Analisi sperimentale e modellazione costitutiva per la caratterizzazione meccanica della fascia crurale

Studi recenti sui tessuti fasciali hanno messo in luce la stretta correlazione tra alterazioni delle proprietà meccaniche e condizioni patologiche degli stessi ponendo la necessità di corredare le conoscenze cliniche con studi biomeccanici che ne caratterizzino il comportamento. Il presente studio si focalizza sull’indagine dei tessuti della Fascia Crurale con lo scopo di indagarne la risposta viscoelastica e di proporre un modello costitutivo che interpreti tale comportamento. Ad una prima fase sperimentale, atta a caratterizzare separatamente fenomeni elastici e viscosi, segue la proposta di due modelli costitutivi interpretativi dei due comportamenti. Per caratterizzare il comportamento viscoso si è utilizzato un modello visco elastico a tre rami viscosi non lineare nei parametri, per la risposta elastica si è invece adottato un modello iperelastico fibrorinforzato incomprimibile. È inoltre presente una valutazione sulla variabilità della risposta meccanica in dipendenza della dislocazione anatomica dei campioni di tessuto e della direzione di sollecitazione considerat

Integrated experimental and numerical approach to the biomechanics of surgical meshes evaluating interaction phenomena with regard to abdominal wall repair

The research activity performed is addressed to the evaluation of the interaction phenomena between surgical meshes and native biological tissues and structures, with the aim to assess the biomechanical compatibility, which represents a mandatory factor for successful adoptions in different surgical procedures. The mechanical characterization of meshes for repairs is performed by means of an integrated experimental-numerical approach, in direct correlation with the surgical techniques. Surgical grafts can origin from different sources and they can be classified as synthetic or biological, characterized by peculiar biochemical and mechanical properties and, consequently, by different biomechanical performances. Biological grafts are derived from collagen-rich tissues and can be drawn from animal (xenografts) or human (allograft) sources, the latter are usually obtained from the fascial system. For this reason, the mechanical characterization of fascial tissues is performed, evaluating the in situ functional role in the interaction with surrounding biological structures. With the purpose to interpret fascial tissues mechanical behaviour, which is characterized by anisotropy, coupled geometric and material non-linearity and time-dependent phenomena, a specific fiber reinforced visco-hyperelastic model is provided. The constitutive parameters evaluation is performed through the minimization of a cost function that defines the discrepancy between experimental data and results from the model of the tensile tests. The optimization technique, based on the Simulated Annealing optimization algorithm, leads to the definition of the set of constitutive parameters to be adopted within the constitutive formulation and implemented in the model, with the purpose to achieve a suitable description of tissue in situ mechanical behaviour. The preliminary phase of fascial tissues performances is investigated through numerical analysis of the anterior compartment of the leg. The response in this region allow for a definition of the characteristic facial tissues behaviour and is of clinical interest in the several painful syndrome, as the compartment syndrome, also offering the possibility of several references in literature. As an example of xenograft, Permacol ™ is characterized through experimental analysis and constitutive modelling. It is derived from decellularized and cross-linked porcine skin and it is a graft commonly used in abdominal wall surgery. As far as synthetic meshes is concerned, Bard® Soft mesh is studied, as a lightweight, large pore monofilament polypropylene mesh, following the above mentioned procedure. The mechanical investigation of different kinds of surgical meshes is fundamental for the definition of the numerical model of the herniated and repaired human abdominal wall. The reconstruction of the abdominal region is based on MR images integrated with data from literature. Constitutive formulations of the different biological tissues of the anatomical region are provided. The numerical model allows the analysis of different configurations, firstly considering the healthy abdomen to assess its overall mechanical behaviour in physiological conditions. Then a hernia defect is introduced in the abdominal wall, with size and position defined in accordance with clinical evidences, virtually repaired by means of different kinds of grafts (biologic and synthetic). The purpose is to evaluate the mechanical interaction between native abdominal wall tissues and structures and surgical meshes, to assess the mechanical functional response and compatibility. The analysis allows the comparison between physiological and