A comparative study of hyperelastic constitutive models for colonic tissue fitted to multiaxial experimental testing

For colonic stents design, the interaction with colonic tissue is essential in order to characterize the appropriate radial stiffness which provides a minimum lumen for intestinal transit to be maintained. It is therefore important to develop suitable constitutive models allowing the mechanical behavior of the colon tissue to be characterized. The present work investigates the biomechanical behavior of colonic tissue by means of biaxial tests carried out on different parts of the colonic tract taken from several porcine specimens. Samples from the colonic tract were quasi-statically tensioned using a load-controlled protocol with different tension ratios between the circumferential and the axial directions. Fitting techniques were then used to adjust specific hyperelastic models accounting for the multilayered conformation of the colonic wall and the fiber-reinforced configuration of the corresponding tissues. It was found that the porcine colon changed from a more isotropic to a more anisotropic tissue and became progressively more flexible and compliant in circumferential direction depending on the position along the duct as it approaches the rectum. The best predictive capability of mechanical behavior corresponds to the Four Fiber Family model showing mean values of coefficient of determination R2 ¼ 0:97, and a normalized root mean square error of eNRMS ¼ 0:0814 for proximal spiral samples, and R2 ¼ 0:89 ; eNRMS ¼ 0:1600 and R2 ¼ 0:94 ; eNRMS ¼ 0:1227 for distal spiral and descending colon samples, respectively. The other analyzed models provide good results for proximal spiral colon specimens, which have a lower degree of anisotropy. The analyzed models with the fitted elastic parameters can be used for more realistic and reliable FE simulations, providing the appropriate framework for the design of optimal devices for the treatment of colonic diseases

Mechanical Characterization of the Small Intestine for In vivo Robotic Capsule Endoscope Mobility

The state-of-the-art in enteroscopic surgery and therapeutic care continues to minimize invasiveness, cost, surgery time, and patient trauma. To this end, a new class of medical device, called the robotic capsule endoscope, is being pursued by multiple research groups. These potentially swallowable devices will radically expand the capabilities of natural orifice surgery by performing non-invasive tasks within the gastrointestinal tract that are now only possible with enteroscopic, laparoscopic, or open surgery. It is necessary for a robotic capsule endoscope to possess active, controlled mobility, which involves interactions between gastrointestinal tissue and engineering materials. Design challenges stem from the nonlinear and variable mechanical and physiological response of tissue and organs to the robot and from poor understanding of interfacial properties. In this work we initiate a study of the mechanical properties of the small intestine with the goal of accelerating the development of in vivo robotic capsule endoscopes for the gastrointestinal tract. To this end, four investigative devices and testing methods are presented: 1) A novel tribometer that measures the in vivo coefficient of friction between the mucosa and the robot surface; 2) An in vitro biaxial test apparatus and method for characterizing in-plane biomechanical properties of the bowel wall; 3) An in vitro test protocol to characterize the adhesive properties of mucosa; and 4) A novel manometer and force sensor array that measure the in vivo myenteric contact force against a solid bolus. Using these devices and test methods, the tribometry, passive biomechanics, mucosal adhesivity, and contractile response of the small intestinal tissue from multiple porcine models are measured. The results of this study offer crucial yet previously unknown biomechanical properties of the small intestine and have provided a foundation for the development of a unified and comprehensive model of the interactions between a robotic capsule endoscope and the intraluminal environment

Modélisation du comportement des composites thermoplastiques à renforts continus dans les procédés de mise en forme

Les matériaux composites constituent de nos jours, de par leurs propriétés très prisées, des matériaux incontournables dans plusieurs secteurs industriels telles les industries aéronautique, automobile et navale. Bien que les applications industrielles aient été axées durant des décennies sur les matériaux composites à matrices thermodurcissables, les composites thermoplastiques à renforts continus connaissent actuellement un grand essor. Dans ce sens, des recherches considérables ont été menées sur la modélisation du comportement des matériaux thermoplastiques chargés de fibres continues à température ambiante. Cependant, la modélisation du comportement de ces matériaux à hautes températures et dans les conditions de mise en forme demeure une problématique d'actualité et relativement peu étudiée. Ce travail de thèse se veut une contribution à la modélisation du comportement des composites thermoplastiques à renforts continus dans les procédés de mise en forme. Deux directions de recherches ont été explorées. La première direction consiste à développer une loi constitutive viscoélastique orthotrope pour les milieux incompressibles, et sous l'hypothèse d'un processus isotherme. Dans cette optique, on se propose d'exploiter la théorie du modèle K-BKZ, destiné à la rhéologie des fluides viscoélastiques isotropes, pour une extension aux cas orthotrope et transversalement isotrope. Les tenseurs d'orientation des fibres sont introduits comme arguments de la fonctionnelle densité d'énergie libre pour tenir compte de la symétrie matérielle. La réponse du milieu est formulée en considérant les apports des constituants du milieu, pris séparément, augmentés de la réponse due aux interactions entre la résine et les fibres. Ce faisant, la densité d'énergie libre sera décomposée en un produit d'une fonction mémoire, responsable de la relaxation, et d'une fonction des déformations, laquelle a été scindée en la somme de quatre composantes : i) une fonction rendant compte du comportement de la matrice, ii) une composante responsable de la réponse de la première famille de fibres, iii) une composante responsable de la seconde famille de fibres et iv) une fonction rendant compte des interactions matrice-fibres. La seconde direction vise l'étude du phénomène de l'endommagement susceptible de toucher les composites thermoplastiques à renforts continus dans des conditions proches de celles de la mise en forme. Dans cette perspective, une loi constitutive hyperélastique orthotrope avec endommagement sera proposée. On fait appel à une approche thermodynamique classique, basée sur l'existence d'un potentiel d'énergie libre duquel découle le tenseur de contraintes, et au principe de la contrainte effective, bien connu de la théorie de l'endommagement. À l'instar du modèle viscoélastique orthotrope, la fonctionnelle densité d'énergie libre sera décomposée en la somme de quatre composantes responsables des réponses de la résine, des deux familles de fibres et des interactions matrice-fibres. Pour introduire le phénomène de l'endommagement, on associe à chaque constituant du milieu (i.e. les fibres et la résine) une variable d'endommagement isotrope. Chacune de ces variables est associée à la composante de l'énergie libre rendant compte du comportement du constituant qu'elle caractérise. Une loi d'évolution de l'endommagement isotrope est également associée à la composante de l'énergie libre responsable des interactions matrice-fibres. Les hypothèses d'un milieu incompressible et d'un processus isotherme ont été notamment retenues. Une campagne d'essais expérimentaux, axée sur des essais de traction dans les directions 0°/90° et ±45°, a été réalisée pour caractériser l'endommagement d'une classe de composite thermoplastique à renforts continus. Les résultats de ces essais ainsi que ceux rencontrés dans la littérature ont été exploités afin de réaliser une procédure d'identification inverse visant à tester l'aptitude des modèles de comportement proposés à reproduire des résultats expérimentaux. Des simulations par éléments finis de la mise en forme d'un composite thermoplastique à renforts continus ont été réalisées. Les résultats obtenus montrent que les modèles utilisés reproduisent des résultats physiquement admissibles et en concordance avec des observations expérimentales