Een combinatie Experiment-eindige elementen modellering Methodologie voor het beoordelen van Hoge Strain Rate mechanische respons van Soft Biomaterialen

Summary

De huidige studie schrijft een gekoppelde experiment-eindige elementen simulatie methodologie om de uniaxiale dynamische mechanische respons van zacht biomaterialen (hersenen, lever, pezen, vet, enz.) Te verkrijgen. De multiaxiale experimentele resultaten die ontstond als gevolg van specimen uitpuilende verkregen uit Split-Hopkinson Pressure Bar testen werden verleend aan een eenassige echte spanning-rek gedrag wanneer gesimuleerd door middel van iteratieve optimalisatie van de eindige elementen analyse van het biomateriaal.

Abstract

Deze studie heeft een gecombineerde experimentele en eindige elementen (FE) simulatiebenadering onderzoek van de mechanische eigenschappen van zachte biomaterialen (bijv hersenen, lever, pezen, vet, enz.) Bij blootstelling aan hoge reksnelheden. Deze studie gebruik gemaakt van een Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) naar stam tarieven van 100-1,500 sec genereren ^-1. De SHPB gebruik van een spits bar bestaat uit een visco-elastisch materiaal (polycarbonaat). Een monster van het biomateriaal werd kort postmortem verkregen en voorbereid SHPB testen. Het monster werd geplaatst tussen het incident en overgebracht bars, en de pneumatische componenten van de SHPB werden geactiveerd om de spits bar in de richting van het incident bar rijden. De gevolgen hiervan genereerde een drukspanning wave (dwz incident wave), die reisde door het incident bar. Wanneer de drukspanning golf aan het einde van het incident bar, een gedeelte voortgaande door het monster en verzonden bar (i.e. doorgegeven wave), terwijl een ander deel teruggedraaid door het incident bar als een treksterkte wave (dwz gereflecteerde golf). Deze golven werden gemeten met behulp van rekstrookjes gemonteerd op het incident en overgedragen bars. De ware spanning-rek gedrag van het monster werd bepaald uit vergelijkingen gebaseerd op golfvoortplanting en dynamisch krachtenevenwicht. De experimentele spanning-rek reactie was driedimensionaal in de natuur, omdat het monster puilden. Als zodanig is de hydrostatische spanning (eerste invariant) gebruikt om de spanning-rek respons te genereren. Om de uniaxiale (eendimensionale) mechanische reactie van het weefsel te extraheren, werd een iteratieve optimalisatie gekoppeld uitgevoerd middels experimentele resultaten en Finite Element Analysis (FEA), die een variabele (ISV) materiaal Inwendige staat model voor het weefsel bevatte. Het ISV materiaal model dat in de FE simulaties van de experimentele opstelling werd iteratief gekalibreerd (bijvoorbeeld geoptimaliseerd) de beproevingsgegevens dergelijke that het experiment en FEA stam gage waarden en de eerste invariant van spanningen waren in goede overeenstemming.

Introduction

Motivatie

De kardinaal doel van de gekoppelde Split – Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiment / eindige elementen modellering van zachte biomaterialen (zoals de hersenen, lever, pezen, vet, enz.) Was om hun eenassige mechanische gedrag voor de verdere uitvoering in het menselijk lichaam FE extraheren simulaties onder schadelijk mechanische belastingen. Het menselijk lichaam Eindige Elementen (FE) model bestaat uit een gedetailleerde menselijk lichaam mesh en een geschiedenis afhankelijke meerschalige viscoelastische-taai-elastisch interne toestandsvariabele (ISV) materiaal model voor diverse menselijke organen. Dit menselijk lichaam model kan gebruikt worden voor een kader te bouwen betere normen voor de bescherming van de schade, om innovatieve beschermende kleding te ontwerpen en om de inzittenden van voertuigen centric ontwerp mogelijk te maken.

