simulera belastning av mjukdelar · 2019. 10. 23. · simulera belastning av mjukdelar . ligther...

30
SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019 Sara Kallin CPO, Tekn. Lic, doktorand Tekniska högskolan & Hälsohögskolan Jönköping University

Upload: others

Post on 21-Sep-2020

9 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR

LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019

Sara Kallin CPO, Tekn. Lic, doktorandTekniska högskolan & HälsohögskolanJönköping University

Page 2: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

MJUKDELSVÄVNADER - EXEMPEL

Sara Kallin

Wikimedia commons, Madhero88, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Skin_layers.png

Wikimedia Commons, National Institutes of Health, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Skeletal_muscle.png

Page 3: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

RAMVERK FÖRSTÅ UTVECKLINGTRYCKSÅR

Figure 3 p. 2232 in Coleman, S., Nixon, J., Keen, J., Wilson, L., McGinnis, E., Dealey, C., . . . Nelson, E. A. (2014). A new pressure ulcer conceptualframework. Journal of Advanced Nursing, 70(10), 2222-2234. Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 4: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

DEEP TISSUE INJURY, DTI

• Töjning• Långsam, moderat töjning:

Kärl stängs => Metabolism ändras => Ansamling restprodukter =>pH sjunker => CELLDÖD

• Snabb, stor töjning:Deformation av celler => cell strukturen skadas, cellmembran, cytoskeleton => CELLDÖD

2-4 h

10 min

(Oomens, Bader, Loerakker, & Baaijens, 2015)

Synthesis of previous studiesTissue constructs and Animal studies

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 5: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

• Plantara mjukdelsvävnader hos diabetiker är mindre elastiska än hos icke-diabetiker (Ledoux, 2015, Pai & Ledoux, 2012)

• Huden mer elastisk hos yngre än hos äldre, friktionen hud-textilyta oberoende av kön och ålder (Gerhardt et al 2009)

VARIERANDE VÄVNADSEGENSKAPER

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 6: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

FINITA ELEMENT METODEN, FEM

FinitaElement Analys

Geometrier

Material egenskaper

Randvillkor

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 7: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

BÄCKEN, SITTSÅRLinder-Ganz, E., Yarnitzky, G., Yizhar, Z., Siev-Ner, I., & Gefen, A. (2009). Real-time finite element monitoring of sub-dermal tissuestresses in individuals with spinal cord injury: toward prevention of pressure ulcers. Annals of Biomedical Engineering, 37(2), 387-400.

EXEMPEL FINITA ELEMENT ANALYS (FEA) FÖR MJUKDELAR

Sara Kallin, 3 Okt 2019

FOT-ORTOSER för knäproblemLiu, X., & Zhang, M. (2013). Redistribution of knee stress using laterally wedged insole intervention: Finite element analysis of knee-ankle-foot complex. Clinical Biomechanics, 28(1), 61-67.

VÄVNADER i amputationsstumpPortnoy, S., Yizhar, Z., Shabshin, N., Itzchak, Y., Kristal, A., Dotan-Marom, Y., . . . Gefen, A. (2008). Internal mechanical conditions in the soft tissues of a residual limb of a trans-tibial amputee. JOURNAL OF BIOMECHANICS, 41(9), 1897-1909.

VÄVNADER i amputationsstump, Utvärdering påverkan av gångunderlagPortnoy, S., van Haare, J., Geers, R. P. J., Kristal, A., Siev-Ner, I., Seelen, H. A. M., . . . Gefen, A. (2010). Real-time subject-specific analyses of dynamic internal tissue loads in the residual limb of transtibial amputees. Medical Engineering & Physics, 32(4), 312-323.

VÄVNADER i amputationsstump, Utvärdering protesfötterPortnoy, S., Kristal, A., Gefen, A., & Siev-Ner, I. (2012). Outdoor dynamic subject-specific evaluation of internal stresses in the residual limb: Hydraulic energy-stored prosthetic foot compared to conventional energy-stored prosthetic feet. Gait & Posture, 35(1), 121-125.

VÄVNADER i amputationsstump, Utvärdering olika linerCagle, J. C., Reinhall, P. G., Allyn, K. J., McLean, J., Hinrichs, P., Hafner, B. J., & Sanders, J. E. (2018). A finite element model to assess transtibial prosthetic sockets with elastomeric liners. Medical & Biological Engineering & Computing, 56(7), 1227-1240.

Page 8: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

FEA Mänskliga mjukdelar

FinitaElement Analys

Geometrier

Material egenskaper

Randvillkor

Förenklade material-modellerBegränsad data

Sammanslagna lagerFörenklade former

StatikFörenklade laster

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 9: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

FEA Mänskliga mjukdelar

FinitaElement Analys

Geometrier

Material egenskaper

Randvillkor

Förenklade material-modellerBegränsad data

Sammanslagna lagerFörenklade former

StatikFörenklade laster

Hur tillförlitliga resultat?

Förenklat förmycket?

