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Material Parameter Identification and Inverse Problems in Soft Tissue Biomechanics (eBook)

Stéphane Avril, Sam Evans (Herausgeber)

eBook Download: PDF
2016 | 1st ed. 2017
XIX, 144 Seiten
Springer International Publishing (Verlag)
978-3-319-45071-1 (ISBN)

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Material Parameter Identification and Inverse Problems in Soft Tissue Biomechanics -
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The articles in this book review hybrid experimental-computational methods applied to soft tissues which have been developed by worldwide specialists in the field. People developing computational models of soft tissues and organs will find solutions for calibrating the material parameters of their models; people performing tests on soft tissues will learn what to extract from the data and how to use these data for their models and people worried about the complexity of the biomechanical behavior of soft tissues will find relevant approaches to address this complexity.

Contents 6
List of Figures 8
List of Tables 16
Introduction 17
1 Structural Building Blocks of Soft Tissues: Tendons and Heart Valves 20
1.1 Structural Components of Soft Tissues 20
1.1.1 Hierarchical Structure of Proteins 21
1.1.2 Hierarchical Structure of Polysaccharides 23
1.1.3 Design Principles of Biological Materials 25
1.2 Structure and Function of Tendons 29
1.2.1 Function of Tendons 29
1.2.2 Specialized Regions of Tendon--Ligament 31
1.2.3 Mechanical Properties of Tendon and Ligament 32
1.2.4 Hierarchical Analysis Techniques 34
1.2.5 Effects of Matrix Composition and Tendon Type 38
1.3 Heart Valves and Their Mechanical Properties 42
1.3.1 Types of Heart Valves 42
1.3.2 Heart Valve Disorders 44
1.3.3 Structure Function Relations in Aortic Valves 44
1.3.4 Structure Function Relations in Mitral Valves 45
1.3.5 Anisotropic Structure and Mechanical Implications 46
1.4 Conclusion 50
References 50
2 Hyperelasticity of Soft Tissues and Related Inverse Problems 55
2.1 Introduction 55
2.2 Basic Constitutive Equations of Soft Tissues 56
2.2.1 Kinematics of Finite Deformation 56
2.2.2 The Cauchy Stress Principle and the Equations of Motion 58
2.2.3 Hyperelasticity 60
2.2.4 More Sophisticated Constitutive Models 65
2.2.5 Growth and Remodelling Models 67
2.3 Characterization of Hyperelastic Properties Using a Bulge Inflation Test 68
2.3.1 Introduction 68
2.3.2 Materials and Methods 70
2.3.3 Results 75
2.4 Characterization of Hyperelastic Material Properties Using a Tension-Inflation Test and the Virtual Fields Method 77
2.4.1 General Principle 77
2.4.2 Example of Application of the Principle of Virtual Power for Membranes 78
2.4.3 Identification of Hyperelastic Parameters Using the VFM 80
2.5 Conclusion 82
References 83
3 How Can We Measure the Mechanical Properties of Soft Tissues? 85
3.1 Introduction 86
3.2 Experimental Measurements 86
3.3 Strain Measurement 89
3.4 Nonlinear FE Modelling of Soft Materials 91
3.5 Parameter Identification and Uncertainty Quantification 98
3.6 Summary 100
References 100
4 Damage in Vascular Tissues and Its Modeling 102
4.1 Introduction 102
4.2 Continuum Mechanical Consequences of Damage---The Basics 104
4.2.1 Strain Localization 104
4.2.2 Dissipation 106
4.2.3 Regularization 107
4.2.4 Experimental Consequences 107
4.3 Histology of the Vessel Wall 108
4.3.1 The Extracellular Matrix 110
4.3.2 Collagen and Its Organization 110
4.3.3 Proteoglycans 111
4.4 Irreversible Constitutive Modeling of Vascular Tissue 112
4.4.1 An Elastoplastic Damage Model for Collagenous Tissue 113
4.5 Failure Represented by Interface Models 117
4.5.1 Continuum Mechanical Basis 118
4.5.2 Formulation for the Cohesive Material Model 120
4.6 Applications 121
4.6.1 Organ Level Simulation of Abdominal Aortic Aneurysm Rupture 121
4.6.2 Model Parameter Estimation from in Vitro Tensile Tests 123
4.6.3 Ventricular Tissue Penetration 127
4.7 Conclusions 130
References 131
5 Mechanical Behaviour of Skin: The Struggle for the Right Testing Method 136
5.1 Introduction 136
5.2 Standard Tests for Ex Vivo Material Testing 137
5.3 Inverse Methods for In Vivo Material Testing 140
5.4 In Vivo Versus Ex Vivo Testing 147
References 149
6 Soft Tissue Finite Element Modeling and Calibration of the Material Properties in the Context of Computer-Assisted Medical Interventions 150
6.1 Introduction 150
6.2 Computed-Assisted Orthognatic Surgery 151
6.2.1 Clinical Context 151
6.2.2 Patient-Specific Biomechanical Model of the Human Face 151
6.3 Calibration of the Material Properties 155
6.3.1 Generic Ex Vivo Calibration of the Material Properties 155
6.3.2 In Vivo Calibration of the Material Properties 156
6.4 Conclusion 159
References 160

Erscheint lt. Verlag 12.10.2016
Reihe/Serie CISM International Centre for Mechanical Sciences
CISM International Centre for Mechanical Sciences
Zusatzinfo XIX, 144 p. 66 illus., 42 illus. in color.
Verlagsort Cham
Sprache englisch
Themenwelt Mathematik / Informatik Informatik
Medizin / Pharmazie
Naturwissenschaften Biologie
Technik Maschinenbau
Schlagworte biomechanics of soft tissues • Inverse Problems • material parameters • modeling of soft tissues • soft tissue mechanics
ISBN-10 3-319-45071-9 / 3319450719
ISBN-13 978-3-319-45071-1 / 9783319450711
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