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Fontanella, Chiara Giulia (2012) Biomechanical analysis of heel pad tissues. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The biomechanical behaviour of the heel pad tissues, including the calcaneal fat pad and skin, is investigated by means of a combined experimental and computational approach, for the definition of numerical models of the biological structures. The constitutive models are formulated starting from the analysis of the complex micro-structural configuration of the tissues and evaluating the relationship between tissue histology and mechanical properties. A visco-hyperelastic model is formulated with regard to the calcaneal fat pad. The model takes into account the typical features of the mechanical response, such as large displacement and strain, non-linear elasticity and time-dependent effects. A fiber reinforced hyperelastic model is provided to interpret the skin mechanical response, such as anisotropic configuration, geometric non-linearity, and non-linear elasticity. In order to define the numerical models, experimental data from mechanical tests are analyzed to achieve information about the tissue mechanical response and to evaluate the constitutive parameters. The definition of constitutive parameters is performed using a specific procedure based on the comparison of experimental data and model results through a cost function. The minimisation of the cost function is performed by a stochastic-deterministic optimization algorithm, leading to the definition of the optimal set of parameters. The first step is performed by considering data from in vitro and in vivo experimental tests, in order to evaluate a preliminary set of constitutive parameters that describe the stress-strain relationship under uni-axial tests. The second step involves the analysis of an in situ test on the heel pad, with and without skin. The comparison of data from in situ tests and numerical results leads to an optimal domain of parameters which can interpret the mechanical response of real heel pad tissues. The procedure is validated by considering experimental data from additional in situ and in vivo experimental tests. The numerical models developed represent the basis for the interpretation of the physiological behaviour of the heel pad, considering the effects induced by specific loadings, and for the evaluation of the interaction phenomena between the foot and footwear

Abstract (italiano)

Lo studio del comportamento biomeccanico dei tessuti molli del retro piede, intensi come tessuto adiposo plantare e pelle, ha richiesto un approccio fortemente integrato di tipo computazionale e sperimentale. La valutazione del comportamento meccanico di tale regione è ottenuta in considerazione dell’analisi della configurazione micro strutturale dei tessuti e valutando la correlazione tra configurazione istologica e comportamento meccanico. Al fine di analizzare aspetti tipici della risposta meccanica del tessuto adiposo calcaneare, come la non linearità per geometria e materiale, e la dipendenza dal tempo è stato utilizzato un modello costitutivo di tipo visco-iperelastico. Gli aspetti tipici della risposta meccanica della pelle, ovvero la non linearità per geometria e per materiale, e la configurazione anisotropa sono stati descritti mediante la formulazione di un modello costitutivo di tipo iperelastico fibro-rinforzato. La valutazione dei parametri costitutivi ha richiesto lo sviluppo di modelli analitici e numerici capaci di interpretare le prove sperimentali considerate. I risultati di modello ed i risultati sperimentali sono stati confrontati attraverso una funzione costo, la cui minimizzazione ha portato alla definizione dei parametri oggetto dello studio. La procedura è stata conseguita in step successivi. Una prima valutazione dei parametri costitutivi è stata ottenuta considerando prove monoassiali, sviluppate su campioni dei tessuti in esame. Successivamente sono state considerate delle prove sperimentali su piede cadaverico in assenza ed in presenza della pelle. Questa analisi ha portato alla definizione di un dominio di parametri costitutivi tutti in grado di interpretare in maniera adeguata la risposta meccanica dei tessuti in esame. La procedura adottata è stata infine validata considerando ulteriori prove sperimentali in situ ed in vivo. I modelli numerici sviluppati permettono di valutare la risposta meccanica dei tessuti in condizioni fisiologiche, come ad esempio durante la camminata, nonché di valutare i fenomeni di interazione tra piede ed elementi biomedicali, come solette e calzature

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Natali, Arturo N.
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 24 > Scuole 24 > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA DELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:26 Luglio 2012
Anno di Pubblicazione:26 Luglio 2012
Parole chiave (italiano / inglese):Biological tissues mechanics, numerical modeling, constitutive formulations, computational biomechanics, visco-hyper elasticity, heel pad, foot biomechanics
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/34 Bioingegneria industriale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:5157
Depositato il:17 Mag 2013 10:02
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