Summary
الدراسة الحالية تنص منهجية محاكاة عنصر التجربة محدودة بالإضافة إلى الحصول على استجابة الميكانيكية الحيوية ذو محورين من المواد الحيوية لينة (الدماغ والكبد ووتر، والدهون، وما إلى ذلك). النتائج التجريبية عديد المحاور التي نشأت بسبب العينة انتفاخ الحصول عليها من انقسام هوبكنسون اختبار الضغط بار تحولوا إلى صحيح سلوك الإجهاد والانفعال ذو محورين عندما محاكاة من خلال التحسين تكرارية من تحليل عنصر محدود من مادة بيولوجية.
Abstract
تقدم هذه الدراسة مجتمعة عنصر تجريبي ومحدود (FE) نهج المحاكاة لدراسة السلوك الميكانيكي للمواد حيوية لينة (مثل المخ والكبد ووتر، والدهون، وما إلى ذلك) عند التعرض لمعدلات عالية الضغط. استخدمت هذه الدراسة سبليت هوبكنسون الضغط بار (SHPB) لتوليد معدلات سلالة من 100-1،500 ثانية -1. وSHPB العاملين بار المهاجم تتألف من المواد اللزجة (البولي). تم الحصول على عينة من مادة بيولوجية قريبا بعد الوفاة وإعداد لاختبار SHPB. وموسط العينة بين الحادث والحانات التي تنتقل عن طريق، وتم تنشيط المكونات الهوائية من SHPB لدفع شريط المهاجم نحو شريط الحادث. الأثر الناتج لدت موجة التوتر الضغط (أي موجة الحادث) الذي سافر من خلال شريط الحادث. عندما وصلت موجة التوتر الضغط نهاية شريط الحادث، واصل جزء إلى الأمام من خلال العينة ونقلها شريط (ط.e. موجة المنقولة)، في حين عكس جزء آخر من خلال شريط الحادث موجة الشد (أي انعكست موجة). تم قياس هذه الموجات باستخدام أجهزة قياس الضغط التي شنت على الحادث والحانات المرسلة. تم تحديد السلوك الإجهاد والانفعال الحقيقي للعينة من المعادلات القائمة على انتشار الموجات وتوازن القوة الحيوية. كانت تجريبية استجابة الإجهاد والانفعال ثلاثية الأبعاد في الطبيعة، لأن العينة انتفخ. على هذا النحو، وقد استخدم الضغط الهيدروستاتيكي (ثابتة أولا) لتوليد استجابة الإجهاد والانفعال. من أجل استخراج ذو محورين (ذات البعد الواحد) استجابة الميكانيكية للأنسجة، تم إجراء أمثلية إلى جانب متكررة باستخدام النتائج التجريبية وتحليل العناصر المحدودة (FEA)، الذي يتضمن نموذج متغير (ISV) المواد الدولة الداخلية المستخدمة في الأنسجة. نموذج المواد ISV المستخدمة في عمليات المحاكاة FE من الإعداد التجريبية ومعايرة تكرارا (أي الأمثل) للبيانات التجريبية من هذا القبيل ثاتي التجربة والهيئة الاتحادية للبيئة القيم سبر سلالة وثابتة الأول من الضغوط كانت في اتفاق جيد.
Introduction
حافز
كان هوبكنسون الضغط بار (SHPB) التجربة / النمذجة عنصر محدود من المواد الحيوية لينة (مثل المخ والكبد ووتر، والدهون، الخ) لاستخراج السلوكيات الميكانيكية ذو محورين من أجل مواصلة تنفيذ في جسم الإنسان FE - الهدف الأساسي لتقسيم جانب المحاكاة تحت الأحمال الميكانيكية الضارة. يتكون جسم الإنسان عنصر محدود (FE) نموذج لشبكة الجسم البشري مفصلة والتاريخ تعتمد متعددة النطاقات اللزجة-viscoplastic الدولة الداخلية النموذج المتغير (ISV) المواد لمختلف الأعضاء البشرية. هذا نموذج جسم الإنسان يمكن أن تستخدم لوضع إطار لبناء معايير أفضل لحماية الاصابة، لتصميم واقية مبتكرة، وتمكين المحتل تصميم المركبات في المقام الأول.
وقد لوحظ على نطاق واسع وضعين من ارتفاع معدل الإصابة في مجال الصدمات النفسية البشرية: انفجار ناسفة وتأثير حادة. أضرار ناجمة عن انفجار من الأسلحة المتفجرة هو المصدر الرئيسي للtraumatiإصابة ج (TI)، والسبب الرئيسي للوفاة في ساحة المعركة 1. عندما انفجرت، هذه المتفجرات تشكل نشر الخارج موجة الصدمة التي تنتج تسارع كبيرة ومفاجئة والتشوهات. الأحمال الناتجة تشكل تهديدات خطيرة لهؤلاء المعرضين. على الرغم من أن أي جزء من التشريح يمكن أصيب موجات الصدمة، والمناطق الرئيسية التي تهم هي: (1) الأطراف السفلية نتيجة لقربها من الأرض، و (2) الرأس منذ إصابات يمكن أن تمنع وظيفة المخ المعتادة والبقاء على قيد الحياة 2 (3). ويمكن تصنيف هذه الإصابات كما إصابات الابتدائي والثانوي، أو التعليم العالي اعتمادا على نوع من إصابة لحقت به. لأنه يتميز قوة متفجرة بوزنه أو حجم، وبعد المسافة المواجهة، مدة النبضة إيجابية، والوسيلة التي يسافر، يمكن أن يكون من الصعب تصنيف كاف هذه الإصابات 3-6. وتشير تقارير الكونغرس أن العسكريين قد عانى ما يقرب من 179،000 الإصابات الناجمة عن المتفجراتالأسلحة والمركبات تعطل في العراق وأفغانستان من عام 2000 حتى مارس 2010 2. ونظرا لطبيعة ومواقع قتالية حديثة، إصابات الرأس هي مصدر قلق الرائدة لكل من الجيش والمدنيين 3.
