بخشی از مقاله
چکیده
بزرگ شدن سیرینکس در بیماری سیرنگومیلی باعث بروز آسیب نرولوژیکی پیشرونده میگردد و لذا بررسی عوامل دخیل در توسعه سیرینکس در یافتن روشهایی برای کنترل این بیماری بسیار حائز اهمیت است. یکی از فرضیات کلینیکی مهم در رابطه با علت توسعه سیرینکس، انتشار موج شوک فشار در سیال فضای ساب آراکنوئید را عامل اصلی حرکت سیال داخل سیرینکس و در طولانی مدت توسعه سیرینکس و آسیب فزاینده به نخاع میداند.
مدلسازی و تحلیل حاضر در راستای آزمودن این فرضیه به کمک روش المان محدود انجام گرفته است؛ بدین ترتیب که یک مدل سهبعدی شامل سیرینکس، طناب نخاعی، سیال مغزی-نخاعی در فضای ساب آراکنوئید، لایه سخت شامه و گرفتگی ایجاد شد. تحریک پالس فشار به سطح فوقانی مدل سیال فضای سابآراکنوئید -که تأثیر پالس شریانی جمجمهای را شبیه سازی مینمود- اعمال گردید. سیال مغزی-نخاعی به صورت نیوتنی و جریان آن بصورت لایه ای فرض شد.
رفتار جامد نیز به صورت الاستیک خطی در نظر گرفته شد. تحلیل برهم کنش سیال و جامد توسط نرم افزار ADINA اجرا و مشخصات جریان سیال شامل میدان سرعت و فشار و همچنین تنش های ایجاد شده در بافتها استخراج گردید. نتایج نشان میدهد که انتشار موج فشار در سیال فضای ساب آراکنوئید منجر به القای حرکت در سیال سیرینکس میشود و با توقف سیال در انتهای سیرینکس، افزایش فشار موضعی به ایجاد تمرکز تنش در بافت نخاعی میانجامد؛ ولیکن مقادیر این تنشها از حد تحمل بافت نخاعی پایین تر است و انتشار موج فشار در این شرایط نمی تواند عامل اصلی توسعه سیرینکس باشد.
-1 مقدمه
بررسی منشأ بسیاری از بیماریها از دیدگاه بیومکانیک، موضوع تحقیقات بسیاری می باشد . در سالهای اخیر محققین با بکارگیری مفاهیمی همچون حرکت موج و جریان سیال ویسکوز در حضور میدان جامد تغییر شکل پذیر، شروع به کمک در درک و تحلیل مشکلات پزشکی فضاهای مایع مغزی- نخاعی1 در بدن انسان نمودهاند که بیماری سیرنگومیلی2 یک نمونه از آنهاست .[1] سیرنگومیلی یک بیماری نرولوژیکی است که در آن یک یا چند حفره ماکروسکوپیک غیر عادی پر از سیال، به نام سیرینکس در طناب نخاعی ایجاد میشود.
در این بیماریکه تدریجاً پس از تروما و دررفتگی ارتوپدیک ستون مهرهها رخ میدهد، آسیب موضعی و التهاب پرده آراکنوئید و به دنبال آن تکثیر بافت فیلامنتی آراکنوئید منجر به انسداد نسبی فضای ساب آراکنوئید که سیال مغزی-نخاعی در آن به آرامی جریان دارد، میگردد 1] و .[2 پس از بروز انسداد در مسیر سیال مغزی-نخاعی، به تدریج سیرینکسها داخل طناب نخاعی در مجاورت منطقه آسیب به وجود میآیند .[3] در کانال نخاعی، عوامل مختلفی میتواند تغییرات شدید فشار را در سیال مغزی-نخاعی به وجود آورد که منجر به اعمال فشار مستقیم از سوی سیرینکس بر بافت نخاعی و در نتیجه بزرگ شدن سیرینکس و بروز آسیب نرولوژیکی پیشرونده گردد.
عواملی مانند سرفه ، عطسه، خم شدن به جلو یا برداشتن یک بار سنگین ممکن است در توسعه سیرنکس نقش داشته باشند. در صورت عدم درمان بیماری، از دست رفتن تدریجی حس و عملکرد و حتی فلجی اندامها اجتنابناپذیر است .[4] یکی از فرضیات مهمی که پیرامون منشأ بروز این بیماری وجود دارد، علت توسعه سیرینکس در طناب نخاعی را به نحوی با ایجاد موج شوک فشار - ناشی از سرفه، سیکل قلبی و... - و بازتاب در محل های انسداد فضای ساب آراکنوئید مرتبط میداند .[1] تحقیقات اندکی نحوه انتشار موج فشار ناشی از عطسه یا سرفه یا پالس های شریانی در سیال مغزی نخاعی و احتمال توسعه سیرینکس در اثر این فشارهای گذرا را مورد بررسی قرار داده اند.
برترام و همکاران [3] یک مدل ساده المان محدود دوبعدی متقارن محوری از نخاع شامل بافت الاستیک نخاع - Cord - ، سیال مغزی- نخاعی و لایه سختشامه - Dura - ارائه داده و پالس فشار شریانی و سرفه را به مدل اعمال نمودند و به بررسی نحوه انتشار موج در این مدل پرداختند. نتایج نشان داد که انتشار موج به خواص الاستیک بافت Cord و Dura مرتبط است. برترام در تحقیقات بعدی 2] و [5، مدلسازی را با جزئیات بیشتری انجام داد و یک سیرینکس صدری و یک گرفتگی به مدل اضافه نمود و سپس به بررسی نحوه انتشار موج فشار در مدل پرداخت. لیو و همکاران 4] و [6 یک مدل ساده دوبعدی متقارن محوری از مدل in vitro که پیشتر توسط این گروه به صورت تجربی ساخته شده بود، ایجاد و به کمک نتایج آزمایش های قبلی صحه گذاری نمودند. در این تحقیق، تأثیر گرفتگی بر روی برهم کنش سیال و جامد در شرایط بیماری سیرنگومیلی بررسی گردید و نشان داده شد که گرفتگی باعث کاهش و تضعیف سرعت انتشار موج میشود.
با توجه به این امر که در مدلسازی نخاع به صورت متقارنمحوری، اولاً قید اضافی به محور نخاع در راستای شعاعی اعمال میشود و ثانیاً ممکن است درنظر گرفتن انحناهای طبیعی ستون فقرات در هیدرودینامیک مایع مغزی-نخاعی دخیل باشد، بنابراین در تحقیق حاضر به مدلسازی المان محدود سه بعدی نخاع به همراه انحناهای آن و سپس بررسی نحوه انتشار موج فشار در سیال مغزی- نخاعی و تأثیر آن بر روی توسعه سیرینکس در شرایط وجود بیماری سیرنگومیلی پرداخته شده است.
-2 روش تحقیق
-1-2 مدلسازی هندسی
در این تحقیق، به کمک تلفیق هندسه متقارن محوری ارائه شده در مقاله برترام [2] - شکل -1الف - و اطلاعات ارائه شده در مقاله لینینگر و همکاران [7] که از تصویر برداری ام آر آی به دست آمده بود - شکل 1 -ب - ، یک مدل هندسی سه بعدی دارای انحنا، از طناب نخاعی و پرده های آن به کمک نرمافزار Catia ایجاد گردید. در شکل 2 نمای برش خورده مدل هندسی نشان داده شده است که شامل لایه جامد Dura و گرفتگی در داخل آن در حدود %50 سطح مجرا و به طول 30 میلیمتر ، لایه سیال مغزی-نخاعی، لایه جامد Cord و سیرینکس صدری به طول 140 میلیمتر است.
-2-2 مشخصات مواد
رفتار دو ماده جامد Cord و Dura همانند تحقیق برترام و همکاران [3] الاستیک خطی در نظر گرفته شد. مقادیر مدول یانگ، نسبت پواسون و چگالی برای Cord به ترتیب برابر 0/5 مگاپاسکال، 0/49 و 1000 کیلوگرم بر مترمکعب و برای Dura به ترتیب برابر 10 مگاپاسکال، 0/49 و 1000 کیلوگرم بر مترمکعب درنظر گرفته شد. سیال مغزی نخاعی و سیال داخل سیرینکس دارای خواص مواد مشابه و به صورت سیال نیوتنی با ویسکوزیته ثابت فرض شد. مقادیر چگالی و ویسکوزیته به ترتیب برابر 1000 کیلوگرم بر مترمکعب و 0/001 کیلوگرم بر متر ثانیه درنظر گرفته شد. این مقادیر که بر اساس تحقیق برترام و همکاران [3] اختیار شده، مشابه مقادیر متناظر برای آب است.
-4-2 شرایط مرزی
در مدل جامد دو نوع شرط مرزی مشابه تحقیق متقارن محوری برترام [2] اعمال شد؛ اول آنکه شرط مرزی برهم کنش سیال و جامد به تمام سطوح مدل جامد که با سیال تماس دارند اعمال گردید. با استفاده از این شرط، فشار ایجاد شده در مدل سیال به مدل جامد انتقال می یابد. سپس شرط مرزی جابجایی صفر به تمامی گره های سطوح بالا و پایین Cord و Dura اعمال گردید. در مدل سیال سه نوع شرط مرزی مطابق با تحقیق برترام [2] استفاده شد.
اولا شرط مرزی برهمکنش سیال و جامد به تمام سطوح مدل سیال که با جامد تماس دارند، اعمال گردید. با استفاده از این شرط، جابجایی جامد به دیوراه مدل سیال انتقال مییابد. سپس شرط مرزی دیواره - سرعت صفر - به انتهای تحتانی مدل سیال فضای سابآراکنوئید اعمال گردید. در نهایت شرط مرزی فشار متغیر با زمان به تمامی گرههای سطح فوقانی مدل سیال فضای ساب آراکنوئید اعمال شد. مقدار و شکل این موج تحریک بر اساس تحقیق برترام [2] انتخاب شده و به صورت یک موج فشار مثلثی با دامنه 100 پاسکال و مدت استمرار 0/005 ثانیه بود.
-5-2 روش مدلسازی و پارامترهای استفاده شده
معادلات هر دو میدان جامد و سیال توسط نرم افزار المان محدود ADINA حل شدند. این نرم افزار قابلیت خوبی برای حل مسائل شامل برهم کنش سیال و جامد - FSI - 3 دارد و بسیاری از مسائل FSI با این نرمافزار تحلیل میشوند 2]، 3 و .[5 برای گسسته سازی معادلات میدان سیال از روش اویلری و برای حل معادلات گسسته از روش نیوتن-رافسون با معیار همگرایی 0/001 استفاده شده است. به دلیل نامنظم بودن هندسه مدل، شبکه بندی و المانهای نوع ساختار نیافته - نا منظم یا آزاد - استفاده شده است. المانهای سیال هرمی بوده و هر المان شامل 4 گره میباشد - شکل 3 الف - . الگوریتم ضمنی نیومارک با مقادیر =0/5 و =0/25 برای انتگرال گیری زمانی از معادلات حاکم بر جامد استفاده شده است. روش تکرار نیوتن با تلرانس تکرار نسبی 0/001 برای درجات آزادی در نظر گرفته شده است.
