Institut Mines-Télécomavril@emse.fr
Mechanics of soft biological tissues
Prof Stéphane AVRIL
PARIS
AUVERGNE RHONE-ALPES
MINES SAINT-
ETIENNE
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
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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
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Soft biological tissues: many challenges for continuum mechanics
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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)
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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
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Pseudo-hyperelasticity:
Irreversible effects are neglected…
7
Stretch λ=L/L 0
1 2 3 4 5 6
No m inal str ess (MPa )
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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
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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 x x
y x u x F
x u(x)
e
3e
1e
2dx dy
u(x+dx)
Original Configuration
Deformed Configuration
i ik k
d d
dy F dx
y F x
9
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e
3e
1e
2l
0Original Configuration
Deformed Configuration
m
l
1 1
( ) or ( )
2 2
T E ij F F ki kj ij
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
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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
3e
1e
2Original Configuration
Deformed Configuration
t
dA
0dA n
n
0x
u(x)
dP
(n)dP
0(n)11
True / Cauchy
σ
Stress measures
π π
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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
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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
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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 k D
Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽)
Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽) 𝐽
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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
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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
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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 C C C C
C
Model with 8 chains
Statistical mechanics Gaussian chains
0
k D 2
0
sinh
ln n n
Nk
chain0
and 3 3
I
1 1 chainchain
17
Ψ E = Ψ(ഥ 𝐼 1 , ഥ 𝐼 2 , 𝐽) Other functions of the first invariant
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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 i J 3 1 i
N
i
i 1
0
1 0
2 k D
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)
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Anisotropy induced by collagen fibers
19
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Anisotropy induced by collagen fibers
20
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21
Anisotropic strain energy density
(Holzapfel et al., 2000)
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21
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Micro-fiber approach
22
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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
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Damage and plasticity
24
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Abaqus finite-element
implementation and verification
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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
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Time dependent material properties:
different approaches
26
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Proteolytic injury and tissue adaptation
PROTEOLYTIC INJURY
Strain HEALING
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio
Stress Stress
27
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Growth and remodeling
28
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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
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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
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Simulation of aneurysm progression
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Goal: Predict weakening in the aortic wall
31
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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 ViennaInstitut 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
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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)
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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
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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
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36
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.)
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APPROACH
1. Experiments 2. Material model 3. Inverse method
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Functional biomechanical behavior
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 39
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Study Design
Fibrillin 1 mgR/mgR Fibulin 4 SMC KO
Control
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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
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DIC tend to be used for all kind of soft tissues
42
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Undeformed Deformed
x y
Principle of DIC
43
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBioInstitut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr
The pDIC technique
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio
Posterior Anterior
44
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pDIC measurements
Fibrillin 1 mgR/mgR Fibulin 4 SMC KO
dorsal
ventral inflation
6852 CS3 8
dorsal
ventral inflation
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OCT-DVC applied to arterial mechanics
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 46
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Measurement of bulk deformation fields by Digital Volume Correlation
on OCT images
OC T Las er
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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
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APPROACH
1. Experiments 2. Material model 3. Inverse method
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CONSTITUTIVE MODEL
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio Bellini, et al., Ann. Biomed. Eng., 42(3), pp. 488–502, 2014
50
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PARAMETERS TO BE IDENTIFIED
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 51
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APPROACH
1. Experiments 2. Material model 3. Inverse method
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 52
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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
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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
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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
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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
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The principle of virtual work
57
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Application to the identification of material parameters: the virtual fields method
Example in linear elasticity
58
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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
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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
2 B c I : dV
dS u
. T dV
: I c F
. F 2
dS u
. T
C *
V
* V
* V
t
* V
10
60
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Application in simple uniaxial tension
61
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Application in simple uniaxial tension
FL dS
u . T *
V
B B FL B dV
C
V
33 22
11
10
2 / z
2 / y
x u *
F
-F
L z
x
62
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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
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J =σ σ
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio
c
31,c
32,3min ,c
34,𝛼,𝛽 min
c
𝑒,c
21,c
22,3,c
24J 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
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3D estimation of
strains
3D estimation of
stress
Derivation of stress tensor using layer specific constitutive behavior
65
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Virtual power 1
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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
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Virtual power 2
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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
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J =σ σ
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c
31,c
32,3min ,c
34,𝛼,𝛽 min
c
𝑒,c
21,c
22,3,c
24J 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
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Similar to material fitting at every position
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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
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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
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Results - Highlights
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Obtained linearized circumferential stiffness
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(kPa) (kPa)
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Correlation with tissue µstructure
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Bersi et al, BMMB 2019
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Cross sectional structure – function analysis
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 74
Bersi et al, Sci Rep 2020
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Full-Field Material Parameter Estimation vs local stress
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio 75
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SUMMARY
Stéphane Avril - 2020 Oct 12 - MecaBio
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- 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.
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Computational mechanics in the OR for vascular surgery?
www.predisurge.com
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Acknowledgements
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