ソフトバイオマテリアルの高ひずみ速度機械的応答を評価するための結合実験、有限要素モデリング手法
Summary
現在の研究では、ソフトバイオマテリアル（脳、肝臓、腱、脂肪等 ）の一軸動的機械的応答を得るために、結合実験、有限要素シミュレーション方法を規定します。なぜなら、試料の生じた多軸の実験結果は、生体材料の有限要素解析の反復最適化を介して刺激されたとき一軸真応力 – ひずみ挙動にレンダリングされたスプリット·ホプキンソン圧力棒の試験から得られ膨らみました。
Abstract
本研究では、高歪み速度にさらさソフト生体材料（ 例えば 、脳、肝臓、腱、脂肪など ）の機械的挙動を調べるための組み合わせ実験と有限要素（FE）シミュレーションアプローチを提供しています。本研究では、100-1,500秒の歪速度を生成するために、スプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）を利用-1。 SHPBは、粘弾性材料（ポリカーボネート）から成るストライカーバーを採用しました。生体材料のサンプルは、死後間もなく得て、SHPB試験のために準備しました。試料は、入射して伝送棒の間に介在し、SHPBの空気圧機器は、入射棒に向けてストライカーバーを駆動するために活性化しました。結果として生じる影響は、入射バーを進行圧縮応力波（ 即ち、入射波）を発生します。圧縮応力波が入射バーの端に達したときに、一部は試料と透過バーを前方に続け（I.E。透過波）他の部分は引張波として入射バーを介して反転しながら（ つまり ） は反射波。これらの波は、入射及び透過棒に取り付けられた歪みゲージを用いて測定しました。サンプルの真応力 – ひずみ挙動は波の伝播および動的力平衡に基づく式から決定されました。試料が膨らんだため、実験的な応力 – ひずみ応答は、本質的に三次元でした。このように、静水圧応力（最初の不変量）は、応力 – 歪み応答を生成するために使用されました。組織の一軸（一次元の）機械的応答を抽出するために、反復結合最適化は、実験結果と組織のために使用される内部状態変数（ISV）材料モデルが含まれて有限要素解析（FEA）を用いて行きました。実験のFEシミュレーションで使用されるISVの材料モデルは、反復実験データなどTHAに（ すなわち最適化された）較正しました実験およびFEAひずみゲージ値と応力の最初の不変トン良く一致しました。
Introduction
モチベーション
結合されたスプリットの基本的目標-ホプキンソン圧力棒（SHPB）実験/（ など 、脳、肝臓、腱、脂肪、など）ソフト生体材料の有限要素モデリングは、人体FEのさらなる実施のための彼らの一軸の機械的挙動を抽出することでした有害機械的負荷の下でのシミュレーション。人体有限要素（FE）モデルは、詳細な人体メッシュと様々な人間の臓器の履歴に依存するマルチスケール粘弾性·粘塑性内部状態変数（ISV）材料モデルで構成されています。この人体モデルは、革新的な保護具を設計するために、乗員中心の車両設計を可能にするために、損傷の保護のためのより良い基準を構築するためのフレームワークのために使用することができます。
爆発爆風と鈍い衝撃：高レート損傷の二つのモードは、広く人間の外傷で観察されています。爆発兵器の爆破ダメージはtraumatiの主な供給源でありますC損傷（TI）と戦場1の死亡の主な原因。爆発すると、これらの爆発は大きく、突然の加速および変形を生成外側に伝播する衝撃波を形成します。結果として得られる負荷は露出したものに深刻な脅威をもたらします。解剖学のいずれかの部分が衝撃波によって負傷することができるが、懸念のプライム領域は、（1）その地面近くに近接し、（2）ヘッドによる下肢傷害は正常な脳の機能と生存2を阻害することができるしているので、 、3。これらの傷害は、負傷の種類に応じて、第一、第二、または第三傷害として分類することができます。爆発の強さは、その重量やサイズ、スタンドオフ距離、正のパルス持続時間、及びそれが通過する媒体によって特徴付けられるので、十分にこれらの傷害3-6を分類することは困難です。議会レポートは、軍人が爆発に起因するほぼ179,000外傷を受けていることを示しています武器や車両のクラッシュイラクとアフガニスタンで2000年から2010年3月〜2。性質上、近代的な戦闘の位置、頭部外傷は、軍と民間人3の両方のための主要な関心事です。
