Modeling of growth and fiber reorientation in soft biological tissues

  • In this work, a model for the combined simulation of growth and fiber reorientation in arterial walls is presented. It is thought to enable the approximation of residual stresses and fiber orientations in numerical simulations of patient-specific arteries based on mechanically founded assumptions. The fibers are supposed to be arranged symmetrically with respect to the tensile principal stresses. Growth is modeled by a multiplicative decomposition of the deformation gradient, where the growth tensor itself is decomposed into three parts associated to the directions of the principal stresses. The general framework includes a large number of hypothetical growth mechanisms. For their comparison and evaluation, a method based on a mechano-biologically motivated objective function is developed. A comparative study points out that purely radial growth can hardly be justified from a mechanical point of view and confirms that growth in arteries should be assumed to be anisotropic.
  • In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung von Wachstum und Faserreorientierung in Arterien vorgestellt, das auf Basis mechanisch fundierter Annahmen die Approximierung von Eigenspannungen und Faserorientierungen in numerischen Simulationen patientenspezifischer Arterien ermöglichen soll. Es wird angenommen, dass sich die Fasern bevorzugt symmetrisch bezüglich der Hauptzugspannungen anordnen. Wachstum wird anhand einer multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradienten modelliert, wobei der Wachstumstensor in drei den Hauptspannungsrichtungen zugeordnete Anteile zerlegt wird. Das allgemein formulierte Modell enthält eine Vielzahl hypothetischer Wachstumsmechanismen, für deren Vergleich und Bewertung eine Methode entwickelt wird, die auf einer mechanisch-biologisch motivierten Zielfunktion basiert. Es wird deutlich, dass reines Radialwachstum aus mechanischer Sicht kaum gerechtfertigt werden kann und dass Wachstum in Arterien als anisotrop angesehen werden sollte.

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Metadaten
Author:Anna ZahnGND
URN:urn:nbn:de:hbz:294-83032
DOI:https://doi.org/10.13154/294-8303
Series (Serial Number):Mitteilungen aus dem Institut für Mechanik (186)
Referee:Daniel BalzaniORCiDGND, Jörg SchröderGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/09/27
Date of first Publication:2021/09/27
Publishing Institution:Ruhr-Universität Bochum, Universitätsbibliothek
Granting Institution:Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
Date of final exam:2021/05/19
Creating Corporation:Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
GND-Keyword:Biomechanik; Arterie; Anpassung; Eigenspannung; Wachstum
Institutes/Facilities:Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften, Maschinenbau
faculties:Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Creative Commons Lizenz - es gelten der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht