En kopplad Experiment-Finita Element Modeling metod för att bedöma hög töjningshastighet mekaniska svar av mjuka biomaterial

Summary

Den aktuella studien föreskriver en kopplad experiment-finita elementsimulering metod för att erhålla den uniaxiella dynamisk mekanisk respons av mjuka biomaterial (hjärna, lever, senor, fett, etc.). De fleraxliga experimentella resultat som uppstod på grund av prov utbuktning erhållits från Split-Hopkinson Pressure Bar tester har gjorts till en enaxlig riktig spänning-töjning beteende när simuleras genom iterativ optimering av finita element analys av biomaterial.

Abstract

Denna studie ger en kombinerad experimentell och finita element (FE) simulering metod för att undersöka mekaniska beteendet hos mjuka biomaterial (t.ex. hjärna, lever, senor, fett, etc.) när de utsätts för höga töjningshastigheter. Denna studie använde en Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) för att generera töjningshastigheter av 100-1,500 sek ^-1. Den SHPB använde en anfallare bar som består av ett viskoelastiskt material (polykarbonat). Ett prov av biomaterialet erhölls kort postmortem och preparerades för SHPB testning. Provet placerad mellan händelsen och överförda barer, och pneumatiska komponenter i SHPB aktiverades för att driva anfallaren bar mot händelsen bar. Den resulterande effekten genererade en tryckspänning våg (dvs. infallande våg) som reste genom händelsen bar. När kompressiv spänningsvåg nått slutet av den infallfältet, fort ett parti framåt genom provet och överförs bar (i.e. överförd våg) medan en annan del föras via händelsen baren som en drag våg (dvs reflekterade vågen). Dessa vågor mättes med hjälp av töjningsgivare monterade på händelsen och överförs barer. Den sanna spänning-töjning beteende av provet bestämdes från ekvationerna baserade på vågutbredning och dynamisk kraft jämvikt. Den experimentella spännings-stam svar var tredimensionell karaktär eftersom provet utbuktande. Som sådan var den hydrostatiska påfrestningen (första invariant) används för att generera den spänning-töjning svar. För att extrahera den enaxlade (endimensionella) mekanisk respons av vävnaden, var en iterativ kopplad optimering utförs med hjälp av experimentella resultat och Finite Element Analysis (FEA), som innehöll en intern tillståndsvariabel (ISV) materialmodell som används för vävnaden. Den ISV materialmodell som används i FE simuleringar av försöksuppställningen var iterativt kalibrerad (dvs. optimerad) till experimentella data som that experimentet och FEA töjningsgivare värderingar och första invariant av spänningar var i god överensstämmelse.

Introduction

Motivation

Kardinalen målet för den kopplade Split – Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiment / finita element modellering av mjuka biomaterial (såsom hjärna, lever, senor, fett, etc.) var att utvinna sina enaxlade mekaniska beteenden för fortsatt genomförande i människokroppen FE simuleringar inom ramen för skadliga mekanisk belastning. Den mänskliga kroppen Finita Element (FE) modell består av en detaljerad människokroppen mesh och en historia beroende multiscale viskoelastiska-viskoplastisk inre tillstånd variabel (ISV) materialmodell för olika mänskliga organ. Denna människokroppen modellen kan användas för ett ramverk för att bygga bättre normer för skydd skada, att utforma innovativa skyddsutrustning, och att göra det möjligt för passagerare centrerad fordonsdesign.

Två typer av hastighet skada hög har ofta observerats i mänskliga trauman: explosionen och trubbig inverkan. Blast skador från explosiva vapen är den främsta källan till traumatic skada (TI) och ledande dödsorsaken på slagfältet ^1. När detonerade dessa sprängämnen bildar en utåtföröknings stötvåg som producerar stora och plötsliga accelerationer och deformationer. De resulterande belastningar utgör allvarliga hot mot de som är utsatta. Även om någon del av anatomin kan skadas av stötvågor, de främsta problemområden är (1) den nedre extremiteterna på grund av dess närhet till marken, och (2) huvudet eftersom skador kan hämma hjärnans normala funktion och överlevnad ^{2 , 3.} Dessa skador kan kategoriseras som primär, sekundär eller tertiära skador beroende på vilken typ av skada. Eftersom styrkan i en explosiv kännetecknas av sin vikt eller storlek, dödläge avstånd, positiv pulslängd, och medium genom vilket den färdas, kan det vara svårt att på ett adekvat kategori dessa skador ^3-6. Kongressens rapporter visar att militär personal har lidit nästan 179,000 traumatiska skador på grund av explosivaVapen och fordon kraschar i Irak och Afghanistan från 2000 till och med mars ² 2010. På grund av naturen och platser av modern strid, skallskador är en ledande oro för både militära och civila ^3.