別に戦闘シナリオから、TIは、自動車用、外傷などの様々な原因があります。ロデオ、オートバイと国内の事故。とスポーツ傷害。例えば、安全装置およびプロトコルの改善にもかかわらず、機械的に誘導された外傷性脳損傷（TBI）が米国疾病管理予防ザ·センター（CDC）の死亡率と生涯罹患率の主要な供給源であり続けて約140万TBIイベントごとに報告します年、そのうちのほぼ50,000は致命的です。アメリカンフットボールは単独で30万人以上のTBIs毎年7を占めています。このような損傷の生存者は感覚、認知、および通信に関する長期的な神経学的合併症の危険にさらされています。この時約ありますこれらの慢性の欠点や障害とともに生きて530万人のアメリカ人。 2000年から2010年の直接的および間接的な米国の医療費は600億ドル8円となりました。しかし、これらの数字は、非医療費および損失、またはTBI患者をサポートする家族や友人が被ったものを考慮していません。純粋に経済分析を超えて、TBI誘発性障害は、家族や社会に大きな負担として現れることができ、生活の質の大幅な削減を作成します。
TIの形成、特性評価、および予防のさらなる理解の必要性が明らかです。 TIは露出を減らすか、TIのための潜在的なリスクのある人のための安全機能を改善するために洞察力と機会を与える原因となる基礎となるメカニズムのバイオメカニクス的研究。また、TIの形成の一般的な理解のより進歩は結果を改善するのより良い手段でTIを扱う医療専門家を提供し、診断方法や基準を改善することができますSと保存の生活。
傷害メカニズムのより良い知識と傷害開発のバイオメカニクスのより良い理解は、人間の体のための効果的な保護措置を開発するために必要とされています。歴史的に、傷害の予測を目的としたシミュレーションは、計算の制限だけでなく、採用解剖学、材料モデルの忠実度によって妨げられてきました。フルボディシミュレーションは、体の各部分に全体的な負荷に焦点を当てているが、 など各臓器、筋肉、骨の中の局所的な応力、ひずみ、および損傷が、観察されていません。例えば、肩モーメントモデルは、特定のシナリオが危険であるかどうかを指定する表形式の値を検索するためのアーム、ロード、および適用される角度の寸法を使用します。そのような性質の計算は、迅速な見積もりのために有用であるが、損傷や傷害が本質的にローカルである場合は特に、肩に手からローカルにすべての方法を何が起こっているかをキャプチャすることはできません。第二に、FEのimulationsローカル応答を捕捉するために使用されています。これらの努力には限界がFEAそのものではなく、爆風損傷負荷の下で、各ボディ部の動作を定義する材料モデルではなかったです。以前に使用される材料モデルは、単純な材料から適応され、生体組織が示す複雑な機械的挙動の無数を捕獲するために努力していません。そのため、人間の体内で臓器ISV材料モデルと高忠実度の計算モデルは、TIのの物理学とバイオメカニクスを調査するための革新的な保護具を設計すること、および傷害指標のためのより良い基準を確立するために、最も現実的な方法を表しています。
スプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）と内部状態変数（ISV）素材モデルの背景
による人間の臓器の de vivo試験と幅広い規模のヒト死体のテストに関連する物流の問題、CURRに関わる倫理的な問題に耳鼻咽喉科研究努力は、動物の代用物から抽出された臓器から調製した試験片を用いて、in vitroでの機械的な実験を伴う（ 例えば 、最も頻繁に使用される代理として豚）。高分子SHPBは、 インビトロで高歪速度で柔らかい生体材料をテストするための好ましい方法でした。組織の微細構造の特徴からSHPB試験と対応する組織の損傷に関連した情報から関連する変形の挙動は、臓器機械の説明9-10については、当社のISVの材料モデルに組み込まれています。これらの材料のモデルは、その後、様々な傷害のFEAを実施するために、当社の仮想人体モデルに実装されています。このプロセスは、正確に、さらに物理的な実験を必要とせずに、多様な機械的荷重条件（ 例えば爆発によって誘発される、自動車事故と鈍い衝撃）の下で指定された臓器のための損傷の物理学と性質を予測するという目標に向かって移動することを可能にします。正確にTを説明するために彼は、人体のFEシミュレーションで使用される生体材料の、SHPB実験は、ヒトのTIに関連する歪み速度での動的機械的応答を得るために、生体材料上で実施した、機械的性質、特に高いレベルの歪み速度依存性の現象。高度な車両用システムセンター（CAVS）、ミシシッピ州立大学（MSU）でSHPBセットアップの概要を図1に示されています。
