A Gekoppelt Experiment-Finite-Elemente-Modeling-Methode zur Bewertung Hohe Strain Rate Mechanisches Verhalten von weicher Biomaterialien

Summary

Die aktuelle Studie schreibt eine gekoppelte Experiment-Finite-Elemente-Simulationsmethodik, um den einachsigen dynamische mechanische Verhalten weicher Biomaterialien (Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.) zu erhalten. Die mehrachsigen Versuchsergebnisse, die entstanden, weil der Proben prall von Split-Hopkinson Pressure Bar Tests erhalten wurden, wurden einem einachsigen wahre Spannungs-Dehnungsverhalten wiedergegeben, wenn durch iterative Optimierung der Finite-Elemente-Analyse des Biomaterials simuliert.

Abstract

Diese Studie bietet einen kombinierten experimentellen und Finite-Elemente (FE) Simulationsansatz für die Prüfung des mechanischen Verhaltens von weichen Biomaterialien (zB Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.), wenn sie hohen Dehnungsraten ausgesetzt. Diese Studie verwendet eine Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) zu Dehnraten von 100-1500 sec ^-1 erzeugen. Die SHPB beschäftigt göttliche bar, bestehend aus einem viskoelastischen Material (Polycarbonat). Eine Probe des erhaltenen Biomaterials wurde kurz post mortem und SHPB Test vorbereitet. Die Probe wurde zwischen der Auf- und Durch Bars eingefügt ist, und die pneumatischen Komponenten der SHPB wurden aktiviert, um die Anschlagschiene in Richtung des einfallenden Bar zu fahren. Die sich ergebende Wirkung erzeugt eine Druckspannungswelle (dh einfallende Welle), die durch das einfallende bar gereist. Wenn der Druckspannungswelle erreichte das Ende des einfallenden Bar, ein Teil weiter nach vorne durch die Probe und übermittelt bar (i.E. tragenen Welle) während ein anderer Teil durch den Vorfall bar als Zug- Welle umgekehrt (dh reflektierte Welle). Diese Wellen wurden mit Dehnungsmessstreifen auf dem Auf- und Durch Bars montiert gemessen. Die wahre Spannungs-Dehnungsverhalten der Probe wurde aus den Gleichungen basierend auf der Wellenausbreitung und dynamischen Kräftegleichgewicht bestimmt. Die experimentelle Spannungs-Dehnungs-Antwort war dreidimensionalen in der Natur, weil die Probe ausgebeult. Als solche wurde die hydrostatischen Spannungs (erste invariant) verwendet, um die Spannungs-Dehnungs-Antwort zu erzeugen. Um die einachsigen (eindimensionale) mechanische Reaktion des Gewebes extrahieren wurde eine iterative gekoppelt Optimierung unter Verwendung experimentellen Ergebnisse und Finite-Elemente-Analyse (FEA), der eine innere Zustandsgröße (ISV) Materialmodell für das Gewebe verwendet wurde, enthielt. Die ISV Materialmodell in der FE-Simulationen des Versuchsaufbaus verwendet wurde iterativ kalibriert (dh optimiert) auf experimentelle Daten der wie that des Experiments und FEA DMS-Werte und erste Invariante von Spannungen waren in guter Übereinstimmung.

Introduction

Motivation

Der Kardinal Ziel des gekoppelten Split – Hopkinson Pressure Bar (SHPB) Experiment / Finite-Element-Modellierung von Weich Biomaterialien (wie Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.) war ihre einachsiger mechanischer Verhaltensweisen für die weitere Umsetzung in menschlichen Körper FE extrahieren Simulationen unter schädigenden mechanischen Belastungen. Der menschliche Körper Finite Element (FE) Modell besteht aus einer detaillierten Körpergewebe und einer Geschichte abhängige Multiskalen-viskoelastischen viskoplastische innere Zustandsgröße (ISV) Materialmodell für verschiedene menschliche Organe. Diese menschlichen Körper Modell kann für eine Rahmen verwendet, um bessere Standards für Verletzungsschutz zu bauen, um innovative Schutzkleidung zu entwerfen und zu Insassen centric Fahrzeug-Design zu ermöglichen.

