Summary
Данное исследование предписывает сочетании эксперимент-конечна методологию моделирования элемент для получения одноосное динамического механического отклика мягких биоматериалов (мозг, печень, сухожилия, жир и т.д.). Многоосной экспериментальные результаты, которые возникли из-за образца выпуклые получены из Сплит-Гопкинсона бар Давление тестирования были оказаны одноосного истинного поведения напряженно-деформированного когда моделируется через итерационного оптимизации конечного элементного анализа биоматериала.
Abstract
Это исследование предлагает комбинированный экспериментальных и конечных элементов (FE) подход моделирования для изучения механического поведения мягких биоматериалов (например, мозг, печень, сухожилия, жир и т.д.), когда подвергаются воздействию высоких скоростях деформации. Это исследование использовали Сплит-Hopkinson давление бар (SHPB) для создания деформации темпы 100-1,500 сек -1. SHPB использовали нападающего бар, состоящий из вязкоупругого материала (поликарбоната). Образец был получен биоматериала вскоре посмертных и подготовлены для тестирования SHPB. Образец помещен между инцидентом и передаваемых баров и пневматические компоненты SHPB были активированы для привода бар нападающего в сторону бара инцидента. В результате воздействия вызвали волну напряжения при сжатии (т.е. падающей волны), которые путешествовали через бар инцидента. Когда сжатие волна стресса достигли конца бара падающего, часть продолжала вперед через образец и передаются бар (I.e. прошедшая волна), а другая часть восстанавливается через баре инцидент как растяжение волны (т.е. отраженная волна). Эти волны были измерены с помощью тензорезисторы, установленные на инцидент и передаваемых баров. Истинный поведение напряжение-деформация образца определяется из уравнений на основе распространения волн и динамического равновесия сил. Экспериментальная ответ напряженно-деформированного был трехмерный характер, потому что образец вдавленный. Таким образом, гидростатическое давление (первый инвариант) был использован для создания ответа напряженно-деформированного. Для того, чтобы извлечь одноосной (одномерное) механическую реакцию ткани, итерационный сочетании оптимизация была проведена с использованием экспериментальных результатов и анализа методом конечных элементов (FEA), в котором содержится переменная (ISV) материала модель внутреннего государственного используемый для ткани. ISV модель материала используется в FE моделирования экспериментальной установки была многократно откалиброван (т.е. оптимизировано) с экспериментальными данными такого тхат эксперимента и ВЭД деформации ценностей Gage и первого инварианта напряжений были в хорошем согласии.
Introduction
Мотивация
Кардинал цель сочетании Сплит - Гопкинсона Давление Бар (SHPB) эксперимент / конечных элементов моделирования мягких биоматериалов (например, мозга, печени, сухожилия, жир и т.д.) было извлечь их одноосные механические поведения для дальнейшей реализации в человеческих тела FE моделирование под вредных механических нагрузок. Конечных элементов (FE) модель человеческого тела состоит из подробного человека сетки тела и истории зависимого многомасштабного вязкоупругого-вязко внутреннего государственного переменная (ISV) модели материала для различных органов человека. Это человек тело модели могут быть использованы для рамок для создания более высоких стандартов для защиты травмы, дизайн инновационный защитный механизм, и для того, чтобы пассажиров ориентированный автомобильного дизайна.
Два режима высокой скорости травмы были широко наблюдается в человеческой травмы: взрыва взрывчатого вещества и удара тупым. Повреждения Взрыв из взрывоопасной оружия является основным источником traumatiС травмы (ТИ) и ведущей причиной смерти на поле боя 1. При взрыве, эти взрывчатые вещества являются наружу ударную волну, распространяющуюся, который производит большие и резкие ускорения и деформации. Полученные нагрузки представляют серьезную угрозу для тех, кто подвергается. Хотя какая-то часть анатомии может быть ранен ударных волн, премьер проблемные области являются (1) нижних конечностей из-за своей близости к земле, и (2) главы, так как травмы могут препятствовать нормальной функции мозга и выживания 2 3. Эти повреждения могут быть классифицированы как первичных, вторичных или третичных травм в зависимости от типа травмы,. Поскольку сила взрывчатого вещества характеризуется веса и размера, расстояние зазора, продолжительность положительного импульса и среды, через которую он проходит, это может быть трудно адекватно классифицировать эти повреждения 3-6. Конгресс отчеты показывают, что военнослужащие пострадали почти 179 000 травматические повреждения в результате взрывнойвооружение и транспортных аварий в Ираке и Афганистане с 2000 по март 2010 года 2. В связи с природой и расположение современного боя, черепно-мозговые травмы являются ведущей проблемой как для военных и гражданских лиц 3.