pathological conditions and between different kinds of meshes, by means of the estimation of the stress and strain fields within biological tissues and prosthesis. Attention is paid to the interaction at tissue-implant interface, providing a useful computational tool for the evaluation of surgical strategies in dependence on prosthesis configuration. The investigation entails a relevant experimental effort, essential for the extensive numerical analysis of the anatomical district considered, providing a result evaluation by direct correlation with surgical competences.Lo scopo della presente ricerca consiste nella valutazione dei fenomeni di interazione che si vengono a creare nell’accoppiamento di mesh chirurgiche e tessuti e strutture biologiche. La valutazione della compatibilità meccanica tra tessuti e impianto rappresenta un fattore fondamentale per il buon esito dell’intervento. In quest’ottica, risulta necessaria la caratterizzazione meccanica delle mesh chirurgiche che viene condotta attraverso un approccio numerico-sperimentale integrato, in diretta correlazione con le tecniche chirurgiche. Le mesh chirurgiche hanno differente origine e possono essere classificate come sintetiche o biologiche, caratterizzate da particolari proprietà biochimiche e meccaniche e, conseguentemente, da differenti prestazioni. Le mesh biologiche sono ricavate da tessuti ricchi di collagene e possono essere di origine animale (xenograft) o umana (allograft), queste ultime sono principalmente ottenute dal sistema fasciale. Per questo motivo i tessuti fasciali vengono caratterizzati meccanicamente, valutandone il ruolo funzionale in situ in interazione con le circostanti strutture biologiche. Uno specifico modello visco-iperelastico e fibrorinforzato viene utilizzato allo scopo di interpretare il comportamento meccanico dei tessuti biologici, caratterizzati da proprietà di anisotropia, grandi deformazioni e fenomeni dipendenti dal tempo. I parametri costitutivi vengono definiti attraverso la minimizzazione di una funzione costo che esprime la differenza tra dati sperimentali e dati numerici. La tecnica di ottimizzazione, basata sull’algoritmo di ottimizzazione del Simulated Annealing, porta all’individuazione di un set di parametri costitutivi che vengono adottati nella formulazione costitutiva, successivamente implementata nel modello numerico, allo scopo di ottenere un’adeguata descrizione del comportamento meccanico del tessuto in situ. Analisi numeriche sul compartimento anteriore della gamba vengono utilizzate per lo studio della meccanica dei tessuti fasciali di questo distretto. Il compartimento anteriore è di particolare interesse clinico a causa delle diverse patologie a carico di tale regione come, ad esempio, la sindrome compartimentale. La mesh chirurgica Permacol™ viene studiata come esempio di xenograft e caratterizzata attraverso analisi sperimentale e modellazione costitutiva. Tale mesh, comunemente utilizzata nella ricostruzione della parete addominale, è ottenuta da derma suino debitamente decellularizzato e trattato al fine di ottenere cross-links. La mesh Bard® Soft viene studiata in quanto esempio di mesh sintetica leggera in polipropilene, caratterizzata da elevata porosità. L’analisi meccanica di diversi tipi di mesh è fondamentale per la definizione del modello numerico della parete addominale erniata e virtualmente riparata. La ricostruzione della geometria della regione addominale viene effettuata attraverso immagini diagnostiche (MR) e dati di letteratura. Nel testo viene specificata la formulazione costitutiva adottata per la descrizione dei diversi tessuti componenti la regione addominale. Il modello numerico permette una prima valutazione del comportamento meccanico globale della parete addominale integra in condizioni fisiologiche. Successivamente, nel modello, viene introdotta una porta erniaria di posizione e dimensioni compatibili con le evidenze cliniche. Tale difetto viene virtualmente riparato con mesh chirurgiche caratterizzate in diverso modo (biologica e sintetica). Lo scopo consiste nella valutazione dell’interazione meccanica tra mesh chirurgiche e i tessuti biologici, considerandone la compatibilità della risposta meccanica funzionale. Le analisi numeriche permettono di valutare il comportamento della parete addominale sana con quello della parete riparata confrontando i campi di tensione e deformazione di tessuti biologici e mesh chirurgica. Il modello numerico proposto fornisce una prima valutazione degli effetti, indotti dalla presenza della protesi, sul comportamento meccanico globale della parete addominale e fornisce gli strumenti per future valutazioni utili alla pianificazione chirurgica e alla configurazione della protesi. Lo studio proposto si fonda su una forte base sperimentale, essenziale per lo svolgimento delle successive analisi numeriche

Integrated experimental and numerical approach to the biomechanics of surgical meshes evaluating interaction phenomena with regard to abdominal wall repair

