• Aucun résultat trouvé

Mechanics of soft biological tissues

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "Mechanics of soft biological tissues"

Copied!
78
0
0

Texte intégral

(1)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Mechanics of soft biological tissues

Prof Stéphane AVRIL

PARIS

AUVERGNE RHONE-ALPES

MINES SAINT-

ETIENNE

(2)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

OUTLINE

 PART I: computational modelling of soft biological tissues – Application to aortic aneurysm

 PART II: Experimental evaluation of regional variations in in the mechanical properties of soft tissues – Application to vascular mechanobiology

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

2

(3)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

OUTLINE

PART I: computational modelling – Application to aortic aneurysm

 PART II: Experimental evaluation of regional variations in in the mechanical properties of soft tissues – Application to vascular mechanobiology

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

3

(4)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Soft biological tissues: many challenges for continuum mechanics

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 4

(5)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Dé formation %

Entropie Ene rgie Inte rne

0 100 200 300 400 500 600 Dé formation %

Ene rgie Inte rne Entropie

enthalpic elasticity (cristal)

entropic elasticity

(biological tissue)

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(6)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Essais de Treloar (1944)

0 10 20 30 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5 6 7

Lambda-1

C on tr a int e no m ina le

Traction simple Equibiaxiale Traction plane

Treolar’s tests on rubber (1944)

Nom inal str ess F /S0 (MPa )

Stretch λ=L/L 0

Biaxial tension

Planar tension Uniaxial tension

6

1 2 3 4 5 6 7

Hyperelasticity

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(7)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Pseudo-hyperelasticity:

Irreversible effects are neglected…

7

Stretch λ=L/L 0

1 2 3 4 5 6

No m inal str ess (MPa )

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(8)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

0 10 20 30 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5 6 7

Co n tra in te n o min a le

Lambda-1

Nom inal str ess S =F/A 0 (MPa )

Stretch λ=L/L 0

8

Stored energy per unit volume

1

𝐴 0 𝐿 0 න 𝐹 ሶ𝐿𝑑𝑡 = න 𝑆 ሶ λ𝑑𝑡

1 2 3 4 5 6 7

Strain energy density

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(9)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Deformation mapping in 3D

Deformation Gradient

1 2 3

( , , , )

i i i

y   x u x x x t

 

 

( )

or i i i ij i ij

j j j

y u

x u F

x xx

    

  

    

  

y x u x F

x u(x)

e

3

e

1

e

2

dx dy

u(x+dx)

Original Configuration

Deformed Configuration

i ik k

d d

dy F dx

 

y F x

9

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(10)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

e

3

e

1

e

2

l

0

Original Configuration

Deformed Configuration

m

l

1 1

( ) or ( )

2 2

T E ij F F ki kjij

    

E F F I

  2

2 2

0

2 2

0 0 0

2 2

ij i j

l l l l

E m m

l l l

 

      

m E m

10

Green Lagrange strain

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(11)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Nominal/ 1 st Piola-Kirchhoff

Material/2 nd Piola-Kirchhoff

1 1

ij ik kj

J S JF

  

S F σ

1 T 1 1

ij ik kl jl

J JF F

   

Σ F σ F

e

3

e

1

e

2

Original Configuration

Deformed Configuration

t

dA

0

dA n

n

0

x

u(x)

dP

(n)

dP

0(n)

11

True / Cauchy

σ

Stress measures

π π

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(12)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

0 10 20 30 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5 6 7

Co n tra in te n o min a le

Lambda-1

Nom inal str ess S =F/A 0 (MPa )

Stretch λ=L/L 0

12

Stored energy per unit volume

න 𝑺: ሶ F𝑑𝑡 = න 𝝅: ሶ E𝑑𝑡 = Ψ(E)

1 2 3 4 5 6 7

Hyperelasticity

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(13)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

13

compressible hyperelastic behaviour

incompressible hyperelastic behaviour (𝐽=1)

 ?

