An experimental methodology for arterial walls / Análise experimental de paredes arteriais

ABSTRACT

Numerical simulations of arterial walls allow a better understanding of the interaction between biological tissue and endoprosthesis (stents), which are used in aneurysms or atherosclerosis stenosis treatment. A reliable understanding of this interaction may help one to select, or even design, the best structure for a given clinical indication. The development of a realistic numerical simulation requires an appropriated definition of a constitutive model and the obtainment of experimental data useful to a parameter identification procedure. Biological tissues have different mechanical characteristics of materials commonly used for engineering applications, however the experimental data acquisition is a major challenge. Some examples of technical difficulties of experimental test in biological tissue are associated to the obtainment of samples, temperature and humidity control during storage, suitable gripping and geometric and strain measurements methods. Therefore, this paper presents an experimental methodology to perform uniaxial mechanical tests in pig arteries in order to provide useful information for material models of arterial walls. This study proposes the experimental procedure from the sample obtainment to the uniaxial experimental testing of the tissue in two directions (circumferential and longitudinal) at two strain rates. In order to shown the use of the experimental data into a suitable numerical model for arterial walls, a parameter identification procedure was performed to obtain material parameters of a viscoelastic anisotropic model with fiber dispersion for finite strains. Through the experimental methodology proposed it was possible to obtain useful data for the parameter identification. Moreover, the results demonstrate that the arterial walls mechanical behavior was properly represented by the selected model.

RESUMO

Simulações numéricas de paredes arteriais permitem um melhor entendimento da interação entre tecido biológico e endopróteses (stents), os quais são utilizados no tratamento de aneurismas e lesões obstrutivas ateroscleróticas. O melhor entendimento desta interação pode auxiliar na seleção do modelo ou no projeto da estrutura da endoprótese mais adequada para uma dada indicação clínica. A realização de simulações numéricas realísticas requer a definição apropriada de um modelo constitutivo e a obtenção de dados experimentais adequados para um procedimento de identificação de parâmetros. Diferentemente dos materiais usados comumente em engenharia, a aquisição de dados experimentais de tecidos biológicos representa um grande desafio. Alguns exemplos das dificuldades técnicas associadas aos testes experimentais de tecidos biológicos estão na obtenção de amostras, no controle de temperatura e humidade durante o armazenamento, na fixação adequada e na medição geométrica e de deformações. Portanto, o presente artigo apresenta uma metodologia experimental para realização de testes uniaxiais em artérias suínas, visando fornecer informações adequadas para modelos materiais de paredes arteriais. Este estudo propõe um procedimento experimental que abrange desde a obtenção da amostra até o ensaio uniaxial do tecido em duas direções (circunferencial e longitudinal), com duas taxas de velocidades. Para exemplificar o uso dos dados experimentais em um modelo numérico adequado para paredes arteriais, um procedimento de identificação de parâmetros foi realizado, obtendo parâmetros materiais de um modelo viscoelástico anisotrópico com dispersão de fibras para deformações finitas. Através da metodologia experimental proposta foi possível obter dados úteis para identificação de parâmetros. Além disso, os resultados demonstraram que o comportamento mecânico de paredes arteriais foi representado adequadamente pelo modelo selecionado.