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 in 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。
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Protocol
注：倫理声明：現在の仕事は、機関の研究政策に固有のものであり、厳密に規制コンプライアンス（ORC）のガイドラインの適切なバイオ安全性およびOfficeに従います。
1.生体材料試験片の調達
- 実験室および/または機関の標準的な生物学的安全性プロトコルに従って個人用保護具を着用します。ブタ組織とテストの処理中に閉じたつま先の靴、長ズボン、白衣、手術用手袋、保護マスク、および安全ゴーグルを着用します。
- 1-2時間の死後内のローカルの食肉処理場からの健康なブタのブタ組織（頭部、腹部、または後肢）を取得します。
- バイオハザード安全バッグにブタの組織を保存した後、氷の容器（〜5.56から7.22℃）に置いてください。
注：ブタの試料内の温度が7.22未満に低下しないことを確認するために温度計を使用して、 °C。 - 最寄りの実験室にブタの組織を輸送解剖用（ミシシッピ州立大学獣医学部の大学）。
- 獣医学の大学で獣医師の監督の下で、外科的にブタの臓器（脳、肝臓、筋肉、脂肪、または腱）を抽出し、一時記憶（pHは7.4）のためのリン酸緩衝生理食塩水（PBS）で充填された容器内に配置します。
- アイスクーラー（〜5.56から7.22°C）でのPBSコンテナを格納し、すぐにサンプル調製とSHPB試験のための試験施設に輸送。
2.バイオマテリアルサンプル調製
- PBS容器からブタの臓器を取り出して、無菌面に置きます。
- 注：各試験サンプルのための主要な繊維配向および位置を特定します。ブタの臓器からの試験試料を分析するために、円筒状が30mm、内径とダイを使用します。
- 試験試料は、円筒金型の内部に押し込まれた場合、切開の反対側の端部を通ってPBSを注入ツールは、試験サンプルが無傷アウトスライドすることを可能にします。滅菌表面の別々の領域に抽出された試験試料を配置します。
- 所定の厚さとアスペクト比にサンプルをトリミングするメスを使用してください。
注：アスペクト比（厚さ/直径）が0.33から0.50（ 図2）であるブタの試料のSHPB試験のために、厚さ10〜15 mmです。 - 3つの異なる場所での厚さと直径を測定するためにキャリパーを使用します。
- SHPB装置はテストのための準備が整うまで、新鮮なPBS中のすべてのテストのサンプルを保管してください。
注：サンプルは、屠殺した後4時間以内に試験されていることを確認してください。 - による断面の切開エラーまたは変動に円筒形ではないサンプルを捨てます。バイオハザード安全バッグに廃棄されたサンプルを置きます。繰り返して、追加のテストサンプルを得るために2.2から2.6を繰り返します。
3.スプリットホプキンソン圧力棒テスト
- mはストライカーバー、入射バー、送信バーを配置しますSHPB試験のためエタル島支柱。
注：バーは無料でタッチに移動し、そのインタフェースが互いに整列されていることをされていることを確認してください。安全のために送信されたバーのストッパーを提供します。 - ひずみゲージ事件に付着し、信号増幅器にバーを送信しを接続します。シグナル·コンディショニングアンプやDAQモジュールコンピュータの電源を入れます。
- 高速データ取り込みソフトウェアを初期化します。
- 彼らは正常範囲内にあるかどうかを確認するために信号のライブキャプチャを確認し、ゼロのアイコンをクリックすることでノイズ信号を無効に。
- 入力トリガレベルとデータレート（2メガヘルツ）。
- トリガ·レベルが達成された後に記録するためのソフトウェアを初期化します。
- 圧力室に隣接するストライカーバーをロードします。所望の圧力に圧力室を埋めます。
注：典型的な圧力範囲は5〜25 psiです。 - ゼロボタンを押して、レーザー速度計うちゼロとストライカーのBAを読むためにそれを設定レーザセンサの背後ストライカーバーの反射ストリップを設定することにより、Rの速度。
- それは事件と反射バーの動きを妨げないように、サンプル閉じ込め室を配置します。送信バーに接触する事故バーを配置します。
- キャリブレーションのために、ストライカーバーの圧力室のためのトリガスイッチをオンにして（サンプルなし）テストを実行します。
- データをコンピュータに取得されると、テスト手順が正しく機能していることを確実にするために（次のセクションで説明されている）SHPBひずみゲージデータを保存して分析します。
