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Bioengineering

शीतल बायोमैटिरियल्स उच्च तनाव दर यांत्रिक प्रतिक्रिया के मूल्यांकन के लिए एक युग्मित-प्रयोग परिमित तत्व मॉडलिंग क्रियाविधि

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

वर्तमान अध्ययन नरम biomaterials (मस्तिष्क, जिगर, पट्टा, वसा, आदि) का अक्षीय गतिशील यांत्रिक प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए एक युग्मित प्रयोग-परिमित तत्व सिमुलेशन पद्धति निर्धारित करता है। क्योंकि नमूना की उठी कि multiaxial प्रयोगात्मक परिणामों biomaterial के परिमित तत्व विश्लेषण के चलने का अनुकूलन के माध्यम से नकली जब एक अक्षीय सच तनाव तनाव व्यवहार करने के लिए प्रदान किया गया विभाजन Hopkinson बार दबाव परीक्षण से प्राप्त उभड़ा।

Abstract

इस अध्ययन में उच्च तनाव दरों के संपर्क में जब मुलायम biomaterials के (जैसे मस्तिष्क, जिगर, पट्टा, वसा, आदि) के यांत्रिक व्यवहार की जांच के लिए एक संयुक्त प्रयोगात्मक और परिमित तत्व (Fe) सिमुलेशन दृष्टिकोण प्रदान करता है। इस अध्ययन में 100-1,500 सेकंड के तनाव दरों उत्पन्न करने के लिए एक विभाजन Hopkinson बार दबाव (SHPB) का उपयोग -1। SHPB एक viscoelastic सामग्री (पॉली कार्बोनेट) से मिलकर एक स्ट्राइकर बार कार्यरत हैं। Biomaterial का एक नमूना पोस्टमार्टम के लिए शीघ्र ही प्राप्त की है और SHPB परीक्षण के लिए तैयार किया गया था। नमूना घटना और प्रेषित सलाखों के बीच interposed गया था, और SHPB की वायवीय घटकों घटना पट्टी की ओर स्ट्राइकर बार ड्राइव करने के लिए सक्रिय थे। जिसके परिणामस्वरूप प्रभाव घटना बार के माध्यम से कूच कि एक compressive तनाव लहर (यानी घटना लहर) उत्पन्न। Compressive तनाव लहर घटना बार के अंत पर पहुंच गया, जब एक हिस्से का नमूना के माध्यम से आगे जारी रखा और (मैं बार प्रेषित.e। प्रेषित की लहर) दूसरे भाग एक तन्य लहर के रूप में घटना बार के माध्यम से उलट है, जबकि (आईई) लहर परिलक्षित। इन तरंगों को घटना और प्रेषित सलाखों पर घुड़सवार तनाव gages का उपयोग करके मापा गया था। नमूना का सच तनाव तनाव व्यवहार लहर प्रसार और गतिशील बल संतुलन के आधार पर समीकरणों से निर्धारित किया गया था। नमूना bulged क्योंकि प्रयोगात्मक तनाव तनाव प्रतिक्रिया प्रकृति में तीन आयामी था। जैसे, हीड्रास्टाटिक तनाव (पहली अपरिवर्तनीय) तनाव तनाव प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। ऊतक के अक्षीय (एक आयामी) मैकेनिकल प्रतिक्रिया निकालने के लिए आदेश में, चलने का एक युग्मित अनुकूलन प्रयोगात्मक परिणामों और ऊतक के लिए इस्तेमाल एक आंतरिक स्थिति चर (ISV) सामग्री मॉडल जिसमें परिमित तत्व विश्लेषण (FEA), का उपयोग करते हुए प्रदर्शन किया था। प्रयोगात्मक स्थापना के एफई सिमुलेशन में प्रयोग किया जाता है ISV सामग्री मॉडल iteratively प्रयोगात्मक डेटा इस तरह था करने के लिए (यानी अनुकूलित) calibrated किया गया थाप्रयोग और FEA तनाव बीड़ा मूल्यों और तनावों के पहले अपरिवर्तनीय T अच्छा समझौते में थे।

Introduction

प्रेरणा

युग्मित स्प्लिट के कार्डिनल लक्ष्य - Hopkinson बार दबाव (SHPB) प्रयोग / (जैसे मस्तिष्क, जिगर, पट्टा, वसा, के रूप में) नरम biomaterials के परिमित तत्व मॉडलिंग मानव शरीर Fe में आगे कार्यान्वयन के लिए उनके अक्षीय यांत्रिक व्यवहार को निकालने के लिए किया गया था हानिकारक यांत्रिक लोड के तहत सिमुलेशन। मानव शरीर सीमित तत्व (Fe) मॉडल एक विस्तृत मानव शरीर की जाली और विभिन्न मानव अंगों के लिए एक इतिहास निर्भर multiscale viscoelastic-viscoplastic आंतरिक स्थिति चर (ISV) सामग्री मॉडल के होते हैं। यह मानव शरीर मॉडल अभिनव सुरक्षात्मक गियर डिजाइन करने के लिए, और निवासी केंद्रित वाहनों से होने वाले डिजाइन सक्षम करने के लिए, चोट के संरक्षण के लिए बेहतर मानकों के निर्माण के लिए एक ढांचे के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

विस्फोटक विस्फोट और कुंद प्रभाव: उच्च दर की चोट के दो तरीके व्यापक रूप से मानव आघात में मनाया गया है। विस्फोटक हथियार से ब्लास्ट क्षति traumati का प्राथमिक स्रोत हैसी चोट (तिवारी) और युद्ध के मैदान पर 1 मौत का प्रमुख कारण है। विस्फोट करते हैं, तो इन विस्फोटकों बड़े और अचानक accelerations और विकृतियों का उत्पादन है कि एक जावक प्रचार सदमे की लहर के रूप में। जिसके परिणामस्वरूप भार उजागर उन लोगों के लिए गंभीर खतरे उत्पन्न। शरीर रचना विज्ञान के किसी भी हिस्से सदमे तरंगों से घायल किया जा सकता है, चिंता का प्रमुख क्षेत्रों (1) उसके पास जमीन के लिए निकटता, और (2) सिर की वजह से निचले छोर चोटों सामान्य मस्तिष्क समारोह और अस्तित्व 2 बाधित कर सकते हैं कर रहे हैं के बाद से 3। ये घायल चोट के प्रकार पर निर्भर करता है, प्राथमिक, माध्यमिक, या तृतीयक चोटों के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। एक विस्फोटक की ताकत अपने वजन या आकार, गतिरोध दूरी, सकारात्मक पल्स अवधि, और यह यात्रा के माध्यम से जो मध्यम के द्वारा होती है, क्योंकि यह पर्याप्त रूप से इन चोटों 3-6 वर्गीकृत करने के लिए मुश्किल हो सकता है। कांग्रेस की रिपोर्ट के सैन्य कर्मियों विस्फोटक की वजह से लगभग 179,000 दर्दनाक चोटों का सामना करना पड़ा है कि संकेत मिलता हैहथियार और वाहन के कारण प्रकृति के लिए मार्च 2010 2 के माध्यम से इराक और 2000 से अफगानिस्तान में दुर्घटनाओं। और आधुनिक लड़ाकू के स्थानों, सिर की चोटों सैन्य और नागरिकों 3 दोनों के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय हैं।

