Name: a coupled experiment-finite element modeling methodology for assessing high strain rate mechanical response of soft biomaterials
Uploaded: 2015-05-18T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials at JoVE.com

The authors would like to recognize the Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) and the Agricultural and Biological Engineering Department at Mississippi State University for supporting this work. This material is based upon work supported by the U.S. Army TACOM Life Cycle Command under Contract No. W56HZV-08-C-0236, through a subcontract with Mississippi State University, and was performed for the Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS) research program. Also, this material is based upon work supported by the National Nuclear Security Administration, (Department of Energy) under award number [DE-FC26-06NT42755]. Finally, the authors would like to thank Mr. David Adams, Mr. Michael McCollum and Ms. Erin Colebeck for their effort in this research.

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 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";t...

<ol>
	<li>Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injuries+from+explosions:+physics,+biophysics,+pathology,+and+required+research+focus.">Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus.</a> J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).</li><li>Aubry, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Br J Sports Med. 36 (1), 6-10 (2002).</li><li>Born, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blast+trauma:+the+fourth+weapon+of+mass+destruction.">Blast trauma: the fourth weapon of mass destruction.</a> Scand J Surg. 94 (4), 279-285 (2005).</li><li>Cullis, I. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blast+waves+and+how+they+interact+with+structures.">Blast waves and how they interact with structures.</a> J R Army Med Corps. 147, 16-26 (2001).</li><li>Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., Ramsay, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blast+Loading+and+Blast+Effects+on+Structures&#8211;An+Overview.">Blast Loading and Blast Effects on Structures&#8211;An Overview.</a> Electronic Journal of Structural Engineering. 7, 76-91 (2007).</li><li>Usmani, Z., Alghamdi, F., Kirk, D., Usmani, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intelligent+Agents+in+Extreme+Conditions+&#8211;+Modeling+and+Simulation+of+Suicide+Bombing+for+Risk+Assessment.">Intelligent Agents in Extreme Conditions &#8211; Modeling and Simulation of Suicide Bombing for Risk Assessment.</a> Web Intelligence and Intelligent Agents. , (2010).</li><li>Guskiewicz, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cumulative+effects+associated+with+recurrent+concussion+in+collegiate+football+players+the+NCAA+Concussion+Study.">Cumulative effects associated with recurrent concussion in collegiate football players the NCAA Concussion Study.</a> JAMA. 290 (19), 2549-2555 (2003).</li><li>Finkelstein, E., Corso, P., Miller, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Incidence and Economic Burden of Injuries in the United States. , (2006).</li><li>Prabhu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupled+experiment/finite+element+analysis+on+the+mechanical+response+of+porcine+brain+under+high+strain+rates.">Coupled experiment/finite element analysis on the mechanical response of porcine brain under high strain rates.</a> JMech Behav Biomed Mater. 4 (7), 1067-1080 (2011).</li><li>Horstemeyer, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Integrated Computational Materials Engineering (ICME): Using Multiscale Modeling to Invigorate Engineering Design with Science. , (2012).</li><li>Bouvard, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+general+inelastic+internal+state+variable+model+for+amorphous+glassy+polymers.">A general inelastic internal state variable model for amorphous glassy polymers.