- 事件と透過バーの間の円筒状のサンプルを配置し、サンプル閉じ込め室を閉じます。
注記：事前調整がサンプル上で実行されていないことを確認してください。 - インシデントおよび送信バーとの間に配置された試料とタスク3.4から3.7を実行します。
注：サンプルの中心は、バーの中心線と同じであることを確認します。 proceedi前NG、また試料が圧縮されていないが、以前に抽出されたのと同じジオメトリに残っていることを確認してください。 - テストが完了すると、入射バー、送信バー、サンプル閉じ込めチャンバから試料片を除去するために、使い捨ての衛生拭き取り用品を使用します。バイオハザード安全バッグ内のすべての破片やワイプを処分。
- 70％エタノール洗浄液衛生ワイプを使用してバー、サンプル閉じ込めチャンバをサニタイズ。
4. SHPBデータ後処理
- ホプキンソンバー波の解析のために「MSU高レートソフトウェア19」を開きます。
- [設定]ウィンドウを調べ、一軸試験のためのモード]タブで「テンション/圧縮」オプションを選択して、ソフトウェアを開始します。また、ゲージタブの「2ゲージ」を選択し、クリックして "続行"。
- メインウィンドウでは、ファイルを開く1]タブを選択し、incideの歪みゲージ·レコードからの入射波データに移動しますNTバー。送信されたバーひずみゲージレコードをインポートするためのファイルを開く2]タブを選択します。
- メインウィンドウでパラメータタブを選択し、入力を含むテスト·セットアップの物理パラメータ：バーの寸法、電圧が要因、歪みゲージ位置、および粘弾性分散定数を痛め。 「続行」をクリックします。
- そして、メインウィンドウの[データ]タブを選択して、インシデントを含むデータ量のみにデータセットを減らすためにカーソルバーを使用し、反射され、波を送信しました。 「続行」をクリックします。
- そして、メインウィンドウで選択して波のタブを選択し、インシデント波グラフ、反射波のグラフで反射波と透過波グラフで送信波で入射波を閉じ込めるためにカーソルバーを使用しています。 「続行」をクリックします。
- その後、ソフトウェアは、粘弾性分散20-21を補正できるようにするために、メインウィンドウの[修正]タブを選択します。
- いいえwはメインウィンドウのシフト]タブを選択します。ウェーブグラフでは、波の選択]タブで個別に各1を選択することで、時間内に同一の初期位置に反射波を、インシデントをドラッグするために、カーソルを使用して、送信されます。データグラフ内の波のすべてを表示します。完了したら、「続行」をクリックします。
- 結果ファイルには、クリックすることで荷重、変位、位置、速度、プロファイルを保存 "名前を付けて保存します。」
- ホプキンソン棒試験前に測定した試料の寸法を使用して、真応力と真ひずみを計算するためのMicrosoft Excel（または他の表計算ソフト）で、従来の方法を使用します。
5. SHPB有限要素モデリング
- 商業有限要素（FE）ソフトウェアを使用して、SHPBセットアップのFEモデルを作成します。
注：同一の形状および材料特性を使用してください。 - FEシミュレーションを初期化するために、ストライカーバーのFEモデルに初期速度を割り当てます。
注：速度ストライカーバーの特定の株率9用のSHPB実験でそれに対応する必要があります。 - インシデントおよび送信バーの間に配置された試料なしSHPBセットアップのFEモデルを作成します。 FEシミュレーションを実行します。
注：シミュレートされたストライカーバー速度が「ノーサンプル」の条件で実験的なストライカーバー速度に対応する必要があります。高分子バーの表1に示した材料特性を割り当てます。 - 実験とFEシミュレーションにおける歪みゲージの測定値（時間に対する汚れ）がよく一致しているかどうかを確認します。
- SHPBセットアップのFEモデルに生体材料のサンプルが組み込まれています。生体材料試料11にISVの材料モデルの（vumatファイル形式22で）3次元実装を割り当てます。
- 三つの異なるメッシュサイズを使用して、メッシュ改良研究を行い、その後、ソリューションが収束かどうかを判断するために、結果を分析します。
注：メッシュサイズは、六面体の総数および/またはFEモデルを含む四面体要素に対応します。さらにシミュレーション9の後に収束する最低メッシュサイズのFEモデルを選択します。 - 二段階FEモデルのキャリブレーションを行っています。第1のステップでは、ISVの材料モデルの実装一次元に実験データをアップロードします。
- ISVの材料モデルのパラメータ（ 表1参照 ）を調整することにより、モデルの真応力-ひずみ曲線を用いた実験の真応力-染色曲線を調整します。
注：材料モデルは、一次元であるが、実験SHPBデータは本質的に三次元であるため、さらなる反復が必要です。 - SHPBセットアップのFEモデルにおける生体材料の試料にISVの材料定数を割り当てます。
- ストライカーバー速度と試料変形歪速度が同じひずみ速度でSHPB試験に対応したFEシミュレーションを実行します。
- コンパ良い契約（対時間株）のための実験とFEシミュレーションから歪みゲージ測定の再。
注：FEシミュレーションと実験の歪みゲージの値の間の良好な一致がある場合、モデルのキャリブレーションプロセスの2番目のステップに進みます。ない場合は、タスク5.7から5.11を繰り返します。 - FEモデルのキャリブレーションの第二段階では、FEシミュレーションひずみゲージデータSHPB実験後処理ソフトウェアを実行し、MSU高レートソフトウェア19-21。
注：模擬真応力 - 歪み応答は、実験の真応力 - ひずみ応答と比較した場合、二段FEモデルのキャリブレーションが完了しました。ない場合は、タスク5.7から5.12を繰り返します。 - FEモデルのサンプルの中心要素に沿って装着方向（Σ33）ストレスの体積平均を実行します。
注：このストレスは一次元ISV材料モデル結果の応力 - ひずみ曲線とよく一致している場合、その結果は、タスク5.7により得られました-5.12は完全に較正されています。ない場合は、タスク5.7から5.13を繰り返します。 ISVの材料モデルの一次元実装によって取り込ま真応力 - 歪み応答はSHPB設定で試験された生体材料の一軸真応力 - ひずみ応答を表します。
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Representative Results
結合方法の有効性は、図3に例示されている。ここでは、脳のためのSHPB実験的応力-歪み応答は、一次元材料の応力状態と比較して（0.32 MPaでのピーク応力を有する）低い応力状態にありますFEサンプル中心線（要素）の平均に似ている（0.74メガパスカルのピーク値に）点シミュレータ、。これは変形ソフト生体材料の展示の性質によるものです。歪み率が高く、生体材料の波の速度と強度は、不均一な変形材料需要の慣性応力波伝播低いため。この現象は、中央のサンプルエッジで最大と最小です。標本はシリンダであるため、試験片の中央部は、エッジとは異なり、不均一な半径方向の拡張を置換することはできません。従って、一定の時間後に、試料中心密接一軸として近似することができます。
ENT ">により、いくつかの初期の後一軸変形を示すサンプル中心の観察に「リングアップ」時間、FEAは、次にキャプチャする実験のために不可能である中心線データを抽出するために使用することができる。ここで、「環-up「時間がストレス状態平衡が達成されたSHPB試験の初期段階の間のタイムスパンがある。これを行うには、仮想FEAひずみゲージは、実験的なひずみゲージと比較して、良好な一致があるまで、材料定数を変化させていますに達した。 表2は、結合されたSHPB実験-FEシミュレーション手法によって得られた脳のための代表的な材料定数を与える。また、 図4は SHPB実験真応力-ひずみ曲線は、実際にはむしろ一軸荷重よりも、ストレスの最初の不変を測定することを示しています-方向の応力-ひずみ挙動。他のほとんどの研究は、12〜18単に実験結果を提示しているが、 図図3は、生体材料の機械的応答のような表現は、現実世界の境界値問題（なBVP）のFEモデリングシミュレーションに関連する一軸応答を、過小評価することを示しています。それは一軸挙動を評価するために、FE型モデリングと結合していない場合したがって、SHPB実験結果のみを使用すると、誤ったであろう。
図1：ブタの脳サンプルをテストするために使用されるカスタマイズされたポリマーのスプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）の概要は、次の図は、プラブーら 、2011年9から変更されています。
図2：（a）は、ブタの脳からの新鮮な（<3時間死後）からのサンプル抽出、（b）は 、優れた、劣った方向が30mm、内径の金型を用いてサンプルを抽出。この図は、プラブーら 、2011年9から変更されています。
図3：実験事件における実験のためのΣ33の比較、MATLABフィッティングルーチン（質点シミュレータ）、FEは750秒で、DAVID粘弾性を通して平均データとFE歪み対策を検体-1エラーバンドは/波が不確実性を表す反映しました。この図は、プラブーら 、2011年9から変更されています。
