В сочетании Эксперимент-конечных элементов методология моделирования для оценки высокого скорости деформации механический отклик в мягких биоматериалов
Summary
Данное исследование предписывает сочетании эксперимент-конечна методологию моделирования элемент для получения одноосное динамического механического отклика мягких биоматериалов (мозг, печень, сухожилия, жир и т.д.). Многоосной экспериментальные результаты, которые возникли из-за образца выпуклые получены из Сплит-Гопкинсона бар Давление тестирования были оказаны одноосного истинного поведения напряженно-деформированного когда моделируется через итерационного оптимизации конечного элементного анализа биоматериала.
Abstract
Это исследование предлагает комбинированный экспериментальных и конечных элементов (FE) подход моделирования для изучения механического поведения мягких биоматериалов (например, мозг, печень, сухожилия, жир и т.д.), когда подвергаются воздействию высоких скоростях деформации. Это исследование использовали Сплит-Hopkinson давление бар (SHPB) для создания деформации темпы 100-1,500 сек -1. SHPB использовали нападающего бар, состоящий из вязкоупругого материала (поликарбоната). Образец был получен биоматериала вскоре посмертных и подготовлены для тестирования SHPB. Образец помещен между инцидентом и передаваемых баров и пневматические компоненты SHPB были активированы для привода бар нападающего в сторону бара инцидента. В результате воздействия вызвали волну напряжения при сжатии (т.е. падающей волны), которые путешествовали через бар инцидента. Когда сжатие волна стресса достигли конца бара падающего, часть продолжала вперед через образец и передаются бар (I.e. прошедшая волна), а другая часть восстанавливается через баре инцидент как растяжение волны (т.е. отраженная волна). Эти волны были измерены с помощью тензорезисторы, установленные на инцидент и передаваемых баров. Истинный поведение напряжение-деформация образца определяется из уравнений на основе распространения волн и динамического равновесия сил. Экспериментальная ответ напряженно-деформированного был трехмерный характер, потому что образец вдавленный. Таким образом, гидростатическое давление (первый инвариант) был использован для создания ответа напряженно-деформированного. Для того, чтобы извлечь одноосной (одномерное) механическую реакцию ткани, итерационный сочетании оптимизация была проведена с использованием экспериментальных результатов и анализа методом конечных элементов (FEA), в котором содержится переменная (ISV) материала модель внутреннего государственного используемый для ткани. ISV модель материала используется в FE моделирования экспериментальной установки была многократно откалиброван (т.е. оптимизировано) с экспериментальными данными такого тхат эксперимента и ВЭД деформации ценностей Gage и первого инварианта напряжений были в хорошем согласии.
Introduction
Мотивация
Кардинал цель сочетании Сплит – Гопкинсона Давление Бар (SHPB) эксперимент / конечных элементов моделирования мягких биоматериалов (например, мозга, печени, сухожилия, жир и т.д.) было извлечь их одноосные механические поведения для дальнейшей реализации в человеческих тела FE моделирование под вредных механических нагрузок. Конечных элементов (FE) модель человеческого тела состоит из подробного человека сетки тела и истории зависимого многомасштабного вязкоупругого-вязко внутреннего государственного переменная (ISV) модели материала для различных органов человека. Это человек тело модели могут быть использованы для рамок для создания более высоких стандартов для защиты травмы, дизайн инновационный защитный механизм, и для того, чтобы пассажиров ориентированный автомобильного дизайна.
Два режима высокой скорости травмы были широко наблюдается в человеческой травмы: взрыва взрывчатого вещества и удара тупым. Повреждения Взрыв из взрывоопасной оружия является основным источником traumatiС травмы (ТИ) и ведущей причиной смерти на поле боя 1. При взрыве, эти взрывчатые вещества являются наружу ударную волну, распространяющуюся, который производит большие и резкие ускорения и деформации. Полученные нагрузки представляют серьезную угрозу для тех, кто подвергается. Хотя какая-то часть анатомии может быть ранен ударных волн, премьер проблемные области являются (1) нижних конечностей из-за своей близости к земле, и (2) главы, так как травмы могут препятствовать нормальной функции мозга и выживания 2 3. Эти повреждения могут быть классифицированы как первичных, вторичных или третичных травм в зависимости от типа травмы,. Поскольку сила взрывчатого вещества характеризуется веса и размера, расстояние зазора, продолжительность положительного импульса и среды, через которую он проходит, это может быть трудно адекватно классифицировать эти повреждения 3-6. Конгресс отчеты показывают, что военнослужащие пострадали почти 179 000 травматические повреждения в результате взрывнойвооружение и транспортных аварий в Ираке и Афганистане с 2000 по март 2010 года 2. В связи с природой и расположение современного боя, черепно-мозговые травмы являются ведущей проблемой как для военных и гражданских лиц 3.
