Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

ניסוי-סופי יחד אלמנט דוגמנות מתודולוגיה להערכת הזנים שיעור גבוהים מכאנית תגובה של Biomaterials רך

Published: May 18, 2015 doi: 10.3791/51545
Automatic Translation
1, 2, 1, 2, 1, 1, 1, 2
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 2Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University

Summary

המחקר הנוכחי קובע מתודולוגיה סימולציה אלמנט ניסוי-סופי בשילוב להשיג את התגובה המכנית הדינמית uniaxial של ביו-חומרים רכים (מוח, כבד, גיד, שומן, וכו '). תוצאות ניסוי multiaxial שהתעוררו בגלל הדגימה בולטת שהתקבלו מבדיקות בר לחץ הפיצול-הופקינסון שניתנו להתנהגות מתח מתח אמיתית uniaxial כאשר מדומה באמצעות אופטימיזציה איטרטיבי של ניתוח האלמנטים הסופי של החומר הביולוגי.

Abstract

מחקר זה מציע גישת סימולציה אלמנט ניסיוני וסופי משולב (FE) לבחינת ההתנהגות המכנית של ביו-חומרים רכים (לדוגמא מוח, בכבד, בגיד, שומן, וכו ') כאשר הם נחשפים לשיעורי זן גבוהים. מחקר זה נוצל בר לחץ הפיצול-הופקינסון (SHPB) כדי ליצור שיעורי זן של 100-1,500 שניות -1. SHPB מועסק בר חלוץ מורכב מחומר viscoelastic (פוליקרבונט). מדגם של החומר הביולוגי הושג זמן קצר נתיחה שלאחר מוות ומוכן לבדיקת SHPB. הדגימה התערבה בין האירוע וברים מועבר, והרכיבים פנאומטיים של SHPB הופעלו לנהוג בר החלוץ לכיוון הבר האירוע. ההשפעה וכתוצאה מכך נוצרה גל דחיסה לחץ (כלומר גל אירוע) שנסע דרך הבר האירוע. כאשר גל לחץ הדחיסה הגיע לסוף שורת האירוע, חלק המשיך קדימה במדגם ומועבר בר (iכלומר. גל משודר) ואילו חלק אחר התהפך בבר האירוע כגל מתיחה (כלומר משתקפים גל). גלים אלה נמדדו באמצעות מדי עיבור רכוב על האירוע וברים מועבר. מתח מתח ההתנהגות האמיתית של המדגם נקבעה ממשוואות המבוססות על התפשטות גל ושיווי משקל כוח דינמי. תגובת מתח מתח הניסיונית הייתה שלושה ממדים בטבע כי הדגימה בלטו. ככזה, המתח ההידרוסטטי (ראשון משתנה) שימש כדי ליצור את תגובת מתח מתח. כדי לחלץ את תגובת uniaxial (חד ממדית) המכנית של הרקמה, אופטימיזציה בשילוב איטרטיבי בוצעה באמצעות תוצאות ניסויים ואנליזת אלמנטים סופיים (FEA), שהכיל חומר מודל משתנה (ISV) פנימי מדינה משמש לרקמות. מודל חומר ISV השתמש בסימולציות FE של הגדרת הניסוי היה מכויל iteratively (מותאם כלומר) לtha כגון נתוני ניסוילא הניסוי וערכי מד מתח FEA ובלתי משתנה הראשונה של לחצים היו בהסכם טוב.

Introduction

מוטיבציה

המטרה העיקרית של הפיצול בשילוב - בר לחץ הופקינסון הניסוי (SHPB) / דוגמנות אלמנטים סופית של ביו-חומרים רכים (כגון מוח, כבד, גיד, שומן, וכו ') הייתה לחלץ ההתנהגויות מכאני uniaxial ליישום נוסף בגוף אדם FE סימולציות תחת עומסים מכאניים פוגעניים. האלמנטים סופיים מודל גוף האדם (FE) מורכב מרשת מפורטת אנושית גוף ומודל היסטוריה תלוי Multiscale viscoelastic-viscoplastic הפנימי מדינת חומר משתנה (ISV) לאיברים אנושיים שונים. מודל גוף אדם זה יכול לשמש למסגרת לבנות סטנדרטים טובים יותר להגנת פציעה, לעצב ציוד מגן חדשני, ולאפשר לעיצוב כלי רכב ממוקד דייר.

שני מצבים של פציעת שיעור גבוהה נצפו באופן נרחב בטראומה אנושית: פיצוץ נפץ והשפעה בוטה. נזק פיצוץ מכלי נשק נפיץ הוא המקור העיקרי של טראומטיפציעת ג (TI) והגורם המוביל למוות בשדה הקרב 1. כאשר התפוצץ, חומרי הנפץ אלה יוצרים גל הלם חיצוני הפצת שמייצר תאוצות ועיוותים גדולות ופתאומיות. עומסים וכתוצאה מכך להוות איום רציני לאלו שנחשפו. למרות שכל חלק של האנטומיה יכול להיפגע על ידי גלי הלם, אזורי ראש דאגתם (1) הגפיים התחתונים בשל קרבתו הקרובה לאדמה, ו- (2) הראש מאז פציעות יכולים לעכב תפקוד תקין של המוח והישרדות 2 , 3. יכולות להיות מסווגות כפגיעות אלה פציעות ראשוניות, שניוניות, שלישוני או בהתאם לסוג של ניזק שנגרם. בגלל הכוח של חומר נפץ מאופיין במשקלה או גודל, מרחק תיקו, משך דופק חיובי, ומדיום שדרכו הוא עובר, זה יכול להיות קשה לסווג כראוי פציעות אלה 3-6. דיווחים מצביעים על כך שקונגרס אנשי צבא סבלו כמעט 179,000 פציעות טראומטיות עקב חבלהקריסות נשק וכלי רכב בעיראק ובאפגניסטן, משנת 2000 עד מרץ 2010 2. בשל האופי ומיקומם של הלחימה מודרנית, פגיעות ראש הם דאגה מובילה לשניהם הצבאי ואזרחים 3.

