مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی و شبیه‌سازی خواص هایپرالاستیک و ویسکوالاستیک ماهیچه قلبی با لحاظ کردن تنش فعال

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
چکیده
بیماری‌های قلبی‌عروقی از مهم‌ترین علل مرگ در جهان هستند و درمان آن‌ها از نظر پزشکی و مالی دارای اهمیت بسیاری است. یکی از روش‌های موثری که می‌تواند در درمان بیماری‌های قلبی‌عروقی بسیار مفید باشد، مدل‌سازی محاسباتی است که به کمک آن متخصصین پزشکی می‌توانند شناخت بهتری از قلب انسان داشته و رویکردهای درمانی تاثیرگذارتری ارائه دهند. مشخصه‌های مکانیکی ماهیچه قلب انسان که به عنوان یک بافت غیرخطی و ناهمسانگرد شناخته می‌شود، از مهم‌ترین قسمت‌های قلب است زیرا نقش اساسی را در پاسخ قلب به بارگذاری‌ها و باربرداری‌ها در خلال سیکل قلبی، بازی می‌کند. در این پژوهش، خاصیت هایپرالاستیک ارتوتروپیک و ویسکوالاستیک همسانگرد قلب انسان با لحاظ کردن اثر تنش فعال در ماهیچه قلبی و با بکارگیری هندسه بطن چپ ایده‌آل، مدل‌سازی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که خاصیت ویسکوالاستیک باعث میرا شدن تغییر شکل ماهیچه قلب می‌شود و مقدار پیچش تجربه شده توسط بافت را کاهش می‌دهد. همچنین، بافت ماهیچه قلب در شبیه‌سازی ویسکوالاستیک پدیده هیسترزیس را از خود نشان داد که این پدیده در مشاهدات بالینی از مکانیک قلب دیده شده است. مدل‌ به طور کامل در نرم‌افزار المان محدود کامسول مولتی فیزیک پیاده‌سازی شده است و قابلیت این را دارد تا در پژوهش‌های آینده برای بکارگیری در مدل‌های الکترومکانیکی قلب مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Modeling and Simulation of Myocardial Hyperelastic and Viscoelastic Properties with Incorporation of Active Stress

نویسندگان English

Pezhman Namashiri
Akbar Allahverdizadeh
Behnam Dadashzadeh
Department of Mechatronics Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

Heart diseases are one of the most important causes of death in the world, and their treatment is very important from a medical and financial perspective. One of the effective ways that can be very useful in the treatment of cardiovascular diseases is computational modeling which can help medical professionals to better understand the human heart and provide more effective therapeutic approaches. The mechanical characteristics of the myocardium of human heart, known as a nonlinear and anisotropic tissue, are the most important part of the heart because it plays a key role in myocardial response to loading and unloading during heart cycle. In this study, the orthotropic hyperelastic and isotropic viscoelastic properties of the human heart were modeled by taking into account the effect of active stress on myocardium and using an idealized left ventricular geometry. Simulation results showed that the viscoelastic property cause the myocardium deformation to be damped and reduces the amount of torsion that experienced by the tissue. Also, myocardium tissue in viscoelastic case showed the hysteresis phenomenon which is found in clinical observations of heart mechanics. The Model is entirely implemented in COMSOL Multiphysics finite element software and can be used in heart electromechanical models in future studies.

کلیدواژه‌ها English

Computational Modeling
Hyperelastic
Viscoelastic
Myocardial Mechanics
finite element method
Humphrey J, Yin F. A new constitutive formulation for characterizing the mechanical behavior of soft tissues. Biophysical journal. 1987;52(4):563-70.
Guccione J, McCulloch A, Waldman L. Passive material properties of intact ventricular myocardium determined from a cylindrical model. Journal of Biomechanical Engineering. 1991;113(1):42-55.
Kerckhoffs R, Bovendeerd P, Kotte J, Prinzen F, et al. Homogeneity of cardiac contraction despite physiological asynchrony of depolarization: a model study. Annals of biomedical engineering. 2003;31(5):536-47.
Dokos S, Smaill BH, Young AA, LeGrice IJ. Shear properties of passive ventricular myocardium. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2002;283(6):H2650-H9.
Usyk T, Mazhari R, McCulloch A. Effect of laminar orthotropic myofiber architecture on regional stress and strain in the canine left ventricle. Journal of elasticity and the physical science of solids. 2000;61(1-3):143-64.
Schmid H, Nash M, Young A, Hunter P. Myocardial material parameter estimation-a comparative study for simple shear. Journal of Biomechanical Engineering. 2006;128(5):742-50.
Holzapfel GA, Ogden RW. Constitutive modelling of passive myocardium: a structurally based framework for material characterization. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2009;367(1902):3445-75.
Göktepe S, Acharya S, Wong J, Kuhl E. Computational modeling of passive myocardium. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 2011;27(1):1-12.
Ahmad Bakir A, Al Abed A, Stevens MC, Lovell NH, et al. A multiphysics biventricular cardiac model: Simulations with a left-ventricular assist device. Frontiers in physiology. 2018;9:1259.
Rausch M, Dam A, Göktepe S, Abilez O, et al. Computational modeling of growth: systemic and pulmonary hypertension in the heart. Biomechanics and modeling in mechanobiology. 2011;10(6):799-811.
Cansız FBC, Dal H, Kaliske M. An orthotropic viscoelastic material model for passive myocardium: theory and algorithmic treatment. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering. 2015;18(11):1160-72.
Sommer G, Schriefl AJ, Andrä M, Sacherer M, et al. Biomechanical properties and microstructure of human ventricular myocardium. Acta biomaterialia. 2015;24:172-92.
Gültekin O, Sommer G, Holzapfel GA. An orthotropic viscoelastic model for the passive myocardium: continuum basis and numerical treatment. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering. 2016;19(15):1647-64.
Karlsen KS. Effects of inertia in modeling of left ventricular mechanics 2017.
Propp A, Gizzi A, Levrero-Florencio F, Ruiz-Baier R. An orthotropic electro-viscoelastic model for the heart with stress-assisted diffusion. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2020;19(2):633-59.
Tikenoğulları OZ, Costabal FS, Yao J, Marsden A, et al. How viscous is the beating heart? Insights from a computational study. Computational Mechanics. 2022:1-15.
Ahmadbakir A, Al Abed A, Lovell NH, Dokos S. Multiphysics computational modelling of the cardiac ventricles. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 2021.
Chan BT, Ahmad Bakir A, Al Abed A, Dokos S, et al. Impact of myocardial infarction on intraventricular vortex and flow energetics assessed using computational simulations. International journal for numerical methods in biomedical engineering. 2019;35(6):e3204.
Nordsletten D, McCormick M, Kilner P, Hunter P, et al. Fluid–solid coupling for the investigation of diastolic and systolic human left ventricular function. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 2011;27(7):1017-39.
Alharbi Y, Al Abed A, Bakir AA, Lovell NH, et al. Fluid structure computational model of simulating mitral valve motion in a contracting left ventricle. Computers in Biology and Medicine. 2022:105834.
Cansız B, Dal H, Kaliske M. Computational cardiology: the bidomain based modified Hill model incorporating viscous effects for cardiac defibrillation. Computational Mechanics. 2018;62(3):253-71.
Guccione J, McCulloch A. Mechanics of active contraction in cardiac muscle: Part I--Constitutive relations for fiber stress that describe deactivation. Journal of Biomechanical Engineering. 1993;115(1):72-81.
Cansız B, Dal H, Kaliske M. Computational cardiology: A modified Hill model to describe the electro-visco-elasticity of the myocardium. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2017;315:434-66.