Помимо боевых сценариев, Т. имеет различные причины, включая автомобильной травмы; родео, мотоциклов и отечественные происшествия; и спортивных травм. Например, несмотря на улучшения в безопасности оборудования и протоколов, механически индуцированной черепно-мозговая травма (ЧМТ) продолжает быть основным источником смертности и заболеваемости в течение всей жизни в США Центр по контролю и профилактике заболеваний (CDC) сообщает, примерно 1,4 млн TBi события каждый год, из которых около 50000 являются фатальными. Американский футбол в одиночку приходится более 300000 TBIs каждый 7 год. Оставшиеся в живых таких травм риску для долгосрочных неврологических осложнений, связанных с ощущением, познания и общения. В это время примерно5,3 млн американцев, живущих с этим хронических недостатков и нарушений. Прямые и косвенные затраты на медицинское обслуживание в США с 2000 по 2010 год составил $ 60 млрд 8. Тем не менее, эти цифры не учитывают в немедицинских затрат и потерь, или расходы, понесенные семьями и друзьями, поддерживающих пациентов с ЧМТ. За чисто экономического анализа, ЧМТ, вызванной инвалидности создает значительное снижение качества жизни, которые могут проявляться в виде значительным бременем на семьи и общества.
Необходимость дальнейшего понимания формирования, характеристика и предупреждение TI ясно. Биомеханические исследования основных механизмов, вызывающих Т. обеспечить понимание и возможность снижения воздействия или улучшения функции безопасности для тех, кто потенциальный риск для TI. Кроме того, более продвижение общего понимания образования TI может улучшить диагностические методы и критерии, предоставление медицинских специалистов, которые лечат TI с лучшими средствами улучшения результатовс и сохранение жизни.
Лучше знание механизмов травмы и лучшее понимание биомеханики развития травматизма, необходимые для разработки эффективных мер защиты для человеческого организма. Исторически сложилось так, моделирование, направленные на предсказывающих травм были затруднены вычислительных ограничений, а также верности анатомо и материальных моделей, используемых. Полный моделирование тела были сосредоточены на общих нагрузок на каждой части тела, но не наблюдается локальное напряжение, деформация, и повреждение в каждый орган, мышцы, кости и т.д.. Например, модели моментов плечо использовать размеры руку, нагрузки, и приложенного углом для поиска табличных значений, которые определяют или не конкретный сценарий является опасным. Расчет этой природы является полезным для быстрого оценкам, но не может захватить то, что происходит на местах из рук всю дорогу к плечу, особенно когда повреждение и травмы неразрывно местные. Во-вторых, ИП летimulations были использованы для захвата локальную реакцию. Ограничение в этих усилиях не было само по себе ВЭД, но материальные модели, которые определяют поведение каждого части тела под травмы взрыв нагрузок. Ранее используемые модели материала взяты из простых материалов и не пытался захватить множество сложных механических поведений биологических тканей. Таким образом, высококачественные модели вычислительные с ISV материальных моделей органов в организме человека представляют собой наиболее реалистичный путь, чтобы исследовать физику и биомеханику ТИС, для разработки инновационных защитное снаряжение, а также установить более высоких стандартов для показателей травматизма.
Фон на Сплит-Гопкинсона давление бар (SHPB) и внутреннее состояние переменной (ISV) Материал Модель
Из-за этических вопросов, связанных с тестированием в естественных условиях человеческих органов и технических вопросов, связанных с широкомасштабной человеческой трупной тестирования, Прев токаЛОР исследовательские усилия включает в себя механические эксперименты в пробирке, используя образцы, полученные из органов, извлеченных из суррогатов животных (например, свиньи, как наиболее часто используемых суррогат). Полимерные SHPB был предпочтительным методом для экстракорпорального тестирования мягких биоматериалов при высоких скоростях деформации. Соответствующие деформационные поведения от тестирования SHPB и информации повреждений, связанных с соответствующей ткани от микроструктурных особенностей ткани включены в наших независимых поставщиков материальных моделей органов механических описаниях 9-10. Эти материальные модели, то реализуется в нашей виртуальной модели человеческого тела, чтобы провести ВЭД различных травм. Этот процесс позволяет нам двигаться к цели точного прогнозирования физику и характер травмы для данного органа в соответствии с различными механическими условиях нагрузки (например, взрыв, вызванного, автокатастрофы и удара тупым) без необходимости дальнейшего физического эксперимента. Для того, чтобы точно описать тон Феноменологические механические свойства, в частности более высокую зависимость скорости деформации уровень, из биоматериалов, используемых в FE моделирования человеческого тела, SHPB Эксперименты проводились на биоматериалов, чтобы получить динамические механические ответов на скоростях деформации, относящихся к человеческому ТИ. Обзор установки SHPB в Центре перспективных автомобильных систем (CAVS), Миссисипи государственного университета (МГУ) представлена на рисунке 1.