एक तरफ मुकाबला परिदृश्यों से, तिवारी मोटर वाहन आघात सहित कारणों की एक किस्म है; रोडियो, मोटर साइकिल और घरेलू दुर्घटनाओं; और खेल चोटों। उदाहरण के लिए, सुरक्षा उपकरण और प्रोटोकॉल के लिए सुधार के बावजूद, यंत्रवत् प्रेरित घाव मस्तिष्क चोट (TBI) लगभग 1.4 मिलियन TBI घटनाओं प्रत्येक की रिपोर्ट रोग नियंत्रण और रोकथाम के लिए अमेरिकी केंद्र (सीडीसी) में मृत्यु दर और आजीवन रुग्णता का एक प्रमुख स्रोत बना हुआ वर्ष, जिनमें से लगभग 50,000 घातक हैं। अमेरिकी फुटबॉल अकेले 300,000 से अधिक TBIs प्रत्येक वर्ष 7 के लिए खातों। ऐसी चोटों के बचे संवेदना, अनुभूति, और संचार से संबंधित लंबी अवधि के मस्तिष्क संबंधी जटिलताओं के लिए खतरा हैं। इस समय वहाँ लगभगइन पुरानी नुकसान और विकलांग के साथ रहने वाले 53 लाख अमेरिकियों। 2000-2010 प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष रूप से अमेरिका चिकित्सा लागत $ 60000000000 8 कुल। हालांकि, इन नंबरों गैर चिकित्सा लागत और नुकसान, या TBI रोगियों का समर्थन परिवारों और मित्रों द्वारा किए गए उन लोगों के लिए खाते में नहीं है। विशुद्ध रूप से आर्थिक विश्लेषण से परे, TBI प्रेरित विकलांगता परिवारों और समाज पर एक महत्वपूर्ण बोझ के रूप में प्रकट कर सकते हैं कि जीवन की गुणवत्ता में उल्लेखनीय कमी पैदा करता है।

तिवारी के गठन, लक्षण, और रोकथाम के आगे समझने के लिए की जरूरत स्पष्ट है। तिवारी अंतर्दृष्टि और तिवारी के लिए संभावित खतरा उन लोगों के लिए सुरक्षा सुविधाओं के जोखिम को कम करने या सुधार करने के लिए अवसर प्रदान करते हैं कि कारण अंतर्निहित तंत्र के biomechanical अध्ययन करता है। इसके अलावा, तिवारी गठन की सामान्य समझ की अधिक उन्नति में सुधार के परिणाम का बेहतर साधन के साथ तिवारी का इलाज चिकित्सा पेशेवरों, जो उपलब्ध कराने के निदान विधियों और मानदंडों में सुधार हो सकताs और बचत रहता है।

चोट तंत्र की एक बेहतर ज्ञान और चोट विकास के बायोमैकेनिक्स का एक बेहतर समझ मानव शरीर के लिए प्रभावी सुरक्षा उपायों को विकसित करने की जरूरत है। ऐतिहासिक रूप से, की भविष्यवाणी चोटों के उद्देश्य से सिमुलेशन कार्यरत कम्प्यूटेशनल प्रतिबंध के साथ-साथ शारीरिक की निष्ठा और सामग्री मॉडलों के द्वारा बाधा उत्पन्न किया गया है। पूरा शरीर सिमुलेशन शरीर के प्रत्येक हिस्से पर कुल भार पर ध्यान केंद्रित किया है, लेकिन आदि प्रत्येक अंग, मांसपेशियों, हड्डियों में स्थानीय तनाव, तनाव, और नुकसान, नहीं देखा गया है। उदाहरण के लिए, कंधे पल मॉडल एक विशेष परिदृश्य खतरनाक है या नहीं, यह निर्दिष्ट कि सारणीबद्ध मूल्यों के लिए खोज करने के लिए हाथ, भार, और लागू कोण के आयामों का उपयोग करें। कहा कि प्रकृति की एक गणना के त्वरित अनुमान के लिए उपयोगी है, लेकिन नुकसान और चोट आंतरिक रूप से स्थानीय कर रहे हैं, खासकर जब कंधे से हाथ से स्थानीय स्तर पर सभी तरह से क्या हो रहा है पर कब्जा नहीं कर सकते हैं। दूसरे, एफई एसimulations स्थानीय प्रतिक्रिया पर कब्जा करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। इन प्रयासों में सीमा FEA में ही किया गया है, लेकिन नहीं किया गया विस्फोट चोट लोड के तहत शरीर के प्रत्येक अंग के व्यवहार को परिभाषित सामग्री है कि मॉडल। इससे पहले कार्यरत सामग्री मॉडल सरल सामग्री से अनुकूलित कर रहे हैं और जैविक ऊतकों द्वारा प्रदर्शित जटिल यांत्रिक व्यवहार के असंख्य पर कब्जा करने का प्रयास नहीं किया है। इसलिए, मानव शरीर के अंगों के लिए ISV सामग्री मॉडलों के साथ उच्च निष्ठा कम्प्यूटेशनल मॉडल, टीआई के भौतिकी और बायोमैकेनिक्स जांच करने के लिए अभिनव सुरक्षात्मक गियर डिजाइन करने के लिए, और चोट मीट्रिक के लिए बेहतर मानकों को स्थापित करने के लिए सबसे यथार्थवादी तरीके से प्रतिनिधित्व करते हैं।

स्प्लिट-Hopkinson बार दबाव (SHPB) और आंतरिक स्थिति चर पर पृष्ठभूमि (ISV) सामग्री मॉडल

कारण मानव अंगों के vivo परीक्षण और व्यापक पैमाने पर मानव शव का परीक्षण के साथ जुड़े साजो मुद्दों, curr के साथ शामिल नैतिक मुद्दों के लिएईएनटी अनुसंधान प्रयास पशु surrogates से निकाले गए अंगों से तैयार नमूनों का उपयोग कर इन विट्रो में यांत्रिक प्रयोगों शामिल है (उदाहरण के लिए, एक सबसे अक्सर इस्तेमाल किराए के रूप में सुअर)। Polymeric SHPB उच्च तनाव दरों पर इन विट्रो परीक्षण नरम biomaterials के लिए पसंदीदा तरीका हो गया है। ऊतक के microstructural सुविधाओं से SHPB परीक्षण और इसी ऊतकों को नुकसान से संबंधित जानकारी से प्रासंगिक deformational व्यवहार अंग यांत्रिक विवरण 9-10 के लिए हमारे ISV सामग्री मॉडल में शामिल कर रहे हैं। इन सामग्री मॉडल तो विभिन्न चोटों के FEA संचालन करने के लिए हमारे आभासी मानव शरीर मॉडल में लागू कर रहे हैं। इस प्रक्रिया को सही ढंग से आगे भौतिक प्रयोग के लिए आवश्यकता के बिना एक विविध यांत्रिक लोड हो रहा शर्तों के तहत दिए गए अंग (जैसे विस्फोट प्रेरित, कार दुर्घटना और कुंद प्रभाव) के लिए एक चोट के भौतिक विज्ञान और प्रकृति की भविष्यवाणी करने के लक्ष्य की ओर ले जाने के लिए सक्षम बनाता है। सही रूप में टी वर्णन करने के लिए आदेश मेंवह मानव शरीर के एफई सिमुलेशन में इस्तेमाल किया biomaterials के, SHPB प्रयोगों मानव टीआई से संबंधित तनाव दरों पर गतिशील यांत्रिक प्रतिक्रियाएं प्राप्त करने के लिए biomaterials पर प्रदर्शन किया गया, यांत्रिक गुणों, विशेष रूप से उच्च स्तर पर तनाव-दर निर्भरता Phenomenological। उन्नत वाहनों से होने वाले सिस्टम के लिए केंद्र (Cavs), मिसिसिपी राज्य विश्वविद्यालय (MSU) में SHPB सेटअप का एक सिंहावलोकन चित्र 1 में प्रस्तुत किया है।

