Calibration of Hyperelastic Material Properties of the Human Lumbar Intervertebral Disc under Fast Dynamic Compressive Loads
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Notice bibliographique
Résumé
Under fast dynamic loading conditions (e.g. high-energy impact), the load rate dependency of the intervertebral disc (IVD) material properties may play a crucial role in the biomechanics of spinal trauma. However, most finite element models (FEM) of dynamic spinal trauma uses material properties derived from quasi-static experiments, thus neglecting this load rate dependency. The aim of this study was to identify hyperelastic material properties that ensure a more biofidelic simulation of the IVD under a fast dynamic compressive load. A hyperelastic material law based on a first-order Mooney-Rivlin formulation was implemented in a detailed FEM of a L2-L3 functional spinal unit (FSU) to represent the mechanical behavior of the IVD. Bony structures were modeled using an elasto-plastic Johnson-Cook material law that simulates bone fracture while ligaments were governed by a viscoelastic material law. To mimic experimental studies performed in fast dynamic compression, a compressive loading velocity of 1 m/s was applied to the superior half of L2, while the inferior half of L3 was fixed. An exploratory technique was used to simulate dynamic compression of the FSU using 34 sets of hyperelastic material constants randomly selected using an optimal Latin hypercube algorithm and a set of material constants derived from quasi-static experiments. Selection or rejection of the sets of material constants was based on compressive stiffness and failure parameters criteria measured experimentally. The two simulations performed with calibrated hyperelastic constants resulted in nonlinear load-displacement curves with compressive stiffness (7335 and 7079 N/mm), load (12,488 and 12,473 N), displacement (1.95 and 2.09 mm) and energy at failure (13.5 and 14.7 J) in agreement with experimental results (6551 ± 2017 N/mm, 12,411 ± 829 N, 2.1 ± 0.2 mm and 13.0 ± 1.5 J respectively). The fracture pattern and location also agreed with experimental results. The simulation performed with constants derived from quasi-static experiments showed a failure energy (13.2 J) and a fracture pattern and location in agreement with experimental results, but a compressive stiffness (1580 N/mm), a failure load (5976 N) and a displacement to failure (4.8 mm) outside the experimental corridors. The proposed method offers an innovative way to calibrate the hyperelastic material properties of the IVD and to offer a more realistic simulation of the FSU in fast dynamic compression.
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Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle