورد نیاز برای مدل اگدن مرتبه ی 2 توسط همین گروه در مطالعه ی پیشین استخراج گردیده و به صورت میانگین در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته شده است. ضرایب در جدول آورده شده اند. همچنین در این مقاله نحوه ی جا زدن حلقه در قرنیه بدین صورت است که در ابتدا دقیقا در همان محل و عمقی که حلقه در واقعیت در قرنیه ی بیمار جاگذاری می شود ، شیاری کوچک تر ایجاد می کنند و سپس از طریق روش آماری به نام - Coherent Point Drift - &3 برای جا زدن حلقه در شیار استفاده شده است. با این روش شیاری که قبلا ایجاد شده است ملزم به باز شدن است که همین امر سبب مسطح شدن قوز قرنیه می گردد. در این مقاله قصد داریم با استفاده از عکس برداری صورت پذیرفته بر روی قرنیه ی بیمار مبتلا به قوز قرنیه به جاگذاری حلقه درون قرنیه با استفاده از نرم افزار آباکوس و مقایسه ی نتایج با نتایج مقاله ی پیشین می پردازیم.
-2 مدل سازی
با استفاده از عکس برداری صورت پذیرفته بر روی قرنیه ی بیمار مبتلا به قوز قرنیه قبل از عمل مدل سازی سه بعدی از قرنیه در نرم افزار سالیدورکس صورت می پذیرد و با ورود مدل به نرم افزار آباکوس به جا زدن حلقه درون قرنیه و تحلیل می پردازیم. نمونه ای از عکس های قرنیه بیماردر شکل1 ، نمونه ی حلقه داخل قرنیه در شکل 2 و ویژگی های حلقه قرار داده شده در قرنیه در جدول 1 آورده شده است.
-3 خواص رفتاری قرنیه و حلقه های درون قرنیه
مدل رفتاری قرنیه هایپرالاستیک مدل آگدن مرتبه 2 در نظر گرفته شده است. ضرایب مورد استفاده در جدول 2 آورده شده است.
تابع انرژی کرنشی مدل اگدن طبق معادله - 1 - تعریف می شود:
از آن جا که ماده قرنیه هایپرالاستیک غیر قابل تراکم در نظر گرفته شده است، در این معادله مقدار J=0 و i=2 مرتبه ی مدل آگدن است. حلقه های درون قرنیه ای از جنس پلیمر 300$ هستند که به دلیل سفتی بالا نسبت به قرنیه، صلب در نظر گرفته می شوند.
-4 شبیه سازی در نرم افزار المان محدود
پس از وارد کردن مدل سه بعدی قرنیه به نرم افزار المان محدود آباکوس، دقیقا در همان عمق و محلی که حلقه در قرنیه، شیاری به موازات سطح قرنیه ایجاد می کنیم. با توجه به این که زاویه ی کمان حلقه مورد استفاده در بیمار 150 درجه است، شیار به اندازه 150 درجه ایجاد می کنیم. بین سطوح شیار ایجاد شده در قرنیه و سطوح حلقه از نوع تماس WR VXUIDFH VXUIDFH و بدون اصطکاک تعریف شده است. شرایط مرزی بر روی مرکز حلقه به اندازه 150 درجه چرخش و هم چنین شرایط