Explosive Explosion und stumpfen Auswirkungen: Zwei Modi der hohen Rate Verletzungen sind weit verbreitet in menschliche Trauma beobachtet. Explosion Schaden von explosiven Kampfmittel ist die primäre Quelle der traumatic Verletzungen (TI) und die führende Ursache des Todes auf dem Schlachtfeld ^1. Wenn gezündet bilden diese Sprengstoffe eine nach außen ausbreitende Schockwelle, die große und plötzliche Beschleunigungen und Verformungen erzeugt. Die daraus resultierenden Belastungen ernsthafte Bedrohungen für diejenigen ausgesetzt. Obwohl ein Teil der Anatomie kann durch Stoßwellen verletzt werden, die Hauptproblembereiche sind (1) der unteren Extremität aufgrund seiner Nähe zu Boden, und (2) den Kopf, da Verletzungen können normale Gehirnfunktion und das Überleben ² hemmen ^{, 3.} Diese Verletzungen können primäre, sekundäre oder tertiäre Verletzungen je nach der Art der Verletzung erlitten kategorisiert werden. Da die Stärke eines explosiven wird durch sein Gewicht oder Größe, Arbeitsabstand, positive Impulsdauer und Medium, durch das es reist ist, kann es schwierig sein, diese Verletzungen ^3-6 adäquat zu kategorisieren. Congressional Berichte zeigen, dass Angehörige der Streitkräfte haben fast 179.000 traumatischen Verletzungen durch explosive erlittenWaffen und Verkehrsunfälle im Irak und in Afghanistan von 2000 bis März 2010 ^2. Aufgrund der Beschaffenheit und Lage der modernen Kampf sind Kopfverletzungen ein führender Anliegen sowohl für die Soldaten und Zivilisten ^3.

Abgesehen von Kampfszenarien, hat TI eine Vielzahl von Ursachen einschließlich Automobil-Trauma; rodeo, Motorrad-und Haushaltsunfälle; und Sportverletzungen. Zum Beispiel, trotz Verbesserungen an Sicherheitsausrüstung und Protokollen, mechanisch induzierte traumatische Hirnverletzungen (TBI) weiterhin eine führende Quelle für Mortalität und Morbidität lebenslanges in den USA Das Center for Disease Control and Prevention (CDC) berichtet werden rund 1,4 Millionen TBI Veranstaltungen pro Jahr, von denen fast 50.000 sind fatal. American-Football allein entfallen über 300.000 TBIs jedes Jahr ^7. Überlebende solcher Verletzungen mit einem Risiko für langfristigen neurologischen Komplikationen auf Empfindung, Wahrnehmung und Kommunikation. Zu dieser Zeit gibt es etwa5,3 Millionen Amerikaner leben mit dieser chronischen Nachteile und Behinderungen. Direkte und indirekte US medizinischen Kosten von 2000 bis 2010 in Höhe von $ 60000000000 ^8. Allerdings sind diese Zahlen nicht für nicht-medizinische Kosten und Verluste, oder diejenigen, die von den Familien und Freunden unterstützt SHT-Patienten entstehen Konto. Über rein ökonomische Analyse, erstellt TBI-induzierten Behinderung eine signifikante Reduktion der Lebensqualität, die als bedeutende Belastung für die Familien und die Gesellschaft manifestieren kann.

Die Notwendigkeit für ein weiteres Verständnis der Formation, Charakterisierung und Prävention von TI ist klar. Biomechanische Untersuchungen der zugrunde liegenden Mechanismen, die TI geben Einblick und die Möglichkeit, um die Exposition für die an potenzielle Risiko für den TI zu reduzieren oder zu verbessern, Sicherheitsfunktionen verursachen. Darüber hinaus können weitere Förderung der allgemeinen Verständnis von TI Bildung diagnostische Methoden und Kriterien zu verbessern, die medizinische Fachleute, die TI bessere Mittel zur Verbesserung der Ergebnisse zu behandelns und Leben zu retten.