Помимо боевых сценариев, Т. имеет различные причины, включая автомобильной травмы; родео, мотоциклов и отечественные происшествия; и спортивных травм. Например, несмотря на улучшения в безопасности оборудования и протоколов, механически индуцированной черепно-мозговая травма (ЧМТ) продолжает быть основным источником смертности и заболеваемости в течение всей жизни в США Центр по контролю и профилактике заболеваний (CDC) сообщает, примерно 1,4 млн TBi события каждый год, из которых около 50000 являются фатальными. Американский футбол в одиночку приходится более 300000 TBIs каждый 7 год. Оставшиеся в живых таких травм риску для долгосрочных неврологических осложнений, связанных с ощущением, познания и общения. В это время примерно5,3 млн американцев, живущих с этим хронических недостатков и нарушений. Прямые и косвенные затраты на медицинское обслуживание в США с 2000 по 2010 год составил $ 60 млрд 8. Тем не менее, эти цифры не учитывают в немедицинских затрат и потерь, или расходы, понесенные семьями и друзьями, поддерживающих пациентов с ЧМТ. За чисто экономического анализа, ЧМТ, вызванной инвалидности создает значительное снижение качества жизни, которые могут проявляться в виде значительным бременем на семьи и общества.
Необходимость дальнейшего понимания формирования, характеристика и предупреждение TI ясно. Биомеханические исследования основных механизмов, вызывающих Т. обеспечить понимание и возможность снижения воздействия или улучшения функции безопасности для тех, кто потенциальный риск для TI. Кроме того, более продвижение общего понимания образования TI может улучшить диагностические методы и критерии, предоставление медицинских специалистов, которые лечат TI с лучшими средствами улучшения результатовс и сохранение жизни.
Лучше знание механизмов травмы и лучшее понимание биомеханики развития травматизма, необходимые для разработки эффективных мер защиты для человеческого организма. Исторически сложилось так, моделирование, направленные на предсказывающих травм были затруднены вычислительных ограничений, а также верности анатомо и материальных моделей, используемых. Полный моделирование тела были сосредоточены на общих нагрузок на каждой части тела, но не наблюдается локальное напряжение, деформация, и повреждение в каждый орган, мышцы, кости и т.д.. Например, модели моментов плечо использовать размеры руку, нагрузки, и приложенного углом для поиска табличных значений, которые определяют или не конкретный сценарий является опасным. Расчет этой природы является полезным для быстрого оценкам, но не может захватить то, что происходит на местах из рук всю дорогу к плечу, особенно когда повреждение и травмы неразрывно местные. Во-вторых, ИП летimulations были использованы для захвата локальную реакцию. Ограничение в этих усилиях не было само по себе ВЭД, но материальные модели, которые определяют поведение каждого части тела под травмы взрыв нагрузок. Ранее используемые модели материала взяты из простых материалов и не пытался захватить множество сложных механических поведений биологических тканей. Таким образом, высококачественные модели вычислительные с ISV материальных моделей органов в организме человека представляют собой наиболее реалистичный путь, чтобы исследовать физику и биомеханику ТИС, для разработки инновационных защитное снаряжение, а также установить более высоких стандартов для показателей травматизма.
Фон на Сплит-Гопкинсона давление бар (SHPB) и внутреннее состояние переменной (ISV) Материал Модель
Из-за этических вопросов, связанных с тестированием в естественных условиях человеческих органов и технических вопросов, связанных с широкомасштабной человеческой трупной тестирования, Прев токаЛОР исследовательские усилия включает в себя механические эксперименты в пробирке, используя образцы, полученные из органов, извлеченных из суррогатов животных (например, свиньи, как наиболее часто используемых суррогат). Полимерные SHPB был предпочтительным методом для экстракорпорального тестирования мягких биоматериалов при высоких скоростях деформации. Соответствующие деформационные поведения от тестирования SHPB и информации повреждений, связанных с соответствующей ткани от микроструктурных особенностей ткани включены в наших независимых поставщиков материальных моделей органов механических описаниях 9-10. Эти материальные модели, то реализуется в нашей виртуальной модели человеческого тела, чтобы провести ВЭД различных травм. Этот процесс позволяет нам двигаться к цели точного прогнозирования физику и характер травмы для данного органа в соответствии с различными механическими условиях нагрузки (например, взрыв, вызванного, автокатастрофы и удара тупым) без необходимости дальнейшего физического эксперимента. Для того, чтобы точно описать тон Феноменологические механические свойства, в частности более высокую зависимость скорости деформации уровень, из биоматериалов, используемых в FE моделирования человеческого тела, SHPB Эксперименты проводились на биоматериалов, чтобы получить динамические механические ответов на скоростях деформации, относящихся к человеческому ТИ. Обзор установки SHPB в Центре перспективных автомобильных систем (CAVS), Миссисипи государственного университета (МГУ) представлена на рисунке 1.
Предыдущие исследования показали, что тестирование SHPB имеет три основные недостатки, связанные с ним 12-18. Первое и самое значительное из них материал инерционный эффект, который проявляется в высокой скорости деформации механической реакции образца биоматериала в качестве начального всплеска. Для того чтобы преодолеть эту проблему, предыдущие попытки исследования свидетельствуют изменения геометрии образца от цилиндрической формы и кубический или кольцевую форму. Полученные механические поведения таких исследований были различны сюдам друг от друга, потому что геометрия образца влияет на распространение волн, взаимодействие волн и механического ответ. Этот тип модификации геометрии образца привело к ошибочным представлениям механической реакции (многоосных и неравномерное напряженного состояния) биоматериала. Второй крупный недостаток был неспособность поддерживать динамическое равновесие силы во время теста. Исследователи преодолели эту проблему путем снижения коэффициента образец толщины к диаметру и / или замораживания ткани до тестирования. В то время как снижение соотношение толщина образца к диаметру рассмотрен вопрос динамического равновесия сил, замораживание ткани осложняется процедура тестирования, когда он изменился свойства материала из-за кристаллизации воды, присутствующей в ткани. Ряд исследований полностью отказался от SHPB, чтобы избежать выше недостатки и используется ударные трубы, чтобы получить ответ давление времени в различных животных моделях (крысы, свиньи и т.д.). Тем не менее, этиМодели IMAL не дают одномерные одноосные поведения напряженно-деформированного необходимые для моделей материалов, используемых в моделировании FE. Третьим недостатком было провал SHPB дать одномерные результаты напряженно-деформированного из-за образца катился из-за материальной мягкости и сумму содержания воды в образце.
Следовательно, SHPB представляет жизнеспособную тестирования аппарат заручиться данных высокого скорости деформации. Для мягких материалов, однако, вызывает вздутие SHPB, который производит трехмерное состояние стресса, главным образом, от гидростатического давления, пока данные одномерное напряжение-деформация желательно. Здесь мы показываем, как можно по-прежнему использовать SHPB собрать одномерный одноосной кривой верно напряженно-деформированного для калибровки модели материала; Однако, процесс, связанный с получением одноосное истинную кривую напряжение-деформация является сложным. Этот процесс включает в себя как мульти-осевые экспериментальные данные и результаты моделирования FE с, и это требует итеративного калибровки отмодели материала константы. Одномерная реализация ISV модели материала в MATLAB, также известный как материальной точки симулятор, требуется одномерные экспериментальные данные для калибровки. Так, модель независимых поставщиков материалов была оптимизирована с помощью систематического процесса калибровки. Здесь экспериментальные данные SHPB испытаний был рассмотрен в контексте разработки волновой теории и динамического равновесия сил (МГУ Высокая скорость программного обеспечения). Для того, чтобы учесть вязкоупругой дисперсии полимерной SHPB, вязкоупругих дисперсионных уравнений, как сообщает Чжао и др. (2007), были реализованы в МГУ Rate Software Верховного. Дисперсионные уравнения вязкоупругих помог в обеспечении динамичного равновесия сил во время тестирования. Одномерное материальная точка симулятор доводят в контексте пару эксперимент-FE методологии моделирования, пока два процесса не считались надлежащим совместимы, то есть, данные и были в хорошем согласии. Эти данные былииспользуется для настройки ISV модель материальные константы, сравнивая (одномерное) механическую реакцию отклика материала симулятора Matlab и модель SHPB Фе (одномерных) образца осевой нагрузки. Вот образец компонент стресс модели FE был по волновому погрузки направление. Тогда трехмерное поведение модели образца FE был откалиброван многократно выполняя FE моделирования и корректировки ISV константы так, что объем усредненной погрузки направление стресса хорошо коррелирует с экспериментальной истинного ответа напряженно-деформированного. Таким образом, было проведено процесс итеративного оптимизации между экспериментальными данными, результатами FE и одномерной ISV модели материала. Таблица 1 дает сводку переменных ISV модели материала (МГУ ТП Ver. 1.1) 11.
Важнейшим элементом этой методики является получение одномерный механическую реакцию биоматериала и его параметры материаладля модели материала ISV, который обходит вопросы SHPB тестирования стресс-государственного неравномерности. Он также выделяет начальную нелинейный отклик биоматериала, вытекающие из инерционных эффектов и оказывает механическое ответ, который присущ материала. В сочетании методика также показали, что изменение геометрии образца полностью меняет краевой задаче (BVP) и направление нагрузки истинное напряжение-деформация образца. Таким образом, указанное выше методика может быть использована с любым материалом модели (феноменологической или микроструктурного основе) для калибровки, а затем имитации высокой скорости деформации поведение органов человека под вредных механических нагрузок.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
О себе этика:: Примечание текущая работа является уникальной исследовательской политики учреждения, и строго следует соответствующий био-безопасности и Управления по регулированию Compliance (ORC) руководящих принципов.
1. биоматериала образцов закупок
- Средства индивидуальной защиты в соответствии со стандартными протоколами биобезопасности лаборатории и / или учреждения. Носите закрытые носком туфли, длинные штаны, халат, хирургические перчатки, защитную маску и защитные очки при работе свиной ткани и тестирование.
- Получить свиной ткани (голова, живот, или заднюю ногу) здоровых свиней из местного бойне в 1-2 ч после вскрытия.
- Храните свиной ткани в мешках биологической безопасности, а затем поместить их в ледяной контейнер (~ 5.56-7.22 ° C).
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте термометр, чтобы проверить, что температура в свиных образца не ниже 7.22 ° С. - Транспорт свиной ткани до ближайшей лаборатории(В колледже ветеринарной медицины в Университета штата Миссисипи) для вскрытия.
- Под наблюдением ветеринара в колледже ветеринарной медицины, хирургическим извлечь орган свиньи (мозг, печень, мышцы, жир, сухожилия или) и поместите их в контейнеры, наполненные фосфатным буферным раствором (PBS) для временного хранения (рН 7,4).
