本研究提出一种耦合实验与有限元模拟的方法，用于获取软生物材料（脑、肝、肌腱、脂肪）的单轴动态力学响应 等等。通过生物材料有限元分析的迭代优化，将分离式霍普金森压杆试验中因试样鼓胀而获得的多轴实验结果转化为单轴真应力-应变行为。
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本文内容
摘要
摘要
本研究提供了一种结合实验与有限元（FE）模拟的方法，用于研究软生物材料的力学行为例如 脑、肝、肌腱、脂肪 等。) 在受到高应变率作用时。本研究采用分离式霍普金森压杆（Split-Hopkinson Pressure Bar, SHPB）产生 100–1,500 sec⁻¹ 的应变率。-1. 采用由粘弹性材料（聚碳酸酯）制成的撞击杆的分离式霍普金森压杆（SHPB）装置。在死亡后不久获取生物材料样本，并制备用于SHPB测试。将试样置于入射杆和透射杆之间，启动SHPB的气动组件，驱动撞击杆撞击入射杆。由此产生的冲击生成一个压缩应力波（即 入射波）穿过入射杆。当压缩应力波到达入射杆末端时，一部分继续向前穿过样品和透射杆（即 透射波），而另一部分则在入射杆中以拉伸波的形式反向传播（即 反射波）。这些波通过安装在入射杆和透射杆上的应变片进行测量。试样的真实应力-应变行为是基于波传播理论和动态力平衡方程计算得到的。由于试样在加载过程中发生鼓胀，实验测得的应力-应变响应本质上具有三维特性，因此采用静水应力（第一不变量）来构建应力-应变关系。为了提取组织的单轴（一维）力学响应，结合实验结果与包含组织内部状态变量（ISV）材料模型的有限元分析（FEA），进行了迭代耦合优化。该优化过程中，用于模拟实验装置的有限元仿真中的ISV材料模型被反复校准（即 优化后的实验数据与有限元分析（FEA）的应变片数值及应力的第一不变量吻合良好。
引言
动机
软生物材料（如脑、肝、肌腱、脂肪）的耦合分离式霍普金森压杆（SHPB）实验与有限元建模研究的核心目标 等等。目的是提取其单轴力学行为，以便进一步应用于人体在损伤性机械载荷下的有限元（FE）模拟。该人体有限元（FE）模型包含详细的人体网格以及适用于多种人体器官的历史相关多尺度黏弹性-黏塑性内变量（ISV）材料模型。该人体模型可作为构建更优损伤防护标准、设计创新防护装备以及实现以乘员为中心的车辆设计的框架。
在人类创伤中，已广泛观察到两种高速损伤模式：爆炸冲击和钝性撞击。爆炸性武器造成的损伤是创伤性损伤（TI）的主要来源，也是战场上的首要致死原因1。当这些炸药引爆时，会产生向外传播的冲击波，引发剧烈且突然的加速度和形变，对暴露个体构成严重威胁。尽管人体任何解剖部位都可能受到冲击波伤害，但最受关注的部位主要有两个：（1）下肢，因其靠近地面；（2）头部，因为头部损伤可能影响正常脑功能并危及生命2,3。根据所受损伤类型的不同，这些损伤可分为原发性、继发性或三级损伤。由于爆炸强度由其重量或尺寸、 standoff 距离、正压脉冲持续时间以及传播介质等因素决定，因此准确分类这些损伤具有挑战性3-6。国会报告指出，从2000年至2010年3月，在伊拉克和阿富汗战争中，军事人员因爆炸性武器和车辆碰撞已遭受近17.9万例创伤性损伤
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方案
注意：伦理声明：本研究工作符合本机构的研究政策，并严格遵守相应的生物安全和监管合规办公室（ORC）指南。
1. 生物材料样本采集
- 根据实验室和/或机构的标准生物安全规程穿戴个人防护装备。在处理猪组织和进行测试时，需穿着包趾鞋、长裤，佩戴实验服、外科手套、防护口罩和安全护目镜。
- 从当地屠宰场获取健康猪只死后1至2小时内取出的猪组织（头部、腹部或后腿）。
- 将猪组织存放于生物危害安全袋中，然后置于冰容器中（约5.56–7.22 °C）。
注意：使用温度计确认猪组织样本温度不低于7.22 °C。 - 将猪组织运送至最近的实验室（密西西比州立大学兽医学院）进行解剖。
- 在兽医学院兽医的监督下，手术取出猪器官（脑、肝、肌肉、脂肪或肌腱），并将其放入盛有磷酸盐缓冲液（PBS）的容器中临时保存（pH 7.4）。
- 将装有PBS的容器存放在冰盒中（约5.56–7.22 °C），并立即运送至测试场所进行样品制备和SHPB测试。
2. 生物材料样品制备
- 从 PBS 容器中取出猪器官，并将其放置在无菌表面上。
- 注意：确定主要纤维取向以及每个测试样本的取样位置。使用内径为 30 mm 的圆柱形冲模从猪器官上切取测试样本。
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结果
耦合方法的有效性在图3中得以体现。在此图中，脑组织的SHPB实验应力-应变响应处于较低的应力状态（峰值应力为0.32 MPa），相较于一维材料点模拟器的应力状态（峰值为0.74 MPa）更低，后者近似于有限元样本中心线（单元）的平均值。这归因于软性生物材料所表现出的变形特性。由于应变率较高，而生物材料的波速和强度较低，材料内部的惯性效应和应力波传播导致了非均匀变形。该现象在样本边缘最为显著，在中心区域最弱。由于试样为圆柱形，其中心区域无法像边缘那样发生非均匀的径向膨胀。因此，在经过一定时间后，样本中心线的变形可被近似视为单轴变形。
由于在经历一段初始的“上升时间”后，可观察到样品中心线呈现单轴变形，因此可利用有限元分析（FEA）提取实验装置无法捕捉的中心线数据。此处的“上升时间”是指在分离式霍普金森压杆（SHPB）实验初始阶段达到应力状态平衡所需的时间。为此，需将虚拟的FEA应变片结果与实验应变片结果进行比较，并调整材料常数，直至两者达到良好一致性。表2给出了通过耦合SHPB实验与有限元模拟方法获得的脑组织代表性材.......