Bortsett från stridsscenarier har TI en mängd olika orsaker, inklusive fordons trauma; rodeo, motorcykel och olyckor i hemmet; och idrottsskador. Till exempel, trots förbättringar säkerhetsutrustning och protokoll, mekaniskt inducerad traumatisk hjärnskada (TBI) fortsätter att vara en ledande leverantör av dödlighet och livslångt sjuklighet i USA Center for Disease Control and Prevention (CDC) rapporterar cirka 1,4 miljoner TBI händelser vardera år, varav nästan 50000 är dödlig. Amerikansk fotboll står ensamt för mer än 300.000 Tbis varje år ^7. Överlevande från sådana skador är i riskzonen för långsiktiga neurologiska komplikationer i samband med känsla, kognition och kommunikation. Vid denna tid finns det ungefär5,3 miljoner amerikaner som lever med dessa kroniska nackdelar och funktionshinder. Direkta och indirekta amerikanska sjukvårdskostnader 2000-2010 uppgick till $ 60 ⁸ miljarder. Men dessa siffror inte hänsyn till icke-medicinska kostnader och förluster, eller de kostnader som familjerna och vänner som stöder TBI patienter. Utöver rent ekonomisk analys, skapar TBI-inducerad funktionshinder en betydande minskning av livskvaliteten som kan yttra sig som en betydande börda på familjer och samhället.

Behovet av ytterligare förståelse av bildandet, karakterisering, och förebyggande av TI är tydlig. Biomekaniska studier av de bakomliggande mekanismer som orsakar TI ge insikt och möjlighet att minska exponeringen eller förbättra säkerhetsfunktioner för dem vid potentiell risk för TI. Dessutom kan mer utvecklingen av den allmänna förståelsen av TI bildning förbättra diagnostiska metoder och kriterier, vilket ger vårdpersonal som behandlar TI med bättre sätt att förbättra resultatets och rädda liv.

En bättre kunskap om skademekanismer och en bättre förståelse för biomekanik skadeutvecklingen behövs för att utveckla effektiva skyddsåtgärder för människokroppen. Historiskt sett har simuleringar för att förutsäga skador hämmats av beräknings begränsningar samt trohet av den anatomiska och materialmodeller som används. Hela kroppen simuleringar har fokuserat på den totala belastningen på varje kroppsdel, men den lokala stress, stam, och skador i varje organ, muskler, ben, etc. har inte observerats. Till exempel, axel ögonblick modeller använder dimensioner armen, lasten, och den tillämpade vinkel för att söka efter tabellvärden som anger huruvida ett visst scenario är farligt. En beräkning av detta slag är till hjälp för snabba beräkningar, men kan inte fånga vad som händer lokalt från handen hela vägen till axeln, särskilt när skador och personskador är i sig lokalt. För det andra, FE simulations har använts för att fånga den lokala svars. Begränsningen i dessa ansträngningar har inte varit FEA själv, men de materialmodeller som definierar varje kroppsdel ​​beteende under explosionsskadebelastningar. Tidigare anställda materialmodeller anpassas från enklare material och har inte försökt att fånga den myriad av komplexa mekaniska beteenden som uppvisas av biologiska vävnader. Därför hifi-beräkningsmodeller med ISV materialmodeller för organ i människokroppen utgör den mest realistiska sättet att undersöka fysik och biomekanik av indexen, att utforma innovativa skyddsutrustning, och att införa bättre standarder för skade statistik.