Twee manieren van hoog tarief verwondingen zijn op grote schaal waargenomen in menselijke trauma: explosieve blast en stomp impact. Blast schade als gevolg van explosieve wapens is de primaire bron van traumatic letsel (TI) en de belangrijkste doodsoorzaak op het slagveld ^1. Wanneer ontploft, deze explosieven vormen een uiterlijke propageren schokgolf die grote en abrupte versnellingen en vervormingen produceert. De resulterende belastingen vormen een ernstige bedreiging voor de blootgestelde personen. Hoewel een deel van de anatomie kan worden verwond door schokgolven, de belangrijkste punten van zorg zijn (1) de onderste extremiteit vanwege de nabijheid van de grond, en (2) het hoofd, omdat verwondingen kan de normale werking van de hersenen en overleving ² remmen ^{, 3.} Deze letsels kunnen worden gecategoriseerd als primaire, secundaire of tertiaire verwondingen afhankelijk van het type letsel. Omdat de sterkte van een explosief wordt gekenmerkt door zijn gewicht of omvang, afstandsmeting, positieve pulsduur en medium waardoor het zich verplaatst, kan het moeilijk zijn om deze blessures ^06/03 adequaat categoriseren. Congres rapporten geven aan dat militair personeel bijna 179.000 traumatische letsels als gevolg van explosieve hebben geledenwapens en voertuigen crashes in Irak en Afghanistan van 2000 tot maart 2010 ^2. Vanwege de aard en de locaties van Modern Combat, hoofdletsel zijn een belangrijke zorg voor zowel de militairen en burgers ^3.

Afgezien van combat scenario's, TI heeft een verscheidenheid van oorzaken, waaronder automotive trauma; rodeo, motorfietsen en huishoudelijke ongevallen; en sportblessures. Bijvoorbeeld, ondanks verbeteringen van de veiligheid apparatuur en protocollen, mechanisch geïnduceerde traumatisch hersenletsel (TBI) blijft een belangrijke bron van mortaliteit en morbiditeit levenslang in de VS Het Center for Disease Control en Prevention (CDC) meldt zijn ongeveer 1,4 miljoen TBI evenementen per jaar, waarvan bijna 50.000 met dodelijke afloop. American football alleen al goed voor meer dan 300.000 TBIs elk jaar ^7. Overlevenden van dergelijke verwondingen met een risico op lange termijn neurologische complicaties gerelateerd aan sensatie, cognitie en communicatie. Op dit moment zijn er ongeveer5,3 miljoen Amerikanen leven met deze chronische nadelen en beperkingen. Directe en indirecte Amerikaanse medische kosten 2000-2010 bedroeg 60000000000 $ ^8. Echter, deze cijfers geen rekening met niet-medische kosten en verliezen, of die van de families en vrienden ondersteunen TBI patiënten. Beyond zuiver economische analyse, TBI-geïnduceerde invaliditeit zorgt voor een aanzienlijke vermindering van de kwaliteit van leven die kan zich manifesteren als een zware last op de gezinnen en de maatschappij.

De noodzaak voor een beter begrip van de formatie, karakterisering en preventie van TI is duidelijk. Biomechanische studies van de onderliggende mechanismen die ervoor zorgen dat TI inzicht en mogelijkheid om de blootstelling veiligheidsvoorzieningen verminderen of te verbeteren voor degenen die op potentiële risico voor TI. Bovendien kan meer vooruitgang van het algemene begrip van TI vorming verbeteren diagnostische methoden en criteria, het verstrekken van medische professionals die TI met betere middelen voor de verbetering resultaat behandelens en het redden van levens.

Een betere kennis van letsel mechanismen en een beter inzicht in de biomechanica schade ontwikkeling nodig doeltreffende beschermingsmaatregelen voor het menselijk lichaam te ontwikkelen. Historisch gezien hebben simulaties gericht op het voorspellen van verwondingen gehinderd door computationele beperkingen en de betrouwbaarheid van de anatomische en materiaalmodellen toegepast. Full body simulaties hebben zich gericht op de totale belasting van elk lichaamsdeel, maar de lokale spanning, rek en beschadiging in elk orgaan, spier, bot, etc. niet waargenomen. Zo schouder schip gebruiken de afmetingen van de arm, de lading en de toegepaste hoek zoeken tabelwaarden die aangeven of een bepaald scenario is gevaarlijk. Een berekening van deze aard is nuttig voor snelle schattingen maar niet vastleggen wat lokaal gebeurt van de hand tot aan de schouder, vooral wanneer beschadigingen en verwondingen intrinsiek lokaal. Ten tweede, FE simulations zijn gebruikt om de plaatselijke respons te vangen. De beperking in deze inspanningen niet is FEA zelf, maar het materiaal modellen die het gedrag van elk lichaamsdeel in het kader van blast letsel belastingen definiëren. Eerder werkzaam materiaal modellen zijn aangepast van eenvoudigere materialen en hebben niet geprobeerd om de talloze complexe mechanische gedrag vertoond wordt door biologische weefsels vast te leggen. Daarom high-fidelity rekenmodellen met ISV materiaal modellen voor organen in het menselijk lichaam vertegenwoordigen de meest realistische manier om de fysica en biomechanica van TI te onderzoeken, om innovatieve beschermende kleding te ontwerpen en om betere normen voor letsel metrics vast te stellen.

