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.

NOT: Etik Açıklama: Geçerli çalışma kurumun araştırma politikası tektir ve kesinlikle Yasal Uygunluk (ORC) rehberlerin uygun biyo-güvenlik ve Office izler. 1. Biyomateryal Numune Alımı <ol><li> Laboratuvar ve / veya kurumun standart biyogüvenlik protokollerine uygun kişisel koruyucu ekipman kullanın. Domuz doku ve test işlerken kapalı parmaklı ayakkabı, uzun pantolon, bir laboratuvar önlüğü, cerrahi eldiven, koruyucu maske ve koruyucu gözlük takın. </li><li> 1-2 s...

<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>

çiftler SHPB deneyi ve SHPB FE modellemesi bir roman ve benzersiz tekniği sunuyor bildirilen metodoloji yüksek gerilme oranlarında biyomalzeme tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon yanıtı değerlendirmek için. Doğal dokuya özgü mekanik özellikler temin etmek için, bakım SHPB test edilmeden önce 5,56-7,22 ° C arasında biyo materyal örneği tutmak için dikkat edilmelidir. Numune 5.56 ° C altına soğutulması durumunda, doku içinde mevcut olan su buz kristalize başlar ve daha sonra dokusunun mekanik...

Motivasyon birleştiğinde Split kardinal hedefi - Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) deneyi / (vb beyin, karaciğer, tendon, yağ, gibi) yumuşak biyomalzemeler sonlu elemanlar modellemesi insan vücudu FE daha uygulanması için onların tek eksenli mekanik davranışları ayıklamak oldu zararlı mekanik yükler altında simülasyonları. İnsan vücudu Sonlu Elemanlar (FE) modeli detaylı bir insan vücudu örgü ve çeşitli insan organları için bir tarih bağımlı çok ölçekli viskoelastik-viskoplastik İç Devlet Değişken (ISV) malzeme modeli oluşur. Bu, insan vücudu modeli, yenilikçi koruyucu giysiler tasarlamak ve yolcu merkezli araç tasarım sağlamak için, yaralanma koruması için daha iyi standartlar oluşturmak için bir çerçeve için kullanılabilir. Patlayıcı patlama ve künt darbe: yüksek oranda yaralanma iki mod yaygın insan travma gözlenmiştir. Patlayıcı silah gelen patlama hasar traumati birincil kaynağıc yaralanması (TI) ve savaş 1 önde gelen ölüm nedenidir. Patlattı olduğunda, bu patlayıcılar büyük ve ani hızlanma ve deformasyonlara üreten bir dışa yayılan şok dalgası oluşturur. Ortaya çıkan yüklerin maruz kalanların ciddi tehditler oluşturmaktadır. Anatominin herhangi bir bölümü şok dalgalarının yaralandı olmasına rağmen, endişe asal alanlar (1) yakın yere yakınlığı ve (2) kafasına nedeniyle alt ekstremite yaralanmaları normal beyin fonksiyonu ve sağkalım 2 inhibe beri 3. Bu yaralanmalar sürekli yaralanma türüne bağlı olarak, birincil, ikincil veya üçüncül yaralanmalar olarak kategorize edilebilir. Bir patlayıcı gücü, ağırlık veya boyut, dikine mesafesi, pozitif darbe süresi ve hareket ettiği orta ile karakterizedir, çünkü yeterince bu yaralanmaların 3-6 kategorize etmek zor olabilir. Kongre raporlar askeri personel patlayıcı nedeniyle yaklaşık 179,000 travmatik yaralar belirtmeksilah ve araç nedeniyle doğaya Mart 2010 2 içinden Irak ve 2000 Afganistan çöker. modern savaş yerleri, baş yaralanmaları askeri ve sivil 3 hem önde gelen bir endişe vardır. Kenara savaş senaryoları