पिछले अध्ययनों SHPB परीक्षण यह 12-18 के साथ जुड़े तीन प्रमुख खामियां है कि पता चला है। पहला और सबसे महत्वपूर्ण एक एक प्रारंभिक कील के रूप में एक biomaterial नमूना के उच्च तनाव दर यांत्रिक प्रतिक्रिया में पता चलता है, जो सामग्री जड़त्वीय प्रभाव है। इस समस्या को दूर करने के लिए, पिछले अनुसंधान प्रयासों के आकार में cuboidal को आकार या कुंडलाकार में बेलनाकार से नमूना की ज्यामिति को संशोधित करने का सुझाव दिया। इस तरह के अध्ययन से परिणामी यांत्रिक व्यवहार से fro अलग थेनमूना की ज्यामिति लहर प्रसार, लहर बातचीत, और यांत्रिक प्रतिक्रिया प्रभावित क्योंकि मी एक दूसरे को। नमूना ज्यामिति के लिए संशोधन इस प्रकार का biomaterial के यांत्रिक प्रतिक्रिया (multiaxial और गैर वर्दी तनाव राज्य) की गलत निरूपण करने के लिए प्रेरित किया है। दूसरा प्रमुख दोष एक परीक्षण के दौरान गतिशील बल संतुलन बनाए रखने के लिए असमर्थता थी। शोधकर्ताओं का नमूना मोटाई करने वाली व्यास अनुपात को कम करने और / या परीक्षण करने से पहले ऊतक ठंड से इस मुद्दे overcame। कम करते हुए यह गुण सामग्री के रूप में बदल नमूना मोटाई करने वाली व्यास अनुपात की वजह से ऊतक में मौजूद पानी की क्रिस्टलीकरण के लिए परीक्षण प्रक्रिया ऊतक आगे जटिल ठंड, गतिशील बल संतुलन के मुद्दे को संबोधित किया। अध्ययन का एक नंबर के लिए पूरी तरह से ऊपर से बचने के लिए SHPB खामियों का उल्लेख किया और विभिन्न पशु मॉडल (चूहे, सूअर, आदि) में दबाव समय प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए झटका ट्यूबों का इस्तेमाल किया छोड़ दिया। हालांकि, इन एकimal मॉडल एफई सिमुलेशन में प्रयुक्त सामग्री मॉडलों के लिए आवश्यक एक आयामी अक्षीय तनाव तनाव व्यवहार नहीं देते। तीसरे दोष के कारण सामग्री कोमलता और नमूना में पानी की मात्रा की राशि के लिए क्योंकि barreling नमूना के एक आयामी तनाव तनाव परिणाम देने के लिए SHPB की विफलता थी।

इसलिए, SHPB उच्च तनाव दर डेटा जुटाने के लिए एक व्यवहार्य परीक्षण उपकरण प्रस्तुत करता है। नरम सामग्री के लिए, तथापि, SHPB हीड्रास्टाटिक दबाव से मुख्य रूप से एक तीन आयामी तनाव राज्य है कि उत्पादन उभड़ा लाती है, फिर भी एक आयामी तनाव तनाव डेटा वांछित है। हम अभी भी एक सामग्री मॉडल अंशांकन के लिए एक आयामी अक्षीय सच तनाव तनाव की अवस्था जुटाने के लिए SHPB उपयोग कर सकते हैं कि कैसे यहां दिखाने; हालांकि, एक अक्षीय सच तनाव तनाव की अवस्था प्राप्त करने की प्रक्रिया में शामिल जटिल है। इस प्रक्रिया को बहु-अक्षीय प्रयोगात्मक डेटा और फ़े सिमुलेशन परिणाम दोनों शामिल है, और इसके बारे में चलने का recalibration की आवश्यकता हैसामग्री मॉडल स्थिरांक। भी सामग्री बिंदु सिम्युलेटर के रूप में जाना जाता है MATLAB में ISV सामग्री मॉडल, की एक आयामी कार्यान्वयन अंशांकन के लिए एक आयामी प्रयोगात्मक डेटा की आवश्यकता है। तो, ISV सामग्री मॉडल एक व्यवस्थित अंशांकन प्रक्रिया का उपयोग कर अनुकूलित किया गया था। इधर, SHPB परीक्षण से प्रयोगात्मक डेटा लहर सिद्धांत तैयार करने और गतिशील बल संतुलन (MSU उच्च दर सॉफ्टवेयर) के संदर्भ में माना जाता था। झाओ एट अल द्वारा रिपोर्ट के रूप में, बहुलक SHPB, viscoelastic फैलाव समीकरणों के viscoelastic फैलाव के लिए खाते में करने के लिए। (2007), MSU उच्च दर सॉफ्टवेयर में लागू किया गया। viscoelastic फैलाव समीकरणों का परीक्षण करते समय गतिशील बल संतुलन सुनिश्चित करने में मदद की। दो प्रक्रियाओं दोनों से डेटा अच्छा समझौते में थे, वह यह है कि उचित रूप से संगत माना जाता था जब तक एक आयामी सामग्री बिंदु सिम्युलेटर तो एक जोड़ी-प्रयोग एफई मॉडलिंग पद्धति के संदर्भ में समायोजित किया गया। ये आंकड़े थेMATLAB सामग्री प्रतिक्रिया सिम्युलेटर (एक आयामी) मैकेनिकल प्रतिक्रिया और SHPB एफई मॉडल (आयामी एक) नमूना centerline के तनाव की तुलना द्वारा ISV मॉडल सामग्री स्थिरांक समायोजित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। यहाँ एफई मॉडल का नमूना तनाव घटक लहर लोड हो रहा है दिशा साथ था। तब एफई मॉडल नमूना के तीन आयामी व्यवहार iteratively एफई सिमुलेशन प्रदर्शन और प्रयोगात्मक सच तनाव तनाव की प्रतिक्रिया के साथ अच्छी तरह से सहसंबद्ध कि मात्रा औसतन लोड हो रहा है दिशा तनाव इतना ISV स्थिरांक का समायोजन करके calibrated किया गया था। इस प्रकार, प्रयोगात्मक डेटा, एफई परिणाम है, और एक आयामी ISV सामग्री मॉडल के बीच चलने का अनुकूलन की एक प्रक्रिया का आयोजन किया गया। तालिका 1 ISV सामग्री मॉडल (MSU टी.पी. देखें। 1.1) 11 के चर का एक सारांश देता है।

इस पद्धति के लिए सबसे महत्वपूर्ण तत्व biomaterial की एक आयामी यांत्रिक प्रतिक्रिया और इसकी सामग्री मानकों प्राप्त हैतनाव राज्य के गैर एकरूपता की SHPB परीक्षण के मुद्दों में गतिरोध उत्पन्न जो ISV सामग्री मॉडल, के लिए। यह भी जड़त्वीय प्रभाव से उत्पन्न होने वाली biomaterial की प्रारंभिक अरेखीय प्रतिक्रिया बाहर अलग और सामग्री के लिए स्वाभाविक है कि एक यांत्रिक प्रतिक्रिया प्रदान करता है। युग्मित कार्यप्रणाली भी नमूना ज्यामिति में एक परिवर्तन पूरी तरह से सीमा मान समस्या (BVP) और नमूना की लोडिंग दिशा सच तनाव तनाव है कि परिवर्तन दिखाया। जैसे, ऊपर उल्लेख किया कार्यप्रणाली हानिकारक यांत्रिक लोड के तहत मानव अंगों के उच्च तनाव दर व्यवहार का अनुकरण तो औजार और के लिए (phenomenological या microstructural आधारित) किसी भी सामग्री के मॉडल के साथ प्रयोग किया जा सकता है।

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Protocol

नोट: आचार वक्तव्य: वर्तमान काम संस्था के अनुसंधान नीति के लिए अद्वितीय है, और कड़ाई से विनियामक अनुपालन (ORC) के दिशा निर्देशों के उचित जैव-सुरक्षा और कार्यालय इस प्रकार है।

1. biomaterial नमूना खरीद

  1. प्रयोगशाला और / या संस्था के मानक जैव सुरक्षा प्रोटोकॉल के अनुसार व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण पहनें। सुअर का ऊतक और परीक्षण से निपटने जबकि बंद कर दिया पंजे जूते, लंबे पैंट, एक प्रयोगशाला कोट, सर्जिकल दस्ताने, एक सुरक्षात्मक मास्क, और सुरक्षा चश्मे पहनें।
  2. 1-2 घंटा पोस्टमार्टम के भीतर एक स्थानीय वधशाला से स्वस्थ सूअरों की सुअर का ऊतक (सिर, पेट, या हिंद पैर) प्राप्त करते हैं।
  3. Biohazard सुरक्षा बैग में सुअर का ऊतक की दुकान और फिर एक ठंडी कंटेनर (~ 5.56-7.22 डिग्री सेल्सियस) में उन्हें जगह है।
    नोट: सुअर का नमूना में तापमान 7.22 नीचे छोड़ नहीं करता है कि जांच करने के लिए एक थर्मामीटर का उपयोग सी।
  4. निकटतम प्रयोगशाला के लिए सुअर का ऊतक परिवहनविच्छेदन के लिए (मिसिसिपी स्टेट यूनिवर्सिटी में पशु चिकित्सा के कॉलेज में)।
  5. पशु चिकित्सा कॉलेज में एक पशु चिकित्सक की देखरेख में, शल्य चिकित्सा द्वारा सुअर का अंग (मस्तिष्क, जिगर, मांसपेशियों, वसा, या कण्डरा) निकालने और अस्थायी भंडारण (7.4 पीएच) के लिए फॉस्फेट बफर खारा (पीबीएस) से भरा कंटेनर में उन्हें जगह है।
  6. एक ठंडी कूलर (~ 5.56-7.22 डिग्री सेल्सियस) में पीबीएस कंटेनर स्टोर और तुरंत नमूना तैयार करने और SHPB परीक्षण के लिए परीक्षण की सुविधा के लिए उन्हें परिवहन।

2. biomaterial नमूना तैयार

  1. पीबीएस कंटेनर से सुअर का अंग निकालें और एक बाँझ सतह पर जगह है।
  2. नोट: प्रत्येक परीक्षण के नमूने के लिए प्राथमिक फाइबर अभिविन्यास और स्थानों की पहचान। सुअर का अंग से परीक्षण नमूना काटना एक बेलनाकार एक 30 मिमी भीतरी व्यास के साथ मरने का प्रयोग करें।
  3. परीक्षण के नमूने बेलनाकार मरने के अंदर अंकित किया जाता है, विच्छेदन के विपरीत अंत के माध्यम से पीबीएस इंजेक्षनउपकरण परीक्षण नमूना बरकरार बाहर स्लाइड करने के लिए अनुमति देने के लिए। बाँझ सतह का एक अलग क्षेत्र पर निकाले परीक्षण नमूना रखें।
  4. निर्धारित मोटाई और पहलू अनुपात करने के लिए नमूना ट्रिम करने के लिए एक स्केलपेल का प्रयोग करें।
    नोट: पहलू अनुपात (मोटाई / व्यास) 0.33-0.50 (चित्रा 2) है, जबकि सुअर का नमूनों की SHPB परीक्षण के लिए, मोटाई 10-15 मिमी है।
  5. तीन अलग-अलग स्थानों पर मोटाई और व्यास को मापने के लिए नली का व्यास का प्रयोग करें।
  6. SHPB डिवाइस के परीक्षण के लिए तैयार है जब तक ताजा पीबीएस के सभी परीक्षण के नमूने संग्रहित करें।
    नोट: नमूने वध के बाद 4 घंटे के भीतर जांच की जाती है कि सुनिश्चित करें।
  7. पार अनुभाग में त्रुटियों या विविधताओं चीरा के कारण बेलनाकार नहीं कर रहे हैं कि नमूने त्यागें। Biohazard सुरक्षा बैग में खारिज नमूने रखें। दोहराएँ अतिरिक्त परीक्षण के नमूने प्राप्त करने के लिए 2.2-2.6 कदम।

3. विभाजन Hopkinson बार दबाव परीक्षण

  1. मीटर में स्ट्राइकर बार, घटना बार, और प्रेषित बार रखेंSHPB परीक्षण के लिए etal stanchions।
    नोट: सलाखों के स्पर्श करने के लिए और अपने इंटरफेस एक दूसरे के साथ गठबंधन कर रहे हैं कि मुक्त बढ़ रहे हैं सुनिश्चित करें। सुरक्षा के लिए प्रेषित पट्टी के लिए एक डाट प्रदान करें।
  2. तनाव gages घटना का पालन किया और संकेत एम्पलीफायर को सलाखों प्रेषित कनेक्ट करें। संकेत कंडीशनिंग एम्पलीफायरों और DAQ मॉड्यूल कंप्यूटर पर बारी।
  3. हाई स्पीड डाटा कैप्चरिंग सॉफ्टवेयर प्रारंभ।
  4. वे सामान्य श्रेणी के भीतर झूठ अगर देखते हैं, और शून्य आइकन पर क्लिक करके शोर संकेतों उठा देना संकेतों का जीना कैप्चरिंग की जाँच करें।
  5. इनपुट ट्रिगर स्तर और डाटा दर (2 मेगाहर्ट्ज)।
  6. ट्रिगर स्तर हासिल किया गया है एक बार रिकॉर्ड करने के लिए सॉफ्टवेयर प्रारंभ।
  7. दबाव कक्ष के निकट स्ट्राइकर बार लोड करें। एक वांछित दबाव के दबाव चैम्बर भरें।
    नोट: ठेठ दबाव रेंज 5-25 साई है।
  8. शून्य बटन दबाकर लेजर गति मीटर बाहर शून्य और स्ट्राइकर बीए में पढ़ने के लिए यह सेटलेजर सेंसर के पीछे स्ट्राइकर पट्टी पर परावर्तक पट्टी की स्थापना द्वारा आर वेग।
  9. यह घटना और परिलक्षित बार के आंदोलन में बाधा नहीं है कि इस तरह के नमूना प्रसूति कक्ष रखें। प्रेषित पट्टी के साथ संपर्क में घटना पट्टी रखें।
  10. अंशांकन प्रयोजनों के लिए, स्ट्राइकर पट्टी पर दबाव चैम्बर के लिए ट्रिगर स्विच मोड़ से (एक नमूना) के बिना एक परीक्षण चला रहे हैं।
  11. डेटा कंप्यूटर में अधिग्रहण कर लिया है एक बार, बचाने के लिए और परीक्षण प्रक्रिया ठीक से कार्य कर रहा है यह सुनिश्चित करने के लिए (अगले भाग में चर्चा की जाती है) SHPB तनाव बीड़ा डेटा का विश्लेषण।
  12. घटना और प्रेषित पट्टी के बीच बेलनाकार नमूना प्लेस और फिर नमूना प्रसूति कक्ष को बंद करें।
    नोट: कोई पूर्व-कंडीशनिंग नमूना पर किया जाता है सुनिश्चित करें।
  13. घटना और प्रेषित बार के बीच रखा नमूने के साथ कार्य 3.4-3.7 प्रदर्शन करते हैं।
    नोट: नमूना centerline के बार centerline के रूप में एक ही है कि सुनिश्चित करें। Proceedi पहलेएनजी, भी नमूना संकुचित नहीं है, लेकिन पहले से निकाले के रूप में ही ज्यामिति में रहता है कि जाँच करें।
  14. परीक्षण के बाद पूरा हो गया, डिस्पोजेबल सेनेटरी घटना बार, प्रेषित बार, और नमूना प्रसूति कक्ष से नमूना मलबे को हटाने के पोंछे का उपयोग करें। सभी मलबे के निपटान और Biohazard सुरक्षा बैग में पोंछे।
  15. एक 70% इथेनॉल समाधान सफाई और स्वच्छता पोंछे का उपयोग कर सलाखों और नमूना प्रसूति कक्ष sanitize।

