Discovering 3D Hidden Elasticity in Isotropic and Transversely Isotropic Materials with Physics-informed UNets

Three-dimensional variation in structural components or fiber alignments results in complex mechanical property distribution in tissues and biomaterials. In this paper, we use a physics-informed UNet-based neural network model (El-UNet) to discover the three-dimensional (3D) internal composition and space-dependent material properties of heterogeneous isotropic and transversely isotropic materials without a priori knowledge of the composition. We then show the capabilities of El-UNet by validating against data obtained from finite-element simulations of two soft tissues, namely, brain tissue and articular cartilage, under various loading conditions. We first simulated compressive loading of 3D brain tissue comprising of distinct white matter and gray matter mechanical properties undergoing small strains with isotropic linear elastic behavior, where El-UNet reached mean absolute relative errors under 1.5 % for elastic modulus and Poisson's ratio estimations across the 3D volume. We showed that the 3D solution achieved by El-UNet was superior to relative stiffness mapping by inverse of axial strain and two-dimensional plane stress/plane strain approximations. Additionally, we simulated a transversely isotropic articular cartilage with known fiber orientations undergoing compressive loading, and accurately estimated the spatial distribution of all five material parameters, with mean absolute relative errors under 5 %. Our work demonstrates the application of the computationally efficient physics-informed El-UNet in 3D elasticity imaging and provides methods for translation to experimental 3D characterization of soft tissues and other materials. The proposed El-UNet offers a powerful tool for both in vitro and ex vivo tissue analysis, with potential extensions to in vivo diagnostics. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Elasticity imaging is a technique that reconstructs mechanical properties of tissue using deformation and force measurements. Given the complexity of this reconstruction, most existing methods have mostly focused on 2D problems. Our work is the first implementation of physics-informed UNets to reconstruct three-dimensional material parameter distributions for isotropic and transversely isotropic linear elastic materials by having deformation and force measurements. We comprehensively validate our model using synthetic data generated using finite element models of biological tissues with high bio-fidelity-the brain and articular cartilage. Our method can be implemented in elasticity imaging scenarios for in vitro and ex vivo mechanical characterization of biomaterials and biological tissues, with potential extensions to in vivo diagnostics

A framework for computational fluid dynamic analyses of patient-specific stented coronary arteries from optical coherence tomography images

The clinical challenge of percutaneous coronary interventions (PCI) is highly dependent on the recognition of the coronary anatomy of each individual. The classic imaging modality used for PCI is angiography, but advanced imaging techniques that are routinely performed during PCI, like optical coherence tomography (OCT), may provide detailed knowledge of the pre-intervention vessel anatomy as well as the post-procedural assessment of the specific stent-to-vessel interactions. Computational fluid dynamics (CFD) is an emerging investigational tool in the setting of optimization of PCI results. In this study, an OCT-based reconstruction method was developed for the execution of CFD simulations of patient-specific coronary artery models which include the actual geometry of the implanted stent. The method was applied to a rigid phantom resembling a stented segment of the left anterior descending coronary artery. The segmentation algorithm was validated against manual segmentation. A strong correlation was found between automatic and manual segmentation of lumen in terms of area values. Similarity indices resulted >96% for the lumen segmentation and >77% for the stent strut segmentation. The 3D reconstruction achieved for the stented phantom was also assessed with the geometry provided by X-ray computed micro tomography scan, used as ground truth, and showed the incidence of distortion from catheter-based imaging techniques. The 3D reconstruction was successfully used to perform CFD analyses, demonstrating a great potential for patient-specific investigations. In conclusion, OCT may represent a reliable source for patient-specific CFD analyses which may be optimized using dedicated automatic segmentation algorithms

Robust Multiscale Identification of Apparent Elastic Properties at Mesoscale for Random Heterogeneous Materials with Multiscale Field Measurements

The aim of this work is to efficiently and robustly solve the statistical inverse problem related to the identification of the elastic properties at both macroscopic and mesoscopic scales of heterogeneous anisotropic materials with a complex microstructure that usually cannot be properly described in terms of their mechanical constituents at microscale. Within the context of linear elasticity theory, the apparent elasticity tensor field at a given mesoscale is modeled by a prior non-Gaussian tensor-valued random field. A general methodology using multiscale displacement field measurements simultaneously made at both macroscale and mesoscale has been recently proposed for the identification the hyperparameters of such a prior stochastic model by solving a multiscale statistical inverse problem using a stochastic computational model and some information from displacement fields at both macroscale and mesoscale. This paper contributes to the improvement of the computational efficiency, accuracy and robustness of such a method by introducing (i) a mesoscopic numerical indicator related to the spatial correlation length(s) of kinematic fields, allowing the time-consuming global optimization algorithm (genetic algorithm) used in a previous work to be replaced with a more efficient algorithm and (ii) an ad hoc stochastic representation of the hyperparameters involved in the prior stochastic model in order to enhance both the robustness and the precision of the statistical inverse identification method. Finally, the proposed improved method is first validated on in silico materials within the framework of 2D plane stress and 3D linear elasticity (using multiscale simulated data obtained through numerical computations) and then exemplified on a real heterogeneous biological material (beef cortical bone) within the framework of 2D plane stress linear elasticity (using multiscale experimental data obtained through mechanical testing monitored by digital image correlation)

X-ray Microtomography under Loading and 3D-Volume Digital Image Correlation. A Review

In this review paper the synergistic combination of X-ray microtomography, in situ mechanical tests on material samples and full-field kinematic measurements by 3D-Volume Digital Image Correlation is discussed. First, basic features are outlined, concerning X-ray microtomography by either laboratory sources or synchrotron radiation. The main equations for 3D-Volume Digital Image Correlation are then presented, and different provisions regularizing the ill-posed problem of motion estimation are outlined. Thereafter, a survey of the state of the art is provided, with reference to a variety of biological and engineering materials. Limitations and perspectives of the proposed methodology in diverse applications are highlighted. The rapid growth of this research topic is emphasized, due to the truly multi-disciplinary vocation, the synergy between algorithmic and technological solutions, a fusion of experiments and numerical method

X-ray microtomography under loading and 3D-Volume Digital Image Correlation. A Review.

In this review paper the synergistic combination of X-ray microtomography, in situ mechanical tests on material samples and full-field kinematic measurements by 3D-Volume Digital Image Correlation is discussed. First, basic features are outlined, concerning X-ray microtomography by either laboratory sources or synchrotron radiation. The main equations for 3D-Volume Digital Image Correlation are then presented, and different provisions regularizing the ill-posed problem of motion estimation are outlined. Thereafter, a survey of the state of the art is provided, with reference to a variety of biological and engineering materials. Limitations and perspectives of the proposed methodology in diverse applications are highlighted. The rapid growth of this research topic is emphasized, due to the truly multi-disciplinary vocation, the synergy between algorithmic and technological solutions, a fusion of experiments and numerical methods

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume