Viscoelastoplastic modeling of arterial tissue
Damar dokusunun viskoelastoplastik modellenmesi
- Tez No: 252209
- Danışmanlar: PROF. DR. TUNCER TOPRAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 245
Özet
Dünyadaki ekonomik, bilimsel ve tıp açısından oldukça önemli ve gözlemlenme oranı yüksek olan arteroskleroz ve disk dejenerasyonu gibi hastalıklar, temelde yumuşak doku hastalıkları olarak adlandırılabilirler. Bu bağlamda, disiplinler arası bir araştırma konusu olan yumuşak dokularda araştırma, sosyoekonomik olarak gittikçe büyüyen bir önem arz etmektedir. Donanım ve yazılım olanaklarındaki hızlı gelişmeler, yumuşak dokuların ve ilgili patolojilerin sayısal olarak detaylı şekilde modellenebilmesine olanak tanımaktadır. Yumuşak dokular da, çeşitli mekanik özellikleri haiz ve mekanik dış ortam uyaranlarına göre (büyüme, yeniden modelleme, morfojenez) kendilerini uyarlabilindiklerinden dolayı, biyolojik ve mekanik etkileşimlerin bilinmesi ve belirtilmesi çok büyük önem taşımaktadır.Bu çalışma kapsamında, damar dokusu için viskoelastoplastik bir malzeme modelinin temellerinin oluşturulması amaçlanmıştır. Model, damar cidar yapısının kompozit özelliklerini içermekte ve çok eksenli yükleme durumlarına göre karmaşık pasif mekanik cevap mekanizmasını kapsamaktadır. Bir (elastik) hasar (damage) mekanizması ile malzemenin zamanla mekanik özelliklerinin değiştiği (yumuşama gösterdiği) dikkate alınmıştır. Model, kronik hipertansiyon gibi yüklenme şartlarındaki uzun vadeli değişimlere uyumu tasvir eden ?yeniden yapılanma? (remodeling) özelliklerinin eklenebileceği modüler bir şekilde tasarlanmıştır. Literatürde bu konuda oldukça fazla sayıda çalışma olmasına rağmen, deneysel verilerle desteklenen modeller yok denecek kadar azdır.Çalışmanın başlangıcı olarak, kardiyovasküler sistem ve damar anatomisi hakkında bilgiler sunulmuştur. Bu esnada, yapının kollajen fibrillerden oluşan sarmal kompozit ve katmanlı yapısı hakkında ayrıntılar sunulmuş ve bu yapının katı mekaniği açısından getirdiği sonuçlar hakkında yorumlar yapılmıştır. Literatürde bulunan daha önceki çalışmalardan örnekler verilmiştir. Böylelikle, bu çalışmada sunulan modelin diğer modellerin zayıf taraflarına göre konumlandırılması yapılmıştır.Daha sonraki bölümlerde, ilk olarak terminoloji ve temel kavramları açıklamak için kısa bir sürekli ortamlar mekaniği özeti sunulmuştur. Daha sonra, temel viskoelastik bir malzeme formülasyonundan başlayarak adım adım en genel hal olan hasar mekanizmalı viskoelastoplastik malzeme modelinin elde edilmesi gerçekleştirilmiştir. Bu model elde edilirken, damar yapısı üzerindeki öngerilmelerin de modele konulması hakkında gerekli altyapı hazırlanmıştır. Yaklaşık malzeme parametreleri ile örnek yükleme koşulları ile analizler gerçekleştirilmiş ve öngörülen modelin beklentilerle ve katı mekaniğinin temelleri ve termodinamik sınırlamaları ile uyumlu olup olmadığı incelenmiştir.Çalışma daha sonra deneysel bir sistem kurulumu, tanıtımı ve bu sistemle gerçekleştirilmiş deneysel çalışmalarla geliştirilmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi Mukavemet ve Biyomekanik Laboratuarı kapsamında bir test düzeneği kurulmuştur. Bu düzenekle, silindirik test numunelerine senkron yükleme yapabilecek, fakat bağımsız kontrollu bir iç basınç/eksenel kuvvet/burulma momenti uygulama imkanı sağlanmıştır. Deney düzeneği, yüksek hızlı optik deformasyon ölçüm sistemi ile desteklenmiştir.Testlerden elde edilen verilerin incelenmesine yönelik olarak analitik formülasyonlarla elde edilmiş ve kalın cidarlı eksenel simetrik tüp olarak modellenen damar üzerinde birleşik iç basınç, eksenel zorlanma ve burulma zorlanması yüklenmeleri için genel yüklenme/deformasyon ilişkileri çıkartılmıştır. Koyun pulmoner arterleri ile in-vitro deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu numunelerin, plastik cerrah yardımı ile ikincil branşman damarları dikilerek su sızdırmazlığı sağlanmış ve neredeyse eksenel simetrik hale getirilmiştir. Çeşitli optimizasyon teknikleri kullanılarak, parametre tahmini yapmaya uygun olan deneysel verilerden malzeme katsayıları tahmini gerçekleştirilmiştir.