En Koblet Eksperiment-Finite Element Modeling metode til vurdering af High Strain Rate Mekanisk Reaktion af Soft Biomaterials

Summary

Den aktuelle undersøgelse foreskriver en koblet eksperiment-finite element simulation metode for at opnå den enaksede dynamiske mekaniske respons af bløde biomaterialer (hjerne, lever, sener, fedt etc.). De multi-akse eksperimentelle resultater, der opstod på grund af prøven svulmende fås fra Split-Hopkinson Pressure Bar test blev gjort til en enaksede ægte stress-strain adfærd, når simuleret gennem iterative optimering af finite element analyse af biomateriale.

Abstract

Denne undersøgelse giver en kombineret eksperimentel og finite element (FE) simulation tilgang til undersøgelse af mekaniske opførsel af bløde biomaterialer (f.eks hjerne, lever, sener, fedt, etc.) Ved høje belastningsgrader. Denne undersøgelse anvendte en Split-Hopkinson-trykstang (SHPB) for at generere belastningsgrader af 100-1,500 ^sek-1. Den SHPB ansat en angriber bar består af et viskoelastisk materiale (polycarbonat). En prøve af biomaterialet blev opnået kort tid postmortem og forberedt til SHPB testning. Prøven blev indskudt mellem hændelsen og overførte barer, og de pneumatiske komponenter i SHPB blev aktiveret til at drive angriber bar hen hændelsen bar. Den resulterende effekt genereret en trykspænding bølge (dvs. hændelse bølge), der rejste gennem hændelsen bar. Når trykspænding bølge nået slutningen af hændelsen bar, en portion fortsatte fremad gennem prøven og sendes bar (i.e. transmitteret bølge), mens en anden del vendes gennem hændelsen bar som en trækstyrke bølge (dvs. reflekterede bølge). Disse bølger blev målt under anvendelse af strain gauges monteret på hændelsen og overførte barer. Den sande stress-strain opførsel af prøven blev bestemt ud fra ligninger baseret på bølgeudbredelse og dynamisk kraft ligevægt. Den eksperimentelle stress-strain reaktion var tredimensionelle i naturen, fordi prøven buler. Som sådan blev den hydrostatiske stress (første invariant) anvendes til at generere stress-strain respons. For at ekstrahere den enaksede (endimensionale) mekanisk reaktion af vævet, blev en iterativ koblet optimering udført under anvendelse eksperimentelle resultater og Finite Element Analysis (FEA), som indeholdt et indre tilstandsvariable (ISV) materiale model, der anvendes til vævet. ISV materiale model, der anvendes i FE simuleringer af forsøgsopstillingen blev iterativt kalibreret (dvs. optimeret) til eksperimentelle data sådan that eksperimentet og FEA stamme gage værdier, og første invariant af spændinger var i god overensstemmelse.

Introduction

Motivation

Kardinalen modstanderen koblet Split – Hopkinson-trykstang (SHPB) eksperiment / finite element modellering af bløde biomaterialer (såsom hjerne, lever, sener, fedt, etc.) var at ekstrahere deres enaksede mekaniske adfærd til yderligere gennemførelse i menneskekroppen FE simuleringer under skadevoldende mekaniske belastninger. Den menneskelige krop Finite Element (FE) model består af et detaljeret krop mesh menneske og en historie afhængig multiscale viskoelastiske-viskoplastisk Intern stat variabel (ISV) materiale model for forskellige menneskelige organer. Denne menneskelige krop model kan bruges til en ramme til at bygge bedre standarder for beskyttelse af skade, til at designe innovative beskyttelsesudstyr, og for at gøre det muligt for beboer centreret køreveje design.