4. SHPB डाटा पोस्ट प्रसंस्करण

  1. Hopkinson बार लहरों के विश्लेषण के लिए "MSU उच्च दर सॉफ्टवेयर 19" खोलें।
  2. सेटिंग्स विंडो की जांच और अक्षीय परीक्षण के लिए विधि टैब में "तनाव / संपीड़न" विकल्प का चयन करके सॉफ्टवेयर शुरू करो। इसके अलावा, गेजिस टैब में "2 गेजिस" का चयन करें और क्लिक करें "जारी रखें।"
  3. मुख्य विंडो में, फ़ाइल खोलने 1 टैब का चयन करें, और incide पर तनाव बीड़ा रिकॉर्ड से इस घटना की लहर डेटा पर नेविगेटNT बार। प्रेषित बार तनाव बीड़ा रिकॉर्ड आयात करने के लिए खुली फ़ाइल 2 टैब चुनें।
  4. मुख्य विंडो में पैरामीटर्स टैब चुनें और इनपुट सहित परीक्षण स्थापना की शारीरिक मापदंडों: बार आयाम, वोल्टेज कारकों, तनाव बीड़ा पदों, और viscoelastic फैलाव स्थिरांक तनाव। "जारी रखें" क्लिक करें।
  5. तब मुख्य विंडो में चयन करें डेटा टैब का चयन करें और इस घटना से युक्त डेटा का ही राशि के लिए डाटासेट को कम करने के लिए कर्सर सलाखों के उपयोग, परिलक्षित होता है, और लहरों प्रेषित। "जारी रखें" क्लिक करें।
  6. तब मुख्य विंडो में चयन करें लहरें टैब का चयन करें और घटना लहर ग्राफ़, परिलक्षित लहर ग्राफ में परिलक्षित लहर और प्रेषित वेव ग्राफ में प्रेषित की लहर में घटना की लहर सीमित करने के लिए कर्सर सलाखों का उपयोग करें। "जारी रखें" क्लिक करें।
  7. उसके बाद, सॉफ्टवेयर viscoelastic फैलाव 20-21 के लिए सही करने के लिए अनुमति देने के लिए मुख्य विंडो में सही टैब चुनें।
  8. नहींडब्ल्यू मुख्य विंडो में शिफ्ट टैब चुनें। वेव ग्राफ में, वेव का चयन करें टैब में व्यक्तिगत रूप से हर एक का चयन करके समय में एक ही प्रारंभिक स्थिति को परावर्तित तरंगों, घटना खींचें करने के लिए कर्सर का उपयोग करें, और प्रेषित किया। डाटा ग्राफ में लहरों के सभी देखें। पूरा एक बार, "जारी रखें" क्लिक करें।
  9. परिणाम फ़ाइल में, क्लिक करके लोड, विस्थापन, स्थिति, और वेग, प्रोफाइल को बचाने "सहेजें के रूप में।"
  10. Hopkinson बार परीक्षण से पहले मापा नमूना आयामों का उपयोग कर सच तनाव और सच्चे तनाव की गणना करने के लिए माइक्रोसॉफ्ट एक्सेल (या किसी अन्य स्प्रेडशीट सॉफ्टवेयर) में पारंपरिक तरीकों का उपयोग करें।

5. SHPB सीमित तत्व मॉडलिंग

  1. वाणिज्यिक परिमित तत्व (Fe) सॉफ्टवेयर का उपयोग करना, SHPB सेटअप की एक फ़े मॉडल बनाने के लिए।
    नोट: एक ही geometries और सामग्री के गुणों का उपयोग करें।
  2. एफई सिमुलेशन प्रारंभ करने में स्ट्राइकर बार की एफई मॉडल के लिए एक प्रारंभिक वेग निरुपित।
    नोट: वेगस्ट्राइकर की बार एक विशेष तनाव दर 9 के लिए SHPB प्रयोग में उस के अनुरूप होना चाहिए।
  3. घटना और प्रेषित सलाखों के बीच रखा एक नमूना बिना SHPB सेटअप की एक फ़े मॉडल बनाएं। एफई अनुकरण चला।
    नोट: नकली स्ट्राइकर बार वेग "कोई नमूना" शर्त के तहत प्रायोगिक स्ट्राइकर बार वेग के अनुरूप होना चाहिए। पोलीमेरिक सलाखों के लिए तालिका 1 में दी गई सामग्री के गुणों निरुपित।
  4. प्रयोग और फ़े अनुकरण में तनाव बीड़ा माप (बनाम समय दाग) अच्छे समझौते में हैं, तो सत्यापित करें।
  5. SHPB स्थापना के एफई मॉडल में biomaterial नमूना शामिल। Biomaterial नमूना करने के लिए 11 ISV सामग्री मॉडल की (vumat फ़ाइल प्रारूप 22 में) तीन आयामी कार्यान्वयन निरुपित।
  6. समाधान एकाग्र अगर निर्धारित करने के लिए परिणामों का विश्लेषण तो तीन अलग अलग जाल आकार का उपयोग करते हुए और एक जाल शोधन अध्ययन प्रदर्शन करते हैं।
    नोट: जालआकार एफई मॉडल शामिल है कि षट्फलकीय और / या tetrahedral तत्वों की कुल संख्या से मेल खाती है। आगे सिमुलेशन 9 के बाद converges कि सबसे कम जाल आकार के साथ एफई मॉडल का चयन करें।
  7. दो कदम एफई मॉडल अंशांकन आचरण। पहले चरण में, ISV सामग्री मॉडल के लागू एक आयामी में प्रयोगात्मक डेटा अपलोड करें।
  8. ISV सामग्री मॉडल के मानकों (देखें तालिका 1) का समायोजन करके मॉडल का असली तनाव तनाव की अवस्था के साथ प्रयोग का सच तनाव दाग वक्र जांचना।
    नोट: सामग्री मॉडल एक आयामी है, जबकि प्रायोगिक SHPB डेटा प्रकृति में तीन आयामी है क्योंकि इसके अलावा पुनरावृत्तियों की जरूरत है।
  9. SHPB स्थापना के एफई मॉडल में biomaterial के नमूने के लिए ISV सामग्री स्थिरांक निरुपित।
  10. स्ट्राइकर बार वेग और नमूना विरूपण तनाव दर एक ही तनाव दर पर SHPB परीक्षण करने के लिए इसी के साथ एफई अनुकरण चला।
  11. कंपनियोंअच्छे समझौते (समय बनाम तनाव) के लिए प्रयोग और फ़े अनुकरण से तनाव बीड़ा माप पुनः।
    नोट: एफई सिमुलेशन और प्रयोग तनाव बीड़ा मूल्यों के बीच अच्छा समझौता है, तो मॉडल अंशांकन प्रक्रिया के दूसरे चरण के लिए आगे बढ़ना। यदि नहीं, कार्य 5.7-5.11 दोहराएँ।
  12. एफई मॉडल अंशांकन के दूसरे चरण में, एफई सिमुलेशन तनाव बीड़ा डेटा SHPB पोस्ट प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर, MSU उच्च दर सॉफ्टवेयर 19-21 प्रयोग चलाते हैं।
    नोट: नकली सच तनाव तनाव प्रतिक्रिया प्रयोगात्मक सच तनाव तनाव प्रतिक्रिया करने के लिए तुलना में है, तो दो कदम एफई मॉडल अंशांकन पूरा हो चुका है। यदि नहीं, कार्य 5.7-5.12 दोहराएँ।
  13. एफई मॉडल नमूना के centerline तत्वों के साथ लोड हो रहा है दिशा (Σ 33) तनाव का एक मात्रा औसत प्रदर्शन करते हैं।
    नोट: इस तनाव एक आयामी ISV सामग्री मॉडल परिणाम के तनाव तनाव की अवस्था के साथ अच्छे समझौते में है, तो फिर परिणाम टास्क 5.7 के माध्यम से प्राप्त-5.12 पूरी तरह से calibrated हैं। यदि नहीं, कार्य 5.7-5.13 दोहराएँ। ISV सामग्री मॉडल की एक आयामी कार्यान्वयन के माध्यम से कब्जा कर लिया सच्चा तनाव तनाव प्रतिक्रिया एक SHPB सेटअप में परीक्षण किया गया था कि एक biomaterial का अक्षीय सच तनाव तनाव प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है।

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Representative Results

युग्मित कार्यप्रणाली की प्रभावशीलता चित्रा 3 में उदाहरण है। यहाँ मस्तिष्क के लिए SHPB प्रयोगात्मक तनाव तनाव प्रतिक्रिया एक कम तनाव राज्य में है (0.32 MPa के एक चोटी के तनाव के साथ) की तुलना में एक आयामी सामग्री के तनाव को राज्य के लिए एफई नमूना केंद्र लाइन (तत्व) औसत के समान है, जो (0.74 की एक चोटी मूल्य एमपीए) के साथ बिंदु सिम्युलेटर। इस विकृति है कि मुलायम biomaterials के प्रदर्शनी की प्रकृति की वजह से है। तनाव दरें उच्च हैं, और biomaterial की लहर की गति और शक्ति, सामग्री की मांग को गैर वर्दी विरूपण में जड़त्वीय और तनाव लहर प्रसार कम है। इस घटना के केंद्र में नमूना किनारों पर बड़ी और कम से कम है। नमूनों सिलेंडरों होते हैं, क्योंकि नमूना के केंद्र किनारों के विपरीत गैर वर्दी रेडियल विस्तार विस्थापित नहीं कर सकते। इसलिए, समय की एक निश्चित राशि के बाद, नमूना centerline के निकट से एक अक्षीय रूप में अनुमानित किया जा सकता है।

अंगूठी अप "के कारण कुछ प्रारंभिक बाद अक्षीय विरूपण का प्रदर्शन नमूना centerline के अवलोकन करने के लिए>" ईएनटी "प्रयोगात्मक स्थापना पर कब्जा करने के लिए समय है, FEA तो संभव नहीं है जो centerline के डेटा, निकालने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। यहाँ" अंगूठी -up "समय तनाव राज्य संतुलन उपलब्ध हो जाता है जब एक SHPB परीक्षण के प्रारंभिक चरण के दौरान समयावधि है। ऐसा करने के लिए, आभासी FEA तनाव gages प्रयोगात्मक तनाव gages की तुलना में, और अच्छा समझौता है जब तक सामग्री स्थिरांक विविध रहे हैं कर रहे हैं पर पहुंच गया। तालिका 2 युग्मित SHPB-प्रयोग एफई सिमुलेशन पद्धति के माध्यम से प्राप्त मस्तिष्क के लिए प्रतिनिधि सामग्री स्थिरांक देता है। इसके अलावा, चित्रा 4 SHPB प्रयोगात्मक सच तनाव तनाव की अवस्था वास्तव में नहीं बल्कि एक अक्षीय लोड हो रहा है, की तुलना में तनाव की पहली अपरिवर्तनीय है कि उपायों से पता चलता है -direction तनाव तनाव व्यवहार। अधिकांश अन्य अध्ययनों 12-18 बस प्रयोगात्मक परिणाम पेश करते हैं, चित्रा3 एक biomaterial के यांत्रिक प्रतिक्रिया के ऐसे एक प्रतिनिधित्व असली दुनिया सीमा मान समस्याओं (BVPs) के एफई मॉडलिंग अनुकरण के लिए प्रासंगिक है, जो एक अक्षीय प्रतिक्रिया, बहुत मूल्यवान समझना होगा कि पता चलता है। यह एक अक्षीय व्यवहार का आकलन करने के लिए एफई-प्रकार मॉडलिंग के साथ युग्मित नहीं इसलिए, अगर SHPB प्रयोगात्मक परिणाम के उपयोग अकेले गलत होगा।

चित्र 1
चित्रा 1:।। सुअर का मस्तिष्क के नमूने के परीक्षण के लिए इस्तेमाल किया अनुकूलित बहुलक विभाजन Hopkinson बार दबाव (SHPB) का अवलोकन यह आंकड़ा प्रभु एट अल, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

चित्र 2
चित्रा 2: (क) सुअर का मस्तिष्क से ताजा (<3 घंटा पोस्टमार्टम) से नमूना निकासी, और(ख) एक 30 मिमी भीतरी व्यास का उपयोग नमूना निकासी बेहतर-हीन दिशा में मर जाते हैं। यह आंकड़ा प्रभु एट अल।, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

चित्र तीन
चित्रा 3:। प्रयोग के लिए Σ 33 की तुलना में MATLAB फिटिंग दिनचर्या (सामग्री बिंदु सिम्युलेटर), एफई 750 सेकंड में, डेविड Viscoelastic के माध्यम से औसत डेटा और फ़े तनाव उपायों नमूना -1 प्रयोगात्मक घटना में त्रुटि बैंड / लहरों अनिश्चितता का प्रतिनिधित्व परिलक्षित। यह आंकड़ा प्रभु एट अल।, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

चित्रा 4
चित्रा 4: सीमित तत्व (Fe) सिमुलेशन Σ Mises, Σ 11, Σ 22 का भूखंड,31, 33, Σ 12, Σ 23, दबाव (प्रथम तनाव के अपरिवर्तनीय) और Σ 13 और प्रयोग बेलनाकार नमूना के लिए विरूपण के दौरान, कम से 750 सेकंड -1। यहाँ दबाने तनाव नकारात्मक हैं। यह आंकड़ा प्रभु एट अल।, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

चित्रा 5
चित्रा 5:।। पोलीमेरिक विभाजन Hopkinson बार दबाव (SHPB) सेटअप के योजनाबद्ध यह आंकड़ा प्रभु एट अल, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

चित्रा 6
चित्रा 6: (सी) घटना परिलक्षित पट्टी के एक करीबी के साथ SHPB परीक्षण और (ख) एफई मॉडल अनुकरण के लिए सेट अप (क) प्रयोगात्मक के योजनाबद्धइंटरफ़ेस। इस एफई मॉडल सिमुलेशन किसी भी नमूने के बिना किया गया था। सिमुलेशन के लिए अनुसंधान और β आर α गुणांक भिगोना एफई मॉडल 3.0 और 1.2 में बनाए रखा गया।

चित्रा 7
चित्रा 7:। प्रयोग और सुअर का मस्तिष्क नमूना संपीड़न के लिए सीमित तत्व (Fe) सिमुलेशन Σ 33 की तुलना में 6.5 मिसे -1 एफई सिमुलेशन σ 33 में MSU के उच्च तनाव दर सॉफ्टवेयर के माध्यम से एफई अनुकरण से तनाव माप प्रसंस्करण डाक द्वारा गणना की गई।

आंकड़ा 8
चित्रा 8: विभाजन Hopkinson बार दबाव (SHPB) परीक्षण के लिए स्थापित (क) सीमित तत्व (Fe), (ख) एफई सिमुलेशन नमूना आयामों के योजनाबद्ध,एक नमूना है, और (ग) एक नमूने के साथ SHPB की स्थापना के एक सिंहावलोकन के साथ। सिमुलेशन के लिए अनुसंधान और β आर α गुणांक भिगोना एफई मॉडल 3.0 और 1.2 में बनाए रखा गया। यह आंकड़ा प्रभु एट अल।, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

9 चित्रा
चित्रा 9: SHPB प्रयोग और फ़े अनुकरण के लिए नरम-जैविक सामग्री का सच तनाव तनाव प्रतिक्रियाओं का दो गुना सहसंबंध के योजनाबद्ध।

10 चित्रा
10 चित्रा। (क) इस घटना की तुलना और, प्रयोग और परिमित तत्व विश्लेषण (FEA), और (ख) SHPB प्रयोग और Finit के लिए एक विभाजन Hopkinson बार दबाव (SHPB) में तनाव माप परिलक्षित750 सेकंड में सुअर का मस्तिष्क नमूना संपीड़न के लिए ई तत्व (Fe) सिमुलेशन Σ 33 -1। एफई सिमुलेशन Σ 33 डेविड Viscoelastic सॉफ्टवेयर के माध्यम से एफई अनुकरण से तनाव माप प्रसंस्करण डाक द्वारा गणना की गई। प्रयोगात्मक घटना में त्रुटि बैंड / परिलक्षित लहरों अनिश्चितता का प्रतिनिधित्व किया। यह आंकड़ा प्रभु एट अल।, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

तालिका एक

सारणी 2

तालिका 1:।।। MSU टी.पी. 1.1 के लिए चर और मॉडल समीकरण का सारांश यह तालिका प्रभु एट अल, 2011 9 और Bouvard एट अल, 2010 11 से संशोधित किया गया है।

मॉडल स्थिरांक मान
μ (एमपीए) 25.00
कश्मीर (एमपीए) 12492.00
γ VO (एसईसी -1) 100000.00
एम 1.00
वाई ओ (एमपीए) 8.20
α पी 0
λ एल 5.00
μ आर 0.05
आर एस 1 1.40
एच ओ 47.21
एक्स ओ 1 0.75
X * बैठ गया 0.01
X * ओ 1.20
जी ओ 0.30
सी κ 1 (एमपीए) 0.40
एच 1 0
ई ओ S2 0
ई S2 बैठ गया 0.40
सी κ 2 (एमपीए) 0