- Хранить контейнеры в PBS ледяной кулер (~ 5.56-7.22 ° C) и сразу же транспортировать их в испытательной лаборатории для пробоподготовки и тестирования SHPB.
2. Подготовка образцов биоматериала
- Удалить орган свиньи из контейнера PBS и поместить его на стерильную поверхность.
- ПРИМЕЧАНИЕ: Определить основную ориентацию волокон и места для каждого испытуемого образца. Используйте цилиндрический умереть с внутренним диаметром 30 мм, чтобы рассекать тестовый образец от органа свиного.
- Если испытуемый образец зажатый внутри цилиндрического штампа, вводят PBS через противоположном конце диссекцииинструмент, позволяющий тестовый образец выскользнуть нетронутыми. Извлеченные тестовый образец на отдельном участке стерильной поверхности.
- Используйте скальпель, чтобы обрезать образец в установленном соотношении толщины и аспект.
Примечание: Для SHPB испытания образцов свиньи, толщина 10-15 мм, а соотношение сторон (толщина / диаметр) является 0.33-0.50 (рисунок 2). - Использование суппорты для измерения толщины и диаметра в трех разных местах.
- Храните все тестовые образцы на свежем PBS до устройства SHPB не готова к тестированию.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что образцы тестируются в 4 ч после убоя. - Отменить образцы, которые не цилиндрической вследствие ошибки или разреза вариации в поперечном сечении. Поместите сброшенные образцы в мешках биологической безопасности. Повторите шаги 2.2-2.6, чтобы получить дополнительные тестовые образцы.
3. Сплит-Гопкинсона Бар Давление испытания
- Поместите нападающий бар, падающий бар и бар, переданного в мЭтал стойки для тестирования SHPB.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что бары свободное перемещение на ощупь, и что их интерфейсы совмещены друг с другом. Обеспечить пробку для передаваемого бар для безопасности. - Подключите тензорезисторы, прилипшие к инциденту и передаются бары с усилителем сигнала. Включите кондиционирования усилителей сигналов и модуль сбора данных компьютера.
- Инициализация высокоскоростной сбор данных программного обеспечения.
- Убедитесь, живой захват сигналов, чтобы увидеть, если они лежат в пределах нормального диапазона, и свести на нет шумовых сигналов, нажав на значок нулевой.
- Входной уровень триггера и скорость передачи данных (2 МГц).
- Инициализировать программное обеспечение для записи после того, как пороговый уровень был достигнут.
- Загрузите нападающий бар, примыкающий к камере давления. Заполните камеру давления до требуемого давления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Типичный диапазон давления 5-25 кПа. - Ноль из скорости лазерного измерителя, нажав кнопку нуля и установить его для чтения форвард баг скорость, установив полосу отражатель на панели нападающего за лазерных датчиков.
- Поместите образец удержания камеры таким образом, что она не мешает движению падающего и отраженного бар. Поместите бар инцидент в контакте с передаваемой строке.
- Для целей калибровки, запустить тест (без образца), включив переключатель запуска для камеры давления на панели нападающего.
- После того, как данные приобрели в компьютере, сохранять и анализировать данные манометра деформации SHPB (которые рассматриваются в следующем разделе), чтобы убедиться, что процедура тестирования функционирует правильно.
- Поместите цилиндрический образец между падающей и прошедшей бар, а затем закрыть образец удержания камеры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что никакой предварительной кондиционирование осуществляется на образце. - Выполнение задач 3,4-3,7 с образцом, помещенным между падающей и прошедшей бар.
Примечание: Убедитесь, что образец осевой такой же, как штрих-осевой. Перед proceediнг, а также проверить, что выборка не является сжатым, но остается в той же геометрии, как ранее извлечены. - После завершения тестирования, использовать одноразовые гигиенические салфетки, чтобы удалить образец мусора из падающего бар, передаваемого бар, и образца удержания камеры. Утилизировать всех мусора и салфетки в биологически опасных подушками безопасности.
- Санируйте Бары и образец удержания камеры с помощью 70% раствора этанола и очистки гигиенические салфетки.
4. SHPB данных Последующая обработка
- Откройте "МГУ высокий уровень программного обеспечения 19" для анализа Гопкинсона Бар волн.
- Начните с изучения программного обеспечения окно настроек и выбора "Напряжение сжатия /" опцию в закладке Режим для одноосного тестирования. Кроме того, выберите "2 датчиков" в разделе датчиков и нажмите "Продолжить".
- В главном окне выберите Открыть файл 1 Tab, и перейти к данным падающей волны от тензодатчика записи на incideNT-бар. Выберите Открыть файл 2 Tab для импорта передается бар тензометрического датчика запись.
- Выберите Параметры Tab в главном окне и введите физические параметры тестовой в том числе: бар размеров, напряжения напрягать факторы, тензодатчик позиции, и вязкоупругой дисперсии константы. Нажмите кнопку "Продолжить".
- Затем выберите вкладку Выбор данных в главном окне и использовать баров курсора, чтобы уменьшить набор данных только от объема данных, содержащих инцидент, отражается и передается волны. Нажмите кнопку "Продолжить".
- Затем выберите Select Волны Tab в главном окне и использовать баров курсора ограничиться падающую волну в падающей волне графика, отраженной волны в отраженную волну графика, и прошедшей волны в прошедшей волне Graph. Нажмите кнопку "Продолжить".
