×

软生物组织生长和重塑模型的有限元实现:腹主动脉瘤的验证和应用。 (英语) Zbl 1441.74127号

总结:软生物组织生长和重塑(G&R)的一般框架显示出极大的潜力,可以扩展我们目前对生物化学和生物力学过程的理解,并预测疾病进展。然而,由于缺乏能够描述软生物组织G&R过程的可靠且经过验证的三维有限元(FE)实现,它的使用受到了阻碍。因此,在本研究中,我们将在有限元分析程序中实现三维约束混合G&R模型。与传统的有限应变有限元公式相比,我们表明体积-等容分解不仅引入了数值问题和不稳定性,还提供了非物理结果。作为实施的验证,我们展示了真实主动脉模型对血流动力学变化的适应性,即血流和压力的变化。所得结果与膜理论和临床预期相符。应用于梭形动脉瘤模型提供了真实的生长速率、厚度和应力的演变,而动力学参数的变化显示出与动物模型的良好一致性。最后,我们给出了非对称梭形动脉瘤的模拟扩张。非轴对称弹性蛋白降解增加了主动脉的曲率,这是腹主动脉瘤的特征。

MSC公司:

74升15 生物力学固体力学
74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用
65M60毫米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 汉弗莱,J.D。;Rajagopal,K.R.,《软组织生长和重塑的约束混合模型》,数学。模型。方法应用。科学。,12, 407-430 (2002) ·Zbl 1021.74026号
[2] Akintund,A.R。;Miller,K.S.,描述年龄依赖性肌腱愈合的微观结构驱动本构模型评估,生物医学。模型。机械双醇。,17, 793-814 (2018)
[3] Witzenburg,C.M。;Holmes,J.W.,《心肌肥厚现象生长规律的比较》,J.Elasticity,129257-281(2017)·Zbl 1373.74026号
[4] Wan,W。;Hansen,L。;Gleason,R.L.,机械介导血管生长和重塑的三维约束混合模型,生物医学。模型。机械双醇。,9, 403-419 (2010)
[5] 卡尔沙吉,I。;索里奇,J。;Humphrey,J.D.,《血流动力学改变引起的动脉生长和重塑的三维框架》,国际。工程科学杂志。,48, 1357-1372 (2011) ·兹比尔1231.76369
[6] 卡尔沙吉,I。;汉弗莱,J.D.,动脉生长和重塑的多层壁模型,机械。材料。,44, 110-119 (2012)
[7] 瓦伦廷,A。;汉弗莱,J.D。;Holzapfel,G.A.,主动脉老化中弹性蛋白降解、血管活性功能障碍和胶原硬化耦合的多层计算模型,Ann.Biomed。工程,39,2027-2045(2011)
[8] Wilson,J.S。;贝克,S。;Humphrey,J.D.,初始主动脉特性对人类腹主动脉瘤区域各向异性、刚度和壁厚演变的重要性,J.R.Soc.Interface,92047-2058(2012)
[9] 维拉格,L。;Wilson,J.S。;汉弗莱,J.D。;Karšaj,I.,血栓累及腹主动脉瘤演变过程中危险因素的潜在生物力学作用,国际期刊编号。方法。生物识别。Eng.,33,文章e2893 pp.(2017)
[10] Cyron,C.J。;艾丁,R.C。;Humphrey,J.D.,《软组织生长和重塑的均质约束混合(和机械模拟)模型》,Biomech。模型。机械双醇。,15, 1389-1403 (2016)
[11] Grytsan,A。;埃里克森,T.S.E。;Watton,P.N。;Gasser,T.C.,血管壁适应生长描述:腹主动脉瘤演变的厚壁混合模型,材料(巴塞尔)。,10,文章e994 pp.(2017)
[12] 林,W.J。;医学博士Iafrati。;Peattie,R.A。;Dorfmann,L.,《生长和重塑及其在腹主动脉瘤中的应用》,J.Eng.Math。,109, 113-137 (2017) ·Zbl 1408.74038号
[13] Baek,S。;Rajagopal,K.R。;Humphrey,J.D.,颅内梭形动脉瘤扩大的理论模型,J.Biomech。工程,128,142-149(2006)