dışında, TI otomotiv travma dahil çeşitli nedenleri vardır; rodeo, motosiklet ve ev kazaları; ve spor yaralanmaları. Örneğin, güvenlik ekipmanları ve protokolleri ilerlemelere rağmen, mekanik kaynaklı travmatik beyin hasarı (TBI) yaklaşık 1.4 milyon TBI olayları her raporları Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezi&#39;nin (CDC) mortalite ve morbidite yaşam boyu önde gelen kaynağı olmaya devam ediyor yıl, hangi yaklaşık 50.000 ölümcüldür. Amerikan futbolu, tek başına 300.000 &#39;den fazla TBIs her yıl 7 oluşturmaktadır. Bu tür yaralanmalarda Dul hissi, biliş ve iletişimle ilgili uzun vadeli nörolojik komplikasyonlar açısından risk altındadır. Bu zamanda, yaklaşık vardırBu kronik dezavantajları ve engelli yaşayan 5,3 milyon Amerikalı. 2000-2010 Doğrudan ve dolaylı ABD sağlık giderleri 60000000000 $ 8 olarak gerçekleşti. Ancak bu sayılar olmayan tıbbi masrafları ve kayıpları, ya da TBI hastaları destekleyen aileleri ve arkadaşları tarafından yapılan bu hesaba yok. Salt ekonomik analiz ötesinde, TBI kaynaklı sakatlık aileleri ve toplum üzerinde önemli bir yük olarak tezahür edebilir yaşam kalitesinde önemli bir azalma yaratır. TI oluşumu, karakterizasyonu ve önlenmesi daha iyi anlaşılması için ihtiyaç açıktır. TI fikir ve TI için potansiyel risk altında olanlar için güvenlik özelliklerini maruz kalmayı azaltmak ya da artırmak için fırsat sağlamak temelinde yatan mekanizmaların biyomekanik çalışmalar. Ayrıca, TI oluşumunun genel anlayış daha ilerlemesi iyileştirilmesi sonucu daha iyi araçlarla TI tedavi tıp uzmanları sağlayan tanı yöntemleri ve ölçütleri artırabilirs ve tasarruf yaşıyor. Yaralanma mekanizmaları daha iyi bilgi ve yaralanma geliştirme biyomekanik daha iyi anlaşılması, insan vücudu için etkili koruyucu önlemler geliştirmek için gereklidir. Tarihsel olarak, tahmin yaralanmalar yönelik simülasyonlar istihdam hesaplama kısıtlamalar yanı sıra anatomik sadakat ve malzeme modelleri engel oylandı. Tam vücut simülasyonları her vücut parçası üzerinde genel yükler odaklanmıştır, ancak vb her organ, kas, kemik, yerel gerilme, zorlanma ve hasar gözlenmemiştir. Örneğin, omuz moment modelleri belirli bir senaryo tehlikeli olup olmadığını belirlemek tablo değerleri aramak için kol, yük ve uygulamalı açı boyutlarını kullanın. Doğanın bir hesaplama hızlı tahminler için yararlı ama hasar ve yaralanma özünde yerel, özellikle de omuz elden yerel tüm yol ne oluyor yakalamak olamaz. İkincisi, FE simulations yerel bir yan yakalamak için kullanılmıştır. Bu çabaları sınırlama FEA kendisi, ama henüz patlama yaralanma yükler altında her vücut parçasının davranışını tanımlayan malzeme modelleri. Daha önce kullanılan malzeme modelleri basit malzemelerden uyarlanan ve biyolojik dokular tarafından sergilenen kompleks mekanik davranışları sayısız yakalamak için çaba değil. Bu nedenle, insan vücudundaki organlar için ISV malzeme modelleri ile yüksek sadakat hesaplama modelleri, TIS fizik ve biyomekanik araştırmak için yenilikçi koruyucu giysiler tasarlamak ve yaralanma ölçümleri için daha iyi standartlar oluşturmak en gerçekçi yolu temsil etmektedir. Split-Hopkinson Basınç