وبصرف النظر عن سيناريوهات قتالية، TI لديها العديد من الأسباب بما في ذلك الصدمات السيارات. مسابقات رعاة البقر و الدراجات النارية و الحوادث المنزلية. والإصابات الرياضية. لا تزال على سبيل المثال، على الرغم من التحسينات لمعدات السلامة والبروتوكولات، التي يسببها ميكانيكيا إصابات في الدماغ (TBI) ليكون المصدر الرئيسي للوفيات والمراضة مدى الحياة في الولايات المتحدة ومركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) تقارير ما يقرب من 1.4 مليون أحداث المصرف التجاري العراقي كل العام، منها ما يقرب من 50000 حالة قاتلة. كرة القدم الأمريكية وحده مسؤولا عن أكثر من 300000 TBIs كل 7 سنوات. الناجون من هذه الإصابات هم معرضون لمضاعفات عصبية طويلة الأجل تتصل الإحساس والإدراك، والاتصالات. في هذا الوقت هناك ما يقرب من5.3 مليون الأمريكيين الذين يعيشون مع هذه العيوب المزمنة والإعاقات. وبلغ مجموع التكاليف الطبية الأميركية المباشرة وغير المباشرة 2000-2010 60000000000 $ 8. إلا أن هذه الأرقام لا تمثل التكاليف والخسائر غير الطبية، أو تلك التي تكبدها أسر وأصدقاء دعم مرضى المصرف التجاري العراقي. ما وراء بحتة التحليل الاقتصادي والعجز TBI التي يسببها يخلق انخفاض كبير في نوعية الحياة التي يمكن أن تظهر على أنها عبء كبير على الأسر والمجتمع.
الحاجة إلى مزيد من الفهم للتشكيل، وتوصيف، والوقاية من TI واضحة. دراسات النشاط الحيوي من الآليات الكامنة التي تسبب TI تقديم رؤية وفرصة للحد من التعرض أو تحسين ميزات السلامة لأولئك المعرضين للخطر المحتمل لTI. وعلاوة على ذلك، فإن المزيد من التقدم من الفهم العام لتشكيل TI قد تحسن طرق التشخيص والمعايير، وتوفير الأطباء الذين يعالجون TI مع وسائل أفضل لتحسين نتائجالصورة وإنقاذ الأرواح.
وهناك حاجة إلى معرفة أفضل الآليات الضرر وفهم أفضل للالميكانيكا الحيوية للتنمية إصابة وضع تدابير وقائية فعالة لجسم الإنسان. تاريخيا، تعرقلت عمليات المحاكاة التي تهدف إلى إصابات توقع بسبب القيود الحسابية وكذلك الاخلاص من التشريحية ونماذج المواد المستخدمة. وقد ركزت محاكاة كاملة للجسم على الأحمال الكلية على كل جزء من الجسم، ولكن لم يحترم المحلي الإجهاد، والتوتر، والضرر في كل جهاز، العضلات، والعظام، الخ. على سبيل المثال، ونماذج لحظة الكتف تستخدم أبعاد الذراع، والحمل، وزاوية تطبيق للبحث عن القيم المجدولة التي تحدد ما إذا كان سيناريو معين خطرة. عملية حسابية من هذا النوع مفيد لتقديرات سريعة ولكن لا يمكن التقاط ما يحدث محليا من يد كل وسيلة في الكتف، وخصوصا عندما الأضرار والإصابات والمحلية في جوهرها. ثانيا، FE الصورةوقد استخدمت imulations للقبض على الاستجابة المحلية. لم يكن القيد في هذه الجهود الهيئة الاتحادية للبيئة في حد ذاته، ولكن نماذج المواد التي تحدد سلوك كل جزء من الجسم تحت الأحمال إصابة الانفجار. يتم تكييفها نماذج المواد المستخدمة سابقا من مواد أبسط ولم سعت للقبض على عدد لا يحصى من السلوكيات المعقدة الميكانيكية التي أظهرتها الأنسجة البيولوجية. ولذلك، عالية الدقة النماذج الحسابية مع نماذج المواد ISV للأجهزة في الجسم البشري تمثل الطريقة الأكثر واقعية للتحقيق في الفيزياء والميكانيكا الحيوية للمؤشرات النقل، لتصميم واقية مبتكرة، ووضع معايير أفضل للمقاييس الإصابة.
معلومات أساسية عن انقسام هوبكنسون بار الضغط (SHPB) والمتغير الدولة الداخلي (ISV) مادة نموذج
بسبب قضايا أخلاقية مع المجراة اختبار بالأعضاء البشرية والمسائل اللوجستية المرتبطة واسعة النطاق اختبار جثي الإنسان، وداءويشمل الجهود البحثية الأنف والحنجرة التجارب الميكانيكية في المختبر باستخدام العينات المحضرة من أجهزة المستخرجة من بدائل الحيوان (على سبيل المثال، خنزير كبديل الأكثر استخداما). وقد البوليمر SHPB الأسلوب المفضل لفي التجارب المختبرية الحيوية لينة بأسعار سلالة عالية. تدرج السلوكيات التشوهي ذات الصلة من SHPB الاختبارات والمعلومات ذات الصلة تلف الأنسجة المقابلة من الميزات المجهرية من الأنسجة في نماذجنا المواد ISV عن الوصف الميكانيكية لعضو 10/09. ثم يتم تطبيق هذه النماذج المادية في أعمالنا الظاهري نموذج جسم الإنسان لإجراء FEA من اصابات مختلفة. هذه العملية تمكننا من المضي قدما نحو هدف التنبؤ بدقة الفيزياء والطبيعة من إصابة لجهاز معين تحت مختلف ظروف التحميل الميكانيكية (الناجم عن الانفجار على سبيل المثال، حادث سيارة، وتأثير كليلة) دون الحاجة لمزيد من التجارب الفعلية. من أجل وصف دقيق رانه الظواهر الخواص الميكانيكية، ولا سيما ارتفاع معدل الإعالة سلالة المستوى، من المواد الحيوية المستخدمة في عمليات المحاكاة FE من جسم الإنسان، وقد أجريت التجارب SHPB على المواد الحيوية للحصول على ردود الميكانيكية الحيوية بأسعار سلالة المتعلقة مؤشرات النقل البشري. ويقدم لمحة عامة عن الإعداد SHPB في مركز نظم بالعربات المتقدمة (كليفلاند)، جامعة ولاية ميسيسيبي (MSU) في الشكل رقم 1.