Bakgrund på Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) och inre tillstånd variabel (ISV) Material Modell

På grund av etiska frågor som berörs med in vivo-testning av mänskliga organ och logistiska frågor i samband med bred skala mänsklig avliden testning, current forskningsinsatser innebär mekaniska experiment in vitro med hjälp av prover som framställts av organ som utvunnits ur djur surrogat (t.ex. gris som mest använda surrogat). Polymera SHPB har varit den bästa metoden för in-vitro mjuka biomaterial vid höga töjningshastigheter. De relevanta deformerande beteenden från SHPB testning och motsvarande vävnadsskada relaterad information från mikro egenskaperna hos vävnaden införlivas i våra ISV materialmodeller för organ mekaniska beskrivningar ^9-10. Dessa materialmodeller därefter implementeras i vår virtuella människokroppen modell för att genomföra FEA av olika skador. Denna process gör det möjligt för oss att gå mot målet att exakt förutspå fysik och arten av en skada för en given organet enligt olika mekaniska belastningsförhållanden (t.ex. blast-inducerad, bilolycka och trubbig inverkan) utan behov av ytterligare fysisk experiment. För att korrekt beskriva than fenomen mekaniska egenskaperna, i synnerhet högre beroendenivån töjningsgivande hastighet, av biomaterial som används i FE simuleringar av den mänskliga kroppen, var SHPB experiment utfördes på de biomaterial för erhållande dynamiska mekaniska svaret vid töjningshastigheter avseende humant tis. En översikt över SHPB installationen vid Centrum för avancerade Fordonssystem (Cavs), Mississippi State University (MSU) visas i figur 1.

Tidigare studier har visat att SHPB testning har tre stora brister som är förknippade med det ^12-18. Den första och mest betydelsefulla en är materialet tröghetseffekten, som dyker upp i hög töjningshastighet mekaniska svaret av ett biomaterial prov som en initial spik. För att lösa detta problem, tidigare forskningsinsatser föreslog att modifiera geometrin av provet från cylindrisk form för att kuboidala eller ringformad. De resulterande mekaniska beteenden från sådana studier var olika tillbakam varandra eftersom geometrin av provet påverkade vågutbredning, våg interaktioner, och mekanisk respons. Denna typ av modifiering av provgeometrin har lett till felaktiga representationer av mekanisk respons (multiaxiell och icke-enhetlig spänningstillstånd) av biomaterialet. Den andra stora fel var oförmågan att upprätthålla dynamisk kraft jämvikt under ett test. Forskare vann denna fråga genom att reducera provets tjocklek till diameterförhållande och / eller frysning av vävnaden före testning. Samtidigt minska provets tjocklek-till-diameterförhållande upp frågan om dynamiska kraftjämvikt, frysning vävnaden komplicerad testförfarandet ytterligare eftersom det ändrade materialegenskaperna på grund av kristallisation av vatten närvarande i vävnaden. Ett antal studier helt övergav SHPB att undvika ovannämnda brister och används stötvågsrör för att erhålla den tryck svarstid i olika djurmodeller (råtta, svin, etc.). Men dessa enIMAL modellerna ger inte endimensionella enaxlade spännings-töjnings beteende som krävs för materialmodeller som används i FE simuleringar. Den tredje bristen var fel på SHPB att ge endimensionella spännings-töjnings resultat på grund av provet barre på grund av material mjukhet och mängden vattenhalten i provet.

