Experimental characterization and viscoelastic finite element modeling of a porcine thoracic spinal cord submitted to axial compression

Masoumipour, Atefeh (2021). Experimental characterization and viscoelastic finite element modeling of a porcine thoracic spinal cord submitted to axial compression. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Axial compression is one of the main loading sustains daily by the spinal cord, while transverse compression loads, much less frequent, often results in spinal cord injury. To increase our understanding of the spinal cord biomechanics under normal and traumatic conditions, measuring the behavior of the spinal cord components material properties is of utmost importance. Recent studies expressed the importance of identifying the behavior and material properties of the spinal cord white and grey matter separately. In addition, recent studies stated the importance to determine the relaxation response of the spinal cord tissues and to improve the behavior of spinal cord finite element models by using derived viscoelastic properties. This work has not been completely achieved yet. The main objective of this study is to characterize and simulate numerically the mechanical behavior of the spinal cord white and grey matter tissue under unconfined axial compression including a stress relaxation phase.

Two spinal cord were harvested from the thoracic region of two pigs immediately following sacrifice. Each spinal cord was cut in four samples of 2.25 mm thick, for a total of eight samples. Samples were placed in a petri-dish, wrapped in a sprayed gauze with Phosphate- Buffer saline to avoid dehydration and tested under unconfined axial compression using a mechanical testing device. The throughout process was completed in less than six hours to reduce the influence of time post-mortem on the mechanical properties of the spinal cord tissue. All specimens were compressed up to 40% strain at a strain rate of 0.01/sec, and was then allowed to relax for 1000 seconds.

A finite element model (FEM) of a typical sample was created and used to derive, using an inverse method, the hyper-viscoelastic material properties of the grey matter, with white matter material properties derived from literature. A first order Ogden hyperelastic model coupled with a 3-term prony series best captured the compressive response of the spinal cord and its viscoelastic behavior during stress-relaxation. It has been found that grey matter is about 3.2 times stiffer than the white matter. For relaxation time, it has been determined that the spinal cord tissue completely relax after approximately 931 seconds following axial compression.

These results highlight the importance of distinguishing the type of tissue when using computational models to deepen our understanding of the biomechanics of the spinal cord.

Titre traduit

Caractérisation expérimentale et modélisation par éléments finis viscoélastiques d'un moelle épiniére thoracique porcine en compression axiale

Résumé traduit

La compression axiale est un des modes de chargement supporté quotidiennement par la moelle épinière. Appliquée dans la direction transverse, la compression résulte fréquemment en des lésions de la moelle épinière. Afin de faire progresser notre compréhension du comportement physiologique et traumatique de la moelle épinière en compression, il est crucial de caractériser le comportement mécanique des composants de la moelle épinière. De récentes études ont montré l'importance d'identifier séparément le comportement de la matière blanche et de la matière grise composant la moelle épinière. D’autres études ont montré l’importance de déterminer la réponse viscoélastique en relaxation de contraintes de ces tissus et d’améliorer le comportement des modèles par éléments finis de la moelle épinière via l’intégration de propriétés viscoélastiques. À ce jour, ces travaux n’ont pas encore été complétés. L'objectif principal de cette étude est donc de caractériser le comportement mécanique des matières blanche et grise de la moelle épinière en compression axiale non confinée incluant une phase de relaxation de contraintes.

Deux segments de moelle épinière ont été prélevés dans la région thoracique de deux porcs immédiatement après leur sacrifice. Les segments de moelle épinière ont été coupés en échantillons de 2,25 mm d’épaisseur. Ces échantillons ont individuellement été déposés dans une boîte de Pétri, enveloppés dans une gaze vaporisée avec une solution du tampon phosphate salin pour éviter leur déshydratation puis testés en compression axiale non confinée sur une machine de test. Ce protocole a été complété en moins de six heures afin de réduire l'influence du temps post-mortem sur les propriétés mécaniques des tissus de la moelle épinière. Tous les échantillons ont été comprimés jusqu'à 40% de déformation, à un taux de déformation de 0,01 s-1. La compression quasi-statique a ensuite été maintenue pendant 1000 secondes afin de laisser la moelle épinière relaxer.

Un modèle par éléments finis (MEF) d’un échantillon typique a été créé puis utilisé pour obtenir, via une méthode inverse, les propriétés matérielles hyper-viscoélastique de la matière grise, tout en utilisant les propriétés de la matière blanche issue de la littérature. Un modèle hyperélastique d’Ogden du premier ordre accompagné d’une série de prony à 3 termes a permis de reproduire avec précision la réponse en compression de la moelle épinière et son comportement viscoélastique en relaxation de contraintes. Il a été constaté que la matière grise est environ 3,2 fois plus rigide que la matière blanche. Pour le temps de relaxation, il a été déterminé que le tissu de la moelle épinière se relaxe complètement après environ 931 secondes suite à une compression axiale.

Ces résultats soulignent l'importance de distinguer le type de tissu lors de l'utilisation de modèles numériques afin d’améliorer notre compréhension de la biomécanique de la moelle épinière.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 85-93).
Mots-clés libres:	compression axiale, matière blanche, matière grise, moelle épinière, modèle par éléments finis, hyperélasticité, viscoélasticité, relaxation de contraintes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Wagnac, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	03 nov. 2021 14:52
Dernière modification:	03 nov. 2021 14:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2767

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