وقد أظهرت دراسات سابقة أن اختبار SHPB يعاني من ثلاثة عيوب رئيسية ترتبط معها 12-18. واحد الأول والأكثر أهمية هو تأثير بالقصور الذاتي المادي، الذي يظهر في الاستجابة الميكانيكية ارتفاع معدل سلالة من عينة بيولوجية بمثابة مسمار الأولي. من أجل التغلب على هذه المشكلة، اقترح الجهود البحثية السابقة تعديل هندسة عينة من اسطوانية الشكل إلى مكعبة أو حلقية الشكل. وكانت السلوكيات الناتجة الميكانيكية من مثل هذه الدراسات المختلفة جيئة وذهابام بعضها البعض لهندسة العينة أثرت على انتشار الموجات، والتفاعلات موجة، والاستجابة الميكانيكية. وقد أدى هذا النوع من التعديل لهندسة عينة لتمثيل الخاطئة من الاستجابة الميكانيكية (عديد المحاور وغير موحدة حالة التوتر) من مادة بيولوجية. كان العيب الرئيسي الثاني عدم القدرة على الحفاظ على توازن قوة ديناميكية خلال الاختبار. تغلب الباحثون هذه المشكلة عن طريق الحد من العينة نسبة سماكة إلى قطر و / أو تجميد الأنسجة قبل الاختبار. في حين أن الحد تناولت العينة نسبة سماكة إلى قطر مسألة توازن القوة الديناميكية، وتجميد الأنسجة وزاد من تعقيد إجراء اختبار لأنها غيرت خصائص المواد نظرا لبلورة الحاضر الماء في الأنسجة. وهناك عدد من الدراسات التخلي تماما SHPB لتجنب العيوب المذكورة أعلاه وتستخدم أنابيب صدمة للحصول على استجابة ضغط الوقت في مختلف النماذج الحيوانية (الفئران والخنازير، وما إلى ذلك). ومع ذلك، هذه لنماذج آي مال لا تعطي ذات بعد واحد ذو محورين السلوكيات الإجهاد والانفعال اللازمة لنماذج المواد المستخدمة في عمليات المحاكاة FE. كان الخلل الثالث على فشل SHPB لإعطاء الأبعاد النتائج واحدة الإجهاد والانفعال بسبب العينة إنطلاق بسبب ليونة المادية وكمية من محتوى الماء في العينة.
وبالتالي، فإن SHPB يقدم جهاز الفحص صالحة لكسب بيانات معدل الضغط العالي. لمواد لينة، ومع ذلك، فإن SHPB يدفع انتفاخ التي تنتج حالة التوتر ثلاثية الأبعاد بشكل رئيسي من الضغط الهيدروستاتيكي، ولكن المطلوب هو البيانات الأبعاد الإجهاد والانفعال واحد. نعرض هنا كيف يمكن للمرء أن الاستمرار في استخدام SHPB لحشد ذو محورين منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي أحادي البعد عن المادية معايرة النموذج. ومع ذلك، يتم تعقيد عملية المشاركة في الحصول على منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي ذو محورين. وتشمل هذه العملية كل من البيانات التجريبية متعددة محوري ونتائج المحاكاة FE، ويتطلب إعادة تقويم التكرارية لالثوابت نموذج المواد. يتطلب تنفيذ ذات بعد واحد من طراز المواد ISV في MATLAB، المعروف أيضا باسم محاكاة نقطة المادية والبيانات التجريبية ذات بعد واحد للمعايرة. لذلك، تم تحسين نموذج المواد ISV باستخدام عملية المعايرة المنتظمة. هنا، اعتبر البيانات التجريبية من الاختبارات SHPB في سياق صياغة نظرية الأمواج وتوازن القوة الديناميكية (MSU ارتفاع معدل البرمجيات). من أجل لحساب تشتت اللزجة من SHPB البوليمر، والمعادلات تشتت اللزجة، كما أفاد تشاو وآخرون (2007)، نفذت في جامعة ولاية ميشيغان ارتفاع معدل البرمجيات. ساعدت المعادلات تشتت اللزجة في ضمان توازن قوة ديناميكية مع الاختبار. تم تعديل أحادية البعد محاكاة نقطة المواد ثم في سياق منهجية النمذجة التجربة-FE زوجين حتى اعتبرت العمليتين لتكون متوافقة بشكل مناسب، وهذا هو، وكانت البيانات من كلا في اتفاق جيد. وكانت هذه البياناتتستخدم لضبط الثوابت المواد نموذج ISV بمقارنة (ذات البعد الواحد) استجابة الميكانيكية MATLAB محاكاة رد فعل مواد و(واحدة الأبعاد) العينات الإجهاد المنتصف نموذج SHPB FE و. هنا كان عنصر الإجهاد عينة نموذج FE على طول اتجاه موجة التحميل. ثم تم معايرة سلوك ثلاثي الأبعاد من طراز عينة FE قبل تنفيذ تكرارا المحاكاة FE وضبط الثوابت ISV ذلك هذا الاتجاه تحميل الإجهاد بلغ متوسط حجم المترابطة بشكل جيد مع التجارب الحقيقية استجابة الإجهاد والانفعال. وهكذا، تم إجراء عملية التحسين متكررة بين البيانات التجريبية، نتائج FE، وبعد واحد نموذج المواد ISV. ويبين الجدول 1 ملخص للمتغيرات نموذج المواد ISV (MSU TP الإصدار 1.1) 11.
أهم عنصر لهذه المنهجية هو الحصول على استجابة الميكانيكية ذات بعد واحد من مادة بيولوجية ومعالمها الماديةلنموذج المواد ISV، التي تلتف حول القضايا اختبار SHPB للحالة التوتر عدم تماثله. أنه يفصل أيضا إلى استجابة غير الخطية الأولية للمادة بيولوجية الناجمة عن آثار القصور الذاتي ويجعل استجابة الميكانيكية التي هي متأصلة في المواد. أظهر منهجية اقترن أيضا أن أي تغيير في هندسة عينة يتغير تماما قيمة مشكلة الحدود (BVP) واتجاه تحميل صحيح الإجهاد والانفعال للعينة. على هذا النحو، فإن المنهجية المذكورة أعلاه يمكن استخدامها مع أي نموذج مادي (الظواهر أو بناء المجهرية) لمعايرة ومن ثم محاكاة السلوكيات ارتفاع معدل سلالة من الأعضاء البشرية تحت الأحمال الميكانيكية الضارة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
بيان الأخلاق: ملاحظة: العمل الحالي هي فريدة من نوعها لسياسة البحوث في المؤسسة، ويتبع بدقة مناسبة السلامة البيولوجية ومكتب الامتثال التنظيمي (ORC) المبادئ التوجيهية.
1. المواد الحيوية عينة المشتريات
- ارتداء معدات الوقاية الشخصية وفقا للبروتوكولات القياسية للسلامة الأحيائية من المختبر و / أو مؤسسة. ارتداء الأحذية الأصابع المغلقة، والسراويل الطويلة، معطف المختبر، والقفازات الجراحية، قناعا واقيا، ونظارات السلامة أثناء التعامل مع الأنسجة واختبار الخنازير.
- الحصول على أنسجة الخنازير (الرأس والبطن، أو الساق الخلفية) من الخنازير صحية من المسالخ المحلية في غضون 1-2 ساعة بعد الوفاة.
