Идентификация параметров определяющих соотношений, описывающих механическое поведение мягких тканей
Автор: Натали А.Н., Форестиеро А., Карниель Э.Л.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 4 (46) т.13, 2009 года.
Бесплатный доступ
Одной из главных проблем, возникающих при формулировании определяющих соотношений для мягких биологических тканей, является идентификация параметров, входящих в модель. Определяющие соотношения мягких тканей должны учитывать отклик биологического материала, который обуславливается анизотропией, нелинейностью материала, слабой сжимаемостью, большими деформациями и перемещениями. В данной работе представлена методика для идентификации параметров определяющих соотношений, которая заключается в сравнении результатов, полученных по модели, с экспериментальными данными для данной ткани. Названный подход учитывает историю нагружения, которая получена из механических испытаний, а затем по объединенной стохастической/детерминистической схеме находятся параметры модели, при которых отклонение теоретической и экспериментальной кривых минимально. Представлены аналитические модели для описания поведения тканей пищевода и периодонта. Показано, что данный подход позволяет адекватно описать различное механическое поведение биологических мягких тканей, отличающихся по структуре и выполняемым функциям. Проведено сравнение экспериментальных данных и результатов, полученных по моделям.
Мягкие биологические ткани, формулирование определяющих соотношений, параметры определяющих соотношений, нелинейный анализ
Короткий адрес: https://sciup.org/146215972
IDR: 146215972
Список литературы Идентификация параметров определяющих соотношений, описывающих механическое поведение мягких тканей
- Begambre, O. A hybrid particle swarm optimization -simplex algorithm (PSOS) for structural damage identification/O. Begambre, J.E. Laier//Advanced Engineering Software. -2009 (in press).
- Berkovitz, B.K.B. The periodontal ligament in health and disease/B.K.B. Berkovitz, B.J. Moxham, H.N. Newmann. -London: Mosby-Wolfe, 1995.
- Boukari, D. Survey of penalty, exact-penalty and multiplier methods from 1968 to 1993/D. Boukari, A.V. Fiacco//Optimization. -1995. -Vol. 32. -P. 301-334.
- Corana, A. Minimizing multimodal functions of continuous variables with the "simulated annealing" algorithm/A. Corana, M. Marchesi, C. Martini and S. Ridella//ACM T. Math. Software. -1987. -Vol. 13. -P. 262-280.
- Gabella, G. The cross-ply arrangement of collagen fibres in the submucosa of the mammalian small intestine/G. Gabella//Cell Tissue Res. -1987. -Vol. 248. -P. 491-497.
- Guo, Z.Y. A composites-based hyperelastic constitutive model for soft tissue with application to the human annulus fibrosus/Z.Y. Guo, X.Q. Peng, B. Moran//J. Mech. Phys. Solids. -2006. -Vol. 54. -P. 1952-1971.
- Hillstrom, K.E. A simulation test approach to the evaluation of nonlinear optimization algorithms/K.E. Hillstrom//T. Math. Software. -1977. -Vol. 3. -P. 305-315.
- Holzapfel, G.A. Nonlinear Solid Mechanics: a continuum approach for engineering/G.A. Holzapfel. -New York: Wiley, 2000.
- Junqueira, L.C. Basic histology/L.C. Junqueira, J. Carneiro, J.A. Long. -London: Prentice-Hall International, 2000.
- Karami, G. A micromechanical hyperelastic modeling of brain white matter under large deformation/G. Karami, N. Grundman, N. Abolfathi, A. Naik, M. Ziejewski//J. Mech. Biomed. Mater. -2009. -Vol. 2. -P. 243-254.
- Kirkpatrick, S. Optimization by simulated annealing/S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt, Jr., M.P. Vecchi//Science. -1983. -Vol. 220. -P. 671-679.
- Kroon, M. A new constitutive model for multi-layered collagenous tissues/M. Kroon, A.G. Holzapfel//J. Biomech. -2008. -Vol. 41. -P. 2766-2771.
- Lagarias, J.C. Convergence properties of the Nelder Mead simplex method in low dimensions/J.C. Lagarias, J.A. Reeds, M. H. Wright, P. E. Wright//Siam J. Optim -1998. -Vol. 9. -P. 112-147.
- Lei, F. Inverse analysis of constitutive models: Biological soft tissues/F. Lei, A.Z. Szeri//J. Biomech. -2006. -P. 2343-2358.