Följaktligen är SHPB presenterar en livsduglig testapparat för att samla hög töjningshastighet data. För mjuka material har emellertid den SHPB inducerar utbuktningen som producerar en tredimensionell spänningstillstånd huvudsakligen från hydrostatiskt tryck, men den endimensionella spänning-töjning uppgifter önskas. Vi visar här hur man kan fortfarande använda SHPB att samla endimensionell enaxlig sant spännings-töjningskurvan för modellkalibrering material; emellertid, är den process som krävs för att erhålla den uniaxiella sanna spännings-töjningskurvan komplicerad. I denna process ingår både de multiaxiella experimentella data och FE simuleringsresultat, och det kräver iterativ omkalibrering avmaterialmodellen konstanterna. Den endimensionella genomförandet av ISV materialmodell i MATLAB, även känd som material punkt simulator kräver endimensionella experimentella data för kalibrering. Så var ISV materialmodell optimeras genom en systematisk kalibreringen. Här var experimentella data från SHPB provningarna vara inom ramen för våg teoribildning och dynamisk kraft jämvikt (MSU High Rate Software). För att ta hänsyn till den viskoelastiska spridningen av polymera SHPB, viskoelastiska spridnings ekvationer, som rapporterats av Zhao et al. (2007), genomfördes i MSU High Rate Software. De viskoelastiska spridnings ekvationer hjälpte för att säkerställa dynamisk kraft jämvikt medan testning. Den endimensionella material punkt simulator justerades sedan i samband med ett par experiment-FE modelleringsmetod tills de två processerna ansågs vara lämpligt kompatibla, det vill säga data från båda var i god överensstämmelse. Dessa uppgifter varanvänds för att justera ISV modell materialkonstanter genom att jämföra MATLAB material svars simulatorn (endimensionella) mekanisk respons och SHPB FE modellens (endimensionella) provcentrum stress. Här FE modellen provspänningskomponenten var längs vågen belastningsriktningen. Sedan den tredimensionella beteende för FE modellen provet kalibrerades genom iterativ utföra FE simuleringar och justering ISV konstanter så att volym-medelvärdesbelastningsriktningen påkänning korrelerade väl med den experimentella sanna spänning-töjning svar. Således var en process av iterativ optimering mellan experimentella data, FE resultat, och endimensionell ISV materialmodell genomförs. Tabell 1 ger en sammanfattning av de variabler ISV materialmodell (MSU TP Ver. 1.1) ^11.

Den viktigaste faktorn för att denna metod är att erhålla en-dimensionella mekaniska svaret av biomaterialet och dess materialparametrarför ISV materialmodell, som kringgår SHPB provningsfrågor av stresstillstånd olikformighet. Det skiljer också den första icke-linjär respons biomaterialet till följd av tröghetseffekter och gör en mekanisk respons som är inneboende till materialet. Den kopplade metoden visade också att en förändring i provgeometrin helt förändrar randvärdesproblemet (BVP) och belastningsriktningen sann spänning-töjning av provet. Som sådan, kan den ovannämnda metoden kan användas med alla materialmodell (fenomenologisk eller mikrobaserat) för kalibrering och sedan simulera hög töjningshastighet beteenden av mänskliga organ enligt skadliga mekanisk belastning.

Protocol

OBS: Etik uttalande: Det nuvarande arbetet är unik för institutionens forskningspolitik, och strikt följer lämplig biosäkerhet och tjänstgörande regelefterlevnad (ORC) riktlinjer. 1. Biomaterial Prov Anskaffning Använd personlig skyddsutrustning i enlighet med standard biosäkerhet protokoll laboratoriet och / eller institution. Använd slutna rejäla skor, långbyxor, skyddsrock, operationshandskar, skyddsmask och skyddsglasögon vid hantering grisvävnad och testning. </…

Representative Results

Effektiviteten av den kopplade metoden exemplifieras i fig 3. Här SHPB experimentella spännings-töjnings respons för hjärnan är vid en lägre spänningstillstånd (med en toppspänning av 0,32 MPa) i jämförelse med spänningstillståndet av den endimensionella materialet punkt simulator (med ett toppvärde på 0,74 MPa), som är besläktad med FE prov mittlinje (element) i genomsnitt. Detta beror på vilken typ av deformation som mjuka biomaterial uppvisar. Eftersom de töjningshastigheter…

Discussion

Det rapporterade metod som kopplar SHPB experiment och FE modellering av SHPB erbjuder en ny och unik teknik för att bedöma enaxlig sanna stress stam svar på en biomaterial vid höga töjningshastigheter. För att upphandla mekaniska egenskaper är utmärkande för den naturliga vävnaden, måste man vara noga med att hålla biomaterialet provet mellan 5,56-7,22 ° C före SHPB testning. Om provet kyls under 5,56 ° C börjar vatten närvarande i vävnaden att kristallisera i is och därefter förändrar vävnads mek…

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