Eine bessere Kenntnis der Verletzungsmechanismen und ein besseres Verständnis der Biomechanik Verletzungs Entwicklung erforderlich sind, um effektive Maßnahmen zum Schutz des menschlichen Körpers zu entwickeln. Historisch haben Simulationen vorhersagen Verletzungen dienen und die durch Rechen Einschränkungen sowie die Wiedergabetreue des anatomischen und Materialmodelle verwendet behindert. Ganzkörper-Simulationen auf die Gesamtbelastungen auf jedes Körperteil konzentriert, aber die lokale Spannung, Dehnung und Schäden in jedem Organ, Muskel, Knochen usw. nicht eingehalten wurde. Zum Beispiel Schulter Moment Modelle verwenden die Abmessungen des Arms, der Last und der angelegten Winkel für Tabellenwerte, die angeben, ob ein bestimmtes Szenario ist gefährlich zu suchen. Eine Berechnung dieser Art ist hilfreich für schnelle Schätzungen kann aber nicht erfassen, was wird lokal von der Hand auf der Schulter passiert den ganzen Weg, vor allem, wenn Schäden und Verletzungen sind eigen lokalen. Zweitens FE simulations wurden verwendet, um die lokale Reaktion zu erfassen. Die Einschränkung bei diesen Bemühungen war nicht FEA selbst, sondern die Materialmodelle, die jedes Körperteil Verhalten unter Explosion Verletzungen Lasten definieren. Bisher verwendeten Materialmodelle werden aus einfacheren Materialien angepasst und haben nicht versucht, die Vielzahl von komplexen mechanischen Verhalten von biologischen Geweben ausgestellt zu erfassen. Daher High-Fidelity-Rechenmodelle mit ISV Materialmodelle für die Organe im menschlichen Körper stellen die realistischste Weg, um die Physik und Biomechanik des TIs zu untersuchen, um innovative Schutzkleidung zu entwerfen und zu besseren Standards für Verletzungen Metriken zu etablieren.

Hintergrund auf Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) und innere Zustandsgröße (ISV) Materialmodell

Aufgrund ethischer Fragen mit in-vivo-Tests von menschlichen Organen und die logistischen Probleme mit breit angelegte menschlichen Leichen Testung, die curr beteiligtent Forschungsaufwand beinhaltet mechanischen Experimenten in vitro unter Verwendung von Proben von Organen aus Tier Surrogate extrahiert vorbereitet (zB Schwein als am häufigsten verwendete Ersatz). Polymer SHPB für in-vitro-Tests weichen Biomaterialien bei hohen Dehnraten die bevorzugte Methode. Die entsprechenden Deformationsverhalten von SHPB Prüfung und entsprechende Gewebeschäden bezogene Informationen von den mikrostrukturellen Merkmale des Gewebes sind für Orgel mechanische Beschreibungen ^9-10 in unsere ISV Materialmodelle eingebaut. Diese Materialmodelle werden dann in unserem virtuellen menschlichen Körper Modell FEA von verschiedenen Verletzungen führen implementiert. Dieser Prozess ermöglicht es uns, auf das Ziel ist die Prognose der Physik und der Natur einer Verletzung für einen bestimmten Organ unter verschiedenen mechanischen Belastungsbedingungen (zB Explosion-induzierte, Autounfall und stumpfen Schlag) ohne die Notwendigkeit für weitere physikalische Experimente zu bewegen. Um genau zu beschreiben, ter phänomenologischen mechanischen Eigenschaften, insbesondere die höhere Dehnungsratenabhängigkeit, der in der FE-Simulationen des menschlichen Körpers verwendet Biomaterialien wurden SHPB Experimente auf den Biomaterialien durchgeführt, um dynamische mechanische Reaktionen auf Belastungsraten in Bezug auf Menschen TIs erhalten. Ein Überblick über die SHPB Setup am Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS), Mississippi State University (MSU) ist in Abbildung 1 dargestellt.