Предыдущие исследования показали, что тестирование SHPB имеет три основные недостатки, связанные с ним 12-18. Первое и самое значительное из них материал инерционный эффект, который проявляется в высокой скорости деформации механической реакции образца биоматериала в качестве начального всплеска. Для того чтобы преодолеть эту проблему, предыдущие попытки исследования свидетельствуют изменения геометрии образца от цилиндрической формы и кубический или кольцевую форму. Полученные механические поведения таких исследований были различны сюдам друг от друга, потому что геометрия образца влияет на распространение волн, взаимодействие волн и механического ответ. Этот тип модификации геометрии образца привело к ошибочным представлениям механической реакции (многоосных и неравномерное напряженного состояния) биоматериала. Второй крупный недостаток был неспособность поддерживать динамическое равновесие силы во время теста. Исследователи преодолели эту проблему путем снижения коэффициента образец толщины к диаметру и / или замораживания ткани до тестирования. В то время как снижение соотношение толщина образца к диаметру рассмотрен вопрос динамического равновесия сил, замораживание ткани осложняется процедура тестирования, когда он изменился свойства материала из-за кристаллизации воды, присутствующей в ткани. Ряд исследований полностью отказался от SHPB, чтобы избежать выше недостатки и используется ударные трубы, чтобы получить ответ давление времени в различных животных моделях (крысы, свиньи и т.д.). Тем не менее, этиМодели IMAL не дают одномерные одноосные поведения напряженно-деформированного необходимые для моделей материалов, используемых в моделировании FE. Третьим недостатком было провал SHPB дать одномерные результаты напряженно-деформированного из-за образца катился из-за материальной мягкости и сумму содержания воды в образце.
Следовательно, SHPB представляет жизнеспособную тестирования аппарат заручиться данных высокого скорости деформации. Для мягких материалов, однако, вызывает вздутие SHPB, который производит трехмерное состояние стресса, главным образом, от гидростатического давления, пока данные одномерное напряжение-деформация желательно. Здесь мы показываем, как можно по-прежнему использовать SHPB собрать одномерный одноосной кривой верно напряженно-деформированного для калибровки модели материала; Однако, процесс, связанный с получением одноосное истинную кривую напряжение-деформация является сложным. Этот процесс включает в себя как мульти-осевые экспериментальные данные и результаты моделирования FE с, и это требует итеративного калибровки отмодели материала константы. Одномерная реализация ISV модели материала в MATLAB, также известный как материальной точки симулятор, требуется одномерные экспериментальные данные для калибровки. Так, модель независимых поставщиков материалов была оптимизирована с помощью систематического процесса калибровки. Здесь экспериментальные данные SHPB испытаний был рассмотрен в контексте разработки волновой теории и динамического равновесия сил (МГУ Высокая скорость программного обеспечения). Для того, чтобы учесть вязкоупругой дисперсии полимерной SHPB, вязкоупругих дисперсионных уравнений, как сообщает Чжао и др. (2007), были реализованы в МГУ Rate Software Верховного. Дисперсионные уравнения вязкоупругих помог в обеспечении динамичного равновесия сил во время тестирования. Одномерное материальная точка симулятор доводят в контексте пару эксперимент-FE методологии моделирования, пока два процесса не считались надлежащим совместимы, то есть, данные и были в хорошем согласии. Эти данные былииспользуется для настройки ISV модель материальные константы, сравнивая (одномерное) механическую реакцию отклика материала симулятора Matlab и модель SHPB Фе (одномерных) образца осевой нагрузки. Вот образец компонент стресс модели FE был по волновому погрузки направление. Тогда трехмерное поведение модели образца FE был откалиброван многократно выполняя FE моделирования и корректировки ISV константы так, что объем усредненной погрузки направление стресса хорошо коррелирует с экспериментальной истинного ответа напряженно-деформированного. Таким образом, было проведено процесс итеративного оптимизации между экспериментальными данными, результатами FE и одномерной ISV модели материала. Таблица 1 дает сводку переменных ISV модели материала (МГУ ТП Ver. 1.1) 11.
