En Sammen Experiment-Finite Element Modeling Methodology for Assessing Høy Strain Rate Mekanisk Response av Soft biomaterialer

Summary

Den aktuelle studien foreskriver en kombinert eksperiment-finite element simulering metodikk for å oppnå uniaksial dynamisk mekanisk respons av myke biomaterialer (hjerne, lever, sene, fett, etc.). De multiaksiale eksperimentelle resultatene som oppsto på grunn av prøven svulmende hentet fra Split-Hopkinson Trykk Bar testing ble gjort til en uniaksial sann stress belastning atferd når simulert gjennom iterativ optimalisering av finite element analyse av biomateriale.

Abstract

Denne studien gir en kombinert eksperimentell og finite element (FE) simulering tilnærming for å undersøke den mekaniske oppførsel av myke biomaterialer (f.eks hjerne, lever, sene, fett, etc.) når de utsettes for høye tøyningshastigheter. Denne studien benyttet en Split-Hopkinson Trykk Bar (SHPB) for å generere tøyningshastigheter av 100-1,500 sek ^-1. Den SHPB ansatt en spiss bar som består av et viskoelastisk materiale (polykarbonat). En prøve av biomaterialet løpet av kort tid ble oppnådd postmortem og forberedt for SHPB testing. Prøven ble plassert mellom hendelsen og overførte barer, og pneumatiske komponenter i SHPB ble aktivert for å kjøre spissen bar mot hendelsen bar. Den resulterende innvirkning generert en trykkspenning wave (dvs. hendelsen bølgen) som reiste gjennom hendelsen bar. Når trykkspenningsbølgen har nådd slutten av hendelsen bar, en del satte fremover gjennom prøven og overført bar (i.e. sendte bølgen), mens en annen del reversert gjennom hendelsen bar som en strekk bølge (dvs. reflektert bølge). Disse bølgene ble målt ved hjelp av strekklapper montert på hendelsen og overførte barer. Den sanne spennings-tøynings oppførsel av prøven ble bestemt fra ligningene basert på bølgeutbredelse og dynamisk kraftlikevekt. Den eksperimentelle stress belastning responsen var tredimensjonalt i naturen fordi prøven bulte. Som sådan, er den hydrostatiske belastning (første invariant) anvendt for å danne stress-spenningsrespons. For å trekke ut uniaksial (endimensjonal) mekanisk reaksjon i vevet, ble en iterativ kombinert optimalisering utføres ved hjelp av eksperimentelle resultater og Finite Element Analysis (FEA), som inneholdt en intern tilstandsvariabel (ISV) materiale modellen som brukes for vev. ISV materiale modellen som brukes i FE simuleringer av det eksperimentelle oppsettet ble iterativt kalibrert (dvs. optimalisert) til den eksperimentelle data som that eksperimentet og FEA strekklapp verdier og første invariant av spenninger var i god avtale.

Introduction

Motivasjon

Kardinalen Målet med kombinert Split – Hopkinson Trykk Bar (SHPB) eksperiment / finite element modellering av myke biomaterialer (som hjerne, lever, sene, fett, etc.) var å trekke ut sine enaksete mekaniske atferd for videre implementering i menneskekroppen FE simuleringer henhold skadelige mekaniske belastninger. Menneskekroppen Finite Element (FE) Modellen består av en detaljert menneskekroppen mesh og en historie avhengig Multiscale viskoelastisk-viskoplastiske Intern State variabel (ISV) materiale modell for ulike organer. Denne menneskekroppen modellen kan brukes for et rammeverk for å bygge bedre standarder for skade beskyttelse, for å designe innovative verneutstyr, og for å aktivere beboer sentriske kjøretøy design.

To moduser av høy hastighet skade har vært mye observert i menneskelig traumer: eksplosiv blast og sløv innvirkning. Blast skader fra eksplosive våpen er den viktigste kilden til traumatic skade (TI) og den ledende dødsårsaken på slagmarken ^en. Når detonert, disse eksplosiver danne en ytre forplanter sjokkbølge som produserer store og brå akselerasjoner og deformasjoner. De resulterende laster utgjøre alvorlige trusler mot de som utsettes. Selv om noen del av anatomien kan bli skadet av sjokkbølger, de viktigste områdene av bekymring er (1) underekstremitetene på grunn av sin nærhet til bakken, og (2) på hodet siden skader kan hemme normal hjernefunksjon og overlevelse ^{2 3.} Disse skadene kan kategoriseres som primær, sekundær eller tertiær skader avhengig av type skade vedvarende. På grunn av styrken av et sprengstoff karakteriseres ved sin vekt eller størrelse, veggavstanden, positiv pulsvarighet, og mediet som den reiser, kan det være vanskelig å tilstrekkelig kategorisere disse skadene ^3-6. Kongressens rapporter tyder på at militært personell har lidd nesten 179,000 traumatiske skader på grunn av eksplosivvåpen og kjøretøy krasjer i Irak og Afghanistan fra 2000 til mars 2010 ² personer. På grunn av naturen og plasseringer av moderne kamp, ​​hodeskader er en ledende bekymring for både militære og sivile ^tre.

Bortsett fra kampscenarioer, har TI en rekke årsaker, inkludert bilindustrien traumer; rodeo, motorsykkel og innenlandske ulykker; og idrettsskader. For eksempel, til tross for forbedringer sikkerhetsutstyr og protokoller, mekanisk indusert traumatisk hjerneskade (TBI) fortsetter å være en ledende kilde til dødelighet og livslang sykelighet i USA The Center for Disease Control and Prevention (CDC) rapporterer om lag 1,4 millioner TBI hendelser hver år, hvorav nesten 50 000 er dødelig. Fotball alene står for mer enn 300.000 tbis hvert år ^7. Overlevende etter slike skader er i faresonen for langsiktige nevrologiske komplikasjoner relatert til sensasjon, kognisjon og kommunikasjon. På denne tiden er det ca.5,3 millioner amerikanere lever med disse kroniske ulemper og funksjonshemninger. Direkte og indirekte amerikanske medisinske kostnader 2000-2010 utgjorde $ 60000000000 ^8. Men disse tallene ikke står for ikke-medisinske kostnader og tap, eller de pådrar familie og venner som støtter TBI pasienter. Utover rent økonomisk analyse, skaper TBI-indusert funksjonshemming en betydelig reduksjon i livskvalitet som kan manifestere seg som en betydelig belastning for familiene og samfunnet.

Behovet for ytterligere forståelse av formasjonen, karakterisering, og forebygging av TI er klar. Biomekaniske studier av de underliggende mekanismene som forårsaker TI gi innsikt og mulighet til å redusere eksponeringen eller forbedre sikkerhetsfunksjonene for de med potensiell risiko for TI. Videre kan mer fremme av den generelle forståelsen av TI formasjon bedre diagnostiske metoder og kriterier, og gir helsepersonell som behandler TI med bedre metoder for å bedre resultatets og redde liv.

En bedre kunnskap om skademekanismer og en bedre forståelse av biomekanikk av skadeutvikling er nødvendig for å utvikle effektive beskyttelsestiltak for menneskekroppen. Historisk sett har simuleringer som tar sikte på å forutsi skader blitt hemmet av beregnings restriksjoner samt troskap av anatomiske og materialmodeller som benyttes. Full body simuleringer har fokusert på de samlede belastningene på hver kroppsdel, men den lokale stress, belastning og skader i hvert organ, muskler, bein, etc. er ikke observert. For eksempel skulder øyeblikk modeller bruker dimensjonene på armen, lasten, og den påførte vinkel for å søke etter tabellverdier som angir hvorvidt en bestemt situasjon er farlig. En beregning av at naturen er nyttig for rask anslag men kan ikke fange opp det som skjer lokalt fra hånden helt til skulderen, spesielt når skader og skader er egentlig lokale. Dernest FE simulations har blitt brukt for å fange opp lokal respons. Begrensningen i dette arbeidet har ikke vært FEA seg selv, men de materielle modeller som definerer hver kroppsdel ​​atferd i henhold blast skader laster. Tidligere ansatt materialmodeller er tilpasset fra enklere materialer og har ikke forsøkt å fange myriade av komplekse mekaniske atferd utvist av biologisk vev. Derfor high-fidelity beregningsmodeller med ISV materielle modeller for organene i menneskekroppen representerer den mest realistiske måten å undersøke fysikk og biomekanikk TIS, å designe innovative verneutstyr, og til å etablere bedre standarder for skadeberegninger.

Bakgrunn på Split-Hopkinson Trykk Bar (SHPB) og Intern State variabel (ISV) Material Model

På grunn av etiske problemstillinger som er involvert med in vivo testing av menneskelige organer og de ​​logistiske problemene forbundet med bred skala menneskelig avdød testing, Current forskningsinnsats innebærer mekaniske eksperimenter in vitro ved hjelp eksemplarer fremstilt av organer hentet fra dyre surrogater (f.eks gris som mest brukte surrogat). Polymer SHPB har vært den foretrukne metoden for in-vitro testing myke biomaterialer ved høye belastnings priser. De relevante tektoniske atferd fra SHPB testing og tilsvarende vevsskade relatert informasjon fra mikro funksjonene i vev er innarbeidet i våre ISV materialmodeller for organ mekaniske beskrivelser ^9-10. Disse materialmodeller blir deretter implementeres i vår virtuelle kroppen modell for å gjennomføre FEA av ulike skader. Denne prosessen gjør oss i stand til å bevege seg mot målet om nøyaktig forutsi den fysikk og natur skade for et gitt organ under forskjellige mekaniske belastningsforhold (f.eks blast-indusert, bilulykke og sløv innvirkning) uten behov for ytterligere fysisk eksperimentering. For nøyaktig å beskrive tHan fenomenologisk mekaniske egenskaper, særlig høyere strekkhastighet avhengighet, av biomaterialer som brukes i FE simuleringer av det menneskelige legeme, ble SHPB eksperimenter utført på de biomaterialer for å oppnå dynamisk-mekaniske responser ved tøyningshastigheter tilknytning til menneskets TIS. En oversikt over SHPB setup ved Center for Advanced Vehicular Systems (Cavs), Mississippi State University (MSU) er presentert i figur 1.

Tidligere studier har vist at SHPB testing har tre store feil knyttet til den ^12-18. Den første og viktigste er materialet en treghetseffekt, noe som viser seg i den høye tøyningshastighet mekaniske responsen av et biomateriale prøven som en første pigg. For å overvinne dette problemet, tidligere forskningsinnsatsen foreslått å modifisere geometrien av prøven fra sylindrisk form for å cuboidal eller ringform. De resulterende mekaniske oppførsel fra slike studier var annerledes from hverandre på grunn av geometrien av prøve påvirket bølgeforplantning, bølge vekselvirkninger, og den mekaniske respons. Denne type modifisering prøven geometri har ført til feilaktige fremstillinger av den mekaniske respons (fleraksiale og ikke-ensartet spenningstilstand) av biomaterialet. Den andre store feilen var den manglende evne til å opprettholde dynamisk kraft likevekt under en test. Forskere overvant dette problem ved å redusere prøvens tykkelse-til-diameter-forhold og / eller frysing av vevet før testing. Mens redusere prøvens tykkelse-til-diameterforhold opp spørsmålet om dynamiske kraftlikevekt, frysing vevet ytterligere komplisert testprosedyren som det endret materialegenskaper som følge av krystallisering av vann til stede i vevet. En rekke studier helt forlatt den SHPB å unngå de ovennevnte svakheter og brukes sjokkrør for å oppnå den trykktidsresponsen i forskjellige dyremodeller (rotter, griser, etc.). Men disse enimal modeller gir ikke endimensjonale enaksete stressstrekk atferd nødvendige for materialmodeller som brukes i FE simuleringer. Den tredje feilen var svikt i SHPB til å gi en dimensjons spennings-tøynings resultater på grunn av prøven barre på grunn av materialet mykhet og mengden av vanninnholdet i prøven.