Frühere Studien haben gezeigt, dass SHPB Prüfung hat drei große Mängel damit ^12-18 verbunden. Das erste und bedeutendste ist das Material Trägheitseffekt, der in dem hohen Dehngeschwindigkeit mechanische Reaktion ein Biomaterial Probe als Anfangsspitze zeigt. Um dieses Problem zu überwinden, schlug bisherigen Forschungsanstrengungen Modifikation der Geometrie der Probe von zylindrischer Form, um quaderförmige oder ringförmige Form. Die resultierenden mechanischen Verhalten von solchen Studien waren unterschiedlich from jeweils anderen, weil die Geometrie der Probe beeinflusst die Wellenausbreitung, wave-Wechselwirkungen und die mechanische Antwort. Diese Art der Modifizierung der Probengeometrie hat, eine fehlerhafte Darstellungen der mechanischen Reaktion (mehrachsige ungleichmäßige Spannungszustand) des Biomaterials geführt. Die zweite große Schwachstelle war die Unfähigkeit, dynamischen Kräftegleichgewicht während eines Tests zu erhalten. Die Forscher überwand dieses Problem durch Reduzierung der Probendicke-zu-Durchmesser-Verhältnis und / oder Einfrieren des Gewebes vor der Prüfung. Bei gleichzeitiger Reduzierung der Probendicke-zu-Durchmesser-Verhältnis mit der Frage der dynamischen Kräftegleichgewicht, das Einfrieren des Gewebes noch komplizierter, das Testverfahren, wie es die Materialeigenschaften verändert aufgrund der Kristallisation des im Gewebe vorhandenen Wasser. Eine Reihe von Studien die SHPB, um die oben genannten Mängel zu vermeiden und Stoßwellenrohre verwendet, um den Druck-Zeitverhalten in verschiedenen Tiermodellen (Ratten, Schweine, etc.) zu erhalten, ganz aufgegeben. Diese jedoch eineimal Modelle geben keine eindimensionale einachsigen Spannungs-Dehnungs-Verhalten für Materialmodelle in FE Simulationen notwendig. Der dritte Fehler war das Versagen des SHPB einem Spannungs-Dehnungs-Ergebnisse, weil der Probe barre dimensional geben aufgrund der Weichheit des Materials und der Menge an Wassergehalt in der Probe.

Daher stellt der SHPB eine tragfähige Testvorrichtung zu hohen Belastungsrate Daten zu sammeln. Für weiche Materialien ist jedoch die SHPB induziert Vorwölbung, die einen dreidimensionalen Spannungszustand von hydrostatischen Druck produziert, doch die eindimensionale Spannungs-Dehnungs-Daten gewünscht wird. Wir zeigen hier, wie man immer noch die SHPB die eindimensionale einachsigen wahre Spannungs-Dehnungskurve für Materialmodellkalibrierung zu sammeln; Jedoch kann das Verfahren bei der Beschaffung der uniaxialen wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve beteiligt ist kompliziert. Dieses Verfahren umfasst sowohl die multiaxiale experimentellen Daten und FE Simulationsergebnissen und iterative Rekalibrierung erfordertdie Materialmodellkonstanten. Die eindimensionale Umsetzung des ISV Materialmodell in MATLAB, die auch als Material Punkt Simulator bekannt ist, erfordert eine eindimensionale experimentellen Daten für die Kalibrierung. So wurde die ISV Materialmodell optimiert mit Hilfe eines systematischen Kalibrierungsprozess. Hier wurde experimentellen Daten aus SHPB Tests im Zusammenhang mit der Wellentheorie Formulierung und dynamischen Kräftegleichgewicht (MSU High Rate Software) berücksichtigt. Um für das viskoelastische Dispersion des polymeren SHPB viskoelastische Dispersion Gleichungen zu berücksichtigen, wie von Zhao et al. (2007), wurden in MSU High Rate Software implementiert. Die viskoelastischen Dispersion Gleichungen half bei der Gewährleistung dynamischen Kräftegleichgewicht während des Tests. Das Material Punkt Simulator eindimensionale wurde dann im Rahmen von ein paar Experiment-FE Modellierungsmethode eingestellt, bis die beiden Prozesse wurden als angemessen kompatibel, das heißt, die Daten aus beiden waren in guter Übereinstimmung zu sein. Diese Daten warenverwendet, um die ISV Modell Materialkonstanten durch den Vergleich der MATLAB Material Antwort Simulators (eindimensionale) mechanische Reaktion und die SHPB FE Modells (eindimensionale) Probenmittel Stress anzupassen. Hier war Probenspannungskomponente des FE-Modells entlang der Welle Belastungsrichtung. Dann wurde das dreidimensionale Verhalten des FE-Probe durch iteratives Ausführen FE-Simulationen und Einstellen ISV Konstanten so dass volumengemittelten Laderichtung Belastung gut mit den experimentellen wahre Spannungs-Dehnungs-Antwort korreliert kalibriert. Somit wird ein Prozess der iterativen Optimierung zwischen den experimentellen Daten, FE Ergebnisse sowie eindimensionale ISV Materialmodell durchgeführt wurde. Die Tabelle 1 gibt eine Zusammenfassung der Variablen ISV Materialmodell (MSU TP Ver. 1.1) ^11.

