نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد بیومکانیک، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

2 دانشیار، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

10.22041/ijbme.2017.72939.1275

چکیده

بزرگ شدن سیرینکس در بیماری سیرنگومیلی، باعث بروز آسیب نورولوژیکی پیشرونده میشود؛ بنابراین، بررسی عوامل دخیل در توسعة سیرینکس، در یافتن روش‌هایی برای کنترل این بیماری بسیار اهمیت دارد. یکی از فرضیات بالینی مهم در رابطه با علت توسعة سیرینکس، انتشار موج شوک فشار در سیال فضای ساب‌آراکنوئید را عامل اصلی حرکت سیال داخل سیرینکس و در طولانی‌مدت، توسعة سیرینکس و آسیب فزاینده به نخاع، می‌داند. مدل‌سازی و تحلیل حاضر در راستای آزمودن این فرضیه و به کمک روش المان محدود انجام شده است؛ به این ترتیب که یک مدل سه‌بعدی، شامل سیرینکس، طناب نخاعی، سیال مغزی-نخاعی در فضای ساب‌آراکنوئید، لایة سخت‌شامه و گرفتگی، ایجاد شد. تحریک پالس فشار به سطح بالایی مدل سیال فضای ساب‌آراکنوئید، که تأثیر پالس شریانی جمجمه‌ای را شبیه‌سازی میکرد، اعمال شد. سیال مغزی-نخاعی، به‌صورت نیوتنی و جریان آن، به‌صورت لایه‌ای فرض شد. رفتار جامد نیز، الاستیک خطی در‌نظر‌گرفته شد. تحلیل برهم‌کنش سیال و جامد توسط نرم‌افزار ADINA اجرا شده و مشخصات جریان سیال، شامل میدان سرعت و فشار و همچنین تنش‌های ایجاد‌شده در بافت‌ها، استخراج شد. نتایج نشان می‌دهد که انتشار موج فشار در سیال فضای ساب‌آراکنوئید، به القای حرکت در سیال سیرینکس منجر می‌شود و با توقف سیال در انتهای سیرینکس، افزایش فشار موضعی به ایجاد تمرکز تنش در بافت نخاعی می‌انجامد؛ اما مقادیر این تنش‌ها، کمتر از حد تحمل بافت نخاعی است و انتشار موج فشار در این شرایط، نمی‌تواند عامل اصلی توسعة سیرینکس باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis of 3D Model of Spinal Cord in Syringomyelia Disease Conditions Using Fluid-Solid Interface Technique

نویسندگان [English]

  • Hoda Mastari Farahani 1
  • Nasser Fatouraee 2

1 M.Sc, Biomechanic Department, Biomedical Engineering Faculty, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

2 Associate Professor, Biomechanic Department, Biomedical Engineering Faculty, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Syrinx growth in Syringomyelia desease causes progressive neurological disorders. Thus, the examination of effective factors in syrinx development is so important for controlling this desease. One of clinical assumptions related to the reason of syrinx development, considers the propagation of pressure wave shock in subarachnoid-space fluid as the main reason for fluid motion in syrinx and syrinx development and increasing damage to spinal cord. Modeling and analysis have been performed to test the theory in this research using finite element method. So a 3d model was created including syrinx, spinal cord, cerebrospinal-fluid in subarachnoid-space, dura mater and stenosis. Pressure puls stimulation was applied to the superior surface of the subarachnoid-space fluid model simulating arterial puls of skull. Cerebrospinal-fluid has been assumed as a Newtonian fluid with laminar flow. The solid phase has been considered to be linear elastic. The fluid-solid interface was analized using ADINA software and fluid flow characteristics were extracted including velocity and pressure field as well as tissue stresses. Results show that pressure wave propagation in subarachnoid-space fluid causes the induction of motion in syrinx fluid, and stress concentration is created in spinal tissue due to the fluid cessation in syrinx and increasing local pressure, however these stress values are lower than spinal tissue strength and pressure wave propagation in this situation cannot be the main reason of syrinx development. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • cerebrospinal-fluid hydrodynamics
  • finite element method
  • pressure wave propagation
  • syrinx

[1]     N.S.J. Elliot, C.D. Betram, B.A. Martin, and Brodbelt, A.R, “Syringomyelia: A Review of the Biomechanics” Journal of Fluids and Structures, vol. 40, no. 1, pp. 1–24, July, 2013.

[2]     C.D. Bertram, “Evaluation by Fluid/Structure Interaction Spinal-Cord Simulation of the Effects of Subarachnoid-Space Stenosis on an Adjacent Syrinx”. Journal of Biomechanical Engineering, vol. 132, no. 6, pp. 061009, 2010.

[3]     C.D. Bertram, A.R. Brodbelt, and M.A. Stoodley, “The Origins of Syringomyelia: Numerical Models of Fluid/Structure Interactions in the Spinal Cord” Journal of Biomechanical Engineering, vol. 127, no. 7, pp. 1099–1109, July, 2005.

[4]     M.M. Maharaj, K. Phan, and R. Mobbs, “Spontaneous regression of post-traumatic syringomyelia: A case report and literature review” Journal of Clinical Neuroscience, vol. 44, pp. 249-253, June, 2017.

[5]     Y. Liu, “In silico Investigation of the Fluid Structure Interaction in Spinal Cord and Subarachnoid Space” MS Thesis in Mechanical Engineering, University of Illinois, Chicago, 2010.

[6]     A.F. Samdani, S.W. Hwang, A. Singla, J.T. Bennett, R.J. Ames, and J.S. Kimball, “Outcomes of patients with syringomyelia undergoing spine deformity surgery: do large syrinxes behave differently from small?” Journal of The Spine, vol. 17, pp. 1406-1411, April, 2017.

[7]     C.D. Bertram, “A Numerical Investigation of Waves Propagating in the Spinal Cord and Subarachnoid Space in the Presence of a Syrinx” Journal of Fluids and Structures, vol. 25, no. 7, pp. 1189–1205, October, 2009.

[8]     M.L. Sternberg, and M.L. Gunter, “Syringomyelia” Journal of Emergency Medicine, vol. 53, no. 2, pp. e31-e32, April, 2017.

[9]     Y. Liu, B.A. Martin, T.J. Royston, and F. Loth, “A Fluid Structure Interaction Simulation of the Cerebrospinal fluid, spinalcord, and spinal stenosis present in Syringomyelia”. Proceedings of the ASME Summer Bioengineering Conference, Grande Beach Resort, Naples Florida, USA, pp. SBC2010-19433, 2010.

[10] D. Oreskovic, M. Rados, and M. Klarica, “Review: Role of choroid plexus in cerebrospinal fluid hydrodynamics” Journal of Neuroscience, vol. 354, pp. 69-87, 2017.

[11] N.S.J. Elliot, A.D. Lucey, D.A. Lockerby, and A.R. Brodbelt, “Fluid–structure interactions in a cylindrical layered wave guide with application in the spinal column to syringomyelia” Journal of Fluids and structures, vol. 70, pp. 464-499, April, 2017.

[12] K. Bechter, P.R. Hof, and H. Benveniste, “On the flow dynamics of cerebrospinal fluid” Journal of Neurology, Psychiatry and brain Research, vol. 21, no. 2, pp. 96-103, June, 2015.

[13] S. Cheng, D. Fletcher, S. Hemley, and M. Stoodley, “Effects of fluid structure interaction in a three dimensional model of the spinal subarachnoid space”, Journal of Biomechanics, vol. 47, pp. 2826-2830, April, 2014.

[14] A. Linninger, B. Sweetman, and R. Penn, “Normal and Hydrocephalic Brain Dynamics: The Role of Reduced Cerebrospinal Fluid Reabsorption in Ventricular Enlargement”. Annals of Biomedical Engineering, vol. 37, no. 7, pp. 1434–1447, July, 2009.