- После этого, выбрать правильный Tab в главном окне, чтобы программное обеспечение для коррекции вязкоупругой дисперсии 20-21.
- Нетж выберите Shift, Tab в главном окне. В Wave графика, с помощью курсора перетащите падающую, отраженную и передаются волны той же начальной позиции в момент, выбрав каждый из них в отдельности в Wave Select Tab. Просмотреть все волны на графике данных. После завершения нажмите "Продолжить".
- В файле результатов, сохранить груз, перемещение, положение и скорость, профили, нажав "Сохранить как".
- Используйте обычные методы в Microsoft Excel (или любого другого программного обеспечения электронных таблиц), чтобы рассчитать истинную стресс и напряжение истинное используя размеров образца, измеренных до испытания Гопкинсона адвокатов.
Моделирование 5. SHPB конечных элементов
- Использование коммерческого конечных элементов (FE) программное обеспечение, создать модель FE в установке SHPB.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте те же геометрии и свойств материала. - Связать начальную скорость в FE модели баре нападающего инициализации моделирование FE.
ПРИМЕЧАНИЕ: скоростьбойка бар должен соответствовать тому, что в эксперименте SHPB для определенной скорости деформации 9. - Создание модели FE в установке SHPB без образца, помещенного между инцидентом и передаваемых баров. Запустите моделирование FE.
ПРИМЕЧАНИЕ: имитация скорость нападающий бар должен соответствовать экспериментальной скорости нападающий бар под "не-образец» состоянии. Связать материальные свойства, приведенные в таблице 1 для полимерных стержней. - Проверьте, если измерения тензометрические (пятно) в зависимости от времени в эксперименте и FE моделирования находятся в хорошем согласии.
- Включение биоматериала образец в FE модели установки SHPB. Связать трехмерную реализацию (в формате файла vumat 22) модели ISV материала к биоматериала образца 11.
- Выполните измельчении сетки исследование, используя три различных размеров сетки, а затем проанализировать результаты, чтобы определить, если решения сходятся.
ПРИМЕЧАНИЕ: сеткаРазмер соответствует общему числу шестигранные и / или тетраэдрических элементов, составляющих модель FE. Выберите модель FE с низкой размером ячейки, который сходится после дальнейшего моделирования 9. - Провести двухступенчатый FE калибровки модели. На первом этапе, загружать экспериментальные данные в одномерный реализации модели ISV материала.
- Калибровка истинное напряжение-пятно кривой эксперимента с истинной кривой напряженно-деформированного модели путем регулировать параметры ISV модели материала в (см таблицу 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Дальнейшие итерации необходимы, потому что экспериментальные данные SHPB трехмерное в природе, а модель материал является одномерным. - Назначьте ISV материальные константы биоматериала образца в FE модели установки SHPB.
- Запустите моделирование FE с скорость нападающий бар и скорости деформации образца деформация, соответствующая SHPB испытаний с той же скоростью деформации.
- CompaRe измерений тензометрических из эксперимента и моделирования для FE хорошем согласии (штамм от времени).
ПРИМЕЧАНИЕ: Если имеется хорошее согласие между моделирования FE и ценностей Gage деформации эксперимент, перейдите ко второму шагу процесса калибровки модели. Если нет, повторите задачи 5.7-5.11. - На втором этапе калибровки модели FE, запустите штамм моделирования SHPB залог данных ИП экспериментировать программное обеспечение пост-обработки, МГУ Высокая скорость программное обеспечение 19-21.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если моделируется правда ответ напряженно-деформированного сравнивается с экспериментальной истинного ответа напряженно-деформированного, то два шага FE калибровки модели была завершена. Если нет, повторите задачи 5.7-5.12. - Выполните средний объем погрузки направление (Σ 33) напряжений вдоль осевой элементов модельного образца FE.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если это напряжение находится в хорошем согласии с напряженно-деформированного кривой одномерного ISV результате модели материала, то полученные результаты через задачи 5.7-5,12 Полностью откалиброван. Если нет, повторите задачи 5.7-5.13. Правда ответ напряженно-деформированного захватили через одномерной реализации модели ISV материала представляет собой одноосный истинную реакцию напряженно-деформированного из биоматериала, который был испытан в установке SHPB.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Эффективность сочетании методологии иллюстрируется на рисунке 3. Здесь SHPB экспериментальная ответ напряженно-деформированного для мозга находится на более низком состоянии стресса (с пиковой напряжения 0,32 МПа) по сравнению с напряженного состояния одномерного материала точка симулятор (с пикового значения 0,74 МПа), которая сродни образца центральной линии FE (элемент) в среднем. Это связано с характером деформации, что мягкие биоматериалы проявляют. Поскольку скорости деформации высока, а скорость волны и сила биоматериала низкий, инерционный и стресс распространения волны в требовании материала неравномерной деформации. Это явление является наибольшей на краях образца и менее в центре. Поскольку образцы представляют собой цилиндры, в центре образца не может вытеснить неоднородное радиальное расширение в отличие от краев. Таким образом, по истечении определенного промежутка времени, то образец осевой может быть тесно сближены, как одноосное.
ЛОР "> Из-за наблюдения образца, обладающего осевой деформации одноосного после некоторого начального« кольцо-до "времени, ВЭД затем могут быть использованы для извлечения центральной данные, которые не представляется возможным для экспериментальной установки для захвата. Здесь" кольцо посуды "время TimeSpan на начальном этапе теста SHPB, когда достигается Напряженно-деформированное состояние равновесия. Для этого, виртуальные датчики деформации ВЭД сравниваются с экспериментальными тензорезисторов, и материальные константы разнообразны, пока хорошее согласие не достиг. В таблице 2 приведены типичные материальные константы для мозга, полученного через сочетании методологии моделирования SHPB эксперимент-FE. Кроме того, на рисунке 4 показывает, что экспериментальная кривая истинное напряжение-деформация SHPB самом деле измеряет первую инвариант стресса, нежели одноосной нагрузки -направлении поведение напряженно-деформированное. В то время как большинство других исследований 12-18 просто представить экспериментальные результаты, рис3 показывает, что такое представление о механической реакции биоматериала бы недооценивать одноосную ответ, который имеет отношение к FE имитационное моделирование реальных краевых задач (КЗ). Следовательно, использование экспериментального результата SHPB уже было бы ошибочным, если оно не связаны с моделированием FE-типа для оценки одноосной поведения.
Рисунок 1:. Обзор индивидуальных полимер Сплит-Гопкинсона давление бар (SHPB) используется для тестирования образцы мозга свиньи Эта цифра была изменена с Прабху др, 2011 9..
Рисунок 2: извлечение пробы из свежего (<3 ч вскрытии) от (а) головного мозга свиньи, и(Б) извлечение образца с использованием внутренний диаметр 30 мм умереть в верхней неполноценными направлении. Эта цифра была изменена с Прабху др., 2011 9.
Рисунок 3:. Сравнение Σ 33 для эксперимента, MATLAB Место Регулярное (точка симулятор материал), ИП образца средние данные и меры FE процедить через DAVID вязкоупругих при 750 сек -1 Полосы ошибок в экспериментальной инцидента / отраженных волн представлены неопределенности. Эта цифра была изменена с Прабху др., 2011 9.
Рисунок 4: Земельные конечных элементов (FE) моделирования Σ Σ Мизеса, 11, 22 Σ,31; 33, 12 Σ, Σ 23, давление (первый инвариант стресс) и Σ 13 и эксперимент в процессе деформации для цилиндрического образца, на 750 с -1. Здесь сжимающие напряжения являются отрицательными. Эта цифра была изменена с Прабху др., 2011 9.
Рисунок 5:. Схема полимерного Сплит-Гопкинсона Давление Бар (SHPB) установки Эта цифра была изменена с Прабху др, 2011 9..
Рисунок 6: Схема (а) экспериментальной установки для испытаний и SHPB (б) ИП модели моделирования наряду с (С) крупным планом падающего, отраженного барИнтерфейс. Эта модель моделирования FE была выполнена без каких-либо образца. ИП модель коэффициентов затухания α R β и R для моделирования были сохранены в 3,0 и 1,2.
Рисунок 7:. Сравнение эксперимента и конечных элементов (FE) моделирования Σ 33 для сжатия образца свиного мозга, в 6,5 мс -1 Симуляция σ 33 были рассчитаны по почте обработки измерений деформации от FE моделирования через МГУ программного обеспечения высокого скорости деформации.
Рисунок 8: Схема (а) конечных элементов (FE), установленного на Сплит-Гопкинсона Давление бар (SHPB) испытаний, (б) размеров образца Симуляция,с образцом, и (в) Обзор установки SHPB с образцом. ИП модель коэффициентов затухания α R β и R для моделирования были сохранены в 3,0 и 1,2. Эта цифра была изменена с Прабху др., 2011 9.
Рисунок 9: Схема два раза корреляции истинных ответов напряженно-деформированного мягких-биологических материалов для SHPB эксперимента и моделирования FE.
Рисунок 10. () Сравнение падающего и отраженного измерения деформации в Сплит-Гопкинсона давление бар (SHPB), для эксперимента и элементного анализа конечных (FEA), и (б) SHPB эксперимента и FINITе элемент (СЭ) моделирование Σ 33 для сжатия головного мозга свиньи образца при 750 сек -1. Симуляция Σ 33 были рассчитаны по почте обработки измерений деформации от FE моделирования с помощью программного обеспечения Дэвид вязкоупругих. Полосы ошибок в экспериментальной инцидента / отраженные волны представлена неопределенность. Эта цифра была изменена с Прабху др., 2011 9.
Таблица 1:. Резюме переменных и уравнений модели для МГУ ТП 1.1 Эта таблица была изменена с Прабху др, 2011 9 и Бувар и др, 2010 11...
| Модель Константы | Ценности |
| μ (МПа) | 25.00 |
| К (МПа) | 12492,00 |
| γ VO (с -1) | 100000.00 |
| м | 1.00 |
| У о (МПа) | 8.20 |
| α р | 0 |
| λ L | 5.00 |
| μ R | 0,05 |
| R S1 | 1.40 |
| Н о | 47.21 |
| Икс о 1 | 0,75 |
| х * СБ | 0.01 |
| х * о | 1.20 |
| идти | 0,30 |
| С κ 1 (МПа) | 0,40 |
| ч 1 | 0 |
| е о с2 | 0 |
| е сидел s2 | 0,40 |
| С κ 2 (МПа) | 0 |
Таблица 2: Значенияматериальных констант материала мозга с использованием МГУ TP 1.1 Вязкопластичность модель. Эта таблица была изменена с Прабху др., 2011 9.
| Нападающий Бар | Инцидент бар | Передано Бар | |
| Материал | 1-1 / 2 "Поликарбонат (PC) стержень * | 1-1 / 2 "Поликарбонат (PC) стержень * | 1-1 / 2 "Поликарбонат (PC) стержень * |
| Плотность (кг / м 3) | 1.220 × 10 3 | 1.220 × 10 3 | 1.220 × 10 3 |
| Диаметр (м) | 1.285 × 10 -3 | 3.810 × 10 -2 | 3.810 × 10 -3 |
| Длина (м) 7,620 × 10 -1 | 2.438 | 1.219 |
* МакМастер Карр-ТМ 1-1 / 2 "стержень (МакМастер Карр-ТМ, Чикаго, Иллинойс, США).
Таблица 3:. Размеры и свойства материала полимерных стержней, используемых в Сплит-Гопкинсона давление бар (SHPB) установки Эта таблица была изменена с Прабху др, 2011 9..
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Сообщил, что методология пары эксперимент SHPB и ИП моделирование SHPB предлагает новый и уникальный метод для оценки одноосную истинную реакцию напряженно-деформированного из биоматериала при высоких скоростях деформации. Для того, чтобы закупать механические свойства, присущие родной ткани, необходимо позаботиться, чтобы сохранить образец биоматериала между 5.56-7.22 ° C до тестирования SHPB. Если образец охлаждают до температуры ниже 5,56 ° С, вода присутствует в ткани начинает кристаллизоваться в лед, а затем изменяет механические свойства ткани в. В то время как другие исследователи 15-18 заморозили образец для сохранения целей от механических деградации, результаты, полученные его от SHPB выходом тестирования значительно отличаются механических реакций. Кроме того, доклад Ван Ee и Майерс 23 показали, что мягкие биоматериалы проверенные в течение 5 часов после смерти дал лучшие результаты эксперимента. Кроме того, решение PBS, была выбрана, чтобы струды биоматериала образцы и пробы цилиндрические, потому что его осмолярность и концентрацию ионов похожи на биологических жидкостях 9.
Основываясь на работе Грея и Блюменталь 24 в Руководстве ASM на высоковольтных испытаний скорости деформации мягких материалов, оптимального соотношения образец аспект, или отношение толщины образца к диаметру, был полон решимости быть 0,5 или меньше, в зависимости от типа биоматериала существа испытания (свиной мозг, печень, сухожилия или жира). Серый и Блюменталь 24 наблюдается в своем исследовании, что образцы с соотношением больше, чем 0,5 не учитывают динамическое равновесие силы во время теста SHPB. Добыча Образец начал с помощью штампа из нержавеющей стали рассекать биоматериал в верхней неполноценными направлении, чтобы создать длинную цилиндрическую часть биоматериала. Хирургическое скальпель затем был использован, чтобы сократить толщиной 15 мм образцы из длинного цилиндра, уступая несколько цилиндрических образцов тестовых (рисунок 2). Образецближе к верхней стороне образца, что обычно характеризуется контура поверхности органа в (выше или верхнюю поверхность). Например, когда образец мозга иссекают борозд мозга и извилины характеризуются верхнюю поверхность. Здесь были приняты меры для обеспечения плоскостности поверхности, который был получен путем рассечением "неравномерное" превосходное поверхность с хирургическим скальпелем. В целом, колебания толщины образцов "были меньше, чем 0,5 мм, которое было до 3% от средней толщины образца. Образцы предполагается иметь равномерную толщину, как изменение толщины было меньше, чем 3%. Заготовка биоматериалов было завершено в соответствии с 1 часа, и все тесты SHPB проводили в соответствии с 4-х часов, после жертву.
Данные напряжение-волны SHPB был записан с помощью ряда тензодатчиков, прикрепленных к падающего и прошедшего бар. Испытательная установка описана здесь используется полимерные бары вместо этого традицРациональная металлические прутья, как они были обнаружены, чтобы произвести низкую шума 25. Подробный список материалов и размеров SHPB полимерных Бары »приведены в таблице 3. До анализа биоматериала, SHPB аппарат был откалиброван и проверяется с помощью серии" нет-образец »экспериментов. Эти эксперименты служил для проверки надлежащего функционирования падающего и прошедшего тензорезисторы бар и оценить любой шум или помехи, вносимые металлических кожухов, тензорезисторов, или системы сбора данных. SHPB функционировал, выпуская сжатый азот через пневматическим приводом быстро ускорить бар нападающего. Затем нападающий бар влияние падающий бар, и сжатие волну напряжения, созданного этим воздействием, распространяющейся через бар инцидента. Когда волна напряжения достигнут конец строки падающего, связанные кинетическая энергия была разделена с частью проявляется в отраженном растяжение волны напряжения в косметических,вмятина бар, и оставшаяся энергия проявляется как сжатие волны напряжения передается на последующие СМИ. В тестовой образец, волны сжатия путешествовал в образце, а затем в проходящем баре "нет-образец" тест позволил волна сжатия, чтобы перейти непосредственно из инцидента с переданным бар. Стресс волн, зарегистрированных здесь производится различные давления в пределах падающего бар, образца и передается бар, и эти давления подается в качестве граничных условий для моделирования диапазон скоростей деформаций, наблюдаемых в экспериментах SHPB.