מלבד תרחישי לחימה, יש TI מגוון של סיבות, כולל טראומת רכב; רודיאו, אופנוע ותאונות ביתיות; ופציעות ספורט. פגיעה מוחית טראומטית לדוגמא, למרות שיפורים לציוד בטיחות ופרוטוקולים, הנגרמת באופן מכאני (TBI) ממשיכה להיות מקור מוביל לתמותה ותחלואה לכל החיים במרכז ארה"ב לבקרת מחלות ומניעתן (CDC) מדווח אירועים כ -1.4 מיליון TBI כל שנה, מתוכם כמעט 50,000 הם קטלניים. פוטבול אמריקאי חשבונות לבד ליותר מ -300,000 TBIs כל שנה 7. ניצולי פציעות כאלה הם בסיכון לסיבוכים נוירולוגיים ארוך טווח הקשורים לתחושה, קוגניציה, ותקשורת. בשלב זה יש כ5.3 מיליון אמריקאים חיים עם חסרונות כרוניים אלה ומוגבלויות. עלויות רפואיות ישירה ועקיפות בארה"ב 2000-2010 הסתכמו 60000000000 $ 8. עם זאת, מספרים אלה אינם מהווים עלויות שאינן רפואיות והפסדים, או אלה שנגרמו למשפחות והחברים התומכים חולי TBI. מעבר גרידא ניתוח כלכלי, נכות הנגרמת TBI יוצרת הפחתה משמעותית באיכות החיים שיכולים להתבטא כנטל משמעותי על משפחות ולחברה.

הצורך בהבנה נוספת של ההיווצרות, אפיון, והמניעה של TI הוא ברור. מחקרים ביו-מכאניים של המנגנונים הגורמים לTI לספק תובנה והזדמנות לצמצום חשיפה או לשפר את תכונות בטיחות עבור אלה בסיכון פוטנציאלי לTI. יתר על כן, יותר קידום ההבנה הכללית של היווצרות TI עשוי לשפר את השיטות וקריטריונים לאבחון, מתן אנשי מקצוע רפואי המטפלים TI עם אמצעים טובים יותר של תוצאות שיפורים והצלת חיים.

ידע טוב יותר של מנגנוני פציעה והבנה טובה יותר של ביומכניקה של פיתוח פציעה יש צורך לפתח אמצעי הגנה יעיל לגוף האדם. מבחינה הסטורית, סימולציות שמטרתן פציעות ניבוי כבר הקשו על ידי מגבלות חישובית כמו גם הנאמנות של אנטומיים ודגמי חומר מועסקים. סימולציות גוף מלאה התמקדו בעומסים הכוללים על כל חלק בגוף, אבל את הלחץ, מתח, והנזק המקומיים בכל איבר, שריר, עצם, וכו 'לא נצפו. לדוגמא, מודלים רגע הכתף להשתמש בממדים של הזרוע, העומס, ואת הזווית להחיל לחפש ערכים טבלאיים שציינו אם או לא תרחיש מסוים הוא מסוכן. חישוב שהטבע הוא מועיל להערכות מהירות אבל לא יכול ללכוד את מה שקורה באופן מקומי מהיד כל הדרך לכתף, במיוחד כאשר נזק ופגיעה הם במהותו מקומיים. שנית, FE שלimulations שימש כדי ללכוד את התגובה המקומית. ההגבלה במאמצים אלה לא הייתה FEA עצמו, אבל דגמי חומר המגדירים את ההתנהגות של כל חלק בגוף תחת עומסי פציעת פיצוץ. דגמי חומר שעבר הועסקו מותאמים מחומרים פשוטים ולא השתדלו ללכוד את מספר עצום של התנהגויות מכאניות מורכבות הוצגו על ידי רקמות ביולוגיות. לכן, מודלים חישוביים באיכות גבוהה עם דגמי חומר ISV לאיברים בגוף האדם מייצגים את הדרך המציאותית ביותר לחקור את הפיזיקה וביומכניקה של TIS, לעצב ציוד מגן חדשני, ולקבוע סטנדרטים טובים יותר למדדי פציעה.

רקע על בר הפיצול-הופקינסון לחץ (SHPB) ומשתנה פנימי מדינת דגם חומר (ISV)

בשל בעיות אתיות כרוכות בבדיקת vivo של איברים אנושיים ובעיות הלוגיסטיות הקשורים בבדיקות מגופות אנושיות רחב היקף, currמאמץ מחקר אף אוזן גרון כרוך ניסויים מכאניים במבחנה באמצעות דגימות שהוכנו מאיברים שחולצו מתחליפי בעלי חיים (למשל, חזיר כתחליף הנפוץ ביותר בשימוש). פולימרי SHPB הייתה השיטה המועדפת למבחנה בביו-חומרים-רכים בדיקה בשיעורי זן גבוהים. התנהגויות deformational הרלוונטיות מבדיקת SHPB ומידע הקשורים לניזק לרקמות מקבילה מתכונות microstructural של הרקמה משולבות דגמי חומר ISV שלנו לתיאור איבר מכאני 9-10. אז דגמי חומר אלה מיושמים במודל גוף אדם הווירטואלי שלנו לנהל FEA של פציעות שונות. תהליך זה מאפשר לנו לנוע לעבר המטרה של ניבוי המדויק של הפיזיקה ואופי פציעה לאיבר נתון בתנאי העמסה מכאניים מגוונים (הנגרמת פיצוץ למשל תאונה דרכים, והשפעה בוטה) ללא הצורך בניסויים פיזיים נוספים. כדי לתאר במדויק לאהוא הפנומנולוגית תכונות מכאניות, במיוחד תלות מתח-שיעור ברמה גבוהה יותר, של ביו-חומרים המשמשים בסימולציות FE של גוף האדם, ניסויי SHPB בוצעו על ביו-חומרים כדי להשיג תגובות מכאניות דינמיות בשיעורי זן הנוגעים לTIs האנושי. סקירה של התקנת SHPB במרכז למערכות כלי רכב מתקדם (הקאבס), אוניברסיטת מיסיסיפי מדינה (MSU) מוצגת באיור 1.

מחקרים קודמים הראו כי יש בדיקות SHPB שלושה פגמים עיקריים הקשורים אליו 12-18. אחד הראשון והמשמעותי ביותר הוא השפעת האינרציה חומר, המופיעה בתגובה המכנית שיעור מתח הגבוה של דגימה ביולוגי כספייק ראשוני. על מנת להתגבר על בעיה זו, מאמצי מחקר קודמים הציעו שינוי הגיאומטריה של הדגימה מגלילית בצורה לcuboidal או טבעתי בצורה. ההתנהגויות מכאניות כתוצאה ממחקרים כאלה היו שונות לכאן ולכאןמ 'כל אחד אחר, כי הגיאומטריה של הדגימה מושפעת התפשטות הגל, אינטראקציות גל, ותגובה המכנית. סוג זה של שינוי לגיאומטרית הדגימה הוביל לייצוגים שגויים של התגובה המכנית (מדינת מתח multiaxial ולא אחידה) של החומר הביולוגי. הפגם העיקרי השני היה חוסר היכולת לשמור על שיווי משקל כוח דינמי במהלך בדיקה. חוקרים התגברו על בעיה זו על ידי צמצום מדגם יחס עובי לקוטר ו / או הקפאת הרקמה לפני הבדיקה. תוך צמצום מדגם יחס עובי לקוטר התייחס לנושא של שיווי משקל כוח דינמי, הקפאת הרקמות נוספות מסובכות הליך הבדיקה כפי שהוא שינה את תכונות חומר בשל התגבשות של מים הנוכחיים ברקמה. מספר מחקרים נטושים לחלוטין SHPB להימנע הוזכר לעיל פגמים ומשמשים צינורות הלם כדי לקבל את תגובת לחץ-זמן במודלים שונים של בעלי חיים (חולדות, חזירים, וכו '). עם זאת, אלהמודלים imal לא נותנים התנהגויות uniaxial חד-ממדי מתח מתח דרושה לדגמי חומר המשמשים בסימולציות FE. הפגם השלישי היה כישלון SHPB לתת תוצאות מתח מתח חד ממדיות בגלל הדגימה מתגלגלת בשל רכות החומר וכמות תוכן מים בדגימה.