तालिका 2: मानMSU टी.पी. 1.1 Viscoplasticity मॉडल का उपयोग कर मस्तिष्क सामग्री के लिए सामग्री स्थिरांक की। इस तालिका प्रभु एट अल।, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

स्ट्राइकर बार हादसा बार संचारित बार
सामग्री 1-1 / 2 "Polycarbonate (पीसी) रॉड * 1-1 / 2 "Polycarbonate (पीसी) रॉड * 1-1 / 2 "Polycarbonate (पीसी) रॉड *
घनत्व (किलो / एम 3) 1.220 × 10 3 1.220 × 10 3 1.220 × 10 3
व्यास (एम) 1.285 × 10 -3 3.810 × 10 -2 3.810 × 10 -3
लम्बाई (मीटर) 7.620 × 10 -1 2.438 1.219

* मैकमास्टर-कैर टीएम 1-1 / 2 "रॉड (मैकमास्टर-कैर टीएम, शिकागो, आईएल, संयुक्त राज्य अमरीका)।

तालिका 3:।। स्प्लिट-Hopkinson बार दबाव (SHPB) सेटअप में इस्तेमाल पोलीमेरिक सलाखों के आयामों और सामग्री के गुणों इस तालिका में प्रभु एट अल, 2011 9 से संशोधित किया गया है।

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Discussion

जोड़ों SHPB प्रयोग और SHPB की एफई मॉडलिंग एक उपन्यास और अद्वितीय तकनीक प्रदान करता है कि सूचना दी कार्यप्रणाली उच्च तनाव दरों पर एक biomaterial का अक्षीय सच तनाव तनाव प्रतिक्रिया का आकलन करने के लिए। देशी ऊतक के लिए आंतरिक यांत्रिक गुणों की खरीद करने के लिए, देखभाल SHPB परीक्षण से पहले 5.56-7.22 डिग्री सेल्सियस के बीच biomaterial नमूना रखने के लिए लिया जाना चाहिए। नमूना 5.56 डिग्री सेल्सियस से नीचे ठंडा किया जाता है, तो ऊतकों में मौजूद पानी बर्फ में crystalize करने के लिए शुरू होता है और बाद में ऊतक के यांत्रिक गुणों में परिवर्तन। अन्य शोधकर्ताओं 15-18 यांत्रिक गिरावट से संरक्षण प्रयोजनों के लिए नमूना जमे हुए हैं, वहीं परिणामों SHPB परीक्षण उपज काफी अलग यांत्रिक प्रतिक्रियाओं से उसका प्राप्त की। इसके अलावा, वान EE और मायर्स 23 की एक रिपोर्ट के 5 घंटे के भीतर जांच की नरम biomaterials के पोस्टमार्टम सबसे अच्छा प्रयोगात्मक परिणाम दे दी है कि पोस्ट दिखाया। इसके अतिरिक्त, पीबीएस समाधान सेंट करने के लिए चुना गया थाअयस्क biomaterial के नमूनों और बेलनाकार नमूने अपने परासारिता और आयन एकाग्रता जैविक तरल पदार्थ 9 के समान हैं।

नरम सामग्री, एक इष्टतम नमूना पहलू अनुपात, या व्यास के लिए नमूना मोटाई के अनुपात के उच्च तनाव दर परीक्षण पर एएसएम हैंडबुक में ग्रे और ब्लुमेंथल 24 से काम के आधार पर, biomaterial किया जा रहा है के प्रकार पर निर्भर करता है 0.5 या उससे कम होने के लिए निर्धारित किया गया था परीक्षण (सुअर का मस्तिष्क, जिगर, कण्डरा या वसा)। ग्रे और ब्लुमेंथल 24 0.5 की तुलना में एक पहलू अनुपात अधिक से अधिक नमूनों के साथ एक SHPB परीक्षण के दौरान गतिशील बल संतुलन को समायोजित नहीं किया था कि उनके अध्ययन में मनाया। नमूना निष्कर्षण biomaterial का एक लंबा, बेलनाकार टुकड़ा बनाने के लिए बेहतर-हीन दिशा में biomaterial काटना एक स्टेनलेस स्टील के मरने का उपयोग करके शुरू किया। एक सर्जिकल स्केलपेल तो कई बेलनाकार परीक्षण के नमूने (चित्रा 2) उपज है, लंबे समय से सिलेंडर से 15 मिमी मोटी नमूने में कटौती करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। नमूनानमूना के बेहतर पक्ष के सबसे करीब सामान्य रूप से अंग की सतह समोच्च (बेहतर या ऊपरी सतह) के साथ होती थी। उदाहरण के लिए, एक मस्तिष्क नमूना मस्तिष्क sulci विच्छेदित किया गया था और जब gyri ऊपरी सतह होती है। यहाँ देखभाल एक शल्य चिकित्सा स्केलपेल के साथ "असमान" बेहतर सतह incising द्वारा प्राप्त किया गया था, जो सतह, की उदासी सुनिश्चित करने के लिए लिया गया था। सामान्य में, नमूने 'मोटाई विविधताओं औसत नमूना मोटाई के 3% करने के लिए आया था, जिसमें कम से कम 0.5 मिमी, थे। नमूने मोटाई में भिन्नता 3% से कम हो गया था के रूप में एक समान मोटाई है ग्रहण कर रहे थे। Biomaterials के प्रोक्योरमेंट 1 घंटे के तहत में पूरा किया गया है, और सभी SHPB परीक्षण बलिदान के बाद 4 घंटे के तहत में प्रदर्शन किया गया।

SHPB तनाव लहर डेटा घटना और प्रेषित बार से चिपका तनाव gages की एक श्रृंखला के माध्यम से दर्ज की गई थी। यहाँ वर्णित परीक्षण सेटअप tradit के एवज में polymeric सलाखों इस्तेमाल कियाइन के रूप में एक पेशेवर धातु सलाखों, एक कम शोर मंजिल 25 निर्माण करने के लिए मनाया गया है। SHPB पोलीमेरिक सलाखों 'सामग्री और आयाम की एक विस्तृत सूची 3. पहले biomaterial का विश्लेषण करने के लिए तालिका में दिया जाता है, SHPB तंत्र calibrated और "कोई नमूना" प्रयोगों की एक श्रृंखला का उपयोग कर सत्यापित किया गया था। इन प्रयोगों घटना के समुचित कार्य और प्रेषित बार तनाव gages सत्यापित करने के लिए और धातु खोल, तनाव gages, या DAQ प्रणाली द्वारा शुरू की कोई शोर या हस्तक्षेप का मूल्यांकन करने के लिए कार्य किया। द्वारा कार्य किया SHPB तेजी से स्ट्राइकर बार में तेजी लाने के लिए वायवीय actuator के माध्यम से नाइट्रोजन संकुचित रिहा। स्ट्राइकर बार फिर घटना बार, और घटना बार के माध्यम से प्रचारित इस प्रभाव के द्वारा बनाई गई compressive तनाव लहर पर असर पड़ा। तनाव की लहर घटना बार के अंत पर पहुंच गया है, जब जुड़े गतिज ऊर्जा घटना में एक परिलक्षित तन्यता तनाव की लहर के रूप में प्रकट एक हिस्से के साथ विभाजित किया गया थासेंध बार, और बाद में मीडिया को हस्तांतरित एक compressive तनाव लहर के रूप में प्रकट शेष ऊर्जा। "कोई नमूना" परीक्षण दबाने की लहर प्रेषित पट्टी करने के लिए इस घटना से सीधे स्थानांतरित करने के लिए अनुमति दी है, जबकि नमूना परीक्षण सेटअप में, दबाने की लहर नमूना में और फिर प्रेषित पट्टी में यात्रा की। तनाव लहरों यहाँ घटना बार, नमूना के भीतर विभिन्न दबावों का उत्पादन किया है, और बार प्रेषित, और इन दबावों SHPB प्रयोगों में मनाया तनाव दरों की सीमा का अनुकरण के लिए सीमा की स्थिति के रूप में सेवा दर्ज की गई।