FE моделирование SHPB испытаний требуется две стадии, аналогично к экспериментальной проверке аппаратуры. ИП модель самого аппарата был откалиброван для "без образца" случае (рис 6), в котором все три полимерные бары были назначены упругие свойства материала с модулем Юнга 2391 МПа и коэффициент Пуассона 0,36. В <сильный> Рисунок 6, отрицательный Z-ось обозначает направление нагрузки с σ 33, обозначающего соответствующую сжимающей нагрузки. Эта калибровка заверил, что полимерные бары обладал подходящие свойства материала и что измерения тензометрические в модели FE были сопоставимы с результатами, полученными в "не-образец" случае (Рисунок 7). После был утвержден ИП модель аппарата, добавляют биоматериал пробы и тест "Образец" дело подвергается калибровке, проверке и процесса валидации (рис 7). Целесообразность размера элемента в нашей сетке (ИП модель проверки) был протестирован с использованием сетки конвергенции подход. Сетки одной и той же геометрии были построены с серией более мелких элементов; меши колебалась в размере от 4703 до 3111000 общем объеме элементов. Это сближение исследование показало, что сетки 12000 элементов или более при условии, аналогичные результаты, таким образом, представляяМинимальный порог сходимости. Это исследование также использовали модель материала (МГУ ТП Вер. 1.1), способный описания сложных материальных поведений биоматериалов в целом. Здесь модель материала захватывает вязкоупругих-вязкопластическое ответов аморфных материалов наряду с истории эффектов и скорости деформации зависимость, которая в настоящее время используется для описания материальных ответов мозга и печени 9 26. Эластичные и неэластичные ответы были охарактеризованы с помощью набора определяющих отношений приведены в таблице 1. Эти уравнения позволили модель, чтобы выразить и согласовать краткосрочное поведение, связанное с динамическим или мгновенной реакции материала, а также долгосрочного поведения, связанного с стационарный государственные материальные ответы. Модель также предоставляет возможность включить эффекты истории, связанные с изменениями в микроструктуре биоматериала на основе использования независимых поставщиков.
Модель FE был Калибрред через серию шагов (фиг.9). SHPB экспериментальные данные были использованы для калибровки учредительный модель ISV, используя материальную точку симулятор. Затем, экспериментальные и ВЭД данных тензометрические оба были рассмотрены до хорошее согласие не было подтверждено (рисунок 9). Далее, измерения тензометрические из SHPB испытаний и моделирования FE сравнивают (рисунок 10). Корреляции были достигнуты в определении измерений тензодатчик из системы SHPB и механической реакции образца. Следует отметить, что во время калибровки точка симулятор материал дали одномерный состояние стресса, а оба SHPB эксперименты и моделирование FE дали трехмерное состояние стресса. Различная напряженные состояния производится соответствующие различия в σ 33 (рисунок 10). Материальные модели константы не были оптимизированы до σ 33 от SHPB испытаний соответствовала σ 33 от FE сеанса одновременной игрыations. Здесь процесс оптимизации проводили многократно, пока экспериментальные и FE результаты тензометрические не были в хорошем согласии вместе с трехмерными стрессовых состояний, полученных путем обработки экспериментальных данных и ВЭД тензодатчик с помощью программного обеспечения МГУ высокой скоростью. Кроме того, итеративный оптимизация проводилась также такие, что одномерная симулятор материальная точка и одномерная ИП образца осевая σ 33 были также в хорошем согласии.
Полученную одномерное верно поведение напряжение-деформация получены через точку тренажера материала, то представляет собой эквивалентную одноосное истинную реакцию напряжением и деформацией для биоматериала, полученного посредством SHPB испытаний при высоких скоростях деформации. Таким образом, упомянутые выше методика дает эффективный способ извлечения одноосное экспериментальным результатам, полученным с помощью инструмента моделирования FE. В сочетании моделирование SHPB эксперимент-FE также смягчены неясности, касающиеся THEORIES на инерционных эффектов, показывая, что большая часть ответа напряженно-деформированного был присущ биоматериала. Наконец, эффекты модификации геометрии образца (по сравнению с цилиндрическими кольцевыми) наблюдались имеют минимальный эффект в отрицание так называемого инерционного эффекта, который вел "первоначальный выброс." Использование этой методики ограничена мягких биоматериалов и занимает много времени. Кроме того, муфта эксперимента SHPB и SHPB FE модели с ISV модели материала является сложным. Тем не менее, основное преимущество этой методики в том, что полученный в результате материал константы и модель ISV могут быть использованы для моделирования различных сценариев механических повреждений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляем, что не существует никакого конфликта интересов со всеми материала, связанного с данной публикации.
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).