לפיכך, SHPB מציג מנגנון בדיקת קיימא לגייס נתוני שיעור גבוה מתח. לחומרים רכים, לעומת זאת, SHPB גורם בולט שמייצרת מדינת מתח תלת-ממדית בעיקר מלחץ ההידרוסטטי, עדיין נתונים מתח מתח חד ממדי הוא רצוי. אנחנו מראים כאן איך אפשר עדיין להשתמש בSHPB לגייס את עקומת מתח מתח האמיתי uniaxial חד-ממדית לכיול מודל חומר; עם זאת, התהליך הכרוך בהשגת עקומת מתח מתח האמיתית uniaxial מסובך. תהליך זה כולל גם את נתוני ניסוי רב-צירי ותוצאות הסימולציה FE, וזה דורש כיול חוזר ונשנה שלקבועי מודל חומר. היישום חד-ממדי של דגם ISV חומר בMATLAB, הידוע גם בסימולטור נקודת חומר, דורש נתוני ניסוי חד-ממדיים לכיול. אז, מודל חומר ISV היה מותאם באמצעות תהליך כיול שיטתי. כאן, נתוני ניסוי מבדיקות SHPB נחשבו בהקשר של ניסוח תיאורית הגל ושיווי משקל דינמי כוח (MSU תוכנת שיעור הגבוה). כדי להסביר את פיזור viscoelastic של SHPB פולימרים, משוואות פיזור viscoelastic, כפי שדווח על ידי זאו et al. (2007), יושמו בMSU גבוה תוכנת דרג. משוואות פיזור viscoelastic עזרו בהבטחת שיווי משקל כוח דינמי בזמן הבדיקה. סימולטור נקודת חומר חד-ממדי היה מותאם אז בהקשר של בני זוג מתודולוגיה דוגמנות הניסוי-FE עד שני התהליכים נחשבו כראוי תואם, כלומר, נתונים משניהם היו בהסכם טוב. נתונים אלה היומשמש כדי להתאים את קבועי חומר מודל ISV על ידי השוואת התגובה של סימולטור תגובת חומר MATLAB (חד ממדית) מכאנית ו( חד ממדית) הדגימה מתח האמצע של מודל SHPB FE. הנה מרכיב לחץ דגימה של מודל FE היה לאורך כיוון טעינת גל. אז ההתנהגות תלת-ממדית של דגימת מודל FE כויל על ידי iteratively ביצוע סימולציות FE והתאמה קבוע ISV כך שמתח טעינת כיוון-בממוצע הנפח המתואם היטב עם תגובת מתח מתח האמיתית הניסיונית. לפיכך, תהליך של אופטימיזציה איטרטיבי בין נתוני ניסוי, תוצאות FE, ומודל חומר ISV חד-ממדי נערך. טבלת 1 נותנת סיכום של המשתנים של מודל חומר ISV (MSU TP Ver. 1.1) 11.

המרכיב החשוב ביותר למתודולוגיה זו הוא קבלת התגובה חד-ממדית המכנית של החומר הביולוגי והפרמטרים שלו חומרלמודל חומר ISV, שעוקף את נושאי בדיקות SHPB של אי-אחידות מתח המדינה. זה גם מפריד את התגובה קוי הראשונית של החומר הביולוגי הנובע מהשפעות אינרציה והופך תגובה מכאנית שהוא מהותי לחומר. המתודולוגיה בשילוב גם הראתה כי שינוי בגיאומטריה הדגימה משתנה לחלוטין גבול ערך הבעיה (BVP) ומתח המתח האמיתי כיוון טעינה של הדגימה. ככזה, המתודולוגיה שהוזכר לעיל ניתן להשתמש בכל מודל חומר (הפנומנולוגית או מבוסס microstructural) לכיול ולאחר מכן לדמות התנהגויות שיעור מתח גבוה של איברים אנושיים תחת עומסים מכאניים פוגעניים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הצהרת אתיקה:: הערה העבודה הנוכחית היא ייחודית למדיניות המחקר של המוסד, ובהחלט עוקבת ביו-הבטיחות והמשרד המתאימים של תאימות לתקנות הנחיות (ORC).

רכש 1. ביולוגי דגימה

  1. ללבוש ציוד מגן אישי בהתאם לפרוטוקולי בטיחות ביולוגית סטנדרטיים של המעבדה ו / או מוסד. ללבוש נעליים צבאיות סגורות, מכנסיים ארוכים, חלוק מעבדה, כפפות מנתחים, מסכת מגן, ומשקפי בטיחות בעת טיפול רקמות ובדיקות חזיריות.
  2. להשיג רקמה חזירית (ראש, בטן, או רגל אחורית) של חזירים בריאים מבית שחיטה מקומית בנתיחה שלאחר המוות 1-2 שעות.
  3. אחסן רקמות חזיריות בשקיות בטיחות Biohazard והנח אותם במכל קר (~ 5.56-7.22 מעלות צלזיוס).
    הערה: השתמש במד חום כדי לבדוק שהטמפרטורה בדגימה חזירית לא לרדת מתחת 7.22 מעלות צלזיוס.
  4. להעביר רקמות חזיריות למעבדה הקרובה ביותר(במכללה לרפואת וטרינרית באוניברסיטת מיסיסיפי סטייט) לנתיחה.
  5. תחת פיקוחו של וטרינר במכללה לרפואת וטרינרית, בניתוח לחלץ איברים חזירי (מוח, כבד, שריר, שומן, או גיד) ולמקם אותם במיכלים מלאים מלוח פוספט (PBS) לאחסון זמני (pH 7.4).
  6. אחסן את מיכל PBS בצידנית עם קרח (~ 5.56-7.22 מעלות צלזיוס) ומייד להעביר אותם למתקן הבדיקה להכנת מדגם ובדיקות SHPB.