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 10: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

MULTIDISCIPLINÄRT FORSKNINGSPROJEKT

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Långsiktigt mål: Förebygga trycksår och djupa vävnadsskador genom attoptimera kroppsnära produkter

Page 11: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

EN BÖRJAN…• Undersöka mekaniska konsekvenser av olika

vävnadsrepresentation i en simuleringsmodell av underben (Study I)

• Aim: To investigate the mechanical effects of two sets of representations for lower leg soft tissues exposed to external load

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 12: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Modell underben

Kallin, S., Rashid, A., Salomonsson, K., Hansbo, P., in manuscript

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie I

5 vs 6 material:

Fascia ochMuskel

Kombineradevs Separata

FEA:Abaqus 6.14-3/Standard Plane strainElement: CPE8H, CPE6H, 26 330stKallin, S. ©

Kallin, S. ©

Page 13: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Last: Proteshylse-geometrier

Kallin et al, in manuscript, Kallin (2019)

• Total Contact Concept (TC)• Total surface bearing (TSB)• Hydrostatic socket (HS)

(Fergason & Smith, 1999)

Hylsor 4.5 mm, material PETG

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie I

Kallin, S. ©

Page 14: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

MaterialOgden Strain Energy function:

𝑈𝑈 = ∑𝑖𝑖=1𝑁𝑁 𝜇𝜇𝑖𝑖𝛼𝛼𝑖𝑖

(𝜆𝜆1𝛼𝛼𝑖𝑖 + 𝜆𝜆2

𝛼𝛼𝑖𝑖 + 𝜆𝜆3𝛼𝛼𝑖𝑖 − 3) + ∑𝑖𝑖=1𝑁𝑁 1

𝐷𝐷𝑖𝑖𝐽𝐽𝑒𝑒𝑒𝑒 − 1 2𝑖𝑖

Yeoh polynomial:

𝑈𝑈 = �𝑖𝑖=1

3𝐶𝐶𝑖𝑖0(𝐼𝐼1 − 3)𝑖𝑖

Studie I

Kallin, S. ©

Page 15: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

MaterialOgden Strain Energy function:

𝑈𝑈 = ∑𝑖𝑖=1𝑁𝑁 𝜇𝜇𝑖𝑖𝛼𝛼𝑖𝑖

(𝜆𝜆1𝛼𝛼𝑖𝑖 + 𝜆𝜆2

𝛼𝛼𝑖𝑖 + 𝜆𝜆3𝛼𝛼𝑖𝑖 − 3) + ∑𝑖𝑖=1𝑁𝑁 1

𝐷𝐷𝑖𝑖𝐽𝐽𝑒𝑒𝑒𝑒 − 1 2𝑖𝑖

Yeoh polynomial:

𝑈𝑈 = �𝑖𝑖=1

3𝐶𝐶𝑖𝑖0(𝐼𝐼1 − 3)𝑖𝑖

Studie I

Kallin, S. Deformation of human tissues –experimental and numerical aspects, 2019 p.41

Kallin, S. ©

Page 16: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Separate

Combined

TC TSB HS

Effektiv spänningRESULTAT

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie I

Kallin, S. ©

Kallin et al, (in manuscript), Kallin (2019)

Page 17: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Separate

Combined

TC TSB HS

Skjuv-töjning

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie IRESULTAT

Kallin, S. ©

Kallin et al, in manuscript, Kallin (2019)

Page 18: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

RESULTATKontakt-tryck

Kallin, S. ©

Kallin et al, in manuscript, Kallin (2019)

Page 19: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

NIVÅER

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie I

Combined max: 2,27 kPa

Skjuvspänning muskler (HS)

Kallin, S. ©

Kallin, S. ©

Page 20: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie I

Combined max: 2,27 kPa

Detailed max: 2,95 kPa

Skjuvspänning muskler (HS)NIVÅER

Kallin, S. ©

Kallin, S. ©

Page 21: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

RELATIV SKILLNAD BETYDANDE

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie I

Kallin, S. ©

Kallin et al, in manuscript, Kallin (2019)

Page 22: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

NIVÅER

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Studie ICombined max: 2,27 kPa

Detailed max: 2,95 kPa

Detailed samma plats: 0,010 kPa

Combined samma plats: 0,340 kPa

Skjuvspänning muskler (HS)

Kallin, S. ©

Kallin, S. ©

Page 23: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

RELATIV SKILLNAD PER PLATS: SPÄNNING

Kallin, S. ©

Kallin et al, in manuscript, Kallin (2019)

Page 24: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

RELATIV SKILLNAD PER PLATS: TÖJNING

Kallin, S. ©

Kallin et al, in manuscript, Kallin (2019)

Page 25: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

Sara Kallin, 3 Okt 2019

⇒ Separata vävnadslager och material i modeller VIKTIGT

⇒ Tolka FEA med försiktighet

Page 26: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

UTVECKLA UNDERLAGEN FÖR FEA• Identifiera vävnadslager och typer• Bestämma individspecifika materialegenskaper med

relevanta experiment och materialmodeller• Realistiska lastfall

• Validera simuleringsmodeller• Simulera individspecifika

situationer

A B

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Kallin, S. ©

Page 27: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

INTEGRERA I PROCESSER

• MR/CT för geometri• Modellering och simulering• Tillverkning• Utvärdering

Exempel:

Colombo, G., Rizzi, C., Regazzoni, D., & Vitali, A. (2018). 3D interactive environment for the design of medical devices. International Journal of Interactive Design and Manufacturing - Ijidem, 12(2), 699-715. doi:10.1007/s12008-018-0458-8

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 28: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

REFERENSERCagle, J. C., Reinhall, P. G., Allyn, K. J., McLean, J., Hinrichs, P., Hafner, B. J., & Sanders, J. E. (2018). A finite element model to assess transtibial prosthetic sockets with elastomeric liners. Medical & Biological Engineering & Computing, 56(7), 1227-1240.