- تخزين الأنسجة الخنازير في أكياس سلامة بيولوجية ومن ثم وضعها في وعاء مثلج (5،56-7،22 ~ ° C).
ملاحظة: استخدم مقياس حرارة للتأكد من أن درجة الحرارة في العينة الخنازير لا تنخفض الى اقل من 7.22 ° C. - نقل الأنسجة الخنازير إلى أقرب مختبر(في كلية الطب البيطري في جامعة ولاية ميسيسيبي) للتشريح.
- تحت إشراف طبيب بيطري في كلية الطب البيطري، واستخراج جراحيا الجهاز الخنازير (الدماغ والكبد والعضلات، والدهون، أو وتر) ووضعها في حاويات مليئة الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) للتخزين المؤقت (7.4 درجة الحموضة).
- تخزين الحاويات PBS في برودة مثلج (5،56-7،22 ~ ° C) وعلى الفور نقلهم إلى مرفق اختبار لتحضير العينات والاختبار SHPB.
2. المواد الحيوية إعداد نموذج
- إزالة الجهاز الخنازير من الحاوية PBS ووضعه على سطح العقيمة.
- ملاحظة: تحديد اتجاه الألياف الابتدائي ومواقع لكل عينة الاختبار. استخدام أسطواني يموت مع 30 مم القطر الداخلي لتشريح عينة الاختبار من الجهاز الخنازير.
- إذا تنحصر عينة الاختبار داخل يموت أسطواني، حقن PBS من خلال الطرف الآخر من تشريحأداة للسماح للعينة اختبار لتنزلق سليمة. وضع عينة الاختبار استخراجها على منطقة منفصلة من سطح العقيمة.
- استخدام مشرط لخفض العينة إلى وصفه سمك ونسبة العرض إلى الارتفاع.
ملاحظة: للحصول على اختبار SHPB العينات الخنزير، وسمك 10-15 ملم في حين أن نسبة الارتفاع (سمك / قطر) هي 0،33-0،50 (الشكل 2). - استخدام الفرجار لقياس سمك وقطر في ثلاثة مواقع مختلفة.
- تخزين جميع عينات الاختبار في برنامج تلفزيوني جديد حتى الجهاز SHPB جاهز للاختبار.
ملاحظة: تأكد من أن يتم اختبار العينات في غضون 4 ساعات بعد الذبح. - تجاهل العينات التي ليست أسطواني بسبب شق أخطاء أو اختلافات في المقطع العرضي. عينات من مكان التخلص منها في أكياس سلامة بيولوجية. كرر الخطوات من 2،2-2،6 للحصول على عينات اختبار إضافية.
3. سبليت هوبكنسون الضغط شريط الاختبار
- وضع شريط المهاجم، شريط الحادث، وشريط تنتقل في مالدعامات ETAL لاختبار SHPB.
ملاحظة: تأكد من أن القضبان حر الحركة لمسة والتي تتماشى واجهات مع بعضها البعض. توفير سدادة لشريط تنتقل للسلامة. - توصيل أجهزة قياس الضغط الالتزام بها الحادث والتي تنتقل عن طريق القضبان إلى مكبر للصوت إشارة. بدوره على إشارة مكبر للصوت التكييف والكمبيوتر وحدة دق.
- تهيئة سرعة عالية برنامج التقاط البيانات.
- التحقق من اسر المباشر لإشارات لمعرفة ما إذا كانت تقع ضمن المعدل الطبيعي، وإلغاء إشارات الضجيج من خلال النقر على أيقونة الصفر.
- إدخال مستوى الزناد ومعدل البيانات (2 ميغاهرتز).
- تهيئة البرنامج لتسجيل مرة واحدة وقد تم تحقيق مستوى الزناد.
- تحميل شريط المهاجم المجاور لغرفة الضغط. ملء غرفة الضغط إلى الضغط المطلوب.
ملاحظة: مجموعة ضغط النموذجية 5-25 رطل. - صفر خارج متر سرعة ليزر عن طريق الضغط على زر الصفر وضعه لقراءة با مهاجمص السرعة من خلال وضع شريط عاكس على شريط المهاجم خلف أجهزة استشعار ليزر.
- وضع حجرة العينة الحبس بحيث لا تعيق حركة الحادث وشريط المنعكس. وضع شريط الحادث في اتصال مع شريط المرسلة.
- لأغراض المعايرة، تشغيل اختبار (بدون عينة) عن طريق تشغيل التبديل الزناد لغرفة الضغط على شريط المهاجم.
- بمجرد الحصول على البيانات في الكمبيوتر وحفظ وتحليل البيانات سبر سلالة SHPB (التي يتم مناقشتها في المقطع التالي) لضمان إجراء الاختبار يعمل بشكل صحيح.
- ضع عينة اسطوانية بين الحادث وشريط المنقولة ثم قم بإغلاق حجرة العينة الحبس.
ملاحظة: تأكد من عدم وجود تكييف قبل يتم تنفيذها على عينة. - أداء المهام 3،4-3،7 مع العينة وضعت بين الحادث وشريط المرسلة.
ملاحظة: تأكد من أن عينة محور هو نفس شريط محور. قبل proceediنانوغرام، وتحقق أيضا من أن العينة ليست مضغوطة، ولكن يبقى في الهندسة نفس المستخرجة سابقا. - بعد اكتمال الاختبار، استخدم مناديل صحية يمكن التخلص منها لإزالة الحطام عينة من شريط الحادث، شريط المنقولة، وغرفة الحبس العينة. التخلص من كل الحطام وتقضي في أكياس سلامة بيولوجية.
- تطهير الحانات وعينة الحبس الغرفة باستخدام محلول التنظيف الايثانول 70٪ ومناديل صحية.
4. SHPB البيانات بعد المعالجة
- فتح "جامعة ولاية ميشيغان ارتفاع معدل البرمجيات 19" لتحليل موجات هوبكنسون بار.
- بدء البرنامج عن طريق فحص نافذة الإعدادات واختيار "التوتر / ضغط" الخيار في وضع الجدولة للاختبار ذو محورين. أيضا، حدد "2 غيج" في علامة التبويب غيج وانقر على "متابعة".
- في النافذة الرئيسية، حدد فتح ملف 1 تبويب، وانتقل إلى بيانات الحادث موجة من السجل سلالة سبر على incideالإقليم الشمالي بار. حدد الملف المفتوح 2 تبويب لاستيراد شريط تنتقل سجل سلالة سعة.
- حدد علامة التبويب معلمات في النافذة الرئيسية وإدخال المعلمات المادية للإعداد الاختبار بما في ذلك: أبعاد بار، والجهد لتوتر العوامل والمواقف سلالة المقياس، والثوابت اللزجة التشتت. انقر على "متابعة".