以前の研究は、SHPB試験は12〜18、それに関連する3つの主要な欠点を有することが示されています。最初の、そして最も重要なものは、最初のスパイクなどの生体材料試験片の高歪み速度機械的応答に表示材料慣性効果、です。この問題を克服するために、以前の研究努力は、直方体形状にする形状または環状の円筒からの試料の形状を変更することを示唆しました。このような研究から得られた機械的な行動があちこちに異なっていました試験片の形状は、電波伝搬波相互作用、および機械的な応答に影響を与えたので、互いにメートル。試料の幾何学的形状の変形のこのタイプは、生体材料の機械的応答（多軸及び不均一な応力状態）の誤った表現につながっています。第二の主要な欠陥は、テスト中に動的な力の平衡を維持することができないことでした。研究者は、試料の厚さ対直径の比を減少させるおよび/または試験前に組織を凍結することにより、この問題を克服しました。低減しながら、試料の厚さ対直径比は、それが原因で、組織中に存在する水の結晶化材料の特性を変更し、組織をさらに試験手順を複雑に凍結、動的力平衡の問題に対処しました。多くの研究は、完全に上記のを避けるためにSHPB欠陥を言及し、種々の動物モデル（ラット、ブタ、 等 ）における圧力-時間応答を得るために、衝撃管を使用を断念しました。しかし、これらのimalモデルはFEシミュレーションで使用される材料モデルのために必要な1次元一軸応力 – ひずみ挙動を与えることはありません。第三の問題は、材料の柔らかさと試料中の水分の量をためバレル片の一次元応力 – ひずみ結果を与えるためにSHPBの失敗でした。
したがって、SHPB高歪み速度データを集めるために実行可能な試験装置を提供します。柔らかい材料では、しかしながら、SHPBが静水圧から主に三次元応力状態を作り出す膨らみを誘導し、まだ一次元応力 – ひずみデータが望まれています。我々は1つがまだ材料モデル較正のための1つの次元一軸真応力 – ひずみ曲線を集めるためにSHPBを使用する方法をここに示します。しかし、真の一軸応力 – ひずみ曲線を得ることに関連するプロセスは複雑です。このプロセスは、多軸の実験データとFEシミュレーション結果の両方を含み、それは、反復的な再較正を必要とします材料モデル定数。また、質点シミュレータとして知られているMATLABでISVの材料モデルの一次元実装では、キャリブレーションのための一次元の実験データを必要とします。そのため、ISVの材料モデルは、系統的校正プロセスを使用して最適化しました。ここで、SHPB試験からの実験データは、波理論製剤および動的力平衡（MSU高レートソフトウェア）との関連で考慮されました。趙らによって報告されているように、高分子SHPB、粘弾性分散方程式の粘弾性分散を考慮するために。（2007）、MSU高レートソフトウェアで実装されました。粘弾性分散方程式は、テストしながら、ダイナミックな力平衡を確保する上で役立ちました。二つのプロセスの両方からのデータがよく一致した、すなわち、適切に互換性があると考えられたまで一次元材料点シミュレータは、その後、いくつ実験-FEモデリング方法論との関連で調整しました。これらのデータはありましたMATLAB物質応答シミュレータの（一次元の）機械的応答とSHPB FEモデルの（1次元）の中心線ストレス標本を比較することにより、ISVモデルの材料定数を調整するために使用されます。ここで、FEモデルの検体応力成分は、波荷重方向に沿いました。そして、FEモデル検体の三次元の動作が反復FEシミュレーションを行い、実験的な真応力 – ひずみ応答とよく相関し、その体積平均荷重方向応力ようISV定数を調整することによって較正しました。従って、実験データ、FE結果、一次元ISVの材料モデルとの間の反復最適化のプロセスを行った。 表1は、ISVの材料モデル（MSU TP版1.1）11の変数の要約を与えます。
この方法の最も重要な要素は、生体材料の一次元の機械的応答とその材料のパラメータを取得していますストレス状態の不均一性のSHPB試験問題を回避ISV材料モデルのため。また、慣性効果に起因する生体材料の最初の非線形応答を分離し、材料に固有の機械的応答をレンダリングします。結合された方法論はまた、試料の幾何学的形状の変化が完全に境界値問題（BVP）と試料の負荷方向の真応力 – ひずみが変化することを示しました。このように、上記方法は、キャリブレーションした後、有害な機械的負荷の下で人間の臓器の高歪み速度の動作をシミュレートする（現象または微細構造ベースの）任意の材料モデルと一緒に使用することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
カップルSHPB実験とSHPBのFEモデリングは、新規でユニークな技術を提供しています報告の方法論は、高ひずみ速度での生体材料の一軸真応力 – ひずみ応答を評価しました。天然の組織に固有の機械的特性を調達するためには、注意がSHPB試験の前に、5.56から7.22℃の間の生体材料の試料を保持するために注意する必要があります。試料は5.56°C以下に冷却されている場合は、組織中に存在する水?…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