2. הכנת דוגמאות ביולוגי

  1. הסר את האיבר חזירי מיכל PBS ומניח אותו על משטח סטרילי.
  2. הערה: זהה את הכיוון העיקרי של סיבים ומקומות עבור כל מדגם בדיקה. השתמש גלילי למות בקוטר פנימי 30 מ"מ לנתח את מדגם הבדיקה מהאיבר חזירי.
  3. אם מדגם הבדיקה תקוע בתוך הקובייה הגלילית, להזריק PBS דרך הקצה השני של הנתיחהכלי כדי לאפשר מדגם הבדיקה להחליק החוצה בשלמותה. מניחים את מדגם הבדיקה שחולץ על אזור נפרד של פני השטח סטרילי.
  4. השתמש באזמל כדי לחתוך את המדגם ליחס עובי והיבט שנקבע.
    הערה: לבדיקות של דגימות SHPB חזיריות, העובי הוא 10-15 מ"מ ואילו היחס הגובה-הרוחב (עובי / קוטר) הוא .33-.50 (איור 2).
  5. השתמש מחוגה כדי למדוד את העובי וקוטר בשלושה מקומות שונים.
  6. אחסן את כל דגימות הבדיקה בPBS הטרי עד שמכשיר SHPB הוא מוכן לבדיקה.
    הערה: ודא שדגימות נבדקות בתוך 4 שעות לאחר טבח.
  7. בטל דגימות שאינן גליליים עקב חתך שגיאות או שינויים בחתך. הנח דגימות מושלכות בשקיות בטיחות הביולוגית מסוכנת. חזור על שלבים 2.2-2.6 להשיג דגימות בדיקה נוספות.

בדיקת לחץ בר 3. פיצול-הופקינסון

  1. מניחים את בר החלוץ, בר אירוע, ובר המועבר במ 'עמודי etal לבדיקת SHPB.
    הערה: ודא שברים נעים חופשיים למגע ושהממשקים שלהם מיושרים אחד עם השני. לספק פקק לבר מועבר לבטיחות.
  2. חבר את מדי העיבור דבקו אירוע ומועבר ברים למגבר האות. הפעל את מגברי אוויר האות ומחשב מודול DAQ.
  3. לאתחל את תוכנת לכידת נתונים במהירות הגבוהה.
  4. ודא לכידת החיות של האותות כדי לראות אם הם נמצאים בתוך הטווח הנורמלי, ולבטל את אותות רעש על ידי לחיצה על הסמל אפס.
  5. קלט רמת ההדק וקצב נתונים (2 MHz).
  6. לאתחל את התוכנה כדי להקליט פעם אחת ברמת ההדק הושגה.
  7. טען את סרגל החלוץ סמוך לתא הלחץ. למלא את תא לחץ ללחץ רצוי.
    הערה: טווח הלחץ הטיפוסי הוא 5-25 psi.
  8. לאפס את מד מהירות לייזר על ידי לחיצה על הכפתור אפס ולהגדיר אותו כדי לקרוא את התואר הראשון החלוץr מהירות על ידי קביעת רצועת רפלקטור על הבר החלוץ מאחורי חיישני הלייזר.
  9. מניחים את חדר ריתוק המדגם כזה שזה לא לעכב את התנועה של אירוע ובר באו לידי ביטוי. מניחים את בר האירוע במגע עם בר מועבר.
  10. למטרות כיול, להפעיל מבחן (ללא מדגם) על ידי הפעלת מתג הדק לתא הלחץ בסרגל החלוץ.
  11. ברגע שהנתונים שנרכשו במחשב, לשמור ולנתח את נתוני מתח SHPB מד (שנדון בסעיף הבא) כדי להבטיח שהליך הבדיקה מתפקד כראוי.
  12. מניחים את המדגם הגלילי בין האירוע ובר משודרים ולאחר מכן סגור את תא כליאת מדגם.
    הערה: ודא שאין מראש אוויר מתבצע על המדגם.
  13. לבצע משימות 3.4-3.7 עם המדגם ממוקם בין האירוע ובר מועבר.
    הערה: ודא שאמצע המדגם זהה לאמצע הבר. לפני proceeding, גם לבדוק שהמדגם הוא לא דחוס, אבל נשאר באותו הגיאומטריה כחולץ בעבר.
  14. לאחר הבדיקה הושלמה, השתמש סניטרי חד פעמי מגבונים להסרת מדגם פסולת מהבר האירוע, בר מועבר, ומדגם קאמרי כליאה. השלך את כל הפסולת ומנגב בשקיות בטיחות ביולוגיות מסוכנות.
  15. לטהר את תא ברים וכליאת מדגם באמצעות פתרון ניקוי אתנול 70% ומגבונים סניטריים.

לאחר עיבוד 4. SHPB נתונים

  1. פתח את "תוכנת 19 דרג הגבוה MSU" לניתוח של גלי הופקינסון בר.
  2. בגין התוכנה על ידי בחינת חלון הגדרות ובחירה "מתח / דחיסה" האפשרות בלשונית המצב לבדיקת uniaxial. כמו כן, בחר "2 גאייג'ס" בגאייג'ס Tab ולחץ על "המשך".
  3. בחלון הראשי, בחר בכרטיסיית קובץ 1 להרחיב, ולנווט לנתונים גל אירוע משיא מד לחץ על incideבר NT. בחר את קובץ 2 Tab הפתוח ליבוא שיא מד מתח בר מועבר.
  4. בחר בכרטיסיית הפרמטרים בחלון הראשי וקלט הפרמטרים הפיזיים של התקנת הבדיקה כולל: ממדי בר, ​​מתח להתאמץ גורמים, עמדות מד מתח, וקבועים פיזור viscoelastic. לחץ על "המשך".
  5. לאחר מכן בחרו בכרטיסיית נתונים בחרו בחלון הראשי ולהשתמש בברי הסמן כדי להפחית את בסיס הנתונים לרק את כמות הנתונים המכילים את התקרית, בא לידי ביטוי, ומועבר גלים. לחץ על "המשך".
  6. לאחר מכן בחר בכרטיסיית הגלים בחר בחלון הראשי ולהשתמש בברי הסמן להגביל גל האירוע בתקרית גל הגרף, הגל משתקף בגרף הגל משתקף, והגל המשודר בגרף הגל המשודר. לחץ על "המשך".
  7. לאחר מכן, בחר בכרטיסיית תיקון בחלון הראשי כדי לאפשר לתוכנה כדי לתקן את פיזור viscoelastic 20-21.
  8. לאw בחר בכרטיסיית Shift בחלון הראשי. בגרף הגל, להשתמש בסמן כדי לגרור את האירוע, באו לידי ביטוי, ומועבר לגלים באותה העמדה ראשונית בזמן על ידי בחירת כל אחד בנפרד בגל בחר בכרטיסייה. הצג את כל הגלים בגרף נתונים. ברגע שסיים, לחץ על "המשך".
  9. בקובץ התוצאות, להציל את העומס, עקירה, עמדה, ומהירות, פרופילים ידי לחיצה על "שמירה בשם".
  10. השתמש בשיטות מקובלות בMicrosoft Excel (או כל תוכנת גיליון אלקטרוני אחרת) כדי לחשב את הלחץ נכון ומתח נכון באמצעות ממדי הדגימה נמדדו לפני מבחן הופקינסון בר.