- Limbert, G. On the constitutive modeling of biological soft connective tissues: a general theoretical framework and explicit forms of the tensors of elasticity for strongly anisotropic continuum fiber-reinforced composites at finite strain/G. Limbert, M. Taylor//Int. J. Solids Struct. -2002. -Vol. 39. -P. 2343-2358.
- Marsden, J.E. Mathematical Foundations of Elasticity/J.E. Marsden, T.J.R. Hughes. -New Jersey: Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1983.
- Maurel, W. Biomechanical Models for Soft Tissue Simulation/W. Maurel, Y. Wu, N. Magnenat Talman, D. Thalman. -Berlin: Springer, 1998.
- Metropolis, N. Equation of state calculations by fast computing machines/N. Metropolis, A. Rosenbluth, M. Rosenbluth, A. Teller, E. Teller//J. Chem. Phys. -1953. -Vol. 21. -P. 1087-1090.
- Minns, R.J. The role of the fibrous components and ground substance in the mechanical properties of biological tissues: a preliminary investigation/R.J. Minns, P.D. Soden, D.S. Jackson//J. Biomech. -1973. -Vol. 6. -P. 153-165.
- Natali, A.N. Numerical analysis of tooth mobility: formulation of a non linear constitutive law for the periodontal ligament/A.N. Natali, P.G. Pavan, C. Scarpa//Dental Materials. -2004. -Vol. 20. -P.623-629.
- Natali, A.N. Anisotropic elasto-damage constitutive model for the biomechanical analysis of tendons/A.N. Natali, P.G. Pavan, E.L. Carniel, M.E. Lucisano, G. Taglialavoro//Med. Eng. Phys. -2005. -Vol. 27. -P. 209-214.
- Natali, A.N. Hyperelastic models for the analysis of soft tissue mechanics: definition of constitutive parameters/A.N. Natali, E.L. Carniel, P.G. Pavan, P. Dario, I. Izzo//IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. -Pisa, Italy. -2006.
- Natali, A.N. Experimental-numerical analysis of minipig's multi-rooted teeth/A.N. Natali, E.L. Carniel, P.G. Pavan, C. Bourauel, A. Ziegler, L. Keilig//J. Biomech. -2007. -Vol. 40. -P. 1701-1708.
- Natali, A.N. A visco-hyperelastic-damage constitutive model for the analysis of the biomechanical response of the periodontal ligament/A.N. Natali, E.L. Carniel, P.G. Pavan, F.G. Sander, C. Dorow, M. Gaiger//ASME J. Biomech. Eng. -2008. -Vol. 130. -P. 15-28.
- Nishihira, M. Mechanics of periodontal ligament/M. Nishihira, K. Yamamoto, Y. Sato, H. Ishikawa, A.N. Natali//Dental biomechanics, edited by A.N. Natali. -London: Taylor & Francis, 2003.
- Ottani, V. Collagen structure and functional implications/V. Ottani, M. Raspanti, A. Ruggeri//Micron. -2001. -Vol. 32. -P. 251-260.
- Ottani, V. Hierarchical structures in fibrillar collagens/V. Ottani, D. Martini, M. Franchi, A. Ruggeri, M. Raspanti//Micron. -2002. -Vol. 33. -P. 587-596.
- Provenzano, P. Collagen fibril morphology and organization: implication for force transmission in ligament and tendon/P. Provenzano, R Vanderby//Matrix Biol. -2006. -Vol. 25. -P. 71-84.
- Silver, F.H. Collagen self-assembly and the development of tendon mechanical properties/F.H. Silver, J.W. Freeman, G.P. Seehra//J. Biomech. -2003. -Vol. 36. -P. 1529-1553.
- Spencer, A.J.M. Continuum theory of the mechanics of fiber-reinforced composites/A.J.M. Spencer. -New York: Springer-Verlag, 1984.
- Yang, W. 3D mechanical properties of the layered esophagus: experiment and constitutive model/W. Yang, T.C. Fung, K.S. Chian, C.K. Chong//J. Biomech. Eng. -2006. -Vol. 128. -P. 899-908.
- Yang, W. Directional, regional, and layer variations of mechanical properties of esophageal tissue and its interpretation using a structure-based constitutive model/W. Yang, T.C. Fung, K.S. Chian, C.K. Chong//J. Biomech. Eng. -2006. -Vol. 128. -P. 409-418.