SHPB परीक्षण के एफई मॉडलिंग प्रायोगिक उपकरण सत्यापन के समान तरीके में दो चरणों की आवश्यकता है। तंत्र के ही एफई मॉडल सभी तीन पोलीमेरिक सलाखों 2391 एमपीए के एक जवान की मापांक और 0.36 की पॉसों अनुपात के साथ लोचदार सामग्री गुण सौंपा गया जिसमें "कोई नमूना" मामले (चित्रा 6) के लिए calibrated किया गया था। में <मजबूत> चित्रा 6, नकारात्मक Z अक्ष इसी compressive तनाव को संकेतित σ 33 के साथ लोडिंग के दिशा अर्थ। इस अंशांकन पोलीमेरिक सलाखों उपयुक्त सामग्री के गुणों और फ़े मॉडल में है कि तनाव बीड़ा माप "कोई नमूना" मामले से परिणाम के लिए (चित्रा 7) तुलनीय थे कि अधीन सुनिश्चित की। तंत्र के एफई मॉडल मान्य किया गया था के बाद, biomaterial नमूना जोड़ा गया है और "नमूना" परीक्षण के मामले में एक अंशांकन, सत्यापन, और सत्यापन प्रक्रिया (चित्रा 7) के अधीन था। हमारे जाल (Fe मॉडल सत्यापन) में तत्व आकार के औचित्य एक जाल अभिसरण दृष्टिकोण का उपयोग कर परीक्षण किया गया था। एक ही ज्यामिति के meshes तेजी से छोटे तत्वों की एक श्रृंखला के साथ निर्माण किया गया; meshes 4703 3,111,000 के लिए कुल तत्वों से आकार में बताया गया। इस अभिसरण अध्ययन 12,000 तत्वों या अधिक के meshes इस प्रकार का प्रतिनिधित्व करने, इसी तरह के परिणाम प्रदान की संकेत दिया किअभिसरण की न्यूनतम सीमा। इस अध्ययन में यह भी सामान्य रूप में biomaterials के द्वारा प्रदर्शित जटिल सामग्री व्यवहार का वर्णन करने में सक्षम एक सामग्री मॉडल (MSU टी.पी. देखें। 1.1) का इस्तेमाल किया। इधर, सामग्री मॉडल इतिहास प्रभाव और वर्तमान में मस्तिष्क 9 और जिगर 26 की सामग्री प्रतिक्रियाओं का वर्णन करने के लिए इस्तेमाल किया जा रहा है, जो तनाव दर निर्भरता, के साथ साथ अनाकार सामग्री के viscoelastic-viscoplastic प्रतिक्रियाओं का कब्जा। लोचदार और स्थिर प्रतिक्रियाओं 1 टेबल में संक्षेप विधान रिश्तों का एक सेट का उपयोग कर विशेषता थे। इन समीकरणों मॉडल को व्यक्त करने और steady- के साथ जुड़े गतिशील या तात्कालिक सामग्री प्रतिक्रिया है, साथ ही लंबी अवधि के व्यवहार के साथ जुड़े अल्पकालिक व्यवहार में सामंजस्य करने की अनुमति दी राज्य सामग्री के हिमायती हैं। मॉडल भी ISVs के उपयोग के माध्यम biomaterial microstructure में परिवर्तन से संबंधित इतिहास प्रभाव को शामिल करने की क्षमता प्रदान करता है।

एफई मॉडल calibrat किया गया थाकदम की एक श्रृंखला के माध्यम से एड (9 चित्रा)। SHPB प्रयोगात्मक डेटा एक सामग्री बिंदु सिम्युलेटर का उपयोग ISV विधान मॉडल जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। फिर, प्रयोगात्मक और FEA तनाव बीड़ा डेटा अच्छे समझौते (9 चित्रा) की पुष्टि की थी जब तक दोनों की जांच की गई। अगला, SHPB परीक्षण और फ़े सिमुलेशन से तनाव बीड़ा माप (चित्रा 10) की तुलना में थे। Correlations SHPB प्रणाली और नमूना के यांत्रिक प्रतिक्रिया से तनाव बीड़ा माप का निर्धारण करने में प्राप्त किया गया। यह SHPB प्रयोगों और फ़े सिमुलेशन दोनों एक तीन आयामी तनाव राज्य झुकेंगे जबकि अंशांकन के दौरान सामग्री बिंदु सिम्युलेटर एक आयामी तनाव राज्य झुकेंगे ने बताया कि किया जाना चाहिए। बदलती तनाव राज्यों σ 33 में इसी मतभेद (चित्रा 10) का उत्पादन किया। सामग्री मॉडल स्थिरांक SHPB परीक्षण से σ 33 तक अनुकूलित किया गया एफई सिमुल से σ 33 का मिलान नहीं हुआations। प्रयोगात्मक और फ़े तनाव बीड़ा परिणामों MSU उच्च दर सॉफ्टवेयर के माध्यम से प्रयोगात्मक और FEA तनाव बीड़ा डेटा प्रसंस्करण द्वारा प्राप्त तीन आयामी तनाव राज्यों के साथ-साथ अच्छे समझौते में थे जब तक यहाँ अनुकूलन की प्रक्रिया iteratively बाहर किया गया था। इसके अतिरिक्त, चलने का अनुकूलन भी एक आयामी सामग्री बिंदु सिम्युलेटर और एक आयामी एफई centerline के σ 33 अच्छे समझौते में भी थे नमूना है कि इस तरह का आयोजन किया गया।

सामग्री बिंदु सिम्युलेटर के माध्यम से प्राप्त की जिसके परिणामस्वरूप एक आयामी सच तनाव तनाव व्यवहार तो उच्च तनाव दरों पर SHPB परीक्षण के माध्यम से प्राप्त एक biomaterial के लिए बराबर अक्षीय सच तनाव तनाव प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है। सारांश में, जैसा कि ऊपर उल्लेख कार्यप्रणाली एफई सिमुलेशन उपकरण का उपयोग करके एक अक्षीय प्रयोगात्मक परिणाम निकालने के लिए एक प्रभावी तरीका देता है। युग्मित SHPB-प्रयोग एफई सिमुलेशन सिद्धांत के विषय में भी क्रमशः समाप्त अस्पष्टतातनाव तनाव प्रतिक्रिया की है कि ज्यादा दिखाकर जड़त्वीय प्रभाव पर तों biomaterial के लिए आंतरिक था। अंत में, नमूना ज्यामिति संशोधनों के प्रभाव (कुंडलाकार बनाम बेलनाकार) चले गए थे जो तथाकथित जड़त्वीय प्रभाव, negating में कम से कम प्रभाव है मनाया गया "प्रारंभिक कील।" इस पद्धति के उपयोग को नरम biomaterials के सीमित करने के लिए और समय लेने वाली है। साथ ही, एक ISV सामग्री मॉडल के साथ SHPB प्रयोग और SHPB एफई मॉडल के युग्मन जटिल है। हालांकि, इस पद्धति का प्राथमिक लाभ जिसके परिणामस्वरूप सामग्री स्थिरांक और ISV मॉडल विविध यांत्रिक चोट परिदृश्यों का अनुकरण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

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Disclosures

लेखकों एतद्द्वारा इस प्रकाशन से संबंधित सभी सामग्री के साथ हितों का कोई विवाद नहीं है कि वहाँ की घोषणा।

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

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बायोइन्जिनियरिंग अंक 99 विभाजन Hopkinson बार दबाव उच्च तनाव की दर परिमित तत्व मॉडलिंग शीतल biomaterials गतिशील प्रयोगों आंतरिक स्थिति परिवर्तनीय मॉडलिंग दिमाग जिगर पट्टा फैट
शीतल बायोमैटिरियल्स उच्च तनाव दर यांत्रिक प्रतिक्रिया के मूल्यांकन के लिए एक युग्मित-प्रयोग परिमित तत्व मॉडलिंग क्रियाविधि
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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).

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