דוגמנות 5. SHPB אלמנטים סופיים

  1. שימוש בתוכנה מסחרית אלמנטים סופיים (FE), ליצור מודל FE של התקנת SHPB.
    הערה: השתמש באותו גיאומטריות ותכונות חומר.
  2. הקצאת מהירות ראשונית למודל FE של בר החלוץ לאתחל הסימולציה FE.
    הערה: המהירותשל חלוץ בר צריך להתאים לזה שבניסוי SHPB לשיעור זן מסוים 9.
  3. ליצור מודל FE של התקנת SHPB ללא מדגם ממוקם בין האירוע וברים מועבר. הפעל את הסימולציה FE.
    הערה: מהירות בר החלוץ מדומה צריכה להתאים את מהירות בר חלוץ הניסיונית בתנאי "לא-מדגם". הקצאת תכונות חומר נתון בטבלה 1 לברי פולימרים.
  4. ודא אם מדידות מד מתח (כתם לעומת זמן) בניסוי וסימולציה FE הן בהסכם טוב.
  5. לשלב המדגם ביולוגי למודל FE של התקנת SHPB. הקצה את היישום תלת-ממדי (בפורמט קובץ vumat 22) של מודל חומר ISV למדגם ביולוגי 11.
  6. לבצע מחקר עידון רשת באמצעות שלושה גדלי רשת שונים ולאחר מכן לנתח את התוצאות כדי לקבוע אם הפתרונות להתכנס.
    הערה: הרשתגודל מתאים למספר הכולל של משושה ו / או אלמנטי tetrahedral המרכיב את מודל FE. בחר את דגם FE עם גודל הרשת הנמוך ביותר שמתכנס לאחר סימולציות נוספות 9.
  7. לנהל את כיול מודל שני שלבי FE. בשלב הראשון, להעלות את נתוני ניסוי לחד-ממדי ליישם מודל חומר ISV.
  8. כייל את עקומת מתח-כתם האמיתית של הניסוי עם עקומת מתח מתח האמיתית של המודל על ידי התאמת הפרמטרים של מודל חומר ISV (ראה טבלה 1).
    הערה: חזרות נוספות יש צורך כי נתוני SHPB הניסיוניים הוא תלת-ממדיים בטבע ואילו מודל החומר הוא חד-ממדי.
  9. הקצאה קבוע חומר ISV למדגם ביולוגי במודל FE של התקנת SHPB.
  10. הפעל את הסימולציה FE עם מהירות בר חלוץ ושיעור מתח עיוות מדגם מתאים לבדיקות SHPB באותו שיעור המתח.
  11. Compaמחדש מדידות מד מתח מניסוי וסימולציה FE להסכם טוב (מתח לעומת זמן).
    הערה: אם יש הסכם טוב בין סימולציות FE וערכי מד מתח ניסוי, להמשיך לשלב השני של תהליך כיול מודל. אם לא, לחזור על משימות 5.7-5.11.
  12. בשלב השני של כיול מודל FE, להפעיל את SHPB נתוני מד מתח הסימולציה FE להתנסות בתוכנה שלאחר עיבוד, תוכנת MSU שיעור הגבוה 19-21.
    הערה: אם תגובת מתח מתח האמיתית מדומה משווה לתגובת מתח מתח האמיתית הניסיונית, אז כיול מודל שני שלבי FE הושלם. אם לא, לחזור על משימות 5.7-5.12.
  13. בצע ממוצע נפח של כיוון הטעינה (Σ 33) מתח לאורך אלמנטי האמצע של מדגם FE המודל.
    הערה: אם הלחץ הזה הוא בהסכם טוב עם עקומת מתח מתח של תוצאת מודל חומר חד-ממדי ISV, אז התוצאות שהושגו באמצעות משימות 5.7-5.12 מכוילים באופן מלא. אם לא, לחזור על משימות 5.7-5.13. תגובת מתח מתח האמיתית שנתפסו באמצעות היישום חד-ממדי של מודל חומר ISV מייצגת את תגובת מתח מתח האמיתית uniaxial של חומר ביולוגי שנבדק בהתקנת SHPB.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

היעילות של המתודולוגיה בשילוב מודגמת באיור 3. הנה תגובת מתח מתח הניסיונית SHPB למוח היא במצב מתח נמוך (עם מתח שיא של 0.32 MPA) בהשוואה למצב הלחץ של החומר חד-ממדי סימולטור נקודה (עם ערך שיא של 0.74 MPA), שהוא דומה לקו מרכז מדגם FE הממוצע (אלמנט). זאת בשל האופי של עיוות שתערוכת ביו-חומרים רכים. בגלל שיעורי הזן הם גבוהים, ומהירות הגל ועוצמתו של החומר הביולוגי היא נמוכה, התפשטות גל האינרציה ומתח בעיוות לא אחידה ביקוש חומר. תופעה זו היא הגדול ביותר בקצות המדגם ולפחות במרכז. בגלל דגימות צילינדרים, המרכז של הדגימה לא יכול לעקור הרחבת רדיאלי לא אחידה בניגוד לקצוות. לכן, לאחר פרק זמן מסוים, האמצע המדגם יכול להיות מקורב באופן הדוק כuniaxial.

אף אוזן גרון "> בשל התצפית של האמצע המדגם מציג עיוות uniaxial אחרי כמה ראשוני" טבעת-עד "זמן, FEA לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לחלץ את נתוני האמצע, הדבר שאינו אפשרי להתקנה הניסיונית כדי ללכוד. הנה" הטבעת למעלה עד הסוף "זמן הוא הטווח הזמן בשלב הראשוני של בדיקת SHPB כאשר שיווי משקל מתח מדינה מושגת. כדי לעשות זאת, מדי עיבור FEA הווירטואלי לעומת מדי העיבור הניסיוני, וקבועי חומר מגוונים עד הסכם טוב הוא הגיע. טבלה 2 נותנת קבועי חומר נציג למוח שהושג באמצעות מתודולוגיה הסימולציה SHPB ניסוי-FE שילוב. יתר על כן, איור 4 מראה כי עקומת מתח מתח האמיתי הניסיונית SHPB בעצם מודדת את השמורה הראשונה של לחץ, ולא טעינת uniaxial -direction התנהגות מתח מתח. בעוד שרוב מחקרים אחרים 12-18 פשוט להציג את תוצאות הניסוי, איור3 מראה כי ייצוג כזה של התגובה המכנית של חומר ביולוגי היה לזלזל בתגובת uniaxial, שהוא רלוונטי לסימולציה דוגמנות FE של בעיות ערך גבול עולם האמיתי (BVPs). לפיכך, שימוש בתוצאה הניסיונית SHPB לבד יהיה שגויה אם זה לא בשילוב עם מודלים FE-סוג להעריך את התנהגות uniaxial.