Strain energy density:

𝛔 = 𝐽𝐅. 𝜕Ψ

𝜕𝐄 . 𝐅 𝑇

𝛔 = 𝐅. 𝜕Ψ

𝜕𝐄 . 𝐅 𝑇 + 𝑐𝐈

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(14)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

14

    el 2 i N

1

i i

N i

1 i

1 0 i 2

1 J 1

D 3 1

I C

J , I ,

I    

  

Polynomials of the first invariant

Initial shear modulus  0  2C 10

Initial compressibility modulus

1 0

2 kD

Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽)

Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽) 𝐽

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(15)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

15

Particular case 1: Neo-Hookean behaviour (N=1)

    el 2

1 1

10 2

1 J 1

D 3 1

I C

J , I ,

I    

    el 2 i N

1

i i

N i

1 i

1 0 i 2

1 J 1

D 3 1

I C

J , I ,

I    

  

Polynomials of the first invariant Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽)

Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽) 𝐽

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(16)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

16

Particular case 2: Yeoh behaviour (N=3)

    el 2 i 3

1

i i

3 i

1 i

1 0 i 2

1 J 1

D 3 1

I C

J , I ,

I    

  

    el 2 i N

1

i i

N i

1 i

1 0 i 2

1 J 1

D 3 1

I C

J , I ,

I    

  

Polynomials of the first invariant Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽)

Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽) 𝐽

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(17)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

ARRUDA-BOYCE

       

 

  

 

 

  el

2 el 5

1 i

i i 2 1

i 2 m

i 2

1 ln J

2 1 J

D 3 1

C I J

, I , I

673750

; 519 7050

; 19 1050

; 11 20

; 1 2 1

5 4

3 2

1  CCCC

C

Model with 8 chains

Statistical mechanics Gaussian chains

0

k D 2

0 

 

 

  

 

 



 sinh

ln n n

Nk

chain

0

 

 

  

and 3 3

I

1 1 chain

chain

17

Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽) Other functions of the first invariant

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(18)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

18

OGDEN

    el 2 i

N

1

i i

N

1 i

3 2

2 1 i

i 2

1 J 1

D 3 1

J 2 , I ,

I 

i

 

i

 

i

  

 

  

3 2

1 ,  , 

 Principal stretches  iJ 3 1i

 

N

i

i 1

0 

1 0

2 kD

Rivlin Mooney

; 2

; 2

; 2

N   1   2    

Hookean Neo

; 2

; 1

N   1   

Forms written with the principal stretches Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽)

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(19)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Anisotropy induced by collagen fibers

19

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(20)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Anisotropy induced by collagen fibers

20

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(21)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

21

Anisotropic strain energy density

(Holzapfel et al., 2000)

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

21

(22)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Micro-fiber approach

22

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(23)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Layer-specific constitutive model

Strain-energy function based on the constrained mixture theory

Humphrey & Rajagopal, Math Models Methods Appl Sci. (2002) ; Bellini et al, ABME (2014), Mousavi & Avril, BMMB (2017)

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Deposition stretch of each constituent:

Collagen Elastin

SMC

Load

23

(24)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Damage and plasticity

24

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(25)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Abaqus finite-element

implementation and verification

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

 FE software ABAQUS coupled with UMAT

 Hexahedral and tetrahedral elements

 Structural mesh (𝑟, 𝜃, 𝑧)

 Two different layers (media and adventitia)

Mousavi et al, IJNMBE, 2018

25

(26)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Time dependent material properties:

different approaches

26

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(27)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Proteolytic injury and tissue adaptation

PROTEOLYTIC INJURY

Strain HEALING

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Stress Stress

27

(28)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Growth and remodeling

28

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(29)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

29

𝐅 tot 𝑗 = 𝐅 elc 𝑗 𝐅 gr 𝑗 𝐅 gr 𝑗 = 𝐅 r 𝑗 𝐅 g 𝑗

𝐅 r 𝑗 and 𝐅 g 𝑗 should be updated if the artery is not in the homeostatic state

Elastic and inelastic decomposition of deformation gradient

Layer-specific constitutive model

Mousavi & Avril, BMMB (2017), Mousavi et al, BMMB (2019) Ghavamian et al, Front Bioeng Biotech (2020)