[14] Zeinali-Davarani,S。;Sheidaei,A。;Baek,S.,应力介导血管适应的有限元模型:应用于腹主动脉瘤,计算机。方法生物技术。生物识别。工程,14,803-817(2011)
[15] 威尔逊,J.S。;Baek,S。;Humphrey,J.D.,胶原蛋白周转对腹主动脉瘤自然病史影响的参数研究,Proc。R.Soc.A数学。物理学。工程科学。,469,文章20120556 pp.(2012)·Zbl 1371.92069号
[16] 吴杰。;Shadden,S.C.,《特定学科几何学中血流动力学与血管生长和重塑的耦合模拟》,Ann.Biomed。工程师,43,1543-1554(2015)
[17] Tong,J。;科内特,T。;Regitnig,P。;Kohlbacher,J。;Birner-Gruenberger,R。;Schriefl,A.J.,《人类腹主动脉瘤中夹层特性和质量分数随血栓年龄的变化》,J.Biomech。,47, 14-23 (2014)
[18] 瓦伦廷,A。;汉弗莱,J.D。;Holzapfel,G.A.,《动脉生长、重塑和适应的基于有限元的约束混合实现:理论和数值验证》,国际期刊Numer。方法生物识别。工程,29822-849(2013)
[19] Braeu,F.A。;塞茨,A。;艾丁,R.C。;Cyron,C.J.,各向异性体积增长和重塑的均质约束混合模型,生物医学。模型。机械双醇。,16, 889-906 (2017)
[20] 瓦伦丁,A。;小豆蔻酮。;Baek,S。;Humphrey,J.D.,《动脉适应改变的流量和压力时的补充血管活性和基质重塑》,J.R.Soc.Interface,6293-306(2009)
[21] Sansour,C.,《关于体积等容分裂和各向异性情况下的物理假设》,Eur.J.Mech。A/固体,27,28-39(2008)·Zbl 1129.74009号
[22] Federico,S.,变形和弹性张量的体积-直径分解,数学。机械。固体,15672-690(2009)·Zbl 1257.74018号
[23] Helfenstein,J。;Jabareen,M。;Mazza,E。;Govindjee,S.,《纤维增强超弹性材料模型中的非物理响应》,国际固体结构杂志。,47, 2056-2061 (2010) ·Zbl 1194.74042号
[24] 吉尔特金,O。;达尔,H。;Holzapfel,G.A.,关于各向异性超弹性材料的准不可压缩有限元分析,计算。机械。,63, 443-453 (2019) ·Zbl 1464.74177号
[25] Milewicz,D.M。;郭,D.-C。;Tran-Fadulu,V。;Lafont,A.L。;Papke,C.L。;Inamoto,S.,胸主动脉瘤和夹层的遗传基础:关注平滑肌细胞收缩功能障碍,Annu。基因组学评论。,98283-302(2008年)
[26] Walmsley,J.G。;坎普林,M.R。;Chertkow,H.C.,人类大脑大动脉壁结构、平滑肌方向和收缩之间的相互关系,中风。,14, 781-790 (1983)
[27] R.L.Taylor,有限元分析程序,8.4版。2014.; R.L.Taylor,有限元分析程序,8.4版。2014
[28] Länne,T。;Sonesson,B。;Bergqvist,D。;Bengtsson,H。;Gustafsson,D.,《男性腹主动脉的直径和顺应性:年龄和主动脉瘤的影响》,《欧洲血管杂志》。外科学,6178-184(1992)
[29] 瓦伦丁,A。;Humphrey,J.D.,动脉生长和重塑的约束混合模型基础基本假设评估,Philos。事务处理。R.Soc.A数学。物理学。工程科学。,367, 3585-3606 (2009) ·Zbl 1185.74069号
[30] 瓦伦廷,A。;Humphrey,J.D.,动脉生长和重塑约束混合模型的参数敏感性研究,J.Biomech。工程,131,第101006条pp.(2009)
[31] 卡尔沙吉,I。;索里奇,J。;Humphrey,J.D.,《血流动力学改变引起的动脉生长和重塑的三维框架》,国际。工程科学杂志。,48, 1357-1372 (2010) ·Zbl 1231.76369号