איור 1
איור 1:. סקירה של בר לחץ פולימר פיצול-הופקינסון המותאם אישית (SHPB) משמשת לבדיקת דגימות מוח חזיריות נתון זה שונה מPrabhu et al, 2011 9..

איור 2
איור 2: חילוץ לדוגמה מ( <לאחר מות 3 שעות) טרי מ() מוח חזירי, ו(ב) חילוץ מדגם באמצעות קוטר פנימי 30 מ"מ למות בכיוון מעולה-נחות. נתון זה שונה מPrabhu et al., 2011 9.

איור 3
איור 3:. השוואה של 33 Σ לניסוי, שגרתי MATLAB התאמה (סימולטור נקודת חומר), FE הדגימה נתונים ממוצע ואמצעי מתח FE דרך DAVID Viscoelastic, ב 750 שניות -1 להקות השגיאה באירוע הניסיוני / משתקפות גלים ייצגו חוסר ודאות. נתון זה שונה מPrabhu et al., 2011 9.

איור 4
איור 4: מגרשים של אלמנט סימולציה סופית (FE) Σ מיזס, 11 Σ, 22 Σ,31; 33, 12 Σ, Σ 23, לחץ (הראשונה קבוע של מתח) ו -13 Σ וניסוי בעיוות למדגם גלילי, ב 750 שניות -1. כאן לחצי דחיסה הם שליליים. נתון זה שונה מPrabhu et al., 2011 9.

איור 5
איור 5:. סכמטי של התקנת בר לחץ הפיצול-הופקינסון פולימרים (SHPB) נתון זה שונה מPrabhu et al, 2011 9..

איור 6
איור 6: סכמטי של (א) הניסיון להגדיר עבור בדיקות SHPB ו- (ב) סימולציה מודל FE יחד עם תקריב של בר-משתקף האירוע (ג)ממשק. סימולציה מודל זה FE בוצעה ללא כל מדגם. מודל FE דעיכת מקדמי α R ו- R β לסימולציות נשמר על 3.0 ו -1.2.

איור 7
איור 7:. השוואה של ניסוי והאלמנטים סופיים (FE) Σ הסימולציה 33 לדחיסת מדגם המוח חזירית, בסימולצית 6.5 msec -1 FE σ 33 חושבו על ידי פוסט עיבוד מדידות מתח מסימולצית FE באמצעות תוכנת שיעור מתח הגבוה MSU.

איור 8
איור 8: סכמטי של (א) אלמנטים סופיים (FE) שהוקמו לבר לחץ פיצול-הופקינסון בדיקות (SHPB), (ב) ממדי מדגם FE סימולציה,עם מדגם, ו- (ג) סקירה של התקנת SHPB עם מדגם. מודל FE דעיכת מקדמי α R ו- R β לסימולציות נשמר על 3.0 ו -1.2. נתון זה שונה מPrabhu et al., 2011 9.

איור 9
איור 9: סכמטי של המתאם הכפול של תגובות מתח מתח האמיתיות של חומרים רכים-ביולוגיים לניסוי SHPB וסימולציה FE.

איור 10
איור 10. השוואה של אירוע (א) ובאו לידי ביטוי מדידות מתח בבר לחץ פיצול-הופקינסון (SHPB), לניסוי ואנליזת אלמנטים סופי (FEA), ו- (ב) ניסוי SHPB וFinitדואר האלמנט (FE) Σ הסימולציה 33 לדחיסת מדגם מוח חזירי ב 750 שניות -1. Σ הסימולציה FE 33 חושבו על ידי פוסט עיבוד מדידות מתח מסימולצית FE באמצעות תוכנת DAVID Viscoelastic. להקות השגיאה באירוע הניסיוני / גלים משתקפים ייצגו חוסר ודאות. נתון זה שונה מPrabhu et al., 2011 9.

טבלת 1

טבלה 2

טבלת 1:. סיכום של המשתנים ומשוואות מודל לMSU TP 1.1 טבלה זו שונה מPrabhu et al, 2011 9 וובאר et al, 2010 11...

דגם קבועים ערכים
μ (MPA) 25.00
K (MPA) 12,492.00
γ VO (סעיף -1) 100000.00
מ ' 1.00
o Y (MPA) 8.20
p α 0
λ L 5.00
μ R 0.05
R S1 1.40
o h 47.21
x o 1 0.75
x * ישב 0.01
x * o 1.20
g o 0.30
κ C 1 (MPA) 0.40
1 שעות 0
דואר o s2 0
הדואר ישב s2 0.40
C κ 2 (MPA) 0

טבלה 2: ערכיםשל קבועי חומר לחומר מוח באמצעות MSU TP מודל 1.1 Viscoplasticity. טבלה זו שונה מPrabhu et al., 2011 9.

חלוץ בר בר אירוע בר מועבר
חומר מוט 1-1 / 2 "פוליקרבונט (PC) * מוט 1-1 / 2 "פוליקרבונט (PC) * מוט 1-1 / 2 "פוליקרבונט (PC) *
צפיפות (קילוגרם / מ 3) 1.220 × 10 3 1.220 × 10 3 1.220 × 10 3
קוטר (מ ') 1.285 × 10 -3 3.810 × 10 -2 3.810 × 10 -3
אורך (מ ') 7.620 × 10 -1 2.438 1.219

* מוט "1-1 / 2 מקמאסטר-קאר TM (מקמאסטר-קאר TM, שיקגו, אילינוי, ארה"ב).

טבלה 3:. תכונות מידות וחומר של הברים פולימרים המשמשים בבר לחץ הפיצול-הופקינסון התקנה (SHPB) בלוח זה שונה מPrabhu et al, 2011 9..