</a> Acta Mechanica. 213, 1-2 (2010).</li><li>Kenner, V. H., Goldsmith, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+on+a+simple+physical+model+of+the+head.">Impact on a simple physical model of the head.</a> J Biomech. 6 (1), 1-11 (1973).</li><li>Khalil, T. B., Viano, D. C., Smith, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+analysis+of+the+vibrational+characteristics+of+the+human+skull.">Experimental analysis of the vibrational characteristics of the human skull.</a> J. Sound Vib. 63 (3), 351-376 (1979).</li><li>Pervin, F., Chen, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+mechanical+response+of+bovine+gray+matter+and+white+matter+brain+tissues+under+compression.">Dynamic mechanical response of bovine gray matter and white matter brain tissues under compression.</a> J Biomech. 42 (6), 731-735 (2009).</li><li>Prevost, T. P., Balakrishnan, A., Suresh, S., Socrate, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechnics+of+brain+tissue.">Biomechnics of brain tissue.</a> Acta Biomater. 7 (1), 83-95 (2011).</li><li>Saraf, H., Ramesh, K. T., Lennon, A. M., Merkle, A. C., Roberts, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+soft+human+tissues+under+dynamic+loading.J.">Mechanical properties of soft human tissues under dynamic loading.J.</a> J Biomech. 40 (9), 1960-1967 (2007).</li><li>Van Sligtenhorst, C., Cronin, D. S., Wayne Brodland, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+strain+rate+compressive+properties+of+bovine+muscle+tissue+determined+using+a+split+Hopkinson+bar+apparatus.">High strain rate compressive properties of bovine muscle tissue determined using a split Hopkinson bar apparatus.</a> J Biomech. 39 (10), 1852-1858 (2006).</li><li>Song, B., Chen, W., Ge, Y., Weerasooriya, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+and+quasi-static+compressive+response+of+porcine+muscle.">Dynamic and quasi-static compressive response of porcine muscle.</a> J Biomech. 40 (13), 2999-3005 (2007).</li><li>. MSU JHBT Data Processing and MSU High Rate Software Manual Available from: <a target="_blank" href="https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_JHBT_Data_Processing_and_MSU_High_Rate_Software_Manual.zip">https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_JHBT_Data_Processing_and_MSU_High_Rate_Software_Manual.zip</a> (2014)</li><li>Zhao, H., Gary, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+use+of+SHPB+techniques+to+determine+the+dynamic+behavior+of+materials+in+the+range+of+small+strains.">On the use of SHPB techniques to determine the dynamic behavior of materials in the range of small strains.</a> Int J Solids Struct. 33 (23), 3363-3375 (1996).</li><li>Zhao, H., Gary, G., Klepaczko, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+use+of+a+viscoelastic+split+hopkinson+pressure+bar.">On the use of a viscoelastic split hopkinson pressure bar.</a> Int J Impact Eng. 19 (4), 319-330 (1997).</li><li>. MSU TP Ver 1.1. Available from: <a target="_blank" href="https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip">https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip</a> (2014)</li><li>Gray, G. T., Blumenthal, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation. 8, 488-496 (2000).</li><li>Dharan, C. K. H., Hauser, F. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+stress-strain+characteristics+at+very+high+strain+rates.">Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates.</a> Exp. Mech. 10 (9), 370-376 (1970).</li><li>Chen, J., Priddy, L. B., Prabhu, R., Marin, E. B., Horstemeyer, M. F., Williams, L. N., Liao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Traumatic+Injury:+Mechanical+Response+of+Porcine+Liver+Tissue+under+High+Strain+Rate+Compression+Testing.">Traumatic Injury: Mechanical Response of Porcine Liver Tissue under High Strain Rate Compression Testing.</a> Proceedings of the ASME 2009 Summer Bioengineering Conference (SBC2009). , (2009).</li></ol>

