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.

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 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ללבוש ציוד מגן איש?...

<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>

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 לפנ?...

מוטיבציה המטרה העיקרית של הפיצול בשילוב - בר לחץ הופקינסון הניסוי (SHPB) / דוגמנות אלמנטים סופית של ביו-חומרים רכים (כגון מוח, כבד, גיד, שומן, וכו &#39;) 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&quot;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&quot;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 &#39;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 &#39;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 &#39;). 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.

<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

מחקר זה מציע גישת סימולציה אלמנט ניסיוני וסופי משולב (FE) לבחינת ההתנהגות המכנית של ביו-חומרים רכים (לדוגמא מוח, בכבד, בגיד, שומן, וכו &#39;) 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.

<html> 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 שתע...

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

המחקר הנוכחי קובע מתודולוגיה סימולציה אלמנט ניסוי-סופי בשילוב להשיג את התגובה המכנית הדינמית uniaxial של ביו-חומרים רכים (מוח, כבד, גיד, שומן, וכו &#39;). 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.

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

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

פלטפורמות microfabricated לתרבות Cell דינמי מכאני

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

Microarrays פולימר לגילוי תפוקה גבוהה של Biomaterials

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

מכונות בדיקת שיטה משופרת להערכת Anchorage עצם השתל

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.

ייצור והשרשה של מדי עיבור Dual-אלמנט הזעיר למדידה<em&gt; בVivo</em&gt; במערכת העיכול התכווצויות במכרסמים.

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

ניסויי ו אלמנטים סופיים פרוטוקול לחקר התחבורה של מומסים ניטראליים והואשמו ברחבי Articular סחוס

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

ריחוף מגנטי יחד עם הדמיה ניידת וניתוח עבור אבחון מחלות

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

כימות של זנים במודל חזירי של הרחבת עור באמצעות סטריאו Multi-הצגת Isogeometric קינמטיקה

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

מתודולוגיה Neuromodulation ביונים כימית של עכברוש הרשתיות עם ה עצבי גלוטמט במבחנה

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

מידה נוקשות של סובסטרטים סיליקון רך Mechanobiology מחקרים באמצעות מיקרוסקופ זריחה Widefield

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

אפיוני מכני biaxial של מסתמי הלב Atrioventricular

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