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המתודולוגיה דיווחה כי זוגות ניסוי SHPB ודוגמנות FE של SHPB מציעים רומן וטכניקה ייחודית כדי להעריך את תגובת uniaxial האמיתית מתח מתח של חומר ביולוגי בשיעורי זן גבוהים. כדי להשיג תכונות מכאניות פנימיות לרקמת הילידים, יש להקפיד לשמור את הדגימה ביולוגי בין 5.56-7.22 מעלות צלזיוס לפני בדיקת SHPB. אם הדגימה היא מקוררת מתחת 5.56 מעלות צלזיוס, מים הנוכחיים ברקמה מתחיל להתגבש לקרח ולאחר מכן משנה את התכונות מכאניות של הרקמות. בעוד חוקרים אחרים 15-18 קפאו המדגם למטרות שימור משפלה מכאנית, התוצאות שהתקבלו ממנו מהתשואה בדיקות SHPB משמעותי תגובות מכאניות שונות. יתר על כן, דו"ח של ואן אה ומאיירס 23 הראה כי ביו-חומרים רכים נבדקו תוך 5 שעות שלאחר המוות נתן את תוצאות הניסוי הטובות ביותר. בנוסף, פתרון PBS נבחר לרח 'דגימות ביולוגי עפרות ודגימות גליליות כי osmolarity וריכוז יון דומים לנוזלים ביולוגיים 9.

בהתבסס על העבודה על ידי גריי ו -24 בלומנטל במדריך ASM על בדיקות שיעור מתח גבוה של חומרים רכים, יחס גובה-רוחב מדגם אופטימלי, או יחס של עובי מדגם לקוטר, היה נחוש בדעתו להיות 0.5 או פחות, תלוי בסוג של הוויה ביולוגי נבדק (מוח חזירי, כבד, גיד או שומן). אפור ו -24 בלומנטל שנצפו במחקרם כי דגימות עם יותר יחס ממדים מ -0.5 לא להכיל את שיווי משקל הכוח הדינמי במהלך בדיקת SHPB. חילוץ מדגם החל באמצעות למות נירוסטה לנתח את החומר הביולוגי בכיוון מעולה-נחות כדי ליצור פיסה ארוכה, גלילית של חומר ביולוגי. אזמל כירורגי שימש אז לחתוך 15 מ"מ דגימות עבות מהגליל הארוך, מניב דגימות בדיקה גלילית מרובות (איור 2). המדגםהקרוב ביותר לצד העליון של הדגימה היה בדרך כלל מאופיין בקווי המתאר של איבר משטח (משטח מעולה או עליון). לדוגמא, כאשר דגימת מוח הייתה גזור sulci המוח וgyri אפיין את המשטח העליון. כאן טיפול נלקח על מנת להבטיח את השטיחות של פני השטח, אשר התקבל על ידי חריטה על פני השטח "אחידים" מעולים עם אזמל כירורגי. באופן כללי, וריאציות העובי 'הדגימות היו פחות מ -0.5 מ"מ, שהגיע ל -3% מעובי המדגם הממוצע. הדגימות הונחו לי עובי אחיד כווריאציה בעובי הייתה פחות מ -3%. רכש של ביו-חומרים הושלם בתחת 1 שעה, וכל בדיקות SHPB בוצעו בתחת 4 שעות לאחר הקרבה.

נתוני לחץ-גל SHPB נרשמו דרך סדרה של מדי עיבור המודבק לאירוע ובר מועבר. התקנת הבדיקה המתוארת כאן השתמשה במוטות פולימרים במקום traditמוטות מתכת ional, כמו אלה נצפו לייצר רצפת רעש נמוכה יותר 25. רשימה מפורטת של חומרים והממדים 'הברים פולימרי SHPB מוצגת בטבלה 3. לפני הניתוח ביולוגי, מנגנון SHPB היה מכויל ואומת באמצעות סדרה של ניסויים "אין מדגם". ניסויים אלה שימשו כדי לאמת את התפקוד התקין של האירוע ומדי עיבור בר משודר ולהעריך כל רעש או הפרעות שהוצג על ידי תרמילי המתכת, מדי עיבור, או מערכת DAQ. SHPB תפקד על ידי שחרור דחוס חנקן באמצעות מפעיל פנאומטי להאיץ את בר החלוץ במהירות. בר החלוץ אז השפיע על הבר האירוע, וגל לחץ הדחיסה נוצר על ידי השפעה זו מופץ באמצעות סרגל האירוע. כאשר גל המתח הגיע לסוף שורת האירוע, האנרגיה הקינטית הקשורות פוצלה עם חלק מתבטא כגל מתח מתיחה משתקף בinciבר שקע, והאנרגיה שנותרה לידי ביטוי כגל לחץ דחיסה הועבר לאמצעי התקשורת שלאחר מכן. בהגדרת בדיקת דגימה, גל הדחיסה נסע לדגימה ולאחר מכן בשורת מועברת בעת הבדיקה "אין מדגם" אפשרה לגל הדחיסה להעביר ישירות מהאירוע לבר מועבר. גלי הלחץ נרשמו כאן מיוצרים לחצים שונים בתוך הבר אירוע, המדגם, ומועברים בר, והלחצים האלה שימשו כתנאי גבול להדמיית מגוון של שיעורי זן שנצפו בניסויי SHPB.

דוגמנות FE של בדיקות SHPB נדרשת שני שלבים באופן דומה לאימות המנגנון הניסיונית. מודל FE של המנגנון עצמו היה מכויל ל" אין מדגם "מקרה (איור 6) שבו כל שלושת הברים פולימרים חולקו תכונות חומר אלסטי עם מודול של צעיר של 2,391 מגפ"ס ומקדם פואסון של 0.36. ב<strong> איור 6, Z- הציר השלילי מציין את הכיוון של טעינה עם σ 33 המציין את לחץ הדחיסה המתאים. כיול זה הבטיח שברי פולימרים בעל תכונות חומר מתאימות וכי מדידות מד מתח במודל FE היו דומות לתוצאות מ" אין מדגם "המקרה (איור 7). לאחר מודל FE של המנגנון קבל תוקף, המדגם ביולוגי נוסף והמקרה "מדגם" מבחן היה נתון לכיול, אימות, ותהליך אימות (איור 7). ההתאמה של גודל האלמנט ברשת שלנו (אימות מודל FE) נבדקה באמצעות גישת התכנסות רשת. משתלב באותה הגיאומטריה נבנו עם סדרה של אלמנטים קטנים יותר ויותר; משתלב נע בגודל מ 4703 ל3111000 אלמנטים כולל. מחקר זה מצביע על כך שהתכנסות משתלב אלמנטים של 12,000 או יותר סיפק תוצאות דומות, ובכך מייצגיםסף המינימום של התכנסות. מחקר זה משמש גם מודל חומר (MSU TP Ver. 1.1) מסוגל לתאר את התנהגויות חומר המורכבות הוצגו על ידי ביו-חומרים באופן כללי. כאן, מודל החומר לוכד את תגובות viscoelastic-viscoplastic של חומרים אמורפיים יחד עם השפעות ההיסטוריה ותלות שיעור מתח, אשר נמצא כעת בשימוש כדי לתאר את התגובות של חומר המוח 9 וכבד 26. התגובות הגמישות וקשיחות אופיינו באמצעות מערכת של יחסים מכוננים מסוכמים בטבלה 1. משוואות אלה אפשרו למודל להביע וליישב טווח קצר התנהגות הקשורים לתגובה דינמית או מיידית חומר, כמו גם התנהגות לטווח ארוך הקשורים במתמיד תגובות חומר מדינה. המודל גם מספק את היכולת לכלול השפעות היסטוריה הקשורים לשינויים במייקרו ביולוגי באמצעות ספקי תוכנה עצמאיים.

