Mice are arguably the dominant model organisms for studies investigating the effect of genetic traits on the pathways to mammalian skull and teeth development, thus being integral in exploring craniofacial and dental evolution. The aim of this study is to analyse the functional significance of masticatory loads on the mouse mandible and identify critical stress accumulations that could trigger phenotypic and/or growth alterations in mandible-related structures. To achieve this, a 3D model of mouse skulls was reconstructed based on Micro Computed Tomography measurements. Upon segmenting the main hard tissue components of the mandible such as incisors, molars and alveolar bone, boundary conditions were assigned on the basis of the masticatory muscle architecture. The model was subjected to four loading scenarios simulating different feeding ecologies according to the hard or soft type of food and chewing or gnawing biting movement. Chewing and gnawing resulted in varying loading patterns, with biting type exerting a dominant effect on the stress variations experienced by the mandible and loading intensity correlating linearly to the stress increase. The simulation provided refined insight on the mechanobiology of the mouse mandible, indicating that food consistency could influence micro evolutionary divergence patterns in mandible shape of rodents.

No abstract

No abstract

Το πεδίο της εμβιομηχανικής έχει τρία χαρακτηριστικά καθοριστικής σημασίας που την κάνουν να ξεχωρίζει από τα «συμβατικά» γνωστικά πεδία. Το πρώτο είναι ότι τα υπό μελέτη συστήματα είναι κυρίως έμβια με χρονικά μεταβαλλόμενες ιδιότητες. Το δεύτερο χαρακτηριστικό αφορά στο γεγονός ότι η πρόσβαση σε αυτά τα συστήματα επιτρέπεται μόνο με μη καταστρεπτικές μεθόδους και μάλιστα σε σύντομο χρονικό διάστημα ώστε οι ιδιότητες του συστήματος να μη μεταβληθούν σημαντικά. Η εμπειρία όμως έχει δείξει ότι η χρήση μη καταστρεπτικών μεθόδων μέτρησης και διάγνωσης είναι χρονοβόρα και μη φιλική για τον ερευνητή-μηχανικό. Το τρίτο χαρακτηριστικό σχετίζεται με τη μοναδικότητα κάθε έμβιου συστήματος. Παρά τα κοινά γεωμετρικά χαρακτηριστικά που μπορεί να μοιράζονται τα έμβια συστήματα, ποτέ δεν έχει παρατηρηθεί στη φύση ύπαρξη απόλυτα γεωμετρικά όμοιων έμβιων συστημάτων. Αυτό σημαίνει πως αν θέλουμε να διεξάγουμε προσομοιώσεις για έμβια συστήματα, για παράδειγμα μηριαία οστά, ακόμη και αν οι γεωμετρικές διαφορές μεταξύ τους είναι ασήμαντες, θα πρέπει να επαναληφθεί η διαδικασία μοντελοποίησης. Η διερεύνηση του τρόπου μείωσης του απαιτούμενου χρόνου για τη διεξαγωγή μίας προσομοίωσης στο χώρο της εμβιομηχανικής μέσω της εξατομίκευσής της απαιτούμενης διαδικασίας, αλλά και της απλούστευσής της μέσω αυτοματισμών, αποτελούν το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής.Αναλυτικότερα, στη διατριβή αυτή διερευνούνται όλες οι πτυχές της μοντελοποίησης στον πεδίο της εμβιομηχανικής, ξεκινώντας από το αρχικό στάδιο της σάρωσης στον αξονικό τομογράφο, μέχρι το τελικό αρχείο προς επίλυση, προκειμένου να εντοπιστούν βήματα της διαδικασίας μοντελοποίησης που οδηγούν σε σπατάλη χρόνου. Εν συνεχεία, για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών, προτείνεται μία νέα διαδικασία μοντελοποίησης. Η προτεινόμενη διαδικασία μοντελοποίησης έχει ως κεντρική ιδέα την αξιοποίηση των επαναλαμβανόμενων γεωμετρικών μοτίβων των έμβιων συστημάτων και για πρώτη φορά προτείνονται όλα τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα σύστημα μέσα στο οποίο θα υλοποιείται. Αυτό επιτυγχάνεται αρχικά με την αναγνώριση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και την ταξινόμηση των έμβιων συστημάτων σε βάση δεδομένων, βάσει των χαρακτηριστικών αυτών. Για πρώτη φορά προτείνονται συγκεκριμένες χαρακτηριστικές καμπύλες και γίνεται θέσπιση της κωδικής ονομασίας. Στη συνέχεια αυτές οι καμπύλες αξιοποιούνται για την αυτοματοποιημένη εύρεση συμβατού γεωμετρικά, γενικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων με το υπό μελέτη, μέσω μίας γρήγορης και απλής μεθόδου τριών φάσεων (1.Κωδική ονομασία, 2.Μήκος κύριας χαρακτηριστικής καμπύλης, 3.Εμβαδό μεταξύ κύριας καμπύλης γενικού με την αντίστοιχη του υπό μελέτη έμβιου συστήματος). Τέλος αυτές οι καμπύλες αξιοποιούνται από τους αλγόριθμους μορφοποίησης που προτείνονται και επηρεάζουν το πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων, με απώτερο στόχο την ταύτιση της γεωμετρίας του προϋπάρχοντος γενικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων με αυτή του υπό μελέτη. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η επαναχρησιμοποίηση και εξατομίκευση γενικών μοντέλων έμβιων συστημάτων, με ταυτόχρονη αποφυγή επανάληψης των πιο χρονοβόρων βημάτων της διαδικασίας μοντελοποίησης, όπως για παράδειγμα η δημιουργία της τρισδιάστατης γεωμετρίας από τα δεδομένα του αξονικού τομογράφου.

No abstract