Bar (SHPB) ve İç Devlet Değişken Arka Plan (ISV) Malzeme Modeli Nedeniyle insan organlarının in vivo test ve geniş çaplı insan kadavra testi ile ilgili lojistik sorunları, curr ile ilgili etik sorunlarent araştırma çabası hayvan suretler çıkarılan organlardan hazırlanan örnekler kullanılarak in vitro mekanik deneyler içeren (örneğin, en sık kullanılan vekil olarak domuz). Polimer SHPB yüksek gerilme oranlarında in vitro test yumuşak biyomalzemeler için tercih edilen yöntem olmuştur. doku mikro özelliklerinden SHPB test ve ilgili doku hasarı ile ilgili bilgi alakalı deformasyon davranışları, organ mekanik açıklamaları 9-10 bizim ISV malzeme modelleri dahil edilmiştir. Bu malzeme modelleri daha sonra çeşitli yaralanmaların FEA yapmak için sanal insan vücudu modeli uygulanmaktadır. Bu süreç doğru bir başka fiziksel deney için gerek kalmadan çeşitli mekanik yükleme koşulları altında verilen organ (örneğin patlama kaynaklı, araba kazası ve künt darbe) bir yaralanmanın fizik ve doğa tahmin hedefine doğru hareket etmemizi sağlar. Doğru t açıklamak içinO insan vücudunun FE simülasyonlarında kullanılan biyomalzemelerin, SHPB deneyleri insan tis ait gerilme oranlarında dinamik mekanik yanıtları elde etmek için biyomalzemeler üzerinde yapılmıştır, mekanik özellikleri, özellikle de üst düzey suşu hızı bağımlılığını fenomenolojik. Gelişmiş Araç Sistemleri Merkezi (Cavs), Mississippi State University&#39;de (MSU) de SHPB kurulumu genel bir bakış Şekil 1&#39;de gösterilmiştir. Önceki çalışmalar SHPB test onunla 12-18 ile bağlantılı üç ana kusurları sahip olduğunu göstermiştir. İlk ve en önemlisi bir başlangıç ​​başak olarak bir biyomalzeme numunenin yüksek deformasyon hızı mekanik tepki gösterir malzeme atalet etkisi vardır. Bu sorunu aşmak için, bir önceki araştırma çabaları şeklinde kuboidal için şekil veya dairesel olarak silindirik gelen numune geometrisi değiştirerek önerdi. Bu tür çalışmalardan elde edilen sonuçtaki mekanik davranışları fro farklıydıNumunenin geometrisi dalga yayılımı, dalga etkileşimleri ve mekanik yanıtı etkilenen çünkü m birbirlerine. Numune geometrisine modifikasyon Bu tür biyo materyalin mekanik tepki (eksenli ve düzgün olmayan stres durumu) hatalı temsilleri yol açmıştır. İkinci önemli kusur, bir test sırasında dinamik kuvvet dengesini korumak için yetersizlik oldu. Araştırmacılar örnek kalınlığı-çap oranı azaltılması ve / veya test öncesinde doku dondurma bu sorunu üstesinden geldi. Azaltılması iken malzeme özellikleri değişmiş olarak numune kalınlığı-çap oranı nedeniyle dokuda mevcut suyun kristalize için test prosedürü doku daha karmaşıktır donma, dinamik kuvvet denge sorunu ele aldı. Bir dizi çalışma, tam yukarıda bilmek SHPB kusurları bahsedilen ve çeşitli hayvan modellerinde (sıçan, domuz, vs.) basınç-zaman tepki elde etmek için bir şok tüpü kullanılır terk etti. Bununla birlikte, bu, birminimal- modelleri FE simülasyonları kullanılan malzeme modelleri için gerekli tek boyutlu tek eksenli gerilme-deformasyon davranışları vermeyin. Üçüncü kusur nedeniyle maddi yumuşaklık ve numune su içeriğinin miktarı nedeniyle barreling numunenin tek boyutlu