Важнейшим элементом этой методики является получение одномерный механическую реакцию биоматериала и его параметры материаладля модели материала ISV, который обходит вопросы SHPB тестирования стресс-государственного неравномерности. Он также выделяет начальную нелинейный отклик биоматериала, вытекающие из инерционных эффектов и оказывает механическое ответ, который присущ материала. В сочетании методика также показали, что изменение геометрии образца полностью меняет краевой задаче (BVP) и направление нагрузки истинное напряжение-деформация образца. Таким образом, указанное выше методика может быть использована с любым материалом модели (феноменологической или микроструктурного основе) для калибровки, а затем имитации высокой скорости деформации поведение органов человека под вредных механических нагрузок.
Protocol
Representative Results
Discussion
Сообщил, что методология пары эксперимент SHPB и ИП моделирование SHPB предлагает новый и уникальный метод для оценки одноосную истинную реакцию напряженно-деформированного из биоматериала при высоких скоростях деформации. Для того, чтобы закупать механические свойства, присущие родной…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to recognize the Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) and the Agricultural and Biological Engineering Department at Mississippi State University for supporting this work. This material is based upon work supported by the U.S. Army TACOM Life Cycle Command under Contract No. W56HZV-08-C-0236, through a subcontract with Mississippi State University, and was performed for the Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS) research program. Also, this material is based upon work supported by the National Nuclear Security Administration, (Department of Energy) under award number [DE-FC26-06NT42755]. Finally, the authors would like to thank Mr. David Adams, Mr. Michael McCollum and Ms. Erin Colebeck for their effort in this research.
Materials
| Description | Provider | Quantity | |
| High pressure 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 male x 1/4 female pipe size, hex reducing bushing | McMaster-Carr | 2 | |
| Type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 3/4 male x 1/4 female, hex reducing bushing 150 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 1/2" NPT female | McMaster-Carr | 2 | |
| Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 3/4" NPT female | McMaster-Carr | 2 | |
| ASME-code stainless steel pop-safety valve, 1/4 NPT male, 300 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| Precision extreme-pressure 316SS pipe fitting, 1/2 x 1/2 pipe size, 1-7/8" length, hex nipple | McMaster-Carr | 8 | |
| type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 pipe size, tee, 150 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| Test gauge with safety case, polyester case, standard, dry, 600 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| Digital gauge, plastic case, 2-1/2" dial, 1/4 bottom connection, 300 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| Type 316 stainless steel 37 degree flared tube fitting, adapter for 1/4" tube OD x 1/8" NPT male pipe | McMaster-Carr | 12 | |
| 303 stainless steel 37 degree JIC swivel fitting for 3/16" ID | McMaster-Carr | 12 | |
| High-pressure chemical hose, 3/16" ID, 0.312" OD, 3000 psi | McMaster-Carr | 6 | |
| High-Purity Gas Regulator Single-Stage, Nitrogen, 0-125 PSI, CGA #580 | McMaster-Carr | 2 | |
| Hose for Nitrogen Gas, Argon, and Oxygen Brass Fem Fittings, PTFE Hose, 3'L, 1/4" ID, 3600 PSI | McMaster-Carr | 2 | |
| Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 X 1/4 Pipe Size, Hex Nipple | McMaster-Carr | 4 | |
| Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 3/4 X 3/4 Pipe Size, Hex Nipple | McMaster-Carr | 2 | |
| Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 Male X 1/8 Female Pipe Size, Hex Bushing | McMaster-Carr | 2 | |
| Standard Brass Compression Tube Fitting Adapter for 1/4" Tube OD X 1/4" NPTF Male Pipe | McMaster-Carr | 4 | |
| Kobalt 1/4 in Mini Regulator with Gauge | Lowes | 2 | |
| 1/4" x 25 ft polyethylene tubing | Lowes | 2 | |
| 1-1/2" Diameter Polycarbonate (PC) Rod | McMaster-Carr | 2 | |
| LTV-35 4-Way Valve Mead Fluid Dynamics | Motion Industries | 2 | |
| Pneumatic double action actuator | Valtronic | 2 | |
| Stainless Steel Ball Valve 1/2" | Valtronic | 2 | |
| Buckeye pressure vessel | Buckeye | 2 | |
| SR-4 General Purpose FAE-25-35SX Strain Gages | Micro-Measurement Vishay Precision Group | 2 | |
| M-M Signal Conditioning Amplifier 2310A | Micro-Measurement Vishay Precision Group | 1 | |
| Laser ROLS-W optical sensor | Monarch Instruments | 1 |
References
- Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus. J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).