Stéphane Avril - 2020 Sept 16 - NUBioEng

29

(30)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Growth and Remodeling in

homogenized constrained mixture

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Collagen mass production

ሶϱ 𝑗 (t) = ϱ 𝑗 (t)𝑘 σ 𝑗 𝜎 𝑗 𝑡 − 𝜎 h 𝑗

𝜎 h 𝑗 + ሶ𝜉 𝑗 (𝑡)

Inelastic deformation due to remodeling

Cyron et al, BMBB (2016), Braeu et al, BMMB (2017), Laubrie et al, IJNMBE (2019)

Collagen Elastin

SMC

Load

30

(31)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Simulation of aneurysm progression

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Goal: Predict weakening in the aortic wall

31

(32)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

32

Assumption

ATAAs are triggered by local proteolytic injury, which induce adaptation in the ascending thoracic aorta

Guzzardi et al, JACC (2014), Condemi et al, IEEE TBME (2019)

32

Stéphane Avril - 2019 July 9 – ESB Vienna

(33)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

33

Patient-specific predictions

Growth and remodeling of a two–layer patient–specific human ATAAs due to elastin loss

Mousavi et al, BMMB (2019)

.

Localization function around the point of TAWSS max

Stéphane Avril - 2019 July 9 – ESB Vienna

33

(34)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

34

Growth and remodeling of a two–layer patient–

specific human ATAAs due to elastin loss

Normalized Thickness Small growth parameter

Patient-specific predictions

Stéphane Avril - 2019 July 9 – ESB Vienna

34

Mousavi et al, BMMB (2019)

(35)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

SUMMARY

 Patient-specific numerical model based on the constrained mixture theory including damage and G&R – coupling with CFD analyses, + active role of SMCs

 One of the major effect is mechanoregulation.

Pressing need to get experimental insight about the regulation of tissue mechanics

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

35

(36)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

OUTLINE

 PART I: computational modelling – Application to aortic aneurysm

PART II: Experimental evaluation of regional variations in in the mechanical properties of soft tissues – Application to vascular mechanobiology

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

36

(37)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio Adventitia

Media Intima

Smooth Muscle Cells Fibroblasts

Collagen

Endothelial Cells

Elastic Lamina Layering

SMC

Elastin Collagen

EC

BL

Recruited SMC

EC BL

DEVELOPMENT

MATURITY Figure G&R1

What developmental biology tells us?

37

“Here and elsewhere we shall not obtain the best insights into things until we actually see them growing from the

beginning”

Aristotle (384-

322 B.C.)

(38)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

APPROACH

1. Experiments 2. Material model 3. Inverse method

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 38

(39)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Functional biomechanical behavior

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 39

(40)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Study Design

Fibrillin 1 mgR/mgR Fibulin 4 SMC KO

Control

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 40

(41)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

MEASUREMENT OF THE RESPONSE USING DIGITAL IMAGE CORRELATION

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

classical panoramic

Genovese. Optics Lasers Eng, 47, p 995-1008, 2009.

Badel et al. CMBBE, 15, p 37-48, 2012.

41

(42)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

DIC tend to be used for all kind of soft tissues

42

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(43)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Undeformed Deformed

x y

Principle of DIC

43

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(44)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

The pDIC technique

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Posterior Anterior

44

(45)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

pDIC measurements

Fibrillin 1 mgR/mgR Fibulin 4 SMC KO

dorsal

ventral inflation

6852 CS3 8

dorsal

ventral inflation

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 45

(46)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

OCT-DVC applied to arterial mechanics

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 46

(47)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Measurement of bulk deformation fields by Digital Volume Correlation

on OCT images

OC T Las er

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 47

(48)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Image Processing Methodology – Inflation Test

Title: REF

Width: 667 pixels Height: 640 pixels Depth: 100 pixels

Voxel size: 1x1x1 pixel^3 (2.38um)

Pressures: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 Lambda (λ) 1 – 2 – 3