Achtergrondinformatie over Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) en Interne State Variable (ISV) Materiaal Model

Door ethische kwesties die betrokken zijn bij in vivo testen van menselijke organen en de logistieke problemen in verband met brede schaal menselijk kadaver testen, de current onderzoeksinspanning impliceert mechanische experimenten in vitro met behulp van monsters bereid uit organen gewonnen uit dierlijke surrogaten (bijv varken als meest gebruikte surrogaat). Polymere SHPB heeft de voorkeur al in-vitro testen zachte biomaterialen bij hoge belasting tarieven. De relevante deformational gedrag van SHPB testen en bijbehorende weefsel-schade-gerelateerde informatie van de microstructuur van het weefsel zijn opgenomen in onze ISV materiaal modellen voor orgel mechanische beschrijvingen van ^9-10. Deze materiaal modellen worden vervolgens geïmplementeerd in onze virtuele menselijk lichaam model om FEA van diverse verwondingen leiden. Dit proces stelt ons in staat om te verhuizen naar het doel van nauwkeurig voorspellen van de fysica en de aard van een blessure voor een bepaald orgaan onder diverse mechanische belasting (bv blast-geïnduceerde, auto-ongeluk en botte impact), zonder de noodzaak van verdere fysieke experimenten. Om nauwkeurig te beschrijven tHij fenomenologische mechanische eigenschappen, met name de hogere strain-rate afhankelijkheid van de biomaterialen die in de FE simulaties van het menselijk lichaam, SHPB werden experimenten uitgevoerd op de biomaterialen van dynamische mechanische respons na vervormingssnelheden met betrekking tot menselijke VI's te verkrijgen. Een overzicht van de SHPB setup bij het ​​Center for Advanced Vehicular Systems (CAV), Mississippi State University (MSU) is weergegeven in figuur 1.

Eerdere studies hebben aangetoond dat SHPB testing drie belangrijke nadelen verbonden aan ^12-18. De eerste en belangrijkste is het materiaal inertiële kracht, die weergegeven wordt in de hoge reksnelheid mechanische respons van een biomateriaal specimen als een eerste piek. Om dit probleem op te lossen, eerder onderzoek inspanningen stelde het wijzigen van de geometrie van het monster van cilindrische vorm te cuboïdaal of ringvormig. De resulterende mechanische gedrag van deze studies waren verschillend from elkaar, omdat de geometrie van het model van invloed op de golfvoortplanting, golf interacties, en de mechanische respons. Een dergelijke wijziging van het specimen geometrie heeft geleid tot onjuiste weergave van de mechanische respons (meerassige en ongelijkmatige spanningstoestand) van het biomateriaal. De tweede grote minpunt was het onvermogen om dynamische kracht evenwicht tijdens een test te behouden. Onderzoekers dit probleem overwonnen doordat de monsterdikte-diameterverhouding en / of invriezen van het weefsel voorafgaand aan het testen. Tegelijkertijd de monsterdikte-diameterverhouding en dat daarin dynamisch krachtenevenwicht, invriezen van het weefsel verder bemoeilijkt de testprocedure zoals veranderde materiaaleigenschappen gevolg van kristallisatie van water in het weefsel. Verschillende studies de SHPB de hierboven genoemde gebreken te vermijden en gebruikt schokbuizen de druk-responstijd in verschillende diermodellen (rat, varkens, enz.) Te verkrijgen volledig verlaten. Echter, deze eeniMAL modellen niet eendimensionaal eenassige spanning-rek gedrag nodig is voor materiaal modellen die in FE simulaties geven. De derde tekortkoming is het feit dat de SHPB tot eendimensionale spanning-rek resultaten als gevolg van het specimen barreling te wijten aan de materiële zachtheid en de hoeveelheid van het watergehalte in het monster.