מודל FE היה calibratאד באמצעות סדרה של צעדים (איור 9). נתוני ניסוי SHPB שימשו לכיול המודל המכונן ISV באמצעות סימולטור נקודה מהותי. לאחר מכן, את נתוני מד מתח הניסיוניים וFEA היו שניהם נבדקו עד הסכם טוב אושר (איור 9). בשלב הבא, מדידות מד מתח מבדיקות SHPB וסימולציות FE הושוו (איור 10). מתאמים הושגו בקביעת מדידות מד מתח ממערכת SHPB והתגובה המכנית של המדגם. יש לציין, כי במהלך כיול סימולטור נקודת החומר הניב מדינת מתח חד-ממדית תוך שני ניסויים וסימולציות SHPB FE הניבו מדינת מתח תלת-ממדית. מדינות המתח משתנות מיוצרות הבדלים מקביל בσ 33 (איור 10). קבועי המודל המהותיים מותאמים עד σ 33 מבדיקות SHPB תאם את σ 33 מsimul FEations. כאן התהליך של אופטימיזציה בוצע iteratively עד תוצאות מד מתח הניסיוניות וFE היו בהסכם טוב יחד עם מדינות המתח תלת ממדים מתקבלות על ידי עיבוד נתונים מד מתח הניסיוני וFEA באמצעות תוכנת שיעור גבוה MSU. בנוסף, אופטימיזציה איטרטיבי נערכה גם כאלה שסימולטור נקודת חומר חד-ממדי וFE חד-ממדי הדגימה σ האמצע 33 גם היה בהסכם טוב.

מתח מתח שהושגה באמצעות סימולטור נקודת חומר ההתנהגות נכונה וכתוצאה מכך חד-ממדית ולאחר מכן מייצגת את התגובה שוות ערך uniaxial האמיתית מתח מתח לחומר ביולוגי שהושג באמצעות בדיקות SHPB בשיעורי זן גבוהים. לסיכום, המתודולוגיה שהוזכר לעיל נותנת דרך יעילה כדי לחלץ את התוצאה הניסיונית uniaxial באמצעות כלי הסימולציה FE. הסימולציה SHPB ניסוי-FE שילוב בהירויות גם להקל בדבר theories על השפעות אינרציה ידי מראה כי הרבה מתגובת מתח המתח היה מהותי לחומר ביולוגי. לבסוף, את ההשפעות של שינויי גיאומטריה מדגם (הגלילית מול טבעתי) נצפו להיות השפעה מינימאלית בשלילת השפעת האינרציה שנקרא, שנסע "ספייק הראשוני." השימוש במתודולוגיה זו מוגבלת לביו-חומרים רכים וזמן רב. בנוסף, הצימוד של ניסוי SHPB ומודל SHPB FE עם מודל חומר ISV הוא מורכב. עם זאת, היתרון העיקרי של שיטה זו הוא שקבועי חומר וכתוצאה מכך ומודל ISV יכולים לשמש להדמיית תרחישי פגיעה מכאניות מגוונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים בזאת, כי אין ניגוד עניינים עם כל קשור לפרסום זה החומר.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus. J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).
  2. Aubry, M. 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).
  3. Born, C. T. Blast trauma: the fourth weapon of mass destruction. Scand J Surg. 94 (4), 279-285 (2005).
  4. Cullis, I. G. Blast waves and how they interact with structures. J R Army Med Corps. 147, 16-26 (2001).
  5. 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).
  6. Usmani, Z. Intelligent Agents in Extreme Conditions – Modeling and Simulation of Suicide Bombing for Risk Assessment. Web Intelligence and Intelligent Agents. , (2010).
  7. Guskiewicz, K. M. Cumulative effects associated with recurrent concussion in collegiate football players the NCAA Concussion Study. JAMA. 290 (19), 2549-2555 (2003).
  8. Finkelstein, E., Corso, P., Miller, T. The Incidence and Economic Burden of Injuries in the United States. , Oxford University Press. New York (NY). (2006).
  9. 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).
  10. Horstemeyer, M. F. Integrated Computational Materials Engineering (ICME): Using Multiscale Modeling to Invigorate Engineering Design with Science. , Wiley Press. (2012).
  11. Bouvard, J. L. A general inelastic internal state variable model for amorphous glassy polymers. Acta Mechanica. 213, 1-2 (2010).
  12. Kenner, V. H., Goldsmith, W. Impact on a simple physical model of the head. J Biomech. 6 (1), 1-11 (1973).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Prevost, T. P., Balakrishnan, A., Suresh, S., Socrate, S. Biomechnics of brain tissue. Acta Biomater. 7 (1), 83-95 (2011).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Song, B., Chen, W., Ge, Y., Weerasooriya, Y. Dynamic and quasi-static compressive response of porcine muscle. J Biomech. 40 (13), 2999-3005 (2007).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. MSU TP Ver 1.1.. , Available from: https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip (2014).
  23. Gray, G. T., Blumenthal, W. R. ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation. 8, ASM International. 488-496 (2000).
  24. Dharan, C. K. H., Hauser, F. E. Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates. Exp. Mech. 10 (9), 370-376 (1970).
  25. 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).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 99 בר לחץ הפיצול-הופקינסון שיעור מתח גבוה אלמנטים סופיים דוגמנות ניסויים דינמיים רך Biomaterials, דוגמנות משתנה פנימי מדינה מוח כבד גיד שומן
ניסוי-סופי יחד אלמנט דוגמנות מתודולוגיה להערכת הזנים שיעור גבוהים מכאנית תגובה של Biomaterials רך
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Prabhu, R., Whittington, W. R.,… More

Prabhu, R., Whittington, W. R., Patnaik, S. S., Mao, Y., Begonia, M. T., Williams, L. N., Liao, J., Horstemeyer, M. F. A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials. J. Vis. Exp. (99), e51545, doi:10.3791/51545 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter