[论文解读] Multisector method for arteries: The residual stresses of circumferential rings with non-trivial openings

Taisiya Sigaeva, Michel Destrade+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Elasticity and Material Modeling参考文献 18被引用 2

一句话总结

本文提出多区域法作为经典开口角法的扩展，用于分析因病理状态（如动脉瘤）导致非对称、非平凡开口的动脉环中的残余应力。通过将打开的动脉环数字化为多个区域并测量各区域的开口角，该方法能够准确量化非均匀的残余应力分布，克服了经典方法假设各区域均匀对称行为的局限性。

ABSTRACT

The opening angle method is a most popular choice in biomechanics to estimate residual stresses in arteries. Experimentally, it means that an artery is cut into rings; then the rings are cut axially: they open up into sectors; and the corresponding opening angles are measured to give residual stress levels by solving an inverse problem. However, in the lab, for many tissues--more commonly in pathological tissues, the ring does not open according to the theory, into a neat single circular sector, but rather creates an asymmetric geometry, often with abruptly changing curvature(s). This phenomenon might be due to a number of reasons including variation in thickness, microstructure, varying mechanical properties, etc. As a result, these samples have to be eliminated from studies relying on the opening angle method, which limits progress in understanding and evaluating residual stresses in all real arteries. With this work we propose an effective approach to deal with these non-trivial openings of rings. First we digitalise pictures of opened rings to split them into multiple, connected circular sectors. Then we measure the corresponding opening angles for each sub-sector. Finally we can determine the non-homogeneous distribution of residual stresses for individual sectors in a closed ring configuration.

研究动机与目标

• 解决经典开口角法在处理因病理状态导致非对称或非平凡开口的动脉环时的局限性。
• 开发一种实用的、基于图像的方法，用于测量切割后不形成规则圆形区域的环状组织的残余应力。
• 通过捕捉残余应力的区域差异，提高对复杂组织（尤其是主动脉动脉瘤）生物力学建模的准确性。
• 通过允许此前因开口不规则而被舍弃的样本重新纳入残余应力分析，减少数据损失。

提出的方法

• 对打开的动脉环实验图像进行数字化处理，以识别并分割多个相连的圆形区域。
• 测量每个独立区域的开口角，以确定其独特的残余应力状态。
• 基于测量的开口角和假设的本构模型，利用逆向分析计算每个区域的残余应力。
• 通过组合各区域特有的残余应力状态，重建闭合环形构型，以推断整体应力分布。
• 将该方法应用于猪主动脉动脉瘤和人类腹主动脉动脉瘤（AAA）的真实实验数据进行验证。
• 通过允许在有限元建模或统计研究中使用平均值、峰值值或区域特异性残余应力值，提升分析的灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何准确量化那些未形成单一对称圆形区域的动脉环中的残余应力？
• RQ2 当应用于具有不规则开口的病理组织时，经典开口角法在多大程度上会失效？
• RQ3 多区域方法是否能提高对多层、异质性组织（如动脉瘤性主动脉）残余应力估计的准确性？
• RQ4 残余变形的区域差异如何与病变动脉中机械与微观结构异质性相关联？
• RQ5 非均匀残余应力分布对有限元建模及血管血流生理模拟有何影响？

主要发现

• 多区域法成功量化了具有非对称、非平凡开口的动脉环中的非均匀残余应力分布，如在病理组织中所见。
• 在猪主动脉动脉瘤中，多区域方法比经典方法更准确地反映了残余应力的物理状态，后者假设各区域行为均匀。
• 在人类腹主动脉动脉瘤中，该方法通过允许对原本因开口不规则而被排除的样本进行分析，消除了样本有效性的不确定性。
• 该方法可将区域特异性、峰值或平均残余应力值用作有限元建模的输入，从而提升模型精度。
• 该方法足够稳健，可应用于真实病理样本的实验数据，包括具有复杂曲率变化和非圆形几何形状的样本。
• 该方法将开口角技术的适用范围扩展到更广泛的组织类型，特别是具有区域机械与结构异质性的组织。