gerilme-deformasyon sonuçları vermek için SHPB başarısızlığı oldu. Dolayısıyla, SHPB yüksek gerginlik oranı verileri toplamak için uygun bir test cihazı sunuyor. Yumuşak malzemeler için, ancak, SHPB hidrostatik basınç ağırlıklı üç boyutlu gerilme durumunu üreten şişkin uyarır, ancak tek boyutlu gerilme-deformasyon verileri arzu edilir. Biz hala malzeme modeli kalibrasyonu için tek boyutlu tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon eğrisi toplamak için SHPB nasıl kullanabileceğinizi burada gösteriyor; Bununla birlikte, tek eksenli, gerçek stres-streyn eğrisi elde edilmesi için gerekli işlem karmaşıktır. Bu süreç çok eksenli deneysel veriler ve FE benzetim sonuçlarını içerir ve bu iteratif tekrar kalibre gerektirirmalzeme modeli sabitleri. Ayrıca maddi nokta simülatörü olarak bilinen MATLAB ISV malzeme modeli, tek boyutlu uygulama kalibrasyonu için tek boyutlu deneysel veri gerektirir. Yani, ISV malzeme modeli sistematik bir kalibrasyon işlemi kullanılarak optimize edilmiştir. Burada, SHPB testlerinden deneysel veriler dalga teorisi formülasyonu ve dinamik kuvvet denge (MSU Yüksek Hız Yazılımı) kapsamında kabul edildi. Zhao ve arkadaşları tarafından rapor edildiği gibi, polimerik SHPB, viskoelastik dağılım denklemlerinin viskoelastik dağılım hesaba için. (2007), MSÜ Yüksek Hız Yazılım uygulanmıştır. viskoelastik dağılım denklemleri test ederken dinamik kuvvet dengesini sağlamada yardımcı oldu. İki süreç hem verileri iyi bir uyum vardı, yani uygun bir uyumlu olduğu kabul edilinceye kadar tek boyutlu malzeme noktası simülatörü sonra bir kaç deneme-FE modelleme metodolojisi bağlamında ayarlandı. Bu veriler edildiMATLAB malzeme yanıt simülatörünün (tek boyutlu) mekanik yanıt ve SHPB FE model &#39;(boyutlu bir) numune merkez stresi karşılaştırarak ISV modeli malzeme sabitleri ayarlamak için kullanılır. İşte FE modelin örnek stres bileşeni dalga yükleme yönünde oldu. Sonra FE modeli örneğinin üç boyutlu davranış iteratif FE simülasyonları gerçekleştirmek ve deneysel gerçek gerilme-deformasyon yanıt ile iyi korelasyon olduğu hacim ortalama yükleme yönü stres böylece ISV sabitleri ayarlanarak kalibre edildi. Böylece, deneysel veriler, FE sonuçları ve tek boyutlu ISV malzeme modeli arasındaki iteratif optimizasyon süreci yürütülmüştür. Tablo 1 ISV malzeme modeli (MSU TP Ver. 1.1) 11 değişkenlerinin bir özetini vermektedir. Bu yöntemin en önemli unsur biyo materyalin tek boyutlu mekanik yanıtını ve malzeme parametreleri elde edilirStres devlet dışı tekdüzelik SHPB test konularını circumvents ISV malzeme modeli için. Aynı zamanda atalet etkileri kaynaklanan biyomalzemenin ilk doğrusal olmayan yanıtını ayırır ve malzemeye özgü olan mekanik bir tepki vermektedir. birleştiğinde metodoloji de numune geometrisi bir değişiklik tamamen Sınır Değer Problemi (BVP) ve numunenin yükleme yönü gerçek gerilme-zorlanma değiştirir gösterdi. Bu nedenle, yukarıda belirtilen metodoloji zararlı mekanik yükler altında insan organlarının yüksek gerginlik oranı davranışlarını simüle sonra kalibre ve için (fenomenolojik ya da mikro bazlı) herhangi bir malzeme modeli ile kullanılabilir.