- ثم حدد علامة التبويب البيانات حدد في النافذة الرئيسية واستخدام أشرطة المؤشر للحد من مجموعة البيانات فقط كمية البيانات التي تحتوي على الحادث، تنعكس، وتنتقل الموجات. انقر على "متابعة".
- ثم حدد تحديد علامة التبويب الأمواج في النافذة الرئيسية واستخدام أشرطة المؤشر إلى حصر موجة الحادث في حادثة موجة الرسم البياني، والموجة المنعكسة في موجة الرسم البياني المنعكس، وموجة تنتقل في موجة الرسم البياني المنقولة. انقر على "متابعة".
- بعد ذلك، حدد علامة التبويب الصحيحة في النافذة الرئيسية للسماح للبرامج لتصحيح تشتت اللزجة 20-21.
- لاث حدد علامة التبويب التحول في النافذة الرئيسية. في موجة الرسم البياني، استخدام المؤشر لسحب الحادث، تنعكس، وتنتقل الموجات إلى نفس الموقف المبدئي في الوقت المناسب عن طريق اختيار كل واحدة على حدة في تحديد تبويب الموج. عرض كافة الأمواج في بيانات الرسم البياني. عند الانتهاء، انقر فوق "متابعة".
- في ملف النتائج، حفظ الحمل، والتشريد، والموقف، وسرعة، وملامح بالنقر على "حفظ باسم".
- استخدام الطرق التقليدية في Microsoft Excel (أو أي برنامج جداول البيانات الأخرى) لحساب الإجهاد والتوتر صحيح صحيح باستخدام أبعاد العينة قياس قبل الاختبار هوبكنسون بار.
5. SHPB عنصر محدود النمذجة
- استخدام التجاري العناصر المحدودة (FE) والبرمجيات، خلق نموذج FE من الإعداد SHPB.
ملاحظة: استخدم نفس هندستها وخصائص المواد. - تعيين سرعة الأولية للنموذج FE شريط مهاجم لتهيئة محاكاة FE.
ملاحظة: سرعةمن مهاجم شريط يجب أن تتوافق مع أنه في التجربة SHPB لمعدل سلالة معينة 9. - إنشاء نموذج FE من الإعداد SHPB دون عينة وضعت بين الحادث والحانات المرسلة. تشغيل المحاكاة FE.
ملاحظة: مهاجم محاكاة شريط السرعة يجب أن تتوافق مع التجريبية شريط المهاجم سرعة تحت عنوان "لا نموذج" الشرط. تعيين خصائص المواد الواردة في الجدول 1 للقضبان البوليمر. - تحقق مما إذا القياسات سلالة سعة (وصمة عار في مقابل الوقت) في التجربة وFE المحاكاة هي في اتفاق جيد.
- دمج عينة بيولوجية في نموذج FE من الإعداد SHPB. تعيين تنفيذ ثلاثي الأبعاد (في تنسيق ملف vumat 22) من طراز المواد ISV على عينة بيولوجية 11.
- إجراء دراسة شبكة الصقل باستخدام ثلاثة أحجام شبكة مختلفة ومن ثم تحليل النتائج لتحديد ما إذا كانت الحلول تتلاقى.
ملاحظة: شبكةحجم يتوافق مع العدد الإجمالي للمسدس الأضلاع و / أو العناصر رباعي السطوح التي تشكل نموذج FE. حدد نموذج FE بأقل حجم شبكة أن يتقارب بعد مزيد من المحاكاة 9. - إجراء من خطوتين FE نموذج المعايرة. في الخطوة الأولى، وتحميل البيانات التجريبية في ذات بعد واحد تنفيذ نموذج المواد ISV.
- معايرة منحنى الإجهاد وصمة عار الحقيقي للتجربة مع منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي للنموذج من خلال تعديل معايير وISV نموذج المواد (انظر الجدول 1).
ملاحظة: هناك حاجة إلى مزيد من التكرار لأن البيانات SHPB التجريبي ثلاثي الأبعاد في الطبيعة في حين أن النموذج المادي هو أحادي البعد. - تعيين الثوابت المواد ISV على عينة بيولوجية في نموذج FE من الإعداد SHPB.
- تشغيل المحاكاة FE مع سرعة شريط مهاجم ونموذج معدل الضغط تشوه المقابلة لاختبارات SHPB بمعدل سلالة نفسه.
- المقارنةإعادة القياسات سلالة سعة من التجربة وFE محاكاة لاتفاق جيد (سلالة مقابل الوقت).
ملاحظة: إذا كان هناك اتفاق جيد بين المحاكاة FE والقيم سبر سلالة التجربة، انتقل إلى الخطوة الثانية من عملية معايرة النموذج. إن لم يكن، تكرار المهام 5،7 حتي 5،11. - في الخطوة الثانية من معايرة النموذج FE، تشغيل FE سلالة محاكاة SHPB البيانات سبر تجربة البرمجيات مرحلة ما بعد المعالجة، برامج جامعة ولاية ميشيغان ارتفاع معدل 19-21.
ملاحظة: إذا كان يقارن محاكاة حقيقية استجابة الإجهاد والانفعال إلى التجريبية الحقيقية استجابة الإجهاد والانفعال، ثم تم الانتهاء من خطوتين FE نموذج المعايرة. إن لم يكن، تكرار المهام 5،7 حتي 5،12. - أداء متوسط حجم الاتجاه تحميل (Σ 33) الضغط على عناصر محور من عينة نموذج FE.
ملاحظة: إذا كان هذا التوتر هو في اتفاق جيد مع منحنى الإجهاد والانفعال من الأبعاد واحد ISV نتيجة نموذج المواد، ثم نتائج التي تم الحصول عليها من خلال المهام 5.7-5.12 هي محسوبة تماما. إن لم يكن، تكرار المهام 5،7 حتي 5،13. رد الإجهاد والانفعال الحقيقية من خلال القبض على التنفيذ على بعد واحد من طراز المواد ISV تمثل ذو محورين الحقيقية استجابة الإجهاد والانفعال من مادة بيولوجية الذي تم اختباره في إعداد SHPB.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويتمثل فعالية منهجية يقترن في الشكل (3). هنا في SHPB التجريبية استجابة الإجهاد والانفعال للدماغ هي في حالة التوتر الدنيا (مع الضغط الذروة من 0.32 ميجا باسكال) بالمقارنة مع حالة التوتر من المواد ذات بعد واحد محاكاة نقطة (بقيمة ذروة 0،74 ميجا باسكال)، الذي هو أقرب إلى FE خط الوسط عينة (عنصر) المتوسط. ويرجع ذلك إلى طبيعة التشوه الذي الحيوية لينة المعرض هذا. لأن معدلات إجهاد مرتفعة، وسرعة الأمواج وقوة بيولوجية منخفضة، وانتشار الموجات بالقصور الذاتي والإجهاد في الطلب المواد تشوه غير موحدة. هذه الظاهرة هي أعظم في العينة حواف وأقل في الوسط. لأن العينات اسطوانات، وسط العينة لا يمكن أن تحل محل غير موحدة التوسع شعاعي عكس الحواف. ولذلك، بعد فترة معينة من الزمن، وعينة محور يمكن أن يقترب قدر ذو محورين.