図4：有限要素（FE）シミュレーションΣ ミーゼス、Σ11、Σ22のプロット、31; 33、Σ12、Σ23、圧力（第1の応力の不変）とΣ13、実験円筒状のサンプルの変形中、750秒-1。ここでは圧縮応力が陰性である。この図は、プラブーら 、2011年9から変更されています。
図5：ポリマースプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）セットアップの概略は、この数字はプラブーら 、2011年9から変更されています。
図6：（C）は、入射反射バーのクローズアップと一緒にSHPB試験および（b）はFEモデルシミュレーション用に設定（a）は、実験の概略インターフェイス。このFEモデルシミュレーションは、任意のサンプルなしで行いました。シミュレーションのためのRとβRα係数を減衰FEモデルは、3.0と1.2に維持しました。
図7：実験の比較と6.5秒-1でのブタの脳試料圧縮のための有限要素（FE）シミュレーションΣ33、33、ポストMSU高ひずみ速度ソフトウェアを介してFEシミュレーションからひずみの測定値を処理することにより算出したσFEシミュレーション。
図8：スプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）テスト用にセットアップ（a）は、有限要素（FE）、（b）はFEシミュレーションサンプル寸法の回路図、サンプル、および（c）試料とSHPBセットアップの概要を。シミュレーションのためのRとβRα係数を減衰FEモデルは、3.0と1.2に維持しました。この図は、プラブーら 、2011年9から変更されています。
図9：SHPB実験とFEシミュレーションのためのソフトの生物学的材料の真応力-ひずみ応答の2倍の相関関係の模式図。
図10。事件の（a）に比較し、実験と有限要素解析（FEA）用スプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）の歪み測定を、反射され、（b）はSHPB実験とFINIT750秒でブタの脳試料圧縮のための電子要素（FE）シミュレーションΣ33 -1。 FEシミュレーションΣ33は、DAVID粘弾性ソフトウェアを介してFEシミュレーションからひずみの測定値を処理するポストにより算出しました。実験事件の誤差バンドは/反射波は、不確実性を表します。この図は、プラブーら 、2011年9から変更されています。
表1：。。。MSU TP 1.1の変数とモデル式の概要は、このテーブルは、プラブーら 、2011年9とBOUVARD ら 、2010年11から変更されています。
| モデル定数 | 価値観 |
| μ（MPa）と | 25.00 |
| K（MPa）と | 12492.00 |
| γVO（秒-1） | 100000.00 |
| M | 1.00 |
| Y oをさ（MPa） | 8.20 |
| αpを | 0 |
| λL | 5.00 |
| μR | 0.05 |
| R S1 | 1.40 |
| を H 2 O | 47.21 |
| X O 1 | 0.75 |
| X * 土 | 0.01 |
| X * O | 1.20 |
| G O | 0.30 |
| Cのκ1（MPa）と | 0.40 |
| H 1 | 0 |
| E O S2 | 0 |
| E S2に 座っ | 0.40 |
| Cのκ2（MPa）と | 0 |
表2：値MSU TP 1.1粘塑性モデルを用いた脳材 料の材料定数の。このテーブルには、プラブーらから変更されている。2011年9。
| ストライカーバー | インシデントバー | 送信バー | |
| 素材 | 1-1 / 2 "ポリカーボネート（PC）ロッド* | 1-1 / 2 "ポリカーボネート（PC）ロッド* | 1-1 / 2 "ポリカーボネート（PC）ロッド* |
| 密度（キログラム/ m 3で ） | 1.220×10 3 | 1.220×10 3 | 1.220×10 3 |
| 直径（m）を | 1.285×10 -3 | 3.810×10 -2 | 3.810×10 -3 |
| 長さ（m） 7.620×10 -1 | 2.438 | 1.219 |
*マクマスター·カーTM 1-1 / 2 "ロッド（マクマスター-カーTM、シカゴ、IL、USA）。
表3：スプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）の設定に使用されるポリマーのバーの寸法と材料特性がこのテーブルは、プラブーら 、2011年9から変更されています。