Derfor presenterer SHPB en levedyktig testapparat for å samle høy tøyningshastighet data. For myke materialer, imidlertid induserer SHPB utbuling som gir en tredimensjonal spenningstilstand hovedsakelig fra det hydrostatiske trykk, men den endimensjonale spennings-tøynings data er ønsket. Vi viser her hvordan man kan fortsatt bruke SHPB å samle den endimensjonale uniaxial sant stressbelastningskurve for materialet modell kalibrering; Imidlertid er prosessen involvert i å skaffe den sanne uniaksial spenning-belastningskurve komplisert. Denne prosessen inkluderer både de multiaksiale eksperimentelle data og Fe simuleringsresultatene, og det krever iterativ kalibrering avde materielle modell konstanter. Den en-dimensjonal implementering av ISV materiale modellen i MATLAB, også kjent som materiale punkt simulator, krever endimensjonale eksperimentelle data for kalibrering. Så ble ISV materialet modell optimalisert ved hjelp av en systematisk kalibreringsprosessen. Her ble det eksperimentelle data fra SHPB tester vurderes i sammenheng med bølgeteori formulering og dynamisk kraft likevekt (MSU High Rate-programvare). For å ta hensyn til viskoelastisk spredning av polymer SHPB, viskoelastiske sprednings ligninger, som rapportert av Zhao et al. (2007), ble implementert i MSU High Rate Software. De viskoelastiske spredning ligninger hjulpet i å sikre dynamisk kraft likevekt mens testing. Den endimensjonale materiale punkt simulator ble så justert i forbindelse med et par eksperiment-FE modellering metode inntil de to prosesser ble ansett for å være hensiktsmessig kompatible, dvs. dataene fra begge var i god overensstemmelse. Disse dataene varbrukes til å justere ISV modell materialkonstanter ved å sammenligne MATLAB materialet respons simulatoren (endimensjonal) mekanisk respons og SHPB FE modellens (endimensjonal) prøvesenter stress. Her FE modellens prøven stresset komponenten var langs bølgebelastning retning. Da den tredimensjonale oppførsel av FE-modellen prøve ble kalibrert ved iterativt å utføre simuleringer FE og justering ISV konstanter, slik at volum gjennomsnitt belastningsretningen spenning korrelerte godt med eksperimentelle sann spennings-tøynings respons. Således ble gjennomført en prosess med iterativ optimalisering mellom de eksperimentelle data, Fe resultater, og en-dimensjonal modell ISV materiale. Tabell 1 gir en oppsummering av de variabler av ISV materiale modell (MSU TP Ver. 1.1) ^11.

Det viktigste element for denne metoden er å skaffe en-dimensjonal mekanisk respons av biomateriale og dens materialparametrefor ISV materialet modell, som omgår SHPB testing utgaver av spenningstilstand ujevnhet. Det skiller også ut den første ikke-lineære responsen til biomaterialet som følge av treghetseffekter og gjengir en mekanisk respons som er iboende i materialet. Det kombinert metodikk viste også at en endring i prøven geometri fullstendig endrer randverdiproblem (BVP) og laste retning sanne stress belastning av prøven. Som sådan kan den ovennevnte metoden brukes med ethvert materiale modell (fenomenologisk eller mikrobasert) for kalibrering og deretter simulere høy belastning rente atferd av menneskelige organer i henhold skadelige mekaniske belastninger.

Protocol

MERK: Etikk Statement: Den nåværende arbeid er unik for institusjonens forskningspolitikk, og følger strengt den aktuelle bio-sikkerhet og Office of Regulatory Compliance (ORC) retningslinjer. 1. Biomateriale Specimen anskaffelser Bruk personlig verneutstyr i henhold til standard for biologisk protokoller fra laboratoriet og / eller institusjon. Bruk lukket-toed sko, lange bukser, en frakk, kirurgiske hansker, en beskyttende maske og vernebriller ved håndtering av svin vev og …

Representative Results

Effektiviteten av det koblede metoden som er eksemplifisert i figur 3. Her SHPB eksperimentelle spennings-tøynings respons for hjernen er på et lavere spenningstilstand (med en maksimal belastning på 0,32 MPa) i forhold til spenningstilstand av den endimensjonale material punkt simulator (med en toppverdi på 0,74 MPa), som er beslektet med FE prøvemidtlinjen (element) gjennomsnitt. Dette er på grunn av beskaffenheten av deformasjon som myke biomaterialer utstillingen. Fordi belastningen er h…

Discussion

Den rapporterte metodikk som kopler SHPB eksperiment og FE modellering av SHPB tilbyr en ny og enestående metode for å vurdere det virkelige uniaksial spenning-belastningsresponsen av et biomateriale ved høye belastnings priser. For å skaffe mekaniske egenskaper iboende til den opprinnelige vev, må man sørge for å holde biomateriale prøven mellom 5,56 til 7,22 ° C før SHPB testing. Hvis prøven ble avkjølt til under 5.56 ° C, vann til stede i vevet begynner å crystalize på is og deretter endrer vevets meka…

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