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 بيو...

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="951">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:699px;">Description</td>
			<td style="width:141px;">Provider</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td style="width:59px;">Quantity</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High pressure 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 male x 1/4 female pipe size, hex reducing bushing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 3/4 male x 1/4 female, hex reducing bushing 150 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 1/2&#34; NPT female</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 3/4&#34; NPT female</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ASME-code stainless steel pop-safety valve, 1/4 NPT male, 300 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Precision extreme-pressure 316SS pipe fitting, 1/2 x 1/2 pipe size, 1-7/8&#34; length, hex nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">8</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 pipe size, tee, 150 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Test gauge with safety case, polyester case, standard, dry, 600 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Digital gauge, plastic case, 2-1/2&#34; dial, 1/4 bottom connection, 300 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Type 316 stainless steel 37 degree flared tube fitting, adapter for 1/4&#34; tube OD x 1/8&#34; NPT male pipe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">12</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">303 stainless steel 37 degree JIC swivel fitting for 3/16&#34; ID</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">12</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High-pressure chemical hose, 3/16&#34; ID, 0.312&#34; OD, 3000 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">6</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High-Purity Gas Regulator Single-Stage, Nitrogen, 0-125 PSI, CGA #580</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hose for Nitrogen Gas, Argon, and Oxygen Brass Fem Fittings, PTFE Hose, 3&#39;L, 1/4&#34; ID, 3600 PSI</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 X 1/4 Pipe Size, Hex Nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">4</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 3/4 X 3/4 Pipe Size, Hex Nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 Male X 1/8 Female Pipe Size, Hex Bushing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Standard Brass Compression Tube Fitting Adapter for 1/4&#34; Tube OD X 1/4&#34; NPTF Male Pipe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">4</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Kobalt 1/4 in Mini Regulator with Gauge</td>
			<td>Lowes</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">1/4&#34; x 25 ft polyethylene tubing</td>
			<td>Lowes</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">1-1/2&#34; Diameter Polycarbonate (PC) Rod</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">LTV-35 4-Way Valve Mead Fluid Dynamics</td>
			<td>Motion Industries</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Pneumatic double action actuator</td>
			<td>Valtronic</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Stainless Steel Ball Valve 1/2&#34;</td>
			<td>Valtronic</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Buckeye pressure vessel</td>
			<td>Buckeye</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;">SR-4 General Purpose FAE-25-35SX Strain Gages</td>
			<td style="width:141px;">Micro-Measurement Vishay Precision Group</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;">M-M Signal Conditioning Amplifier 2310A</td>
			<td style="width:141px;">Micro-Measurement Vishay Precision Group</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td align="right">1</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Laser ROLS-W optical sensor</td>
			<td>Monarch Instruments</td>
			<td></td>
			<td align="right">1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a coupled experiment-finite element modeling methodology for assessing high strain rate mechanical response of soft biomaterials

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.

<html> 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 ?...

Watch this Scientific Journal Video about A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials at JoVE.com

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

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.

عنصر النمذجة منهجية الديناميكي تجربة محدودة لتقييم عالية معدل الانفعال الاستجابة الميكانيكية للالحيوية لينة

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

Microfabricated المنصات الحيوي للثقافة الخلية ميكانيكيا

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

Polymer Microarrays for High Throughput Discovery of Biomaterials

[ميكروأرس] البوليمر لاكتشاف إنتاجية عالية من المواد الحيوية

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a ...

An Improved Mechanical Testing Method to Assess Bone-implant Anchorage

لتحسين طرق الاختبارات الميكانيكية لتقييم العظم زرع مرسى

Recent advances in material science have led to a substantial increase in the topographical complexity of implant surfaces, both on a micro- and a ...

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

تصنيع وزرع مصغرة ثنائي العنصر العربونات سلالة لقياس<em&gt; في فيفو</em&gt; الجهاز الهضمي تعهدات في القوارض.

Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

والتجريبية وبروتوكول العناصر المحددة للتحقيق في نقل المواد المذابة المحايدة، واتهم في الغضروف المفصلي

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

المغنطيسى إلى جانب التصوير المحمولة وتحليل لتشخيص الأمراض

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics

الكمي للسلالة في نموذج الخنزير من التوسع الجلد عن طريق متعدد ستيريو وIsogeometric الكينماتيكا

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and ...

Methodology for Biomimetic Chemical Neuromodulation of Rat Retinas with the Neurotransmitter Glutamate In Vitro

Methodology for Biomimetic Chemical Neuromodulation of Rat Retinas with the Neurotransmitter Glutamate In Vitro

منهجية للمحاكاة البيولوجية الكيميائية نيورومودوليشن من الفئران شبكية العين مع العصبي الغلوتامات في المختبر

Photoreceptor degenerative diseases cause irreparable blindness through the progressive loss of photoreceptor cells in the retina. Retinal prostheses are ...

Stiffness Measurement of Soft Silicone Substrates for Mechanobiology Studies Using a Widefield Fluorescence Microscope

قياس صلابة من ركائز السيليكون لينة للدراسات ميتشانوبيولوجي باستخدام مجهر الأسفار ويديفيلد

Soft tissues in the human body typically have stiffness in the kilopascal (kPa) range. Accordingly, silicone and hydrogel flexible substrates have been ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

بياكسيال الخصائص الميكانيكية لصمامات القلب بي

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...