والأنف والحنجرة "> نظرا لمراقبة محور العينة العارضة تشوه ذو محورين بعد بعض الأولي" حلقة عن "الوقت، الهيئة الاتحادية للبيئة ويمكن بعد ذلك أن تستخدم لاستخراج البيانات المنتصف، وهو أمر غير ممكن لالإعداد التجريبية لالتقاط هنا" الحلقة -up "الوقت هو المدى الزمني خلال المرحلة الأولى من اختبار SHPB عندما يتم التوصل إلى توازن للدولة الإجهاد. للقيام بذلك، تتم مقارنة افتراضية جاج سلالة الهيئة الاتحادية للبيئة لجاج سلالة التجريبية، والثوابت المادية وتتنوع حتى اتفاق جيد هو تم التوصل إليها. ويبين الجدول 2 الثوابت المواد التمثيلية للدماغ التي تم الحصول عليها من خلال منهجية المحاكاة SHPB التجربة-FE جانب. وعلاوة على ذلك، ويبين الشكل 4 أن منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي التجريبي SHPB يقيس فعلا ثابتة الأول من الإجهاد، بدلا من تحميل ذو محورين -direction السلوك الإجهاد والانفعال. في حين أن معظم دراسات أخرى 12-18 ببساطة تظهر النتائج التجريبية، الشكل3 يدل على أن هذا التمثيل من الاستجابة الميكانيكية للمادة بيولوجية من شأنه أن يقلل من استجابة ذو محورين، وهو صلة FE محاكاة نماذج من العالم الحقيقي مسائل القيمة الحدية (BVPs). ومن ثم، فإن استخدام نتيجة SHPB التجريبية وحدها ستكون خاطئة إذا لم يكن مقرونا FE-نوع النمذجة لتقييم السلوك ذو محورين.
الشكل 1: نظرة عامة على تخصيص البوليمر سبليت هوبكنسون الضغط بار (SHPB) المستخدمة لاختبار عينات الدماغ الخنازير لقد تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الشكل 2: استخراج عينة من الطازجة (<3 ساعة بعد الوفاة) من (أ) الدماغ الخنازير، و(ب) استخراج عينة باستخدام 30 مم القطر الداخلي يموت في الاتجاه متفوقة، أقل شأنا. تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الرقم 3: مقارنة بين Σ 33 للتجربة، MATLAB الروتينية تركيب (المواد نقطة محاكاة)، FE عينة متوسط البيانات والتدابير سلالة FE خلال DAVID اللزجة، في 750 ثانية -1 العصابات الخطأ في الحادث التجريبية / تنعكس تمثل موجات عدم اليقين. تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الرقم 4: قطع من العناصر المحدودة (FE) محاكاة Σ مايز، Σ 11، Σ 22،31؛ 33، 12 Σ، Σ 23، الضغط (الأولى قسما ثابتا من الإجهاد) وΣ 13 و التجربة خلال تشويه لعينة اسطوانية، في 750 ثانية -1. هنا يؤكد الضغط سلبية. لقد تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الرقم 5: تخطيطي من البوليمر سبليت هوبكنسون الضغط بار (SHPB) الإعداد تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الشكل 6: تخطيطي لل(أ) التجريبية التي أنشئت من أجل الاختبارات SHPB و (ب) محاكاة نموذج FE جنبا إلى جنب مع (ج) عن قرب من شريط ينعكس الحادثواجهة. تم تنفيذ هذا محاكاة نموذج FE دون أي عينة. واستمرت FE نموذج التخميد معاملات α R وβ R لعمليات المحاكاة عند 3.0 و 1.2.
حسبت مقارنة بين التجربة والعناصر المحدودة (FE) محاكاة Σ 33 لالخنازير ضغط عينة الدماغ، بنسبة 6.5 مللي ثانية -1 FE محاكاة σ 33 بالبريد معالجة القياسات سلالة من FE المحاكاة من خلال جامعة ولاية ميشيغان البرمجيات عالية معدل الانفعال: الرقم 7.
الرقم 8: تخطيطي من (أ) العناصر المحدودة (FE) التي أنشئت من أجل سبليت هوبكنسون الضغط بار (SHPB) الاختبارات، (ب) أبعاد العينة FE المحاكاة،مع عينة، و (ج) لمحة عامة عن الإعداد SHPB مع عينة. واستمرت FE نموذج التخميد معاملات α R وβ R لعمليات المحاكاة عند 3.0 و 1.2. تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الرقم 9: تخطيطي للعلاقة شقين للاستجابات التوتر والانفعال الحقيقي من مواد لينة-البيولوجية للتجربة SHPB وFE المحاكاة.
الرقم 10. (أ) مقارنة بين الحادث وينعكس قياسات الضغط في سبليت هوبكنسون الضغط بار (SHPB)، على التجربة وتحليل العناصر المحدودة (FEA)، و (ب) التجربة SHPB وFinitالبريد العنصر (FE) محاكاة Σ 33 للدماغ الخنازير عينة ضغط في 750 ثانية -1. حسبت FE محاكاة Σ 33 بالبريد معالجة القياسات سلالة من FE المحاكاة من خلال برنامج DAVID اللزجة. العصابات الخطأ في الحادث التجريبية / تمثل الموجات المنعكسة عدم اليقين. تم تعديل هذا الرقم من برابو وآخرون، 2011 9.