To former for høj skade er ofte blevet observeret i human traume: eksplosiv blast og stumpt effekt. Blast skader fra eksplosive våben er den primære kilde til traumatic skade (TI) og den hyppigste årsag til dødsfald på slagmarken ^1. Når detonerede, disse sprængstoffer danner en udadgående formeringsmateriale chokbølge, der producerer store og pludselige accelerationer og deformationer. De resulterende belastninger udgør alvorlige trusler mod dem, der udsættes. Selvom en del af anatomien kan såret af chokbølger, det primære problemområder er (1) den nedre ende på grund af sin nærhed til jorden, og (2) i spidsen, da skader kan hæmme normal hjernefunktion og overlevelse ^{2 3.} Disse skader kan kategoriseres som primære, sekundære eller tertiære skader afhængigt af typen af ​​skade. Fordi styrken af et eksplosivt er karakteriseret ved sin vægt eller størrelse, standoff afstand, positive impulsvarighed, og medium, hvorigennem den bevæger, kan det være vanskeligt at tilstrækkeligt kategorisere disse skader ^3-6. Kongressens rapporter viser, at militært personel har lidt næsten 179.000 traumatiske skader på grund af eksplosivevåben og køretøjer nedbrud i Irak og Afghanistan fra 2000 til marts 2010 ² personer. På grund af karakteren og placeringer af moderne kamp, ​​hovedskader er en førende bekymring for både militære og civile ^3.

Bortset fra kamp scenarier, TI har en række forskellige årsager, herunder bilindustrien traumer; rodeo, motorcykel og ulykker i hjemmet; og sportsskader. For eksempel, på trods af forbedringer af sikkerhedsudstyr og protokoller, mekanisk induceret traumatisk hjerneskade (TBI) fortsætter med at være en førende kilde til dødelighed og livslang sygelighed i USA Center for Disease Control og Forebyggelse (CDC) rapporterer cirka 1,4 millioner TBI begivenheder hver år, hvoraf næsten 50.000 er dødelige. Amerikansk fodbold alene tegner sig for mere end 300.000 TBIs hvert år ^7. Overlevende fra sådanne skader er i risiko for langsigtede neurologiske komplikationer relateret til sensation, Erkendelse og Formidling. På dette tidspunkt er der ca.5,3 millioner amerikanere lever med disse kroniske ulemper og handicap. Direkte og indirekte amerikanske medicinske omkostninger 2000-2010 udgjorde 60 milliarder dollars ^8. Men disse tal ikke højde for ikke-medicinske omkostninger og tab, eller der er afholdt af de familier og venner, der støtter TBI patienter. Beyond rent økonomisk analyse, TBI-induceret handicap skaber en betydelig reduktion i livskvalitet, som kan manifestere sig som en betydelig byrde for familier og samfund.

Behovet for yderligere forståelse af formationen, beskrivelse, og forebyggelse af TI er klar. Biomekaniske undersøgelser af de underliggende mekanismer, der forårsager TI give indsigt og mulighed for at reducere eksponeringen eller forbedre sikkerhedsfunktioner for dem på potentiel risiko for TI. Desuden kan mere avancement i den generelle forståelse af TI-dannelse forbedre diagnostiske metoder og kriterier, der giver læger, der behandler TI med bedre middel til at forbedre resultatets og redde liv.

Et bedre kendskab til skade mekanismer og en bedre forståelse af de biomekanik udvikling skade er nødvendige for at udvikle effektive beskyttelsesforanstaltninger for den menneskelige krop. Historisk set har simuleringer sigter mod forudsige skader været hæmmet af beregningsmæssige begrænsninger samt troskab af anatomiske og materielle modeller ansat. Hele kroppen simuleringer har fokuseret på de overordnede belastninger på hver kropsdel, men er ikke blevet observeret den lokale stress, stamme, og skader i hvert organ, muskler, knogler, osv. For eksempel skulder øjeblik modeller bruger dimensionerne af armen, belastningen, og den anvendte vinkel for at søge efter tabelform værdier, der angiver, hvorvidt en bestemt scenario er farligt. En beregning af denne art er nyttigt for hurtige skøn, men kan ikke fange, hvad der sker lokalt fra hånden hele vejen til skulderen, især når skaden og skade er uløseligt lokal. For det andet, FE simulations er blevet anvendt til at indfange den lokale reaktion. Begrænsningen i disse bestræbelser har ikke været FEA sig selv, men de materielle modeller, der definerer hver kropsdel ​​adfærd under blast skade belastninger. Tidligere ansat materiale modeller er tilpasset fra enklere materialer og har ikke forsøgt at indfange det utal af komplekse mekaniske adfærd udstillet af biologisk væv. Derfor high-fidelity beregningsmodeller med ISV materiale modeller for organer i den menneskelige krop repræsenterer den mest realistiske måde at undersøge fysik og biomekanik af TIS, at designe innovative beskyttelsesudstyr, og at etablere bedre standarder for skade målinger.