Vandaar dat de SHPB presenteert een levensvatbaar testapparatuur hoge reksnelheid data te vergaren. Voor zachte materialen, maar de SHPB induceert bolling die een driedimensionale spanningstoestand produceert van hydrostatische druk, maar het eendimensionale spanning-rek gegevens gewenst. We laten hier zien hoe men tevens gebruiken de SHPB de eendimensionale eenassige true spanningsrekcurve Heftrucks modelkalibratie Garner; echter de werkwijze voor het verkrijgen van de werkelijke uniaxiale spanning-rek curve gecompliceerd. Dit proces omvat zowel multi-axiale experimentele gegevens en FE simulatieresultaten en iteratieve herijking van vereisthet materiaal model constanten. De een-dimensionale uitvoering van de ISV materiaal model in MATLAB, ook bekend als materiaal point simulator vereist eendimensionale experimentele gegevens voor de kalibratie. Dus werd het ISV materiaal model geoptimaliseerd met behulp van een systematisch kalibratie proces. Hier, experimentele gegevens van SHPB testen werd beschouwd in de context van de golf theorie formulering en dynamische kracht evenwicht (MSU High Rate Software). Teneinde rekening te houden de viscoelastische dispersie van de polymere SHPB, viscoelastische dispersie vergelijkingen, zoals gerapporteerd door Zhao et al. (2007), in MSU High Rate software geïmplementeerd. De visco-elastische dispersie vergelijkingen geholpen bij het waarborgen van dynamische kracht evenwicht tijdens het testen. De eendimensionale materiaal point simulator werd vervolgens in het kader van een partner-experiment FE modelleringsmethode totdat de twee processen als vereiste overeenstemming, dat wil zeggen de gegevens van beide waren in goede overeenstemming bestaat. Deze gegevens warengebruikt om het ISV model materiaalconstanten aanpassen door vergelijking van de MATLAB materiaal response simulator (eendimensionaal) mechanische respons en SHPB FE model (eendimensionaal) specimen middellijn stress. Hier was specimen spanningscomponent de FE-model langs de golfbelasting richting. Toen de driedimensionale gedrag van het model te specimen werd gekalibreerd door het iteratief uitvoeren FE simulaties en aanpassing ISV-constanten, zodat volumegemiddelde belastingsrichting spanning correleerde goed met de experimentele ware spanning-rek respons. Aldus is een iteratief proces van optimalisatie tussen de experimentele data, FE resultaten en eendimensionaal ISV materiaal model uitgevoerd. Tabel 1 geeft een overzicht van de variabelen ISV materiaal model (MSU TP Ver. 1.1) ^11.

Het belangrijkste element in deze methode is het verkrijgen van het eendimensionale mechanische respons van het biomateriaal en de materiaalparametersvoor de ISV materiaal model, dat de SHPB testen onderwerpen van de stress-state non-uniformiteit omzeilt. Het scheidt ook de initiële lineaire respons van het biomateriaal gevolg van inertie en maakt een mechanische respons die inherent is aan het materiaal. De gekoppelde werkwijze toonde ook aan dat een verandering in het monster volledig verandert de geometrie randwaardeprobleem (BVP) en de belastingsrichting werkelijke spanning-rek van het monster. Als zodanig kan deze methodiek gebruikt worden met elk materiaal model (fenomenologische of microstructurele gebaseerde) voor het kalibreren en hoge reksnelheid gedrag van menselijke organen te simuleren onder schadelijke mechanische belasting.

Protocol

LET OP: Ethiek Verklaring: De huidige werk is uniek voor het onderzoeksbeleid van de instelling, en volgt strikt de juiste bio-veiligheid en het Bureau van de Regulatory Compliance (ORC) richtlijnen. 1. Biomateriaal Specimen Procurement Draag persoonlijke beschermingsmiddelen in overeenstemming met de standaard bioveiligheid protocollen van het laboratorium en / of instelling. Draag gesloten toed schoenen, een lange broek, een laboratoriumjas, chirurgische handschoenen, een besche…

Representative Results

De effectiviteit van de gekoppelde methode wordt geïllustreerd in figuur 3. Hier de SHPB experimentele spanning-rek respons van de hersenen op een lagere spanningstoestand (met een piekspanning van 0,32 MPa) ten opzichte van de spanningstoestand van het materiaal eendimensionale point simulator (met een piekwaarde van 0,74 MPa), dat verwant is aan het FE sample hartlijn (element) gemiddeld. Dit komt door de aard van de vervorming die zachte biomaterialen vertonen. Omdat de spanning hoog zijn, en …

Discussion

De gemelde methodologie die koppelt de SHPB experiment FE modellering van de SHPB biedt een nieuwe en unieke techniek om de werkelijke uniaxiale spanning-rek respons van een biomateriaal met hoge reksnelheden beoordelen. Om mechanische eigenschappen inherent aan de natieve weefsel verkrijgen moet erop worden gelet dat het biomateriaal monster tussen 5,56-7,22 ° C houden voordat SHPB testen. Indien het monster onder 5,56 ° C wordt afgekoeld, water aanwezig in het weefsel gaat kristalliseert in ijs en vervolgens verande…

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