الجدول 1: ملخص للمتغيرات ومعادلات نموذج لجامعة ولاية ميشيغان TP 1.1 تم تعديل هذا الجدول من برابو وآخرون، 2011 9 و BOUVARD وآخرون، 2010 (11)..
| نموذج الثوابت | القيم |
| μ (باسكال) | 25.00 |
| K (باسكال) | 12492،00 |
| γ فو (ثانية -1) | 100000.00 |
| م | 1.00 |
| Y س (باسكال) | 8.20 |
| α ص | 0 |
| λ L | 5.00 |
| μ R | 0.05 |
| R S1 | 1.40 |
| ح س | 47.21 |
| س س 1 | 0.75 |
| س * جلس | 0.01 |
| س * س | 1.20 |
| اذهب | 0.30 |
| C κ 1 (الأم) | 0.40 |
| ح 1 | 0 |
| ه س S2 | 0 |
| البريد جلس S2 | 0.40 |
| C κ 2 (باسكال) | 0 |
الجدول 2: القيممن الثوابت المادية للمواد الدماغ باستخدام MSU TP 1.1 Viscoplasticity نموذج. وقد تم تعديل هذا الجدول من برابو وآخرون، 2011 9.
| مهاجم بار | شريط الحادث | بار المنقولة | |
| مادة | 1-1 / 2 "البولي (PC) قضيب * | 1-1 / 2 "البولي (PC) قضيب * | 1-1 / 2 "البولي (PC) قضيب * |
| الكثافة (كجم / م 3) | 1.220 × 10 3 | 1.220 × 10 3 | 1.220 × 10 3 |
| قطر (م) | 1.285 × 10 -3 | 3.810 × 10 -2 | 3.810 × 10 -3 |
| الطول (م) 7.620 × 10 -1 | 2،438 | 1،219 |
* ماكماستر، كار TM 1-1 / 2 "قضيب (ماكماستر، كار TM، شيكاغو، IL، الولايات المتحدة الأمريكية).
الجدول 3: الأبعاد وخصائص المواد البوليمرية من القضبان المستخدمة في سبليت هوبكنسون الضغط بار (SHPB) الإعداد لقد تم تعديل هذا الجدول من برابو وآخرون، 2011 9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
منهجية ذكرت أن الأزواج التجربة SHPB وFE نمذجة SHPB تقدم رواية وتقنية فريدة من نوعها لتقييم ذو محورين الحقيقية استجابة الإجهاد والانفعال من مادة بيولوجية في معدلات سلالة عالية. من أجل الحصول على الخواص الميكانيكية الجوهرية للأنسجة الأم، يجب توخي الحذر للحفاظ على عينة بيولوجية بين 5،56-7،22 ° C قبل الاختبار SHPB. إذا تم تبريد العينة أقل من 5.56 ° C، الحاضر الماء في الأنسجة يبدأ crystalize في الثلج، وبعد ذلك يتغير الخواص الميكانيكية للأنسجة و. بينما غيرهم من الباحثين 15-18 جمدت عينة لأغراض المحافظة من تدهور الميكانيكية، والنتائج التي تم الحصول عليها من SHPB اختبار العائد كبير ردود الميكانيكية المختلفة. وعلاوة على ذلك، أظهر تقرير صادر عن فان إي ومايرز (23) أن المواد الحيوية لينة اختبارها في غضون 5 ساعات بعد الوفاة أعطى أفضل النتائج التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار حل PBS إلى stخام عينات بيولوجية وعينات اسطوانية بسبب الأسمولية وتركيز أيون تشبه السوائل البيولوجية 9.
بناء على العمل رمادي وبلومنتال 24 في كتيب ASM على اختبار ارتفاع معدل سلالة من مواد لينة، وهي نسبة العينة الجانب المثلى، أو نسبة من سمك العينة إلى قطرها، وكان العزم على أن تكون 0.5 أو أقل اعتمادا على نوع مادة بيولوجية الوجود اختبار (الدماغ الخنازير والكبد ووتر أو الدهون). الرمادي وبلومنتال 24 لوحظ في الدراسة أن عينات مع الجانب نسبة أكبر من 0.5 لم تستوعب توازن قوة ديناميكية خلال اختبار SHPB. بدأ استخراج عينة باستخدام يموت الفولاذ المقاوم للصدأ لتشريح مادة بيولوجية في الاتجاه متفوقة-أقل شأنا من إنشاء طويلة، وقطعة اسطوانية من مادة بيولوجية. وبعد ذلك يستخدم مشرط جراحي لخفض 15 مم عينات سميكة من اسطوانة طويلة، مما أسفر عن عدة اختبار عينات اسطوانية (الشكل 2). العينةالأقرب إلى الجانب العلوي من العينة اتسمت عادة مع كفاف سطح ذلك الجهاز (السطح العلوي أو العلوي). على سبيل المثال، عندما تم تشريح عينة دماغ تلم الدماغ وتتميز التلافيف السطح العلوي. هنا كان الحرص على ضمان ثبات السطح، والتي تم الحصول عليها عن طريق عمل قطع في "غير المتكافئ" السطح العلوي مع مشرط جراحي. بشكل عام، كانت الاختلافات سمك عينات 'أقل من 0.5 ملم، والذي جاء إلى 3٪ من متوسط سمك العينة. كان يفترض العينات أن يكون سمك موحد كما كان الاختلاف في سماكة أقل من 3٪. تم الانتهاء من شراء المواد الحيوية في أقل من 1 ساعة، وأجريت جميع الاختبارات SHPB في أقل من 4 ساعات بعد التضحية.
تم تسجيل البيانات الإجهاد موجة SHPB من خلال سلسلة من أجهزة قياس الضغط الملصقة على الحادث وشريط المرسلة. إعداد اختبار الموصوفة هنا تستخدم قضبان البوليمر بدلا من traditوقد لوحظ قضبان معدنية IONAL، وهذه لإنتاج الطابق الضوضاء 25. وترد في الجدول قائمة مفصلة من المواد في SHPB الحانات البوليمرية 'وأبعاد 3. قبل لتحليل مادة بيولوجية، ومعايرة أجهزة SHPB والتحقق منها باستخدام سلسلة من التجارب "لا العينة". خدمت هذه التجارب للتحقق من حسن سير العمل في الحادث والتي تنتقل عن طريق شريط جاج السلالة وتقييم أي ضجيج أو تدخل أدخلها أغلفة معدنية، جاج السلالة، أو نظام دق. وSHPB تعمل عن طريق الإفراج عن ضغط النيتروجين عن طريق المحرك بالهواء المضغوط لتسريع بسرعة شريط المهاجم. ثم تأثر شريط المهاجم شريط الحادث، وموجة الضغط الضغط الناجم عن هذا التأثير نشر من خلال شريط الحادث. عندما وصلت موجة التوتر نهاية شريط الحادث، وتم تقسيم يرتبط الطاقة الحركية مع جزء يتجلى كموجة إجهاد الشد ينعكس في INCIشريط دنت، والطاقة المتبقية تتجلى موجة التوتر الضغط نقلها إلى وسائل الإعلام لاحقة. في إعداد اختبار العينة، سافر موجة الضغط في العينة ومن ثم في شريط تنتقل في حين يسمح لل"لا نموذج" اختبار موجة الضغط للتحرك مباشرة من وقوع الحادث إلى شريط المرسلة. موجات الضغط المسجلة هنا تنتج الضغوط المختلفة داخل شريط الحادث، عينة، وتنتقل شريط، وخدم هذه الضغوط باعتبارها الشروط الحدية لمحاكاة مجموعة من معدلات الإجهاد لوحظ في التجارب SHPB.