Das wichtigste Element dieser Methodik Erhalten der eindimensionalen mechanische Reaktion des Biomaterials und dessen Materialparameterfür die ISV Materialmodell, das die SHPB Testfragen der Spannungs-Zustand Ungleichmäßigkeit umgeht. Sie trennt auch die anfängliche nichtlineare Antwort des Biomaterials aus Trägheitseffekte und macht eine mechanische Reaktion immanenten Materials ist. Die gekoppelten Methodik zeigte auch, dass eine Änderung in der Probengeometrie verändert die Randwertproblem (BVP) und die Belastungsrichtung wahre Spannungs-Dehnungs der Probe. Als solche kann die vorstehend beschriebene Methode mit jeder Materialmodell (phänomenologische oder mikroBasis) für die Kalibrierung und die Simulation hoher Dehnungsrate Verhalten von menschlichen Organen unter schädigende mechanische Belastungen verwendet werden.

Protocol

HINWEIS: Ethics Statement: Die aktuelle Arbeit ist einzigartig in der Forschungspolitik der Institution, und sich strikt an die entsprechende biologische Sicherheit und Office of Regulatory Compliance (ORC) Richtlinien. 1. Biomaterial Specimen Beschaffung Persönliche Schutzausrüstung tragen gemäß der Norm Biosicherheit Protokolle des Labors und / oder Institution. Tragen Sie geschlossene Schuhe, die vorne, lange Hosen, einen Laborkittel, OP-Handschuhe, eine Schutzmaske und Sch…

Representative Results

Die Effektivität des gekuppelten Methodik wird in Figur 3 (mit einer Spitzenspannung von 0,32 MPa) im Vergleich zu dem Spannungszustand der eindimensionalen Material beispielhaft dargestellt. Hier ist der SHPB experimentellen Spannungs-Dehnungsverhalten für das Gehirn auf einem niedrigeren Spannungszustand Punkt-Simulator (mit einem Spitzenwert von 0,74 MPa), die ähnlich wie die FE Probenmittellinie (Element) Durchschnitt. Dies ist aufgrund der Art der Verformung, die weich Biomaterialien Ausst…

Discussion

Der gemeldete Methodik, koppelt die SHPB Experiment und FE-Modellierung des SHPB bietet eine neue und einzigartige Technik, um die einachsigen wahre Spannungs-Dehnungsantwort eines Biomaterials bei hohen Dehnraten zu bewerten. Um die mechanischen Eigenschaften wesentlich für das native Gewebe zu beschaffen, ist darauf zu achten, um die Biomaterial-Probe zwischen 5,56 bis 7,22 ° C vor SHPB Tests zu halten. Wenn die Probe unter 5,56 ° C gekühlt wird, in dem Gewebe enthaltene Wasser beginnt, sich in Eis zu kristallisie…

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