Original

Image Parameters Original *raw files

Algorithmic Mask – Threshhold: 48

Correlation window size [voxel]: 24 (8x8x8)

Overlap : 75%

Passes : 10

Required valid voxel per window: 44%

48

(49)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

APPROACH

1. Experiments 2. Material model 3. Inverse method

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 49

(50)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

CONSTITUTIVE MODEL

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio Bellini, et al., Ann. Biomed. Eng., 42(3), pp. 488–502, 2014

50

(51)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

PARAMETERS TO BE IDENTIFIED

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 51

(52)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

APPROACH

1. Experiments 2. Material model 3. Inverse method

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 52

(53)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Inverse approach – traditional approach

Set of materials properties

Resolution of forward problem

Deviation between predictions and measurements minimization

initialization

Identification of material properties

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

measurements

53

(54)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Inverse approach – FEMU approach

Set of materials properties

Resolution of forward problem

Deviation between predictions and measurements minimization

initialization

Identification of material properties

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

J(µ)= 𝑇 𝑢 − 𝑇(𝑢 𝑒𝑥𝑝 ) 2 + 𝛼

2 𝐵(µ)

Oberai et al., Inverse problems, 19, pp. 297-313, 2003

measurements

54

(55)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Set of materials properties

Resolution of forward problem

Deviation between predictions and measurements minimization

initialization

Identification of material properties

1. Use a gradient based method (steepest descent or BFGS)

2. Need to derive the gradient of J with respect to µ at each iteration. With the adjoint method, this requires the resolution of 2 forward problems

3. Very unstable with hyperelastic models: many risks that the forward problems have a poor convergence

Inverse approach – FEMU approach

55

(56)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Alternative inverse approach:

the virtual fields method

Set of materials properties

3D estimation of

stresses

Deviation to the principle

of virtual power minimization

initialization

Identification of material properties

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio Bersi et al., J Biomech Eng, 2016

Full-field strain measurements

56

(57)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

The principle of virtual work

57

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(58)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Application to the identification of material parameters: the virtual fields method

Example in linear elasticity

58

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(59)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Application to the identification of material parameters: the virtual fields method

Example in incompressible hyperelasticity

I c F

E . .

F t

 

0 dS

u . T dV

: I c F

E . .

F *

V

* V

t     

 

 

 

  

59

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(60)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Application to the identification of material parameters: the virtual fields method

Example for NeoHooke incompressible

I c F

. F C

2 10 t

F . F c I: dV T . u dS

C

2 *

V

* V

t

10  

  2B c I: dV

dS u

. T dV

: I c F

. F 2

dS u

. T

C *

V

* V

* V

t

* V

10   

 

 

60

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(61)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Application in simple uniaxial tension

61

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(62)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Application in simple uniaxial tension

FL dS

u . T *

V

 

B B FL BdV

C

V

33 22

11

10

 

 

 

 

2 / z

2 / y

x u *

F

-F

L z

x

62

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

(63)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Set of materials properties

3D estimation of

stresses

Deviation to the principle

of virtual power minimization

initialization

Identification of material properties

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Simple application of the constitutive model

for each element

Full-field stress reconstruction

Full-field strain measurements

63

(64)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

J =σ σ

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

c

31

,c

32,3

min ,c

34

,𝛼,𝛽 min

c

𝑒

,c

21

,c

22,3

,c

24

J u

𝐴 + J v 𝐵

minimization

2

p 

Linear least-squares

Genetic algorithm Resolution:

Minimization of the equilibrium gap using the principle of virtual power

Bersi et al., J Biomech Eng, 2016

64

(65)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

3D estimation of

strains

3D estimation of

stress

Derivation of stress tensor using layer specific constitutive behavior

65

(66)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Virtual power 1

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

1. A local virtual radial “bulge”: u(x) = [f(x-x 0 ) /r 2 ] e r

After deriving virtual strains (infinitesimal) local internal virtual work is derived at every Gauss point and integrated across the volume

The virtual field is normalized such as the external virtual work equals P.