Baggrund om Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) og Intern State Variable (ISV) Materiale Model

På grund af etiske spørgsmål i forbindelse med in vivo-testning af humane organer og de ​​logistiske problemer, der er forbundet med bred skala menneske Nekro testning, current forskningsindsats involverer mekaniske eksperimenter in vitro under anvendelse af prøver fremstillet ud fra organer ekstraheret fra animalske surrogater (f.eks gris som hyppigst anvendte surrogat). Polymere SHPB har været den foretrukne metode til in-vitro test bløde biomaterialer ved høje stamme priser. De relevante deformations adfærd fra SHPB test og tilsvarende vævsskade-relaterede oplysninger fra mikrostrukturelle funktioner i vævet er indarbejdet i vores ISV materialemodeller for orgel mekaniske beskrivelser ^9-10. Disse materialemodeller derefter implementeret i vores virtuelle menneskelige krop model til at foretage FEA af forskellige skader. Denne proces giver os mulighed for at bevæge sig mod målet om præcist at forudsige den fysik og arten af en skade for en given organ under diverse mekaniske belastningstilstande (f.eks blast-induceret, bilulykke og stumpt effekt) uden behov for yderligere fysisk eksperimenteren. For nøjagtigt at beskrive than fænomenologisk mekaniske egenskaber, især højere afhængighed niveau stamme-rate, af biomaterialer anvendes i FE simuleringer af det menneskelige legeme, blev SHPB eksperimenter udført på biomaterialer til opnåelse dynamiske mekaniske responser ved tøjningshastighed vedrørende human TIS. En oversigt over SHPB setup ved Center for Advanced Vehicular Systems (Cavs), Mississippi State University (MSU) er præsenteret i figur 1.

Tidligere undersøgelser har vist, at SHPB test har tre store mangler forbundet med det ^12-18. Den første og mest betydningsfuld er det materiale inertial virkning, hvilket viser sig i den høje tøjningshastighed mekanisk reaktion af et biomateriale prøve som en første spike. For at overvinde dette problem, tidligere forskningsindsats foreslog at ændre geometrien af ​​prøven fra cylindrisk i form til terningformet eller ringformet. De resulterende mekaniske adfærd fra sådanne undersøgelser var forskellige from hinanden, fordi geometrien af ​​emnet påvirket bølgeudbredelse, bølge interaktioner, og den mekaniske respons. Denne type af modifikation til modellen geometri har ført til fejlagtige fremstillinger af den mekaniske respons (multiaksial og uensartet stress tilstand) i biomateriale. Den anden store fejl var den manglende evne til at opretholde dynamisk kraft ligevægt under en test. Forskere overvandt dette problem ved at reducere prøvetykkelsen-til-diameter-forhold og / eller frysning af vævet før testning. Samtidig reducere prøvetykkelsen-til-diameter-forhold fat på spørgsmålet om dynamisk kraft ligevægt, frysning vævet kompliceres yderligere testproceduren, som det ændrede materialeegenskaber grund krystallisation af vand til stede i vævet. En række undersøgelser fuldstændigt opgivet SHPB at undgå de ovennævnte mangler og anvendt shock tubes til opnåelse af tryk-tid respons i forskellige dyremodeller (rotter, svin, etc.). Men disse en,imal modeller giver ikke endimensionale enaksede stress-strain adfærd, der er nødvendige for materielle modeller, der anvendes i FE simuleringer. Den tredje fejl var svigt af SHPB til opnåelse endimensionale stress-strain resultater på grund af prøven barreling følge af den væsentlige blødhed og mængden af ​​vandindholdet i prøven.