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讨论
报道的方法将SHPB实验与SHPB的有限元（FE）建模相结合，提供了一种新颖且独特的方法，用于评估生物材料在高应变率下的单轴真应力-应变响应。为了获得固有于原生组织的力学性能，在SHPB测试前必须将生物材料试样保持在5.56–7.22 °C之间。如果试样冷却至5.56 °C以下，组织中的水分会开始结晶成冰，从而改变组织的力学性能。尽管其他研究人员15-18出于防止力学性能退化的保存目的而将样品冷冻，但由此SHPB测试获得的结果显示出显著不同的力学响应。此外，Van Ee和Myers的一份报告23表明，死后5小时内测试的软生物材料可获得最佳实验结果。另外，选择磷酸盐缓冲液（PBS）溶液来储存生物材料试样和圆柱形样品，是因为其渗透压和离子浓度与生物体液相似9。
基于 Gray 和 Blumenthal 的研究工作24 在《ASM 软材料高应变率测试手册》中，针对不同类型的生物材料（猪脑、肝、肌腱或脂肪）进行测试时，确定的最佳试样长径比（即试样厚度与直径之比）为 0.5 或更低。Gray 和 Blum.......
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披露
作者声明，本出版物所涉及的所有材料均不存在利益冲突。
致谢
作者谨此感谢密西西比州立大学先进车辆系统中心（CAVS）及农业与生物工程系对本研究工作的支持。本研究工作由美国陆军坦克车辆与装备司令部（TACOM Life Cycle Command）资助，合同号为 W56HZV-08-C-0236，通过密西西比州立大学的分包合同执行，属于“基于仿真的可靠性与安全性”（Simulation Based Reliability and Safety, SimBRS）研究项目的一部分。此外，本研究还得到美国国家核安全管理局（NNSA，隶属于能源部）的资助，资助编号为 [DE-FC26-06NT42755]。最后，作者谨向 David Adams 先生、Michael McCollum 先生以及 Erin Colebeck 女士在本研究中所付出的努力表示衷心感谢。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高压316不锈钢螺纹管接头，1/2英寸外螺纹 × 1/4英寸内螺纹管径，六角减径衬套 | McMaster-Carr | 2 | |
| 316型不锈钢螺纹管接头，3/4英寸外螺纹 × 1/4英寸内螺纹，六角减径衬套，150 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| 易维护型316SS球阀，带316不锈钢端部，1/2" NPT内螺纹 | McMaster-Carr | 2 | |
| 易维护型316SS球阀，带316不锈钢端部，3/4" NPT内螺纹 | McMaster-Carr | 2 | |
| ASME标准不锈钢弹出式安全阀，1/4 NPT外螺纹，300 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| 精密超高压316SS管接头，1/2 × 1/2管径，1-7/8"长度，六角短接头 | McMaster-Carr | 8 | |
| 316型不锈钢螺纹管接头，1/2管径，三通，150 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| 带安全外壳的测试压力表，聚酯外壳，标准型，干式，600 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| 数字压力表，塑料外壳，2-1/2"表盘，1/4底部接口，300 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| 316型不锈钢37度扩口管接头，用于1/4"管外径 × 1/8" NPT外螺纹管 | McMaster-Carr | 12 | |
| 303不锈钢37度JIC旋转接头，用于3/16"内径 | McMaster-Carr | 12 | |
| 高压化学软管，3/16"内径，0.312"外径，3,000 psi | McMaster-Carr | 6 | |
| 高纯度单级气体减压器，氮气，0–125 psi，CGA #580 | McMaster-Carr | 2 | |
| 氮气、氩气和氧气用软管，黄铜内螺纹接头，PTFE软管，长度3英尺，1/4"内径，3,600 psi | McMaster-Carr | 2 | |
| [header] | |||
| 超高压316不锈钢螺纹管接头，1/4 × 1/4管径，六角短接头 | McMaster-Carr | 4 | |
| 超高压316不锈钢螺纹管接头，3/4 × 3/4管径，六角短接头 | McMaster-Carr | 2 | |
| 超高压316不锈钢螺纹管接头，1/4英寸外螺纹 × 1/8英寸内螺纹管径，六角衬套 | McMaster-Carr | 2 | |
| 标准黄铜压缩管接头转换头，用于1/4"管外径 × 1/4" NPTF外螺纹管 | McMaster-Carr | 4 | |
| Kobalt 1/4英寸微型调节器带压力表 | Lowes | 2 | |
| 1/4" × 25英尺聚乙烯管 | Lowes | 2 | |
| 直径1-1/2"聚碳酸酯（PC）棒材 | McMaster-Carr | 2 | |
| LTV-35 四通阀，Mead流体动力 | Motion Industries | 2 | |
| 气动双作用执行器 | Valtronic | 2 | |
| 不锈钢球阀 1/2" | Valtronic | 2 | |
| Buckeye压力容器 | Buckeye | 2 | |
| SR-4通用FAE-25-35SX应变片 | Micro-Measurement Vishay Precision Group | 2 | |
| M-M信号调理放大器2310A | Micro-Measurement Vishay Precision Group | 1 | |
| 激光ROLS-W光学传感器 | Monarch Instruments | 1 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