- Aubry, M. Summary and agreement statement of the First International Conference on Concussion in Sport, Vienna 2001. Recommendations for the improvement of safety and health of athletes who may suffer concussive injuries. Br J Sports Med. 36 (1), 6-10 (2002).
- Born, C. T. Blast trauma: the fourth weapon of mass destruction. Scand J Surg. 94 (4), 279-285 (2005).
- Cullis, I. G. Blast waves and how they interact with structures. J R Army Med Corps. 147, 16-26 (2001).
- Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., Ramsay, J. Blast Loading and Blast Effects on Structures–An Overview. Electronic Journal of Structural Engineering. 7, 76-91 (2007).
- Usmani, Z., Alghamdi, F., Kirk, D., Usmani, Z. Intelligent Agents in Extreme Conditions – Modeling and Simulation of Suicide Bombing for Risk Assessment. Web Intelligence and Intelligent Agents. , (2010).
- Guskiewicz, K. M. Cumulative effects associated with recurrent concussion in collegiate football players the NCAA Concussion Study. JAMA. 290 (19), 2549-2555 (2003).
- Finkelstein, E., Corso, P., Miller, T. . The Incidence and Economic Burden of Injuries in the United States. , (2006).
- Prabhu, R. Coupled experiment/finite element analysis on the mechanical response of porcine brain under high strain rates. JMech Behav Biomed Mater. 4 (7), 1067-1080 (2011).
- Horstemeyer, M. F. . Integrated Computational Materials Engineering (ICME): Using Multiscale Modeling to Invigorate Engineering Design with Science. , (2012).
- Bouvard, J. L. A general inelastic internal state variable model for amorphous glassy polymers. Acta Mechanica. 213, 1-2 (2010).
- Kenner, V. H., Goldsmith, W. Impact on a simple physical model of the head. J Biomech. 6 (1), 1-11 (1973).
- Khalil, T. B., Viano, D. C., Smith, D. L. Experimental analysis of the vibrational characteristics of the human skull. J. Sound Vib. 63 (3), 351-376 (1979).
- Pervin, F., Chen, W. W. Dynamic mechanical response of bovine gray matter and white matter brain tissues under compression. J Biomech. 42 (6), 731-735 (2009).
- Prevost, T. P., Balakrishnan, A., Suresh, S., Socrate, S. Biomechnics of brain tissue. Acta Biomater. 7 (1), 83-95 (2011).
- Saraf, H., Ramesh, K. T., Lennon, A. M., Merkle, A. C., Roberts, J. C. Mechanical properties of soft human tissues under dynamic loading.J. J Biomech. 40 (9), 1960-1967 (2007).
- Van Sligtenhorst, C., Cronin, D. S., Wayne Brodland, G. High strain rate compressive properties of bovine muscle tissue determined using a split Hopkinson bar apparatus. J Biomech. 39 (10), 1852-1858 (2006).
- Song, B., Chen, W., Ge, Y., Weerasooriya, Y. Dynamic and quasi-static compressive response of porcine muscle. J Biomech. 40 (13), 2999-3005 (2007).
- . MSU JHBT Data Processing and MSU High Rate Software Manual Available from: https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_JHBT_Data_Processing_and_MSU_High_Rate_Software_Manual.zip (2014)
- Zhao, H., Gary, G. On the use of SHPB techniques to determine the dynamic behavior of materials in the range of small strains. Int J Solids Struct. 33 (23), 3363-3375 (1996).
- Zhao, H., Gary, G., Klepaczko, J. R. On the use of a viscoelastic split hopkinson pressure bar. Int J Impact Eng. 19 (4), 319-330 (1997).
- . MSU TP Ver 1.1. Available from: https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip (2014)
- Gray, G. T., Blumenthal, W. R. . ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation. 8, 488-496 (2000).
- Dharan, C. K. H., Hauser, F. E. Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates. Exp. Mech. 10 (9), 370-376 (1970).
- Chen, J., Priddy, L. B., Prabhu, R., Marin, E. B., Horstemeyer, M. F., Williams, L. N., Liao, J. Traumatic Injury: Mechanical Response of Porcine Liver Tissue under High Strain Rate Compression Testing. Proceedings of the ASME 2009 Summer Bioengineering Conference (SBC2009). , (2009).
