방법 논문

소프트 생체 재료의 높은 변형 속도 기계 응답을 평가하기위한 결합 실험 - 유한 요소 모델링 방법론

DOI:

10.3791/51545

⸱

2015년 5월 18일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 2Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University

이 논문에서

요약

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현재의 연구는 생체 재료 소프트 (뇌, 간, 건, 지방 등)의 축 동적 기계적 응답을 얻기 위해 결합 실험 - 유한 요소 시뮬레이션 방법을 규정하고있다. 때문에 표본의 발생 다축 실험 결과는 생체 재료의 유한 요소 해석의 반복 최적화를 통해 시뮬레이션 할 때 단축 진 응력 - 변형 동작으로 렌더링 된 분할 홉 킨슨 압력 바 시험에서 얻은 돌출.

초록

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이 연구는 높은 변형 속도에 노출 부드러운 생체 적합 물질 (예를 들어 뇌, 간, 힘줄, 지방 등)의 기계적 거동을 조사하기위한 결합 된 실험 및 유한 요소 (FE) 시뮬레이션 접근 방법을 제공합니다. 이 연구는 100-1,500 초 변형 속도를 생성하기 위해 분할 홉 킨슨 압력 바 (SHPB)를 활용 -1. SHPB는 점탄성 물질 (폴리 카보네이트)로 구성된 스트라이커 바 사용. 생체 물질의 샘플은 사후 짧게 얻어진 SHPB 시험을 위해 준비했다. 시편은 입사 송신 바 사이에 개재하고, SHPB의 공기 성분은 입사 바쪽으로 스트라이커 바를 구동 활성화 하였다. 결과에 미치는 영향은 입사 줄을 통해 여행을 압축 응력 파 (즉, 입사 파)를 생성합니다. 압축 응력 파가 입사 줄의 끝에 도달 할 때, 일부는 샘플을 통해 앞으로 계속 (Ⅰ 바 송신.E. 전송 파) 다른 부분은 인장 파 등 입사 바으로 환입 동안 (즉) 파를 반영합니다. 이 파도는 입사 송신 바 상에 장착 된 스트레인 게이지를 사용하여 측정 하였다. 시료의 진 응력 - 변형 행동은 전파 및 동적 힘 평형에 기초한 방정식으로부터 결정 하였다. 시편 불룩 때문에 실험적 응력 - 변형률 응답 자연에서 삼차원이었다. 이와 같이, 정압 응력 (제 1 불변)은 응력 - 변형 응답을 생성하기 위해 사용되었다. 조직의 축성 (일차원) 기계적 응답을 추출하기 위해, 반복적으로 결합 최적화는 실험 결과와 조직 이용하는 내부 상태 변수 (ISV) 물질 모델을 포함 유한 요소 해석 (FEA)을 사용하여 수행 하였다. 실험 장치의 FE 시뮬레이션에 사용 ISV 물질 모델 반복적 실험 데이터 등 그쪽으로 (즉, 최적화 된) 조정 하였다실험 및 유한 요소 해석 스트레인 게이지 값과 스트레스의 첫 번째 불변 톤 잘 일치했다.

서론

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동기 부여

결합 분할의 기본적인 목표 - 홉 킨슨 압력 바 (SHPB) 실험 / (등 뇌, 간, 힘줄, 지방, 등) 소프트 생체 재료의 유한 요소 모델링은 인간의 몸 FE에 추가 구현을위한 자신의 단축 기계적 동작을 추출하는 것이 었습니다 유해한 기계적 부하에 따라 시뮬레이션. 인간의 몸 유한 요소 (FE) 모델은 상세한 인체 메쉬와 여러 사람의 장기에 대한 역사를 따라 다중 스케일 점탄성 - 점 소성 내부 상태 변수 (ISV) 재료 모델로 구성되어 있습니다. 이는 인체 모델은 혁신적인 보호 장비를 설계하고, 차량 탑승자 중심 디자인을 가능하게 부상 방지를위한보다 나은 기준을 구축하기위한 프레임 워크를 사용할 수있다.

폭발 폭발과 무딘 영향 : 고속 부상의 두 가지 모드는 널리 인간의 외상에서 관찰되었다. 폭발성 무기에서 폭발 피해는 traumati의 기본 소스입니다C 부상 (TI)와 전장 1 사망의 주요 원인. 폭발 할 때,이 폭발물은 크고 갑작스러운 가속 및 변형을 생성하는 외부 전파 충격파를 형성한다. 그 결과 부하 노출 사람들에게 심각한 위협을 제기. 해부학의 일부가 충격파에 의해 부상 할 수 있지만, 문제의 주요 영역 (1)의지....