FE نماذج من الاختبارات SHPB يتطلب مراحل يومين بطريقة مشابهة للتحقق جهاز تجريبي. تم معايرة نموذج FE الجهاز نفسه لحالة "لا نموذج" (الشكل 6) التي تم تعيينها جميع الحانات البوليمرية ثلاث خصائص المواد المرنة مع معامل يونج (أ) من 2391 ميغا باسكال ونسبة بواسون 0.36. في <قوي> الشكل 6، والسلبي ض محور يدل على اتجاه تحميل مع σ 33 تدل على الضغط الضغط المقابلة. ضمنت هذه المعايرة أن الحانات البوليمرية تمتلك كانت خصائص المواد المناسبة وأن القياسات سلالة سعة في نموذج FE مماثلة لنتائج "لا نموذج" قضية (الشكل 7). بعد أن تم التحقق من صحة النموذج FE للجهاز، تم إضافة عينة بيولوجية وتعرض القضية "عينة" اختبار للمعايرة والتحقق، وعملية التحقق من صحة (الشكل 7). تم اختبار مدى ملاءمة حجم عنصر في شبكة لدينا (FE التحقق من نموذج) باستخدام نهج شبكة التقارب. شيدت تنسجم للهندسة نفسها مع سلسلة من العناصر على نحو متزايد أصغر؛ تراوحت تنسجم في حجمها من 4703 إلى 3111000 مجموع العناصر. وأشارت هذه الدراسة التقارب التي تنسجم 12،000 العناصر أو أكثر قدمت نتائج مماثلة، مما يمثلنصابا من التقارب. تستخدم هذه الدراسة أيضا نموذجا المادي (MSU TP الإصدار 1.1) قادرة على وصف السلوكيات المواد المعقدة التي أظهرتها الحيوية بشكل عام. هنا، والنموذج المادي يلتقط ردود اللزجة viscoplastic مواد غير متبلور جنبا إلى جنب مع الآثار التاريخ والتبعية معدل الضغط، والذي يستخدم حاليا لوصف ردود مادة الدماغ 9 و 26 الكبد. اتسمت ردود المرنة وغير المرنة باستخدام مجموعة من العلاقات التأسيسية تلخيصها في الجدول 1. وقد سمحت هذه المعادلات نموذج للتعبير عن والتوفيق بين السلوك على المدى القصير المرتبطة استجابة المواد الحيوية أو لحظية، وكذلك السلوك على المدى الطويل يرتبط المستقرة ردود مادية الدولة. يوفر نموذج أيضا لديه القدرة لتشمل الآثار التاريخ والمتصلة بالتغيرات في المجهرية مادة بيولوجية من خلال استخدام بائعي البرمجيات المستقلين.
وcalibrat نموذج FEإد من خلال سلسلة من الخطوات (الشكل 9). واستخدمت البيانات التجريبية SHPB لمعايرة النموذج التأسيسي ISV باستخدام جهاز محاكاة نقطة المادية. ثم، كانت البيانات سلالة سبر التجريبية والهيئة الاتحادية للبيئة على حد سواء درست حتى تم تأكيد اتفاق جيد (الشكل 9). بعد ذلك، تمت مقارنة القياسات سلالة سعة من الاختبارات SHPB والمحاكاة FE (الشكل 10). وقد تحققت الارتباطات في تحديد القياسات سلالة سعة من النظام SHPB والاستجابة الميكانيكية للعينة. وتجدر الإشارة إلى أنه خلال معايرة جهاز محاكاة نقطة جوهرية أسفرت حالة الإجهاد ذات بعد واحد في حين أن كلا التجارب SHPB والمحاكاة FE أفرزت حالة التوتر ثلاثية الأبعاد. أنتجت الولايات الإجهاد متفاوتة الاختلافات المناظرة في σ 33 (الشكل 10). تم الأمثل الثوابت نموذج المادية حتى σ 33 من اختبارات SHPB يقابل σ 33 من FE simulations. هنا تم تنفيذ عملية التحسين من تكراري حتى كانت النتائج سلالة سبر التجريبية وFE في اتفاق جيد مع الدول الإجهاد ثلاثية الأبعاد التي تم الحصول عليها عن طريق تجهيز البيانات سلالة سبر التجريبية والهيئة الاتحادية للبيئة من خلال جامعة ولاية ميشيغان البرمجيات ارتفاع معدل. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء التحسين تكرارية أيضا من هذا القبيل أن أحادية البعد محاكاة نقطة المواد والأبعاد واحد FE العينة كانت σ المنتصف 33 أيضا في اتفاق جيد.
سلوك الإجهاد والانفعال الحقيقي الأبعاد وينتج الحصول عليها من خلال محاكاة نقطة المادية ثم يمثل أي ما يعادل ذو محورين الحقيقية استجابة الإجهاد والانفعال لمادة بيولوجية تم الحصول عليها من خلال الاختبارات SHPB بأسعار سلالة عالية. وباختصار، فإن المنهجية المذكورة أعلاه يعطي وسيلة فعالة لاستخراج نتيجة التجريبية ذو محورين باستخدام أداة المحاكاة FE. وإلى جانب محاكاة SHPB التجربة-FE الغموض خفف أيضا بشأن theoriوكان وفاق على آثار بالقصور الذاتي من خلال إظهار أن الكثير من استجابة الإجهاد والانفعال الجوهرية للمادة بيولوجية. وأخيرا، لوحظت آثار التعديلات هندسة العينة (أسطواني مقابل الحلقي) أن يكون لها أثر ضئيل في نفي ما يسمى تأثير بالقصور الذاتي، الذي قاد "زيادة الأولي." واستخدام هذه المنهجية يقتصر على المواد الحيوية لينة وغير مضيعة للوقت. بالإضافة إلى ذلك، واقتران التجربة SHPB وSHPB FE النموذج مع نموذج المواد ISV معقد. ومع ذلك، فإن الميزة الأساسية لهذه المنهجية هي أن ينتج عن ذلك من الثوابت المادية ونموذج ISV يمكن استخدامها لمحاكاة سيناريوهات متنوعة إصابة الميكانيكية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
المؤلفين نعلن أن هناك أي تضارب في المصالح مع جميع المواد المتعلقة بهذا المنشور.
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).