Coleman, S., Nixon, J., Keen, J., Wilson, L., McGinnis, E., Dealey, C., . . . Nelson, E. A. (2014). A new pressure ulcer conceptual framework. Journal of Advanced Nursing, 70(10), 2222-2234.

Colombo, G., Rizzi, C., Regazzoni, D., & Vitali, A. (2018). 3D interactive environment for the design of medical devices. International Journal of Interactive Design and Manufacturing - Ijidem, 12(2), 699-715. doi:10.1007/s12008-018-0458-8

Gerhardt, L. C., Lenz, A., Spencer, N. D., Münzer, T., & Derler, S. (2009). Skin-textile friction and skin elasticity in young and aged persons. Skin Research And Technology: Official Journal Of International Society For Bioengineering And The Skin (ISBS) [And] International Society For Digital Imaging Of Skin (ISDIS) [And] International Society For Skin Imaging (ISSI), 15(3), 288-298. doi:10.1111/j.1600-0846.2009.00363.x

Kallin, S., Rashid, A., Salomonsson, K., & Hansbo, P. (2019, 2019 July 31). Comparison of mechanical conditions in a lower leg model with 5 or 6 tissue types while exposed to prosthetic sockets applying finite element analysis [Preprint]. Manuscript Research paper. (1907.13340). arXiv.org, arXiv.org: 1907.13340.

Kallin, S. (2019). Deformation of human soft tissues : Experimental and numerical aspects. (049 Licentiate thesis, monograph), Jönköping University, School of Engineering, Jönköping. Retrieved from http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:hj:diva-45653 DiVA database.

Ledoux, W. R. (2015). The Biomechanics of Aging and Diabetic Plantar Soft Tissue. In B. Derby & R. Akhtar (Eds.), Mechanical Properties of Aging Soft Tissues (pp. 187-206). Cham: Springer International Publishing.

Linder-Ganz, E., Yarnitzky, G., Yizhar, Z., Siev-Ner, I., & Gefen, A. (2009). Real-time finite element monitoring of sub-dermal tissue stresses in individuals with spinal cord injury: toward prevention of pressure ulcers. Annals of Biomedical Engineering, 37(2), 387-400.

Liu, X., & Zhang, M. (2013). Redistribution of knee stress using laterally wedged insole intervention: Finite element analysis of knee-ankle-foot complex. Clinical Biomechanics, 28(1), 61-67.

Oomens, C. W. J., Bader, D. L., Loerakker, S., & Baaijens, F. (2015). Pressure induced deep tissue injury explained. Annals of Biomedical Engineering, 43(2), 297-305. doi:10.1007/s10439-014-1202-6

Pai, S., & Ledoux, W. R. (2012). The shear mechanical properties of diabetic and non-diabetic plantar soft tissue. JOURNAL OF BIOMECHANICS, 45(2), 364-370. doi:10.1016/j.jbiomech.2011.10.021

Portnoy, S., Kristal, A., Gefen, A., & Siev-Ner, I. (2012). Outdoor dynamic subject-specific evaluation of internal stresses in the residual limb: Hydraulic energy-stored prosthetic foot compared to conventional energy-stored prosthetic feet. Gait & Posture, 35(1), 121-125.

Portnoy, S., van Haare, J., Geers, R. P. J., Kristal, A., Siev-Ner, I., Seelen, H. A. M., . . . Gefen, A. (2010). Real-time subject-specific analyses of dynamic internal tissue loads in the residual limb of transtibial amputees. Medical Engineering & Physics, 32(4), 312-323.

Portnoy, S., Yizhar, Z., Shabshin, N., Itzchak, Y., Kristal, A., Dotan-Marom, Y., . . . Gefen, A. (2008). Internal mechanical conditions in the soft tissues of a residual limb of a trans-tibial amputee. JOURNAL OF BIOMECHANICS, 41(9), 1897-1909.

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 29: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska

TACK!Sara [email protected] 12 74Hälsohögskolan & Tekniska högskolanJönköping University

Tekn. Licentiat avhandling: Deformation of human soft tissues – Experimental and numerical aspects, 2019 http://hj.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1344790 , http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:hj:diva-45653

Sara Kallin, 3 Okt 2019

Page 30: SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR · 2019. 10. 23. · SIMULERA BELASTNING AV MJUKDELAR . LIGTHer Seminarium Jönköping 3 Okt 2019. Sara Kallin . CPO, Tekn. Lic, doktorand. Tekniska