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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は氷に結晶化され始めると、その後、組織の機械的特性を変化させます。他の研究者15〜18は、機械的劣化から保存目的のためにサンプルを凍結しているが、SHPB試験から、その得られた結果は大きく異なる機械的な応答が得られます。また、ヴァン·EEとマイヤーズ23の報告は5時間死後以内に試験ソフト生体材料は、最良の実験結果を与えたことを示しました。さらに、PBS溶液は、STに選ばれました鉱石生体材料試料と円筒試料は、浸透圧及びイオン濃度は、生物学的流体9と同様であるので。
軟質材料の高ひずみ速度試験、最適なサンプルアスペクト比、または直径の試料厚さの比でグレーとASMハンドブックブルーメンソール24による研究に基づいて、生体材料の存在の種類に応じて、0.5以下であることが決定されました（ブタの脳、肝臓、腱または脂肪）を試験しました。グレーとブルーメンソール24は、0.5よりも大きいアスペクト比を有するサンプルはSHPB試験中に動的な力平衡に対応しなかったことを彼らの研究で観察されました。サンプル抽出は、生体材料の長い、円筒形の作品を作成するために優れた、劣った方向に生体材料を分析するためにステンレス製の金型を使用して開始しました。外科用メスは、複数の円筒状の試験試料（ 図2）を得、長いシリンダーから15ミリメートルの厚さにサンプルを切断するために使用しました。サンプル試料の優れた側に最も近い正常臓器の表面輪郭（スーペリアまたは上面）を特徴とするものでした。脳標本を切開したときに、例えば、脳の脳溝と脳回は上面を特徴とします。ここで注意が外科用メスで「不均一」に優れた表面を切開することにより得られた表面の平坦性を確保するために取られました。一般に、試料「厚さの変動は、平均サンプルの厚さの3％に来0.5mm未満でした。サンプルは、厚さの変動が3％未満であったように、均一な厚さを有すると仮定しました。 生体材料の調達は、1時間未満で完了し、すべてのSHPB試験は屠殺後4時間未満で行われました。
SHPB応力波データは、入射して伝送バーに取り付けられたひずみゲージの一連の記録されました。ここで説明するテスト·セットアップはtraditの代わりにポリマーバーを使用しますこれらとしてional金属棒は、より低いノイズフロア25を生成することが観察されています。 SHPB高分子バー「材料および寸法の詳細なリストは、前に生体材料を分析するには、表3に記載されている、SHPB装置を較正し、「ノーサンプル」の一連の実験を用いて検証しました。これらの実験は、事件の適切な機能と透過バーひずみゲージを確認し、金属ケーシング、歪みゲージ、またはDAQシステムによって導入されるノイズや干渉を評価するのに役立ちました。 SHPBは急速ストライカーバーを加速する空気圧式アクチュエータを介して、圧縮窒素を放出することによって機能しました。ストライカーバーはその後、事件バー、入射棒を伝搬し、この衝撃によって作成された圧縮応力波に影響を与えました。応力波が入射バーの端部に達したときに、関連付けられた運動エネルギーは、INCIで反射引張応力波として現れる部分で分割されました凹みバー、残りのエネルギーは、その後の培地に移し圧縮応力波として現れます。 「ノーサンプル」テストは、圧縮波が送信バーに事件から直接移動することができるしながら検体テストのセットアップでは、圧縮波が標本にして伝送バーに移動しました。ここに記録応力波は、入射バー、サンプル、および送信バー内の異なる圧力を生成して、これらの圧力はSHPB実験で観察された歪速度の範囲をシミュレートするための境界条件を務めました。
SHPB試験のFEモデルは、実験装置の検証と同様に、二段階を必要としました。装置自体のFEモデルは、すべての3つの高分子バーが2,391 MPaでのヤング率と0.36のポアソン比を有する弾性材料特性を割り当てされた「ノーサンプル」の場合（ 図6）のために較正しました。の<強い>図6は、負のz軸は、対応する圧縮応力を表すσ33と荷重の方向を示します。このキャリブレーションは、ポリマーバーは適切な材料特性を保有し、FEモデルのそのひずみゲージ測定値は「なしサンプル」の場合（ 図7）の結果と同等であったことを確実にしました。装置のFEモデルを検証した後、生体材料の試料を添加し、「サンプル」テストケースは、較正、検証、妥当性確認処理（ 図7）に供しました。我々のメッシュの要素サイズ（FEモデルの検証）の妥当性は、メッシュ収束アプローチを用いて試験しました。同じ形状のメッシュは、ますます小さい一連の要素で構成されました。メッシュは、4703 3111000への総要素の大きさの範囲でした。この収束の研究では、12,000以上の要素のメッシュは、このように表現する、同様の結果が得られたことを示しました収束の最小しきい値。この研究はまた、一般的に生体材料が示す複合材料の挙動を記述することが可能な材料モデル（MSU TP版1.1）を使用しました。ここで、材料モデルは、現在、脳9及び肝臓26の材料の応答を記述するために使用されている履歴効果と歪み速度依存性と共にアモルファス材料の粘弾性、粘塑性応答を捕捉します。弾性および非弾性応答は、表1にまとめた構成関係のセットを使用して特徴付けられた。これらの方程式は、モデルを表現し、定常に関連した動的または瞬時の材料応答、ならびに長期挙動に関連した短期的な挙動を調整することができ状態の材料の応答。モデルは、ISV各社の使用を通じて、生体材料の微細構造の変化に関連した履歴効果を含む機能を提供します。