[32] Niestravska,J.A。;维特勒,C。;雷吉特尼格,P。;科内特·T·U。;Sommer,G。;Holzapfel,G.A.,《健康和动脉瘤性腹主动脉的微观结构和力学:实验分析和建模》,J.R.Soc.Interface,13,Article 20160620 pp.(2016)
[33] 布朗利,R.D。;Langille,B.L.,《动脉对改变血流的适应》,加拿大。《生理学杂志》。药理学。,69, 978-983 (1991)
[34] Schmidt-Trucksäss,A。;施密德,A。;布鲁纳,C。;谢勒,N。;Zäch,G.等人。;Keul,J.,《耐力训练和截瘫受试者颈动脉和股动脉的动脉特性》,J.Appl。生理学。,89, 1956-1963 (2000)
[35] 弗里德斯,P。;Zulliger,M。;Bobard,F。;蒙托尔齐,G。;宫崎骏,H。;Hayashi,K.,《诱导性高血压大鼠颈动脉的几何、功能和组织形态计量学适应》,J.Biomech。,36, 671-680 (2003)
[36] 胡建杰。;Fossum,T.W。;米勒,M.W。;Xu,H。;Liu,J.C。;汉弗莱,J.D.,《猪基底动脉在高血压中的生物力学》,《生物医学年鉴》。工程师,35,19-29(2007)
[37] 新罕布什尔州Ntsinjana。;比格利诺,G。;卡佩利,C。;O.Tann。;贾迪尼,A。;Derrick,G.,主动脉弓形状与先天性心脏病修复患者对运动的高血压反应无关,心血管杂志。Magn.公司。资源。,15, 101 (2013)
[38] 克雷姆,D。;Chironi,G。;卡西亚罗,M.E。;Redheuil,A。;Mousseaux,E。;Simon,A.,使用非对比计算机断层扫描对高血压男性胸主动脉扩张和展开的三维评估,J.Hum.Hypertens。,27, 504-509 (2013)
[39] 马图菲,G。;Satriano,A。;摩尔·R·D。;Vorp,D.A。;Di Martino,E.S.,《壁厚和腔内血栓的局部定量提供了动脉瘤主动脉力学特性的见解》,Ann.Biomed。工程师,43,1759-1771(2015)
[40] 李振英。;萨达特,美国。;U.-K.ing-Im,J。;唐,T.Y。;Bowden,D.J。;Hayes,P.D.,《动脉瘤肩部应力与腹主动脉瘤扩张之间的关系:一项纵向随访研究》,《循环》。,122, 1815-1822 (2010)
[41] Fillinger,M.F。;Marra,S.P。;Raghavan,M.L。;Kennedy,F.E.,《观察期间腹主动脉瘤破裂风险的预测:壁应力与直径》,J.Vasc。外科,37,724-732(2003)
[42] 弗朗克·G。;戴J。;Fifre,A。;Ngo,S。;贾斯汀,C。;Michineau,S.,通过内皮细胞治疗重建内皮衬里稳定实验性腹主动脉瘤,循环。,127, 1877-1887 (2013)
[43] Vande Geest,J.P。;萨克斯,M.S。;Vorp,D.A.,《动脉瘤对人类腹主动脉双轴力学行为的影响》,J.Biomech。,39, 1324-1334 (2006)
[44] Tong,J。;科内特,T。;Regitnig,P。;Holzapfel,G.A.,《年龄对腹主动脉瘤腔内血栓和血栓覆盖壁弹性特性的影响:双轴拉伸行为和材料建模》,Eur.J.Vasc。血管内。外科,42207-219(2011)
[45] 维拉格,L。;Wilson,J.S。;汉弗莱,J.D。;Karšaj,I.,腔内血栓对腹主动脉瘤扩大的生物化学机械效应的计算模型,Ann.Biomed。工程师,43,2852-2867(2015)
[46] Federico,S.,变形和弹性张量的体积畸变分解,数学。机械。固体。,15, 672-690 (2009) ·Zbl 1257.74018号
[47] Baek,S。;瓦伦廷,A。;汉弗莱,J.D.,脑血管痉挛的生物化学力学及其解决方法:II。本构关系和模型模拟,Ann.Biomed。工程,35,1498-1509(2007)
[48] 霍尔扎费尔,G.A。;Gasser,T.C。;Ogden,R.W.,动脉壁力学的新本构框架和材料模型的比较研究,J.Elastology,61,1-48(2000)·Zbl 1023.74033号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。