Derfor er SHPB præsenterer en levedygtig testapparat at samle høj stamme hastighedsdata. Til bløde materialer imidlertid SHPB inducerer udbuling, der producerer et tredimensionalt stress tilstand hovedsagelig fra hydrostatisk tryk, men den endimensionale stress-strain data er ønsket. Vi viser her, hvordan man stadig kan bruge SHPB at samle den endimensionale uniaksial ægte stress-strain kurve for materiale model kalibrering; imidlertid er den proces at få den enaksede sande stress-strain kurve kompliceret. Denne proces omfatter både de multiaksiale eksperimentelle data og Fe simulation resultater, og det kræver iterativ rekalibrering afde materiale model konstanter. Den endimensionale implementering af ISV materiale model i Matlab, også kendt som væsentlig punkt simulator, kræver en-dimensionelle eksperimentelle data for kalibrering. Så blev det ISV materiale model optimeres ved hjælp af en systematisk kalibreringsprocessen. Her blev eksperimentelle data fra SHPB test overvejes i forbindelse med bølge teori formulering og dynamisk kraft ligevægt (MSU High Rate Software). For at tage højde for den viskoelastiske dispersion af det polymere SHPB, viskoelastiske dispersions- ligninger, som rapporteret af Zhao et al. (2007), blev gennemført i MSU High Rate Software. De viskoelastiske dispersion ligninger bidraget til at sikre dynamisk kraft ligevægt, mens test. Den endimensionale materiale punkt simulator blev derefter indstillet i forbindelse med et par eksperiment-FE modelleringsmetoder indtil de to processer blev anset for at være passende kompatibel, dvs. data fra begge var i god overensstemmelse. Disse data varanvendes til regulering ISV model materialekonstanter ved at sammenligne MATLAB materiale respons simulator s (endimensionalt) mekanisk respons og SHPB FE modellens (endimensionalt) specimen midterlinie stress. Her var FE modellens eksemplar stress komponent langs bølge lastning retning. Derefter tredimensionale opførsel af FE model prøven blev kalibreret ved iterativt at udføre FE simuleringer og justering ISV konstanter så volumen-gennemsnit loading retning stress korrelerede godt med den eksperimentelle sande stress-strain respons. Således blev en proces med iterativ optimering mellem de eksperimentelle data, FE resultater og endimensional ISV materiale model udført. Tabel 1 giver en oversigt over de variable ISV materiale model (MSU TP Ver. 1.1) ^11.

Det vigtigste element i denne metode er at opnå den endimensionale mekanisk reaktion af biomaterialet og dens materialeparametrefor ISV materiale model, som omgår de SHPB test spørgsmål af stress-state uensartethed. Det adskiller også den indledende ikke-lineær respons biomateriale skyldes inertieffekter og gør en mekanisk reaktion, der er uløseligt forbundet med materialet. Den koblede metode viste også, at en ændring i prøven geometri helt ændrer Boundary Value Problem (BVP) og lastning retning sande stress-stamme af prøven. Som sådan kan den ovennævnte metode bruges med ethvert materiale model (fænomenologisk eller mikrostrukturel-baserede) til kalibrering og derefter simulere høj belastning sats adfærd af menneskelige organer under skadevoldende mekaniske belastninger.

Protocol

BEMÆRK: Etik Statement: Det igangværende arbejde er unik for institutionens forskningspolitik, og strengt følger den passende biosikkerhed og Office of Regulatory Compliance (ORC) retningslinjer. 1. biomateriale Prøve indkøb Bær personligt beskyttelsesudstyr i overensstemmelse med standard biosikkerhed protokoller laboratoriet og / eller institution. Bær lukkede-tåede sko, lange bukser, en lab coat, kirurgiske handsker, en beskyttende maske og beskyttelsesbriller ved hånd…

Representative Results

Effektiviteten af den koblede metode er eksemplificeret i figur 3. Her SHPB eksperimentelle stress-strain respons for hjernen er på et lavere spændingstilstand (med en maksimal belastning på 0,32 MPa) i sammenligning med stress tilstand endimensionale materiale punkt simulator (med en spidsværdi på 0,74 MPa), der er beslægtet med FE prøven centerlinje (element) gennemsnit. Dette er på grund af karakteren af ​​deformation som bløde biomaterialer udstilling. Fordi stamme er høj, og den…

Discussion

Den rapporterede metode, der kobler det SHPB eksperimentet og FE modellering af SHPB tilbyder en ny og unik teknik til at vurdere enaksede sande stress-strain respons af et biomateriale ved høje belastningsgrader. For at skaffe mekaniske egenskaber iboende den native væv, skal der drages omsorg for at holde biomateriale prøven mellem 5,56-7,22 ° C før SHPB testning. Hvis prøven afkøles under 5,56 ° C, vand til stede i vævet begynder at krystallisere i is og efterfølgende ændrer vævets mekaniske egenskaber. M…

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