FEモデルはセイました一連の工程を経て、ED（ 図9）。 SHPB実験データは、材料点シミュレータを用いISV構成モデルを較正するために使用されました。良好な一致が（ 図9）を確認したまで続いて、実験およびFEA歪みゲージデータは両方を調べました。次に、SHPB試験とFEシミュレーションから歪みゲージ測定は、（ 図10）を比較しました。相関はSHPBシステムおよびサンプルの機械的な応答から歪みゲージの測定値を決定する際に達成されました。これは、両方のSHPB実験とFEシミュレーションは、三次元応力状態をもたらしながら、キャリブレーション中に質点シミュレータは一次元応力状態が得られたことを指摘しなければなりません。変化する応力状態がσ33内の対応の違い（ 図10）を生成しました。 SHPB試験からのσ33は、FEサイマルからσ33を一致するまで、材料モデル定数を最適化しましたations。実験とFE歪みゲージの結果はMSU高速ソフトウェアを介して、実験とFEAひずみゲージデータを処理することによって得られた3次元応力状態とともに、よく一致した。ここまでは、最適化のプロセスを反復して行きました。さらに、反復最適化はまた、一次元質点シミュレータと一次元FEが中心σ33が良好に一致もあった検体ように行きました。
質点シミュレータによって得られた結果の一次元の真応力 - ひずみ挙動は、高歪み速度でSHPB試験を経て得られた生体材料の等価一軸真応力 - ひずみ応答を表します。要約すると、上述した方法は、FEシミュレーションツールを使用して一軸実験結果を抽出するための効果的な方法を与えます。 theoriに関する結合SHPB実験-FEシミュレーションも軽減曖昧さ応力 - ひずみ応答の多くは生体材料に固有であったことを示すことによって慣性効果のES。最後に、サンプルの幾何学的形状の変更（環状対円筒形）の効果は、運転、いわゆる慣性効果、否定で最小の効果を有することが観察された「初期スパイク」を、この方法論の使用は、ソフト生体材料に制限され、時間がかかります。また、ISVの材料モデルとSHPB実験とSHPB FEモデルの結合は複雑です。しかし、この方法の主な利点は、得られる材料定数とISVモデルは、多様な機械的損傷のシナリオをシミュレートするために使用することができることです。
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Disclosures
著者は、ここに本出版物に関連するすべての材料と利益の競合がないことを宣言します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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, 3,000 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, 3,600 psi | McMaster-Carr | 2 |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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. 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. , Oxford University Press. New York (NY). (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. , Wiley Press. (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, ASM International. 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). , Resort at Squaw Creek. Lake Tahoe, CA, USA. (2009).