66

(67)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Virtual power 2

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

After deriving virtual strains (infinitesimal) local internal virtual work is derived at every Gauss point and integrated across the volume

The virtual field is normalized such as the external virtual work equals F.

2. Local virtual axial extension: v(x) = f(x-x 0 ) (z e z –x/2 e x –y/2 e y )

67

(68)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

J =σ σ

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

c

31

,c

32,3

min ,c

34

,𝛼,𝛽 min

c

𝑒

,c

21

,c

22,3

,c

24

J u

𝐴 + J v 𝐵

minimization

2

p 

Linear least-squares

Genetic algorithm Resolution:

Minimizing the equilibrium gap

Bersi et al., J Biomech Eng, 2016

68

(69)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Similar to material fitting at every position

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

P

Radius x x

x x x x

x

x x

x

F

P x x x

x x x x x x x

x x x

x x x

x

x x x x

x x x x

x

x x

x x x

x x x

x x x x

x x x

x x x x x

x x

Crosses represent external virtual work for every pressure and axial stretch Solid lines represent internal virtual work

The goodness of fit is evaluated with the R² value

69

(70)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Summary of the inverse approach

Set of materials properties

3D estimation of

stresses

Deviation to the principle

of virtual power minimization

initialization

Identification of material properties

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Full-field strain measurements

3D

Bersi et al., J Biomech Eng, 2016 Bersi et al, BMMB, 2018

70

(71)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Results - Highlights

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 71

(72)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Obtained linearized circumferential stiffness

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 72

(kPa) (kPa)

(73)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Correlation with tissue µstructure

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 73

Bersi et al, BMMB 2019

(74)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Cross sectional structure – function analysis

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 74

Bersi et al, Sci Rep 2020

(75)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Full-Field Material Parameter Estimation vs local stress

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 75

(76)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

SUMMARY

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

76

- Inverse approach permitting to reconstruct the regional distribution of mechanical properties of the aorta.

- Towards correlations between mechanical properties and underlying microstructures during aneurysm growth.

- 100 to 1000 independent local responses which could be

used to set up statistical mechanobiological models

using Bayesian inference and machine learning.

(77)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

77

Computational mechanics in the OR for vascular surgery?

www.predisurge.com

77

(78)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Acknowledgements

Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio

Funding:

ERC-2014-CoG BIOLOCHANICS

Olfa Trabelsi

Aaron Romo

Jin Kim

Pierre Badel

Frances Davis

Victor Acosta

Jamal Mousavi

Solmaz Farzeneh

Francesca Condemi

Cristina Cavinato

Jérôme Molimard

Baptiste Pierrat

Joan Laubrie

Claudie Petit

Ambroise Duprey

Jean-Pierre Favre

Jean-Noël Albertini

Salvatore Campisi

Magalie Viallon

Pierre Croisille

Chiara Bellini

Matthew Bersi

Jay Humphrey

Katia Genovese

78

Références

Documents relatifs

Next we incorporate a family of parallel fibres in the model and show that the resulting solid can be either reinforced or strongly weakened with respect to surface

دقتني رصانع اشقانم يسورلا عمتلمجا عاضوأ بتاكلا ةيناسنإ هتاقلاع في رثؤت و عمتلمجا في شيعت ةلعاف و ةيح.. يرصم ةرارمو هيبأ عبط نم ترذغت ةبيرغ ةيناسنإ ةيجس نع

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des

To increase the computational efficiency of the Monte Carlo method in uncertainty propaga- tion for the nonlinear hyperelastic damage analysis, the surrogate model based on

Notre intérêt est double : En premier lieu, comprendre la nature de l'innovation de produit adoptée par les PME Algériennes, en deuxième lieu, identifier les facteurs clés

In face of the significant challenges with respect to the numerical implementation of elasto-viscoplastic constitutive equations describing the highly nonlinear, time

If g 1 and g 2 , respec- tively, the radial and circumferential components of the growth process, are equal, then growth is homogeneous and isotropic, and no residual stress

The results for the Gent and for the one-term Ogden strain energy functions are close to those for Fung materials that is, a shell made of either a Gent or a one-term Ogden material