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프로토콜

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참고 : 윤리 문 : 현재 작업이 기관의 연구 정책에 고유 한, 엄격하게 규정 준수 (ORC) 가이드 라인의 적절한 생물 안전 및 사무실을 따른다.

1. 생체 재료 시편 조달

  1. 실험실 및 / 또는 기관의 표준 바이오 안전성 프로토콜에 따라 개인 보호 장비를 착용 할 것. 돼지의 조직 및 테스트를 처리하는 동안 폐쇄 발가락 신발, 긴 바지, 실험실 코트, 수술 장갑, 보호 마스크, 보호 안경을 착용 할 것.
  2. 1-2 시간의 사후 내 로컬 도살장에서 건강한 돼지의 돼지 조직 (머리, 복부, 또는 뒷다리)를 얻습니다.
  3. 생물 안전 가방에 돼지의 조직을 저장 한 후 아이스 컨테이너 (~ 5.56-7.22 ° C)에 배치합니다.
    참고 : 돼지의 시료의 온도가 7.22 이하로 떨어지지 않는 것을 확인하기 위해 온도계를 사용하여 ° C.
  4. 가장 가까운 실험실에 돼지의 조직을 전송해부 용 (미시시피 주립 대학에서 동물 용 의약품의 대학).
  5. 동물 용 의약품의 대학에서 수의사의 감독하에 수술 돼지의 장기 (뇌, 간, 근육, 지방, 또는 힘줄)을 추출하여 임시 저장 (PH 7.4)에 대한 인산염 완충 식염수 (PBS)로 채워진 용기에 넣습니....

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결과

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결합 방법의 효과는도 3에 예시되어있다. 여기서 뇌 SHPB 실험적인 응력 - 변형률 응답이 낮은 응력 상태에있다 (0.32 MPa의 피크 응력) 비교 일차원 재료의 응력 상태 FE 샘플 중심선 (요소) 평균에 가깝다 (0.74의 피크 값 MPa로와) 점 시뮬레이터. 이는 변형 소프트 생체 재료 전시의 특성에 기인한다. 스트레인 속도는 높고, 및 생체 재료의 파 속도 및 강도는 재료 수요 불균일 변형에 관성 응력 파 전파 낮기 때문이다. 이 현상은 중앙 샘플 에지에서 최소 및 최대이다. 시험편 실린더 때문에 시험편의 중앙 에지는 달리 불균일 한 반경 방향 변위를 확장 할 수 없다. 따라서, 일정한 시간 후에, 샘플 중심선 밀접 축성으로 근사 될 수있다.

링 - 업 "으로 인해 몇 가지 초기 후 단축 변형 전시 샘플 중심선의 관찰에>"ENT "실험 장치 캡처 시간은, FEA는 할 수 없습니다 중심선 데이터를 추출 할 수 있습니다. 여기에"링 - 최대 "시간 응력 상태 평형이 달성된다 S.......

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토론

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커플 SHPB 실험과 SHPB의 유한 요소 모델링 소설과 독특한 기술을 제공하는보고 방법은 높은 변형 속도에서 생체 재료의 일축 진 응력 - 변형 응답을 평가한다. 기본 조직에 고유 기계적 특성을 조달하기 위해주의 SHPB 시험 전에 5.56-7.22 ° C 사이에 생체 시료를 유지하기 위해주의해야한다. 시편은 5.56 ° C 이하로 냉각되는 경우, 조직에 존재하는 물은 얼음으로 crystalize 시작하고이어서 조직의 기계적 특성을 변화시킨다. 다른 연구자 15-18 기계적 열화로부터 보존 목적 샘플을 동결되었지만, 결과는 테스트 SHPB 수율 상당히 다른 기계적인 반응에서 얻어진 이들. 또한, 반 EE 및 마이어스 (23)의 보고서 5 시간 내에 테스트 부드러운 생체 물질은 부검이 가장 좋은 실험 결과를 주었다 게시 것으로 나타났다. 또한, PBS 용액은 일에 선택되었다광석 생체 표본 원통형 샘플은 삼투압 이온 농도는 생물학적 유체 9 비슷하기 때문이다.

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공개 사항

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저자는 이로써이 책과 관련된 모든 자료와 이해 관계의 충돌이 없음을 선언합니다.