The research activity performed is addressed to the evaluation of the interaction phenomena between surgical meshes and native biological tissues and structures, with the aim to assess the biomechanical compatibility, which represents a mandatory factor for successful adoptions in different surgical procedures. The mechanical characterization of meshes for repairs is performed by means of an integrated experimental-numerical approach, in direct correlation with the surgical techniques. Surgical grafts can origin from different sources and they can be classified as synthetic or biological, characterized by peculiar biochemical and mechanical properties and, consequently, by different biomechanical performances. Biological grafts are derived from collagen-rich tissues and can be drawn from animal (xenografts) or human (allograft) sources, the latter are usually obtained from the fascial system. For this reason, the mechanical characterization of fascial tissues is performed, evaluating the in situ functional role in the interaction with surrounding biological structures. With the purpose to interpret fascial tissues mechanical behaviour, which is characterized by anisotropy, coupled geometric and material non-linearity and time-dependent phenomena, a specific fiber reinforced visco-hyperelastic model is provided. The constitutive parameters evaluation is performed through the minimization of a cost function that defines the discrepancy between experimental data and results from the model of the tensile tests. The optimization technique, based on the Simulated Annealing optimization algorithm, leads to the definition of the set of constitutive parameters to be adopted within the constitutive formulation and implemented in the model, with the purpose to achieve a suitable description of tissue in situ mechanical behaviour. The preliminary phase of fascial tissues performances is investigated through numerical analysis of the anterior compartment of the leg. The response in this region allow for a definition of the characteristic facial tissues behaviour and is of clinical interest in the several painful syndrome, as the compartment syndrome, also offering the possibility of several references in literature. As an example of xenograft, Permacol ™ is characterized through experimental analysis and constitutive modelling. It is derived from decellularized and cross-linked porcine skin and it is a graft commonly used in abdominal wall surgery. As far as synthetic meshes is concerned, Bard® Soft mesh is studied, as a lightweight, large pore monofilament polypropylene mesh, following the above mentioned procedure. The mechanical investigation of different kinds of surgical meshes is fundamental for the definition of the numerical model of the herniated and repaired human abdominal wall. The reconstruction of the abdominal region is based on MR images integrated with data from literature. Constitutive formulations of the different biological tissues of the anatomical region are provided. The numerical model allows the analysis of different configurations, firstly considering the healthy abdomen to assess its overall mechanical behaviour in physiological conditions. Then a hernia defect is introduced in the abdominal wall, with size and position defined in accordance with clinical evidences, virtually repaired by means of different kinds of grafts (biologic and synthetic). The purpose is to evaluate the mechanical interaction between native abdominal wall tissues and structures and surgical meshes, to assess the mechanical functional response and compatibility. The analysis allows the comparison between physiological and pathological conditions and between different kinds of meshes, by means of the estimation of the stress and strain fields within biological tissues and prosthesis. Attention is paid to the interaction at tissue-implant interface, providing a useful computational tool for the evaluation of surgical strategies in dependence on prosthesis configuration. The investigation entails a relevant experimental effort, essential for the extensive numerical analysis of the anatomical district considered, providing a result evaluation by direct correlation with surgical competences.Lo scopo della presente ricerca consiste nella valutazione dei fenomeni di interazione che si vengono a creare nell’accoppiamento di mesh chirurgiche e tessuti e strutture biologiche. La valutazione della compatibilità meccanica tra tessuti e impianto rappresenta un fattore fondamentale per il buon esito dell’intervento. In quest’ottica, risulta necessaria la caratterizzazione meccanica delle mesh chirurgiche che viene condotta attraverso un approccio numerico-sperimentale integrato, in diretta correlazione con le tecniche chirurgiche. Le mesh chirurgiche hanno differente origine e possono essere classificate come sintetiche o biologiche, caratterizzate da particolari proprietà biochimiche e meccaniche e, conseguentemente, da differenti prestazioni. Le mesh biologiche sono ricavate da tessuti ricchi di collagene e possono essere di origine animale (xenograft) o umana (allograft), queste ultime sono principalmente ottenute dal sistema fasciale. Per questo motivo i tessuti fasciali vengono caratterizzati meccanicamente, valutandone il ruolo funzionale in situ in interazione con le circostanti strutture biologiche. Uno specifico modello visco-iperelastico e fibrorinforzato viene utilizzato allo scopo di interpretare il comportamento meccanico dei tessuti biologici, caratterizzati da proprietà di anisotropia, grandi deformazioni e fenomeni dipendenti dal tempo. I parametri costitutivi vengono definiti attraverso la minimizzazione di una funzione costo che esprime la differenza tra dati sperimentali e dati numerici. La tecnica di ottimizzazione, basata sull’algoritmo di ottimizzazione del Simulated Annealing, porta all’individuazione di un set di parametri costitutivi che vengono adottati nella formulazione costitutiva, successivamente implementata nel modello numerico, allo scopo di ottenere un’adeguata descrizione del comportamento meccanico del tessuto in situ. Analisi numeriche sul compartimento anteriore della gamba vengono utilizzate per lo studio della meccanica dei tessuti fasciali di questo distretto. Il compartimento anteriore è di particolare interesse clinico a causa delle diverse patologie a carico di tale regione come, ad esempio, la sindrome compartimentale. La mesh chirurgica Permacol™ viene studiata come esempio di xenograft e caratterizzata attraverso analisi sperimentale e modellazione costitutiva. Tale mesh, comunemente utilizzata nella ricostruzione della parete addominale, è ottenuta da derma suino debitamente decellularizzato e trattato al fine di ottenere cross-links. La mesh Bard® Soft viene studiata in quanto esempio di mesh sintetica leggera in polipropilene, caratterizzata da elevata porosità. L’analisi meccanica di diversi tipi di mesh è fondamentale per la definizione del modello numerico della parete addominale erniata e virtualmente riparata. La ricostruzione della geometria della regione addominale viene effettuata attraverso immagini diagnostiche (MR) e dati di letteratura. Nel testo viene specificata la formulazione costitutiva adottata per la descrizione dei diversi tessuti componenti la regione addominale. Il modello numerico permette una prima valutazione del comportamento meccanico globale della parete addominale integra in condizioni fisiologiche. Successivamente, nel modello, viene introdotta una porta erniaria di posizione e dimensioni compatibili con le evidenze cliniche. Tale difetto viene virtualmente riparato con mesh chirurgiche caratterizzate in diverso modo (biologica e sintetica). Lo scopo consiste nella valutazione dell’interazione meccanica tra mesh chirurgiche e i tessuti biologici, considerandone la compatibilità della risposta meccanica funzionale. Le analisi numeriche permettono di valutare il comportamento della parete addominale sana con quello della parete riparata confrontando i campi di tensione e deformazione di tessuti biologici e mesh chirurgica. Il modello numerico proposto fornisce una prima valutazione degli effetti, indotti dalla presenza della protesi, sul comportamento meccanico globale della parete addominale e fornisce gli strumenti per future valutazioni utili alla pianificazione chirurgica e alla configurazione della protesi. Lo studio proposto si fonda su una forte base sperimentale, essenziale per lo svolgimento delle successive analisi numeriche

Biomechanical behavior of pericardial human tissue: A constitutive formulation

This work aims to present a constitutive model suitable to interpret the biomechanical response of human pericardial tissues. The model is consistent with the need of describing large strains, anisotropy, almost incompressibility, and timedependent effects. Attention is given to human pericardial tissue because of the increased interest in its application as a substitute in reconstructive surgery. Specific, even limited, experimental investigation has been performed on human samples taken from surgical grafts in order to verify the capability of the constitutive model in supplying a correct description of tissue mechanical response. Experimental data include uni-axial tensile tests and stress relaxation tests up to 300 s, developed along different directions of the tissue. The grafts tested show different mechanical characteristics for what concern the level of anisotropy of the tissue. The constitutive model proposed shows to adapt to the different configurations of the human pericardium grafts, as emerged by experimental data considered, and it is capable to describe the variability of the mechanical characteristics

Investigation of interaction phenomena between crural fascia and muscles by using a three-dimensional numerical model

The focus of this work is the numerical modeling of the anterior compartment of the human leg with particular attention to crural fascia. Interaction phenomena between fascia and muscles are of clinical interest to explain some pathologies, as the compartment syndrome. A first step to enhance knowledge on this topic consists in the investigation of fascia biomechanical role and its interaction with muscles in physiological conditions. A three-dimensional finite element model of the anterior compartment is developed based on anatomical data, detailing the structural conformation of crural fascia, composed of three layers, and modeling the muscles as a unique structure. Different constitutive models are implemented to describe the mechanical response of tissues. Crural fascia is modeled as a hyperelastic fiber-reinforced material, while muscle tissue via a three-element Hill's model. The numerical analysis of isotonic contraction of muscles is performed, allowing the evaluation of pressure induced within muscles and consequent stress and strain fields arising on the crural fascia. Numerical results are compared with experimental measurements of the compartment radial deformation and intracompartmental pressure during concentric contraction, to validate the model. The numerical model provides a suitable description of muscles contraction of the anterior compartment and the consequent mechanical interaction with the crural fascia

Constitutive Modeling of Time-Dependent Response of Human Plantar Aponeurosis

The attention is focused on the viscoelastic behavior of human plantar aponeurosis tissue. At this purpose, stress relaxation tests were developed on samples taken from the plantar aponeurosis of frozen adult donors with age ranging from 67 to 78 years, imposing three levels of strain in the physiological range (4%, 6%, and 8%) and observing stress decay for 240 s. A viscohyperelastic fiber-reinforced constitutive model with transverse isotropy was assumed to describe the time-dependent behavior of the aponeurotic tissue. This model is consistent with the structural conformation of the tissue where collagen fibers are mainly aligned with the proximal-distal direction. Constitutive model fitting to experimental data was made by implementing a stochastic-deterministic procedure. The stress relaxation was found close to 40%, independently of the level of strain applied. The agreement between experimental data and numerical results confirms the suitability of the constitutive model to describe the viscoelastic behaviour of the plantar aponeurosis