Çalışma, öngörülen malzeme modelinin ve deneysel çalışmalardan elde edilen bilgilerin bir özeti ile sonuçlanmaktadır. Burada ortaya konmaktadır ki, yüklenmeler aynı fazda olduğu müddetçe, sözkonusu model, yeterli başarı ile deneysel verilere uygunluk sağlamaktadır. Elde edilen sonuçlar ışığında ayrıca ileriye yönelik araştırma konuları hakkında kısa bir yol gösterme ortaya konulmuştur.The great majority of diseases in the (western) world, such as atherosclerosis and degeneration of intervertebral discs are diseases of soft tissues. Hence, the multidisciplinary field of soft tissue research is of crucial scientific, medical and socioeconomic importance. The fast progress in the developments of hardware and software facilities makes it possible to thoroughly investigate biological soft tissues and their pathologies on a computational basis. Since soft tissues are biological materials, which fulfill mechanical purposes and adapt to their mechanical environment (growth, remodeling and morphogenesis), it is of fundamental importance to identify the complex interactions of mechanical and biological responses.
Özet (Çeviri)
This work has aimed at setting the foundations of a non-linear material model for arterial viscoelastoplasticity. The model accounts for the composite structure of the vessel and its complex passive mechanical response to loading conditions. Long term property changes of arterial structure have been modeled with a damage model. It can easily be extended to remodeling phenomenon which also accounts for adaptation of the structure to long-term steady-state changes in the loading conditions such as chronic hypertension. Much work has been done in the literature, but hardly few have been extensively studied with diverse experimental data.The initiation of the study has been pointed out to be a section where the basics of arterial anatomy, the cardiovascular system have been presented. The important facts about the arterial structure, such as its collagenous fibrous composite structure, layered composition and its consequences have been presented. Some examples from previous work on the subject have been presented and the current work has been positioned over the intention that the others have not presented.A brief of continuum mechanics has been presented to make the terminology clear. Then, the material models have been proposed from simple viscoelastic formulations to a damage-softening viscoelastoplastic formulation, where the prestress effects have also been considered within the constitutive framework. Demonstrative analysis with estimate material parameters have been presented to inspect in detail whether the proposed model behaves in accordance with the expectations and with full compatibility with solid mechanics basics and thermodynamic restrictions on constitutive modeling.The study has been enhanced with an extensive testing system for controlled synchronous and discrete application of combined inflation/extension/torsion loads on tubular specimens, enhanced with high speed optical deformation measurement systems. The test setup has been implemented in the Strength of Materials and Biomechanics Laboratory at Istanbul Technical University, Faculty of Mechanical Engineering.Analytical formulations suitable to application of parameter estimation studies for specimens under combined inflation/extension/torsion loads on thick-walled cylindrical tubes have been presented. In vitro experiments have been carried out with lamb arterial segments, which have been treated by plastic surgeons, and with looping the secondary branches, a watertight (quasi) cylindrical test specimen has been obtained. Parameter fitting procedures have been carried out on experimental data to the extent that the experimental system allowed reasonable and useful data to feed into the optimization algorithm for parameter estimation.The work concludes with a summary of basic outcomes of the material?s models abilities and comments on the outcomes and data obtained from the parameter estimation studies. It has been commented that the model is very compatible for determining viscoelastoplastic behavior of arterial segments, and more generally for estimating behavior of fibrous composites that exhibit geometrical and material nonlinearity to the extent that the loading conditions are in-phase. Based on the outcomes of the studies, some comments on future research topics have also been presented.