감사의 글

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저자는 이 작업을 지원해 준 미시시피 주립 대학의 CAVS(Center for Advanced Vehicular Systems)와 농업 및 생물 공학과에 감사를 표합니다. 이 자료는 계약 번호에 따라 미 육군 TACOM 수명 주기 사령부에서 지원하는 작업을 기반으로 합니다. W56HZV-08-C-0236은 Mississippi State University와의 하도급을 통해 SimBRS(Simulation Based Reliability and Safety) 연구 프로그램을 위해 수행되었습니다. 또한 이 자료는 미국 에너지부(National Nuclear Security Administration, Department of Energy)의 지원을 받은 연구를 기반으로 합니다(수상 번호 [DE-FC26-06NT42755]. 마지막으로, 저자들은 이 연구에 대한 그들의 노력에 대해 David Adams, Michael McCollum 및 Erin Colebeck에게 감사를 표

하고 싶습니다.....

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
고압 316 스테인레스 스틸 나사식 파이프 피팅, 1/2 남성 x 1/4 여성 파이프 크기, 육각형 감소 부싱McMaster-Carr2
Type 316 스테인레스 스틸 나사식 파이프 피팅, 3/4 남성 x 1/4 여성, 육각형 감소 부싱 150  psiMcMaster-Carr2
Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, with 1/2" NPT femaleMcMaster-Carr2
easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, with 3/4" NPT femaleMcMaster-Carr2
ASME 코드 스테인리스 스틸 팝-안전 밸브, 1/4 NPT 남성, 300  psiMcMaster-Carr2
정밀 극압 316SS 파이프 피팅, 1/2 x 1/2 파이프 크기, 1-7/8" 길이, 육각 젖꼭지McMaster-Carr8
타입 316 스테인리스 스틸 나사식 파이프 피팅, 1/2 파이프 크기, 티, 150  psiMcMaster-Carr2
테스트 게이지와 안전 케이스, 폴리에스터 케이스, 표준, 건조, 600  psiMcMaster-Carr2
디지털 게이지, 플라스틱 케이스, 2-1/2" 다이얼, 1/4 하단 연결, 300  psiMcMaster-Carr2
유형 316 스테인리스 스틸 37도 플레어 튜브 피팅, 1/4" 튜브 OD x 1/8" NPT 수 파이프용 어댑터McMaster-Carr12
303 스테인리스 스틸 37도 JIC 스위블 피팅 3/16" IDMcMaster-Carr12
고압 화학 호스, 3/16" ID, 0.312" OD, 3,000psiMcMaster-Carr6
고순도 가스 레귤레이터 단일 스테이지, 질소, 0-125 psi, CGA #580McMaster-Carr2
호스, 질소 가스, 아르곤 및 산소용 황동 펨 피팅, PTFE 호스, 3' L, 1/4" ID, 3,600 psiMcMaster-Carr2
[header]
Extreme Pressure 316 SS 나사형 파이프 피팅 1/4 x 1/4 파이프 크기, 육각 니플McMaster-Carr4
극압 316 SS 나사산 파이프 피팅 3/4 x 3/4 파이프 크기, 육각 니플McMaster-Carr2
극압 316 SS 나사산 파이프 피팅 1/4 남성 x 1/8 여성 파이프 크기, 육각 부싱McMaster-Carr2
표준 황동 압축 튜브 피팅 1/4" 튜브 OD x 1/4" NPTF 남성 파이프용 어댑터McMaster-Carr4
Kobalt 1/4 in 미니 레귤레이터 게이지Lowes2
1/4" x 25 ft 폴리에틸렌 튜빙Lowes2
1-1/2" 직경 폴리카보네이트 (PC) RodMcMaster-Carr2
LTV-35 4-Way 밸브 Mead Fluid DynamicsMotion Industries2
공압 더블 액션 액추에이터Valtronic2
스테인레스 스틸 볼 밸브 1/2"Valtronic2
Buckeye 압력 용기Buckeye2
SR-4 범용 FAE-25-35SX 스트레인 게이지미세 측정 Vishay Precision Group2
M-M 신호 컨디셔닝 증폭기 2310A마이크로 측정 Vishay Precision Group1
레이저 ROLS-W 광학 센서Monarch Instruments1

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Aubry, M.

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재인쇄 및 허가

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High Strain RateSplit Hopkinson Pressure BarFinite Element AnalysisSoft BiomaterialsTrue Stress StrainInternal State VariableCoupled Experiment ModelingUniaxial Mechanical ResponseWave Propagation AnalysisStrain Gauge Measurements

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