<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

Bu çalışma yüksek gerilme oranları maruz kalan yumuşak biyomalzemeler (örneğin beyin, karaciğer, tendon, yağ, vs.) mekanik davranışını incelemek için kombine deneysel ve sonlu elemanlar (FE) simülasyon yaklaşım sunuyor. Bu çalışma 100-1,500 sn gerilme oranlarını oluşturmak için Split-Hopkinson Basınç Bar (SHPB) kullanılmaktadır -1. SHPB viskoelastik bir materyal (polikarbonat) &#39;dan oluşan bir vurucu çubuğu kullanılabilir. Biyo materyalin bir numunesi postmortem kısa bir süre elde SHPB testleri için hazırlanmıştır. örnek olaydan ve gönderilen çubuklar arasına yerleştirilmiş olan ve SHPB pnömatik komponentler olay bar doğru forvet çubuğunu götürmek aktive edilmiştir. Ortaya çıkan darbe olayı barda yolculuk bir basma gerilmesi dalga (yani olay dalgası) oluşturulur. Basma gerilmesi dalga olay çubuğunun sonuna ulaştığında, bir kısmı numune ileriye doğru devam etti ve (i bar bulaşan.e. iletilen dalga) diğer bir kısmı gerilme dalgası olarak olay bar iptal ederken (yani) dalga yansıtıyordu. Bu dalgalar olaydan ve iletilen çubukları monte gerilme mastar kullanılarak ölçüldü. Numunenin gerçek gerilme-deformasyon davranışı dalga yayılımı ve dinamik kuvvet denge dayalı denklem belirlendi. Numune şişti çünkü deneysel gerilme-deformasyon tepkisi doğada üç boyutlu oldu. Bu nedenle, bir hidrostatik gerilim (birinci değişmeyen) gerilme-deformasyon tepkisi üretmek için kullanıldı. Doku tek eksenli (tek boyutlu) mekanik yanıtını elde etmek için, bir yinelemeli birleştiğinde optimizasyon deney sonuçlarını ve doku için kullanılan bir iç Devlet Değişken (ISV) malzeme modeli içeriyordu Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneği FE simülasyonlarında kullanılan ISV malzeme modeli iteratif deneysel veriler, tha (yani optimize) kalibre edildiDeney ve FEA strain gage değerleri ve gerilmelerin birinci değişmez t iyi bir uyum vardı.

<html> birleştirilmiş yöntemin etkinliği, Şekil 3&#39;te örnek olarak verilmiştir. Burada beyin için SHPB deney gerilme-deformasyon tepkisi daha düşük bir gerilme durumuna olan (0.32 MPa&#39;lık bir pik gerilme) ile karşılaştırıldığında tek boyutlu malzemenin gerilme durumuna FE örnek merkez hattı (element) ortalamasına yakındır, (0.74 pik değeri MPa) ile nokta simülatörü. Bu deformasyon, yumuşak biyomalzemeler sergi doğası nedeniyle. Gerilme oranları yüksek ve biyomalze...

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

Bu çalışma, yumuşak biyomalzemeler (beyin, karaciğer, tendon, yağ, vs.) tek eksenli dinamik mekanik yanıtını elde etmek için bir deney birleştiğinde-sonlu eleman simülasyon metodolojisi koşuyor. Çünkü numunenin ortaya çıkan eksenli deneysel sonuçlar biyomalzemenin sonlu elemanlar analizinin iteratif optimizasyon ile simüle zaman tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon davranışı hale getirildi Split-Hopkinson Basınç Bar testlerden elde edilen şişkin.

Yumuşak Biyomalzeme Yüksek Deformasyon Hızı Mekanik Tepki değerlendirilmesi için Coupled Deney-sonlu Eleman Modelleme Metodolojisi

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

Mekanik Dinamik Hücre Kültürü için Microfabricated platformlar

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

Biyomalzemelerin Yüksek Verimli Discovery için Polimer Mikroarray&#39;ler

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

Kemik-implant Anchorage değerlendirmek için bir Geliştirilmiş Mekanik Test Metodu

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.

Ölçüm Minyatür Çift elemanlı deformasyon ölçüm aletlerinin imalat ve implantasyon<em&gt; In Vivo</em&gt; Kemirgenler Gastrointestinal Kasılmalar.

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

Deneysel ve Sonlu Eleman Protokolü Eklem Kıkırdak genelinde Nötr ve Yüklü Çözünenlerin Ulaştırma Araştırma

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

Hastalık Teşhis için Taşınabilir Görüntüleme ve Analiz ile birleştiğinde Manyetik Levitasyonunun

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

Multi-View Stereo ve Isogeometric Kinematics kullanma Cilt Genişleme bir Domuz Modeli Genleme Niceleme

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

Biomimetic kimyasal Neuromodulation, sıçan retina nörotransmitter Glutamat Vitro ile için metodoloji

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

Yumuşak silikon yüzeylerde sertlik ölçüm Widefield floresan mikroskop kullanarak Mechanobiology çalışmaları için

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

Atriyoventriküler kalp kapakları biaxial mekanik karakterizasyonu

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